曹恩豐

基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的除PM2.5裝置

曹恩豐

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

目前，PM2.5污染仍是生活中的一個(gè)大問題，目前中國(guó)去除PM2.5的技術(shù)還存在一些不足，低成本、高效率的除塵方式是去除PM2.5的發(fā)展趨勢(shì)?；谶^飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款噴射裝置，搭載在無人機(jī)上，通過無人機(jī)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)去除PM2.5的效果。此方法效果好、成本低，且無二次污染，以期為中國(guó)更好地解決PM2.5污染這個(gè)問題提供一定的指導(dǎo)。

PM2.5；過飽和蒸汽變相凝結(jié)；除塵；無人機(jī)

1 PM2.5的危害

1.1 對(duì)環(huán)境的危害

PM2.5對(duì)光的散射效應(yīng)是能見度降低的最主要因素。能見度降低會(huì)導(dǎo)致航班延誤、交通事故增多、人們出行不便等。

1.2 對(duì)人體的危害

細(xì)顆粒物在人體中的沉積能夠引發(fā)多種疾病，如心血管疾病、急性呼吸系統(tǒng)疾病和慢性呼吸系統(tǒng)疾病。

2 中國(guó)中國(guó)目前除塵技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 電袋復(fù)合技術(shù)

這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)體積小、耗材少、除塵效率高（可達(dá)87%）；缺點(diǎn)是履袋的保護(hù)及需要頻繁清灰。

2.2 靜電除塵技術(shù)

該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是快捷方便，中國(guó)對(duì)靜電除塵的研究已經(jīng)成熟，缺點(diǎn)是對(duì)PM2.5去除效率低、能耗大，并且很可能因?yàn)槎渭?xì)顆粒物的產(chǎn)生，導(dǎo)致二次污染。

3 過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

處于過飽和狀態(tài)的蒸汽極不穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)凝結(jié)核，部分蒸汽就會(huì)凝結(jié)成液體，其余蒸汽回到飽和蒸汽的狀態(tài)。由于蒸汽周圍充滿了塵埃和雜質(zhì)等小微粒，起著凝結(jié)核的作用，當(dāng)這些微利表面凝上一層液體后，便形成半徑相當(dāng)大的液滴，凝結(jié)就容易發(fā)生。

3.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

聚沉效果好，可使PM2.5與飽和蒸汽凝結(jié)，形成較大直徑的液滴，與液滴一同降落；成本低，只需簡(jiǎn)單的加熱與相變冷卻裝置即可實(shí)現(xiàn)過飽和水汽環(huán)境的搭載；聚沉效率高，除塵效率經(jīng)研究表明能達(dá)到98%，除塵對(duì)環(huán)境無二次污染。

4 基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的裝置

4.1 多分散細(xì)小微粒在過飽和蒸汽環(huán)境中的凝結(jié)團(tuán)聚效果

4.1.1 蒸汽飽和度對(duì)顆粒粒徑分布的影響

飽和度對(duì)顆粒粒徑分布的影響如圖1所示。

圖1 飽和度對(duì)顆粒粒徑分布的影響

由圖1可知，飽和度為1.05，1.10，1.15，1.20時(shí)，數(shù)密度峰值所對(duì)應(yīng)的峰值為1.88 μm、2.71 μm、3.35 μm、3.89 μm。由此可得在較高的飽和度之下，粒子相變后的顆粒粒度與質(zhì)量均增大，更易受慣性作用被捕集。

4.1.2 溫度對(duì)顆粒粒徑的影響

溫度對(duì)顆粒粒徑的影響如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)顆粒粒徑的影響

氣相溫度越高，相變凝結(jié)增長(zhǎng)后顆粒的粒徑越大，溫度越高，蒸汽分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，并且相同飽和度下，所能容納的蒸汽量也越多，將有更多的蒸汽分子在顆粒表面凝聚為液滴，促進(jìn)顆粒更快速地增長(zhǎng)。

