張 輝 ，賈 穎，石 彤，張海萍，祝京旭

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.加拿大西安大略大學(xué)粉體技術(shù)研究中心，倫敦 N6A 5B9)

空氣中的細顆粒污染物(PM)對人們的生活質(zhì)量、氣候和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重威脅[1-4].其中 PM2.5指的是顆粒粒徑小于 2.5μm的細顆粒污染物[5].PM2.5表面會附著細菌、病毒等生物物質(zhì)并隨著呼吸進入人體支氣管和肺部[6]，長期處于高濃度 PM2.5的環(huán)境中會導(dǎo)致呼吸和心血管疾病，嚴重危害人體健康[7].根據(jù)美國環(huán)境保護局近期報告，全世界每年有210萬人的死亡與高濃度PM2.5有關(guān)[6,8].

空氣凈化器可有效降低 PM2.5濃度，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量[9].最常見的針對 PM2.5的凈化技術(shù)有纖維過濾技術(shù)和靜電吸附技術(shù)[10].纖維過濾技術(shù)的原理是當空氣通過纖維過濾器時，細顆粒污染物會被結(jié)構(gòu)致密的纖維攔截，空氣與細顆粒污染物分離，從而達到凈化空氣的效果[11]，其凈化效率與空氣凈化器的結(jié)構(gòu)、過濾介質(zhì)的性質(zhì)和風(fēng)機的功率有關(guān).其中，過濾介質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用.目前，很多學(xué)者對纖維過濾技術(shù)進行研究.結(jié)果表明，纖維是一種高效的過濾介質(zhì)，因其具有網(wǎng)狀的支撐結(jié)構(gòu)和曲折的孔道，在捕獲顆粒的同時能夠使空氣有效通過[12].纖維過濾技術(shù)具有凈化效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但隨著細顆粒污染物在過濾介質(zhì)表面的沉積，阻力會呈指數(shù)增長，壓降明顯增大，能耗大大增加[13-14].靜電吸附技術(shù)的原理是高壓靜電場使空氣中微粒荷電后被集塵板捕集.其優(yōu)點是阻力小、壓降低、使用壽命長.其缺點是在運行過程中的靜電場會產(chǎn)生臭氧和其他污染物，不利于人體健康[10].

本文所設(shè)計的空氣凈化器彌補了現(xiàn)有空氣凈化器的不足，其流道結(jié)構(gòu)為切向流吸附式而非過濾式.空氣被吸入褶皺式流道后會形成漩渦，利用物理吸附原理減低 PM2.5濃度，這種凈化方式不僅可以減小空氣凈化器的阻力，從而降低能耗，而且在空氣凈化器運行過程中避免臭氧等二次污染物的產(chǎn)生，更加節(jié)能環(huán)保.筆者為研究此種新型空氣凈化器的凈化性能，根據(jù)國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》搭建了 2.94m3的密閉實驗艙[15].實驗研究了吸附材料、PM2.5初始濃度和處理風(fēng)量對新型空氣凈化器凈化性能的影響，并分析了這些參數(shù)影響空氣凈化器凈化性能的原因，此外，還對不同處理風(fēng)量下新型空氣凈化器的壓降和凈化能效進行了對比.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗平臺

實驗艙是一個長 1.5m、寬 1.4 m、高 1.4m，容積為 2.94m3的封閉實驗空間，其框架的材料為鋁合金，6個面均為厚度 8 mm 的平板玻璃，玻璃框架四周用玻璃密封膠密封[16].圖 1為實驗艙的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 實驗艙結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental cabin structure

實驗艙頂部設(shè)有攪拌風(fēng)扇(額定頻率 50Hz，額定電壓 220V，額定功率 250W，直徑 400 mm，轉(zhuǎn)速4800r/min)，目的是使實驗艙內(nèi)的空氣混合均勻.實驗艙內(nèi)放置除濕劑，采用 meacon溫濕度記錄儀記錄實驗艙內(nèi)的溫濕度(測量精度：溫度±0.5℃，濕度±5%RH)，使艙內(nèi)濕度保持 50%以下，以防止細顆粒由于空氣的濕度過大而發(fā)生凝聚，影響實驗結(jié)果[16].根據(jù)國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》，空氣凈化器的進出口距實驗艙下表面高度大于0.4 m，采樣點與實驗艙側(cè)壁距離大于 0.5 m，相對實驗艙下表面高度大于 0.5 m.利用氣溶膠檢測儀(TSI，DustTrak 8533)測量實驗艙內(nèi)PM2.5濃度.

發(fā)塵裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖 2所示.為了保證實驗過程中顆粒污染物來源的一致性，實驗統(tǒng)一采用紅塔山經(jīng)典 100系列香煙作為顆粒污染物來源.圖中的氣泵為電磁式增氧泵(森森集團股份有限公司，功率 120W，流量 90L/min)，香煙插口位于艙外，通過橡膠管連接.

圖2 發(fā)塵裝置示意Fig.2 Schematic diagram of the dust generation system

1.2 空氣凈化器結(jié)構(gòu)

空氣凈化器主要由外殼、風(fēng)機和吸附材料框架組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示.

