齊一衡,俞 健,張亞非

基于水表面粘附作用的新型空氣凈化系統(tǒng)

齊一衡,俞 健,張亞非*

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院;薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點實驗室, 上海 201100

空氣污染已經(jīng)成為當(dāng)今社會的嚴(yán)重問題,為了有效解決這個問題，人們提出了多種解決方案，其中空氣凈化器則是最常用的手段。如今用于應(yīng)對空氣污染的空氣凈化器的品種繁多，但它們都不善于自動更換其中所吸附的污染物或者過濾媒介，滯留污染物而引入新的污染因素，一般難以有效凈化空氣中比PM2.5更小的污染物。針對以上缺點，本文提出了一種以水作為媒介的空氣凈化方法--水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)。作為一種高效率低能耗的新型空氣凈化系統(tǒng)，其能夠快速凈化室內(nèi)空氣，改善生活環(huán)境。水表面粘附空氣凈化系統(tǒng)是一種基于水表面對空氣中污染物的粘附作用的空氣凈化系統(tǒng)，其主要對水表面粘附空氣凈化系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計和空氣凈化效果進(jìn)行了介紹，測試了水表面附空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的吸收效果，并針對系統(tǒng)的節(jié)水性能進(jìn)行了重點優(yōu)化。其顯著特點是能夠凈化常見的絕大部分空氣污染物，并可以及時、自動地更換因吸附積蓄的污染物過多而渾濁度過高的水媒介。

粘附作用; 空氣凈化系統(tǒng)

空氣污染已經(jīng)成為當(dāng)今社會的嚴(yán)重問題，身處污染中的居民，越來越需要一套功能優(yōu)越的凈化空氣裝置[1,2]。汽車尾氣、工業(yè)排放、裝修污染等是導(dǎo)致空氣污染的主要因素，其中已知的污染物包括氮氧化物、硫氧化物、氨氣、甲醛、一氧化碳等有毒有害氣體和粉塵、PM2.5等可吸入微粒。

為了有效解決這個問題，人們提出了多種解決方案，其中空氣凈化器則是最常用的手段。目前，利用過濾網(wǎng)或者活性炭[3]等作為媒介的空氣凈化裝置，在實驗室、賓館、病院以及重污染區(qū)已被廣泛應(yīng)用[4]。這些空氣凈化裝置能夠在一定程度上減少空氣污染，從凈化機(jī)理的角度分類，其主要包括以下四種類型：過濾、物理吸附、等離子體分解[5]、化學(xué)吸收。但是目前的市售空氣凈化裝置存在顯著的不足。PM2.5等微小的顆?？梢栽竭^過濾網(wǎng)侵入人體肺部造成傷害，而且過濾網(wǎng)上滯留的污染物還容易滋生細(xì)菌；需要人工更換凈化媒介的空氣凈化器不符合現(xiàn)代家居的自動化理念，對于中老年用戶來說更是一種負(fù)擔(dān)。

空氣中的PM2.5等不溶于水的微粒能夠被江河湖海凈化是因為有巨大的水表面與空氣接觸，并形成對流。過于接近的水分子和PM2.5等微粒間存在相互吸引的作用，即范德華力。由于分子間存在范德華力，微?？梢员晃降剿谋砻鎻亩怀两?。如果能人為地制造出大面積水平面，就能有效吸收PM2.5[5,6]。

本文設(shè)計了一種能自動換水、不引入新的污染物的新型水表面黏附空氣凈化系統(tǒng)，測試了該系統(tǒng)對PM2.5等污染物的吸收效果。

1 實驗

水的表面與空氣形成對流才能更有效地吸收，因此需要引入風(fēng)力系統(tǒng)。但是引入風(fēng)力系統(tǒng)無疑會使成本加大。由于運動的相對性，讓空氣流動或者制造流動的水平面效果是一樣的。這套表面粘附系統(tǒng)利用水膜涂覆器，在玻璃板襯底上涂成均勻水膜，并使之從上至下傾斜流動。空氣中的PM2.5、可溶性有害氣體等污染物與流動的水薄膜接觸時，就會被水膜吸附和吸收。