4.2 電子系統(tǒng)組成

無人機(jī)的電子系統(tǒng)主要有STM32F103（MCU）、MPU6050（6軸傳感器）、NRF24L01（2.4G遙控系統(tǒng)）。

4.3 無人機(jī)控制

四旋翼無人機(jī)機(jī)體呈“+”狀，并且軸對(duì)稱，由四個(gè)小旋翼組成，每個(gè)小旋翼由單獨(dú)的電機(jī)帶動(dòng)，四個(gè)電機(jī)編號(hào)分別為1，2，3，4。四旋翼無人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制如表1所示。

表1 四旋翼無人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制

狀態(tài)旋翼1旋翼2旋翼3旋翼4 豎直（上）增加增加增加增加 豎直（下）降低降低降低降低 滾轉(zhuǎn)保持增加保持降低 俯仰降低增加降低增加

無人機(jī)下方攜帶過飽和蒸汽噴發(fā)裝置，在指定區(qū)域按照從內(nèi)到外、呈圓心狀的軌跡飛行，保證PM2.5的聚沉能夠均勻、無漏洞式除塵。

4.4 過飽和蒸汽形成與噴發(fā)

4.4.1 連接步驟及裝置布置

噴發(fā)裝置如圖3所示。

1—?dú)んw；2—霧化腔體；3—飽和溶液箱；4—小型水泵；5—噴霧頭；6—單向閥；7—PCB控制板；8—筒狀加熱裝置；9—噴氣嘴；10—電源線；11—微型風(fēng)扇；71—控制板開關(guān)；

殼體1內(nèi)部設(shè)有霧化腔體2，霧化腔體2上部開口處套有筒狀加熱裝置8，筒狀加熱裝置8上端連有噴氣嘴9，噴氣嘴9在殼體1處設(shè)有出霧口101。霧化腔體2底部連接有飽和溶液箱3，飽和溶液箱3右側(cè)設(shè)有水泵4。水泵4通過水管與所述飽和溶液箱3右上部連通。噴霧頭5一端插入所述霧化腔體2內(nèi)部，噴霧頭5一端插入在包和榮箱的3的左上部，噴霧頭5下方設(shè)有單向閥6，殼體1右側(cè)底部設(shè)有電源線10。PCB控制板7與所述電源線10，筒狀加熱裝置8電連接。微型風(fēng)扇11在霧化腔體2底部，PCB控制板7與微型風(fēng)扇11電連接。

4.4.2 環(huán)境構(gòu)建及裝置噴發(fā)

當(dāng)飽和霧氣溫度達(dá)到50 ℃，濕度達(dá)到90%時(shí)，飽和度為1.5，在可行條件下可以最大程度地吸附PM2.5。利用PCB板將加熱筒中的溫度調(diào)至50 ℃。用水泵抽取飽和溶液箱中的溶液至加熱筒中，處于加熱狀態(tài)。開啟風(fēng)扇，通過噴霧嘴將飽和蒸汽噴出。細(xì)小塵埃在過飽和蒸汽中迅速與周圍大量塵埃聚集在一起，變成粒徑較大的液滴降落。

4.5 安全設(shè)計(jì)

無人機(jī)采用紅外線識(shí)別模塊，用以檢測(cè)周圍的障礙物與人，防止高溫蒸汽噴到人體身上，威脅人身安全。熱管周圍采用耐高溫材料聚四氟乙烯（PTFE）保護(hù)，它具有耐高溫和絕緣的特性，可以防止由于加熱裝置溫度過高或漏電對(duì)人造成傷害。

5 結(jié)束語

本研究針對(duì)現(xiàn)有的除PM2.5技術(shù)的一些不足，研制了一種基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的去除PM2.5裝置，它的聚沉效果好、聚沉效率高、成本低，除塵對(duì)環(huán)境無二次污染，適合區(qū)域性地使用，因?yàn)闊o人機(jī)飛行距離和裝置耗能的問題，并不適合大范圍使用，但對(duì)于更好地去除PM2.5提供了一個(gè)重要參考。

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X513

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.045

2095－6835（2019）13－0107－02

〔編輯：張思楠〕