陳全雷，葛美周，蔣玲雁

（1.中車四方車輛有限公司，山東青島 266111；2.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

人們?cè)诔俗F路車輛時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于車內(nèi)封閉狀態(tài)，由于車內(nèi)通風(fēng)條件的制約及車內(nèi)使用材料的污染，車內(nèi)殘留的總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）往往會(huì)影響乘客乘坐的舒適性，甚至對(duì)其呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。這類物質(zhì)包括芳香族化合物、醇類化合物、鹵代烴等，其中苯、甲苯和二甲苯被認(rèn)為是具有代表性的有毒室內(nèi)空氣污染物，而墻板、PVC地板、膠粘劑、清洗劑和油漆是車內(nèi)空氣揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的主要來(lái)源。因此，提升列車車輛內(nèi)部的空氣質(zhì)量，盡快去除其中有害的VOCs，成為急需解決的問題。本文利用紫外線（UV）光解技術(shù)結(jié)合催化氧化技術(shù)開發(fā)出一種室內(nèi)空氣凈化設(shè)備，其具有反應(yīng)條件溫和、室溫下實(shí)現(xiàn)VOCs深度氧化、無(wú)選擇性、對(duì)多種VOCs均有效（特別是處理室內(nèi)低濃度的VOCs）等特點(diǎn)。

1 VOCs凈化原理

紫外燈激發(fā)產(chǎn)生臭氧（O3）的原理：首先紫外燈放射出不同波長(zhǎng)的紫外光，當(dāng)對(duì)應(yīng)的光子能量大于有機(jī)物的鍵能時(shí)，可打斷其化學(xué)鍵直接光解VOCs；然后該段波長(zhǎng)的紫外光可以激發(fā)空氣中的氧氣產(chǎn)出活性氧等物質(zhì)，其與氧氣結(jié)合形成臭氧，這些具有強(qiáng)氧化性的物質(zhì)也可以徹底降解有機(jī)物，從而提高礦化率，達(dá)到氧化VOCs的目的；最后紫外光激發(fā)的活性氧自由基與水分子反應(yīng)后生成羥基自由基（? OH）或過氧羥基（HO2?）等活性基團(tuán)，這類具有強(qiáng)氧化性的自由基也可以與VOCs反應(yīng)達(dá)到降解的目的。但臭氧也是一種污染物質(zhì)，在功率選擇不當(dāng)或者氣體中的VOCs量變化控制不當(dāng)?shù)那闆r下，紫外光解產(chǎn)生的多余臭氧會(huì)造成空氣污染。

空氣凈化中常采用活性炭等吸附方法，存在著吸附飽和、更換吸附劑的問題，本文通過在吸附劑（活性炭、氧化鋁或二氧化鈦等）上負(fù)載催化劑活性組分，采用開發(fā)制備的常溫氧化催化劑能夠降低氧化降解反應(yīng)的活化能，在常溫條件下利用氧化劑在催化劑上將VOCs轉(zhuǎn)化成小分子。由于吸附在催化劑上的物質(zhì)能夠得到及時(shí)的分解，吸附飽和的問題得以解決；臭氧隨時(shí)都在降解活性炭上的有機(jī)物，并且能夠進(jìn)一步提高對(duì)有機(jī)物的去除效率，把負(fù)載催化劑的活性炭提高到合適的厚度，保證出口不會(huì)出現(xiàn)臭氧。將紫外光解聯(lián)合臭氧催化凈化空氣裝置應(yīng)用到實(shí)際空氣凈化中，真正實(shí)現(xiàn)了過濾、消毒、降解三重功效為一體的空氣凈化。

