■趙丹丹，高 煜，蔡莊紅，趙開樓，趙凱航，郭豐愷 Zhao Dandan & Gao Yu & Cai Zhuanghong & Zhao Kailou & Zhao Kaihang & Guo Fengkai

(1.河南應用技術職業(yè)學院，河南鄭州 450042；2.河南工業(yè)大學，河南鄭州 450001）

“十四五”明確指出：室內空氣凈化將進一步向專業(yè)化發(fā)展，我國政府把環(huán)境保護作為調結構惠民生的重要抓手，將加大力度推進經濟發(fā)展的綠色轉型[1-2]。由于現階段的室內甲醛凈化技術及裝置的發(fā)展迅猛，吸引了國內外眾多科研院所和各大企業(yè)在相關領域展開深入的研究，各種類型的室內甲醛凈化裝置層出不窮，成為化學工程學科發(fā)展的一個新突破點，而且隨著環(huán)境問題的不斷惡化，傳統(tǒng)光觸媒只有在紫外線環(huán)境下才能起到凈化作用，又考慮到其他室內甲醛單一處理方法的局限性，存在處理量小，凈化效率低等問題，人們對可循環(huán)處理的室內甲醛凈化裝置出現了爆發(fā)性的需求[3]。因此，開發(fā)一個能完全滿足人們需要，高效凈化甲醛，不存在二次污染，操作簡單，易于維護，價格低，處理能力強，能耗低的可循環(huán)的室內甲醛凈化裝置勢在必行[4-5]。

1 裝置的結構設計及凈化效果測試

1.1 裝置的整體設計

■圖1 可循環(huán)處理的室內甲醛凈化裝置的設計原理圖

■圖2 為此裝置正和背面的零部件展示圖

以微纖維與活性炭吸附技術、HEPA、光觸媒技術、熱質交換理論為基礎，植入動態(tài)電氣集塵技術，提高過濾材料容塵量，避免脫附，以延長過濾耗材的壽命，設計一種新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置。該裝置包括機體，機體頂端設置有封蓋，機體左端開設有進風口，進風口左端安裝有防塵網，右端安裝有進風扇，機體內部從左往右依次設置有光觸媒過濾機構、活性炭過濾網、微纖維過濾網和HEPA過濾網，HEPA過濾網右側的機體底端開設有通孔，通孔頂端安裝有引風扇，通孔底端連接有引風管，機體底端設置有水箱，引風管連接在水箱上，水箱內部填充有一定量的吸收液，水箱左端開設有出風口，出風口左端安裝有排風扇。為了確保這個裝置能夠正常的運行以及對可行性的驗證，我們先設計了本裝置的設計原理圖（圖1）。

為了更清楚地表明設計思路或對產品進行預評估，理解物體的結構與造型,便于更準確地實現裝置的設計，我們設計了可循環(huán)處理的室內甲醛凈化裝置的3D效果圖（圖2），比平面方式制作的效果圖更真實、更合理、更準確。

在上述設計原理圖和3D效果圖基礎上，制造了室內甲醛凈化裝置，其效果圖如圖3所示[6]。

1.2 甲醛凈化效果測試

搭建甲醛光觸媒凈化實驗平臺，進行凈化裝置的甲醛凈化效果測試，利用所設計的新型室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置，選取甲醛污染物初始濃度、N重濾網、最佳光觸媒的負載厚度以及有無紫外光源多種因素進行影響因素正交實驗，確定凈化裝置的最佳運行工況，在此工況下分析新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置的最佳降解效果與關鍵技術[7]。

本實驗測試平臺（圖3）主要有甲醛環(huán)境系統(tǒng)（圖4中1、2所示）、甲醛凈化系統(tǒng)（圖4中3所示）、甲醛檢測與環(huán)境檢測系統(tǒng)（圖4中6、7、8、9所示）、尾氣處理系統(tǒng)（圖4中4、5所示 ）四部分組成。

1.2.1 新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置優(yōu)化

優(yōu)化凈化裝置氣流組織形式，降低凈化裝置的阻力，實現凈化裝置的低阻、高效、長壽命設計，對新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置設計原則進行研究，從裝置的從屬性、技術先進性、甲醛吸附性分析研究，得出適合于裝置的使用方式和產品形態(tài)特征。

1.2.2 吸收劑的選擇

目的：進一步提高吸收劑的除醛效率。

方法：改變吸收劑的種類并通過實驗探究水、白吉安茶、甲醛清除劑等吸收劑對甲醛的吸收效果[8]。

方案：設置模擬封閉空間中甲醛初始含量為5mg/m3，采用研制的甲醛凈化裝置進行處理。每間隔10分鐘抽取樣品檢測一次，通過連續(xù)測量封閉室內甲醛濃度的值，對比各吸收劑的甲醛凈化效果，從而選出最佳的吸收劑[9]。

結果：實驗結果如圖5所示。水作為吸收劑時，凈化效率逐步提升，在80分鐘時趨于平緩達到了最大凈化效率87%。安吉白茶凈化效果整體較差，不如水作為吸收劑。甲醛清除劑的凈化效率與水相似，但作用時間較長，綜合考慮下用水做吸收劑，可以達到快捷清除甲醛的目的[10]。

1.2.3 光觸媒激發(fā)光源的選擇

目的: 提高光觸媒對甲醛的降解效率。

方法: 分別用黑光燈、日光燈、紫光燈作為激發(fā)光源照射裝置載體上的光觸媒，測試激發(fā)光源種類對光觸媒光催化性能的影響。

方案：以5mg/m3作為封閉室內甲醛初始濃度，在封閉室內對同樣面積的光觸媒過濾網采用三種不同光源作為激發(fā)光源，進行對照試驗。除激發(fā)光源種類不一致，光照強度及其他因素均相同。開啟光源開始計時，每隔1h檢測一次室內甲醛濃度[11]。