圖1 水表面粘附空氣凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 水表面粘附空氣凈化水膜效果

我們所設(shè)計的水表面粘附空氣凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，編號1-9分別代表的結(jié)構(gòu)為1水膜涂覆器、2玻璃板襯底、3水收集容器、4發(fā)光二極管、5水泵、6閥門、7儲水池、8進(jìn)水口、9出水口。

水流通過進(jìn)水口進(jìn)入水膜涂覆器，水膜涂覆器是挖有均勻細(xì)孔的塑料管，水從細(xì)孔中流出后就會在基板（玻璃板等）表面上形成水膜，裝置形成的水膜效果如圖2所示。吸附和攫取空氣中的污染物，吸收之后的水流入基板下部的水收集容器中，水收集容器中的水流入儲水池通過潛水泵再泵回水膜涂覆器中，從而達(dá)到水循環(huán)利用的效果。當(dāng)水變得渾濁時，光敏電阻能自動檢測出水的透光度降低，光敏傳感器電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，把這一光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給繼電器輸出模塊，通過繼電器輸出模塊控制電路通斷，完成自動換水。

為了測試該裝置對空氣中污染物的實際凈化效果，我們在長、寬、高各1.5 m的密閉空間中點燃一盤蚊香。已知蚊香的煙霧中含有PM1、PM2.5、PM10、甲醛、PVOC等污染物。蚊香燃燒20 min之后，開啟水表面粘附空氣凈化系統(tǒng)并且熄滅蚊香，每10 min測量一次蚊香燃燒處正上方1 m處空氣中PM1、PM2.5、PM10的濃度。

為了進(jìn)一步說明系統(tǒng)的吸收效果，我們將密閉空間打開一個小窗，測量蚊香燃燒處正上方PM2.5濃度的下降速率，與開啟空氣凈化器作比較。

2 結(jié)果與討論

使用空氣凈化系統(tǒng)后PM1、PM2.5和PM10濃度隨時間的變化趨勢見圖3。室內(nèi)的起始PM2.5濃度為50 μg/m3，0 min時點燃蚊香，蚊香中的PM2.5擴(kuò)散到密閉空間中，在20 min時達(dá)到650 μg/m3，為室內(nèi)初始PM2.5濃度的13倍左右。此時熄滅蚊香，打開水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)。由于擴(kuò)散現(xiàn)象的存在，靠近水膜表面處PM2.5濃度下降會引起附近PM2.5粒子向靠近水膜處擴(kuò)散，進(jìn)而被水膜吸收，最終使得整個密閉空間PM2.5濃度下降，達(dá)到凈化室內(nèi)整體空氣質(zhì)量的目的。從圖4中可以看出，水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)對PM2.5等可吸入顆粒物有著顯著的凈化作用，衰減系數(shù)可以達(dá)到每40 min92%。經(jīng)過兩個小時之后，PM2.5濃度下降至2 μg/m3，表明水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)可以最終使室內(nèi)PM2.5含量下降到2 μg/m3這樣一個很低的水平。與過濾網(wǎng)不同，水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)利用的是微觀層面上的分子間作用力，能無差別的作用于細(xì)小的微粒，對PM2.5及更加細(xì)小的顆粒污染物具有很好的凈化作用，克服了傳統(tǒng)空氣凈化器的不足。