2 VOCs凈化設(shè)備研制

2.1 工作原理

VOCs凈化設(shè)備主要由自由基發(fā)生裝置與常溫催化氧化裝置組成，如圖1所示。自由基發(fā)生裝置具有3個(gè)作用：①利用高能射線（如紫外光）光束分解空氣中的氧分子產(chǎn)生游離氧，即活性氧，因游離氧所攜正負(fù)電子不平衡，因此需與氧分子結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的臭氧；②利用紫外光裂解有機(jī)廢氣大分子的分子鍵，直接對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行分解處理；③紫外光還具有殺菌和除異味的作用。但是紫外光及其產(chǎn)生的O3對(duì)室內(nèi)VOCs的處理效果較差，難以達(dá)到室內(nèi)空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此通過自由基發(fā)生裝置后的含VOCs空氣和O3再一起進(jìn)入常溫催化氧化裝置反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。常溫催化氧化裝置內(nèi)裝有可在常溫下催化處理多組分VOCs的催化劑，這種催化劑具備獨(dú)特的空隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，能將VOCs和O3吸附在該催化劑表面進(jìn)行催化反應(yīng)，催化氧化性能顯著提高。

2.2 結(jié)構(gòu)及風(fēng)道設(shè)計(jì)

該VOCs凈化設(shè)備采用KJ800Q-B01型單體結(jié)構(gòu)，由離心風(fēng)機(jī)、過濾層（包括初級(jí)、二級(jí)和三級(jí)）、紫外臭氧發(fā)生器、常溫催化氧化裝置等構(gòu)成，其中紫外臭氧發(fā)生器和常溫催化氧化裝置是重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)示意圖和模型如圖 2所示，基本參數(shù)如表1所示。

空氣首先在離心風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過初級(jí)過濾層，其中的可吸入顆粒物雜質(zhì)、灰塵等被過濾掉；然后進(jìn)入到紫外臭氧發(fā)生器，再經(jīng)過二級(jí)過濾層進(jìn)入常溫催化氧化裝置，此時(shí)其中的VOCs組分被氧化降解；最后通過三級(jí)過濾層以及納米銀殺菌薄膜進(jìn)行殺菌處理，得到凈化。該凈化設(shè)備采用過濾層、紫外光解和常溫催化氧化方式的結(jié)合，不僅可以有效提高凈化效率，還可延長(zhǎng)紫外燈和催化反應(yīng)組件的使用壽命。

圖1 VOCs凈化設(shè)備工作原理

圖2 KJ800Q-B01型VOCs凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖和模型

表1 KJ800Q-B01型VOCs凈化設(shè)備基本參數(shù)

3 凈化效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證VOCs凈化設(shè)備的應(yīng)用效果，研究人員對(duì)未出廠的25K型硬臥車廂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)凈化測(cè)試試驗(yàn)。

3.1 凈化效果測(cè)試

該硬臥車廂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)凈化測(cè)試試驗(yàn)過程如下。

（1）參照TB/T 3139-2006《機(jī)車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》檢測(cè)布點(diǎn)的要求，在車廂兩端（1位端、2位端）分別確定采樣點(diǎn)的位置和高度。

（2）按照檢測(cè)要求，將凈化設(shè)備安放在硬臥車廂中部，硬臥車廂門窗密閉，在凈化設(shè)備不運(yùn)行的情況下，首先對(duì)硬臥車廂兩端的VOCs濃度進(jìn)行原始濃度檢測(cè)。

（3）接通電源，凈化設(shè)備開始運(yùn)行。每隔30 min檢測(cè)并記錄各采樣點(diǎn)的VOCs濃度，并計(jì)算其VOCs去除率；同時(shí)，記錄凈化設(shè)備上顯示屏的顯示記錄，包括進(jìn)出口VOCs濃度以及現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度。

圖3 硬臥車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)（中部放置VOCs凈化設(shè)備）

檢測(cè)儀器除凈化設(shè)備上自帶的VOCs檢測(cè)儀（顯示屏顯示）外，VOCs濃度檢測(cè)采用便攜式VOC檢測(cè)儀（ppbRAE3000），臭氧濃度檢測(cè)采用泵吸式臭氧檢測(cè)儀（SKY2000-O3）。