結果：結果如圖6所示。紫外燈對甲醛的降解效果好于黑光燈及日光燈，凈化效率最高可到達88%，黑光燈的凈化效率最高可達81%，日光燈的凈化效率偏低為67%。故選用紫外燈作為照射光源[12]。

1.2.4 激發(fā)光源光照強度的選取

目的：通過采用不同的光照強度提高光觸媒的凈化效率。

方法：分別用30 W×2和60 W×2的紫光燈作為激發(fā)光源，排除一切其他外界干擾，以觀察光照強度對甲醛凈化效率的影響。

■圖3 為此裝置實物展示圖

■圖4 室內甲醛凈化實驗測試平臺原理圖

方案：以模擬封閉空間中甲醛初始含量為5 mg/m3進行實驗,分別以30 W×2 和60 W×2 兩組進行實驗,每小時檢測一次甲醛濃度。

結果：實驗結果如圖7所示。30w和60w兩組甲醛的降解率分別為60%和 78%，光照9h后，兩者的凈化率非常接近。因此可以得出通過提高光照強度和延長光照時間,來提高對甲醛的凈化效果。

1.2.5 裝置的綜合性能測試

在密閉的室內進行甲醛凈化裝置實物模型的凈化效果測試，設置室內的甲醛初始濃度為5mg/m3，每隔10分鐘檢測一次室內甲醛濃度，整理數據得出裝置的凈化效果圖，所得結果如圖8所示。數據顯示，前30分鐘時，隨著裝置運行時間的增長，室內的中的甲醛含量急劇降低。30分鐘時甲醛含量已經低于0.1mg/m3，達到國家室內甲醛容許排放標準（中華人民共和國國家標準規(guī)定，居住環(huán)境內的甲醛濃度最高不許超過0.1mg/m3），此時的甲醛凈化效率接近86%[13]。30分鐘之后，凈化效果曲線逐漸平緩，在60分鐘時甲醛含量低于0.06 mg/m3，甲醛凈化效率最高為99.4%。

2 創(chuàng)新點

本研究開發(fā)出可循環(huán)處理的室內甲醛凈化裝置，經實驗與應用，得出如下結論：

（1）室溫持續(xù)高效的甲醛凈化，無二次污染

采用冷凍干燥技術，將粉末狀的光催化材料制備成海綿狀材料，不僅有利于粉末狀光催化材料的回收，還能提高光催化材料的利用率。同時采用自制新型鉑鈦型整體式催化劑，無需紫外線光照，即可在室溫持續(xù)高效降解甲醛，無二次污染。

（2）協同凈化甲醛，可循環(huán)治理

植入動態(tài)電氣集塵技術，采用了光觸媒技術和其他過濾技術（活性炭、微纖維和HEPA）等N層過濾結構聯合處理技術相結合，具有很強的活性，不僅除甲醛，還能過濾多種有害物質（粉塵、毛發(fā)、二手煙、流感病毒），并具備了清新空氣的附加功能，適于改善居室內部空氣的長期使用。

（3）整體結構簡單，易于實現，拆卸方便，維護難度低

封蓋與機體為可拆卸連接，當需要對過濾網進行更換時，通過把手提起封蓋，帶動過濾網從機體中滑出，更換完成之后，將滑條與滑槽對準，再將封蓋與機體合起即可；防塵網采用磁吸的方式固定在機體上，拆卸方便，便于維護清洗。該裝置工藝流程短、整體結構簡單、投入成本較少，采用了光觸媒技術和其他過濾技術相結合，凈化效率高，不產生二次污染。

3 裝置應用情況

甲醛凈化裝置的優(yōu)勢，研制一種新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置并制作出樣機，提升高職院校技能操作與相關理論相結合，讓學生充分積極地參與到本項目中，在拓展教學空間的同時，更加拓寬學生的實踐領域，避免了畢業(yè)生實際掌握的知識技能與企業(yè)需求存在?脫節(jié)現象，有利于學生就業(yè)后更好地適應現代車間崗位的實際工作需求。基于甲醛處理裝置的設計研究，本團隊申報了關于處理甲醛的發(fā)明專利2項和實用新型專利1項。曾獲得“挑戰(zhàn)杯”河南省大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽活動特等獎1項，河南省“互聯網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎1項、二等獎1項和全國職業(yè)院校高分子材料“互聯網＋”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎1項。

4 結語

該裝置將光觸媒與其它過濾技術相結合，進一步提高空氣凈化器的凈化效率，處理過程環(huán)境友好且能耗低、處理過程可控、處置過程安全、處理成本低廉，符合國家產業(yè)政策。此裝置不僅適用于剛對房子進行過裝修的人群，而且可應用在辦公場所、商場、餐廳、酒店、學校、醫(yī)院等流動人員集中地場所。因此，新型的室內甲醛可循環(huán)協同凈化裝置不僅保障室內空氣質量，緩解了環(huán)保的壓力，并且提高了人們居家的舒適度，對預防、控制甲醛造成的人體健康危害具有重要的理論價值和社會意義。

■圖5 不同吸收劑的甲醛吸收效果

■圖6 不同光源對光觸媒凈化甲醛的效果

■圖7 不同光照強度對光觸媒凈化甲醛的效果

■圖8 甲醛凈化裝置的凈化效果