圖3 PM1、PM2.5和PM10濃度隨時間的變化

圖4 不同條件下PM2.5濃度隨時間的變化

針對室內(nèi)空氣污染，開窗通風(fēng)是常見的措施。為了更好的揭示開窗通風(fēng)與使用水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)對室內(nèi)空氣的凈化效果，圖3展示了在密閉的空間中開啟水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)與在密閉系統(tǒng)中開一扇長、寬各0.15 m的窗這兩種情況下PM2.5濃度下降速率的對比。開啟凈化器40 min以內(nèi)，PM2.5的濃度從650 μg/m-3下降到50 μg/m-3，下降到點燃蚊香之前的水平。而模擬開窗通風(fēng)的實驗中，密閉空間內(nèi)PM2.5濃度也會慢慢下降，但是通風(fēng)40 min后，PM2.5的濃度僅下降到160 μg/m3。經(jīng)過足夠長時間之后，開啟水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)的情況下PM2.5濃度下降至2 μg/m3，而開窗通風(fēng)的情況下PM2.5濃度最終維持在50 μg/m3不再繼續(xù)下降。開啟水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)的情況下污染物的下降速率明顯高于開窗擴(kuò)散。開窗通風(fēng)不會使污染物下降至室外環(huán)境濃度以下，在室外污染嚴(yán)重時，開窗通風(fēng)沒有效果。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于水表面粘附原理的新型空氣凈化系統(tǒng)。通過水薄膜的粘附作用，表面粘附空氣凈化系統(tǒng)能夠有效粘附沉降PM2.5等空氣中的顆粒狀污染物，凈化效果好，可應(yīng)用范圍廣。這種空氣凈化系統(tǒng)以水作為凈化媒介，成本低廉，還可以方便地進(jìn)行自動換水，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)能通過電磁閥實現(xiàn)全自動換水，自動化程度高。本文設(shè)計的水表面粘附凈化空氣系統(tǒng)彌補(bǔ)了市售空氣凈化器價格昂貴、自動化程度低、因污染物滯留引入新的污染因素、不能有效凈化比PM2.5更小的污染物等缺點，具有很強(qiáng)的實用性和很高的市場價值。

[1] 吳鵬章,高揚.室內(nèi)空氣污染物的健康風(fēng)險評價[J].上海環(huán)境科學(xué),2009,28(2):56-65

[2] World Health Organization. Factors regulating the immune response:report of WHO Scientific Group[R]. Geneva: WHO,1970

[3] 何明,謝世全.活性炭過濾器在電廠水處理中的應(yīng)用研究[J].四川電力技術(shù),2001,24(5):49-50

[4] 李斌.室內(nèi)污染現(xiàn)狀及防治對策研究[J].環(huán)保論壇,2010(S):366-367

[5] 吳曉濼,姚路,張耀中,等.利用水表面粘附效應(yīng)凈化空氣方法研究[J].環(huán)境工程,2016(S1):500-503

[6] 丁建寧,張建,楊平,等.范德華力作用下粗糙表面靜態(tài)粘附的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(5):1663-1666

A New Air Purification System Based on Water Surface Adhesion Effects

QI Yi-heng, YU Jian, ZHANG Ya-fei*

()201100,

Air pollution has become a serious problem in today's society. In order to solve this problem effectively, various solutions have been proposed, among which air purifiers are the most commonly used means. Nowadays, there are many kinds of air purifiers for dealing with air pollution, but they are not good at automatically replacing the pollutants or filter media adsorbed therein, and retaining new pollutants due to the retention of pollutants. It is generally difficult to effectively purify air than PM2. 5 smaller pollutants. In view of the above shortcomings, this paper proposes a water purification method based on water as a medium--water surface adhesion purification air system. As a new air purification system with high efficiency and low energy consumption, it can quickly purify indoor air and improve living environment. The water surface adhesion air purification system is an air purification system based on the adhesion of water surface to air pollutants. It mainly introduces the physical structure, circuit design and air purification effect of the water surface adhesion air purification system. The absorption effect of PM2.5 on the water surface with air purification system was tested, and the water-saving performance of the system was optimized. Its remarkable feature is that it can purify most of the common air pollutants, and can timely and automatically replace the water medium that is too turbid due to excessive accumulation of pollutants.

Adhesion effect; air purification system

TU834.8+2

B

1000-2324(2019)05-0828-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.019

2018-06-25

2018-09-08

齊一衡(1994-),男,碩士研究生,主要研究方向為超表面水空氣凈化. E-mail:qyiheng@126.com

Author for correspondence.E-mail:yfzhang@sjtu.edu.cn