試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)是凈化設(shè)備運(yùn)行前后整個(gè)硬臥車廂內(nèi)的VOCs濃度，經(jīng)過計(jì)算得出凈化設(shè)備對(duì)VOCs的去除率。計(jì)算公式如下：

式（1）中，η為VOCs去除率；Ct為設(shè)備運(yùn)行t時(shí)車廂內(nèi)的VOCs濃度；C0為凈化設(shè)備啟動(dòng)前硬臥車廂內(nèi)的初始VOCs濃度。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

本次試驗(yàn)所用列車車輛由于內(nèi)部裝修完成時(shí)間比較短，車內(nèi)VOCs濃度比較高，試驗(yàn)開始前測(cè)量的濃度在10～14 mg/m3之間，設(shè)備運(yùn)行30 min后，濃度從10 mg/m3以上迅速下降至2～4 mg/m3，運(yùn)行時(shí)車廂內(nèi)的VOCs仍持續(xù)釋放。本次測(cè)試試驗(yàn)考察了紫外燈功率、紫外燈管排布位置、入口風(fēng)量等操作參數(shù)對(duì)VOCs去除效果的影響，具體結(jié)果如下。

3.2.1 紫外燈功率對(duì) VOCs凈化效果的影響

在最大風(fēng)量為900 m3/h、其他條件相同的工況下，測(cè)試紫外燈功率P對(duì)凈化設(shè)備處理整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響，如圖4所示。由圖可知，在相同的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，隨著紫外燈功率的增加，整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs去除率略有升高。紫外燈功率P在150～600 W之間變化時(shí)，設(shè)備運(yùn)行180 min后VOCs去除率從74.66%增加至83.66%，整個(gè)客室提升了近9%。這是由于紫外燈功率增加，光照強(qiáng)度增加，相應(yīng)的光解效率也得以提高；同時(shí)，在同一入口風(fēng)量下，產(chǎn)生的光子數(shù)增多，臭氧的產(chǎn)量也隨之增加，其宏觀表現(xiàn)是帶來(lái)更高的去除率，兩者的協(xié)同作用促進(jìn)了總?cè)コ实奶岣摺?/p>

圖4 紫外燈功率P 對(duì)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響

3.2.2 入口風(fēng)量對(duì) VOCs凈化效果的影響

在紫外燈全開、其他條件不變的工況下，測(cè)試入口風(fēng)量Q對(duì)凈化設(shè)備處理整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響，如圖5所示。由圖可知，整個(gè)硬臥客室1位端和2位端VOCs濃度隨凈化設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，曲線呈下降趨勢(shì)，而VOCs去除率曲線呈上升趨勢(shì)。隨著入口風(fēng)量的增加，整個(gè)客室內(nèi)VOCs的去除率也遞增。入口風(fēng)量從400 m3/h增加至900 m3/h，客室內(nèi)VOCs的去除率提高了16%左右。其原因是：隨著入口風(fēng)量的增加，密閉客室內(nèi)空氣置換次數(shù)增多，相同設(shè)備運(yùn)行時(shí)間內(nèi)能夠處理的空氣量也增多，所以凈化效果有所提升。

圖5 入口風(fēng)量對(duì)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響

3.2.3 紫外燈排布位置對(duì) VOCs凈化效果的影響

在凈化設(shè)備入口風(fēng)量為900 m3/h的條件下，研究紫外燈功率相同但燈管位置不同時(shí)，凈化設(shè)備對(duì)整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs的凈化效果。本文分別測(cè)試了150 W、300 W、450 W 3種紫外燈在最大風(fēng)量為900 m3/h、其他條件不變工況下的功率情況。凈化設(shè)備內(nèi)紫外燈箱內(nèi)部排布如圖6所示，3個(gè)開關(guān)（SWITCH1、SWITCH2、SWITCH3）分別控制3組紫外燈。不同紫外燈的功率組合和排布位置如表2所示。

圖6 凈化設(shè)備內(nèi)紫外燈箱內(nèi)部排布

表2 不同紫外燈的功率組合和排布位置

（1）當(dāng)紫外燈功率為150 W時(shí)，不同排布位置（第1組和第2組）的紫外燈對(duì)凈化設(shè)備處理整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs效果的影響如圖7所示。由圖可知，隨凈化設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs的濃度逐漸減小，曲線呈下降趨勢(shì)；而VOCs去除率隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，且第2組（中部位置）比第1組（頂部位置）略高。在凈化設(shè)備運(yùn)行180 min后，兩者對(duì)整個(gè)客室VOCs的去除率分別達(dá)74.66%和75.48%。其原因是：在相同風(fēng)量、紫外燈功率一致的條件下，紫外燈管需要預(yù)熱，中間位置的燈管比兩端口位置產(chǎn)生的臭氧量多，紫外光氧化階段的去除率升高，催化臭氧氧化階段的去除率也升高，二者協(xié)同使VOCs總的去除率提高。

圖7 紫外燈排布位置對(duì)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響（功率為150 W）

（2）當(dāng)紫外燈功率為300 W時(shí)，不同排布位置（第1+2組和第3組）的紫外燈對(duì)凈化設(shè)備處理整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs效果的影響如圖8所示。由圖可知，客室 1位端和2位端VOCs的濃度隨凈化設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，曲線呈下降趨勢(shì)，而VOCs的去除率隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，且第1+2組（近紫外燈箱出氣口）比第3組（遠(yuǎn)離紫外燈箱出氣口）的去除率略有上升。在凈化設(shè)備運(yùn)行180 min后，兩者對(duì)整個(gè)客室VOCs的去除率分別達(dá)78.66%和76.54%。

（3）當(dāng)紫外燈功率為450 W時(shí)，不同排布位置（第1+3組和第2+3組）的紫外燈對(duì)凈化設(shè)備處理整個(gè)硬臥客室內(nèi)VOCs效果的影響如圖9所示。由圖可知，客室1位端和2位端VOCs的濃度隨凈化設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，而去除率呈上升趨勢(shì)，且第2+3組比第1+3組略有上升。在凈化設(shè)備運(yùn)行180 min后，兩者對(duì)整個(gè)客室VOCs的去除率分別達(dá)78.72%和79.40%。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 紫外燈排布位置對(duì)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響（功率為300 W）

圖9 紫外燈排布位置對(duì)硬臥客室內(nèi)VOCs凈化效果的影響（功率為450 W）

本文針對(duì)列車車內(nèi)殘留VOCs引起的車內(nèi)空氣質(zhì)量問題，利用紫外光解聯(lián)合常溫催化氧化技術(shù)原理，研制了KJ800Q-B01型單體式VOCs凈化設(shè)備，并用其對(duì)未出廠的25K型硬臥車廂內(nèi)部的VOCs進(jìn)行了凈化試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試分別考察了凈化設(shè)備的入口風(fēng)量、紫外燈功率以及紫外燈位置等因素對(duì)凈化效果的影響規(guī)律，結(jié)果表明：該凈化設(shè)備對(duì)整個(gè)硬臥客室VOCs的去除率隨著紫外燈功率、入口風(fēng)量的增加呈上升趨勢(shì)，而紫外燈越靠近燈箱出氣口，對(duì)整個(gè)硬臥客室VOCs的去除率越高。該凈化設(shè)備在運(yùn)行180 min后對(duì)硬臥客室VOCs的去除率可以達(dá)到80%以上，同時(shí)對(duì)出口空氣的臭氧含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沒有測(cè)到臭氧溢出，因此能夠避免臭氧的二次污染。另外，該凈化裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)便利，同樣可用于辦公場(chǎng)所等的空氣凈化。