圖3 空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the air purifier structure

整個殼體和吸附材料框架用不銹鋼材料制成，空氣凈化器的外殼尺寸為500 mm×250 mm×250 mm，主要由 3個區(qū)域構(gòu)成.1區(qū)主要由出風(fēng)口、渦流離心風(fēng)機(臺灣三巨SW175HA2，額定電壓220V，額定電流 0.25A，頻率 50Hz，輸入功率 50W，轉(zhuǎn)速2650r/min)、用于改變風(fēng)機頻率的單相變頻器(DFL公司，200S1系列)和測量風(fēng)機功率的測試儀(華佰，PZ9901)構(gòu)成.2區(qū)為除塵區(qū)域，褶皺式吸附材料平行排布，每兩個為一組，構(gòu)成一個吸附通道.吸附材料框架的尺寸為 250mm×243 mm×20 mm，褶皺的頂角度數(shù)為 64°.吸附材料緊密纏繞在框架上，吸附材料的表觀吸附總面積是 510 mm×243 mm×6.3區(qū)主要是入風(fēng)口.在空氣凈化器的入風(fēng)口處測量風(fēng)速(?，?AR866熱敏式手持風(fēng)速儀)，從而計算空氣凈化器的處理風(fēng)量.

1.3 實驗材料

實驗選用了 6種吸附材料，分別是初效過濾棉(上海聯(lián)兵環(huán)?？萍加邢薰荆?3mm)、HEPA(high efficiency particulate air filter，臻美凈化器濾網(wǎng)，厚 0.5mm)、耐高溫玻璃纖維(南京安爾圣電子科技有限公司，厚 3 mm)、防霧霾納米紗窗(麥森建材有限公司，厚 1 mm)、不銹鋼篩網(wǎng)(上海經(jīng)藝貿(mào)易有限公司，300目，絲徑 0.04mm，孔徑 48μm，厚1 mm)和靜電棉(上海聯(lián)兵環(huán)?？萍加邢薰?，厚3 mm).實驗選用的初效過濾棉、HEPA、防霧霾納米紗窗和靜電棉已應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域中，并通過過濾作用可以達到較好的凈化空氣的效果，耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網(wǎng)具有良好的可清洗性，可實現(xiàn)吸附材料的循環(huán)使用.實驗采用三目透反射偏光顯微鏡(上海光學(xué)儀器六廠，60XC)觀察不同材料的微觀結(jié)構(gòu).

1.4 實驗方法

1.4.1 自然衰減實驗方法

自然衰減指的是在規(guī)定空間及條件下，由于沉降、聚附、表面沉積、化學(xué)反應(yīng)和空氣交換等非人為因素，導(dǎo)致空氣中的目標污染物濃度降低[15].

顆粒物自然衰減實驗方法如下.

步驟 1 將空氣凈化器和氣溶膠檢測儀放置于圖1所示的實驗艙內(nèi)，將空氣凈化器調(diào)節(jié)至實驗的工作狀態(tài)，用熱敏式風(fēng)速儀測量進出口風(fēng)速，確?？諝鈨艋鬟\行正常后將其關(guān)閉，將實驗艙密封，記錄實驗艙的溫濕度.

步驟 2 用氣溶膠檢測儀檢測實驗艙內(nèi)的背景濃度，開啟空氣凈化器，直到PM2.5濃度小于0.02 mg/m3，關(guān)閉空氣凈化器.

步驟 3 將香煙插入發(fā)塵裝置的香煙插口中，排出的煙霧被吸入實驗艙中，并通過攪拌風(fēng)扇均勻分布在實驗艙內(nèi)，待 PM2.5濃度達到一定量(本實驗濃度均高于 1 mg/m3)，關(guān)閉發(fā)塵裝置，維持攪拌風(fēng)扇運行10 min后關(guān)閉，目的是使顆粒污染物混合均勻.

步驟 4 攪拌風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動后，利用氣溶膠檢測儀檢測 PM2.5的初始濃度c0，對應(yīng)時刻t＝0min.實驗艙內(nèi)的 PM2.5初始濃度測定后，每 2 min測定并記錄一次 PM2.5濃度，連續(xù)測定 20 min，計算自然衰減常數(shù).整個過程在封閉的實驗艙內(nèi)進行.

1.4.2 總衰減實驗方法

總衰減是指在規(guī)定空間及條件下，由于自然衰減和空氣凈化器的共同作用，導(dǎo)致空氣中的目標污染物濃度的降低[15].顆粒物總衰減實驗方法與自然衰減實驗方法類似，不同的是在測量實驗艙的初始濃度后開啟凈化器.具體操作步驟如下.

步驟 1～3按第 1.4.1節(jié)中步驟 1～步驟3進行實驗.

步驟 4 待攪拌風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動后，記錄實驗艙內(nèi)的PM2.5濃度，即為初始濃度，并開啟空氣凈化器，此時t＝0 min，每2 min測量并記錄一次PM2.5濃度，連續(xù)測試 20 min，關(guān)閉空氣凈化器，根據(jù)測定數(shù)據(jù)計算顆粒污染物的總衰減常數(shù).整個過程在封閉的實驗艙內(nèi)進行.

1.4.3 衰減常數(shù)和相關(guān)系數(shù)的計算

顆粒污染物隨時間的變化符合指數(shù)函數(shù)的變化趨勢，表達式為

式中：ct為t時刻的顆粒物濃度，mg/m3；c0為初始顆粒物濃度，mg/m3；k為衰減常數(shù)，min-1；t為實驗時間，min.

按照式(2)做 lnct和t的線性回歸，可求得衰減常數(shù)k.

式中：ti為第i個取樣點對應(yīng)的時間，min；lnitc為第i個取樣點對應(yīng)的顆粒污染物濃度的自然對數(shù)；n為采樣次數(shù).

相關(guān)系數(shù)R表示自變量與因變量之間的離散程度，說明線性回歸的相關(guān)關(guān)系的顯著程度，R2應(yīng)當不小于0.98，計算式為

分別用式(1)、(2)和(3)進行計算即可獲得自然衰減常數(shù)kn、總衰減常數(shù)ke和相關(guān)系數(shù)的平方R2，也可使用EXCEL擬合出k值和R2.

1.4.4 處理風(fēng)量的測量方法

為了準確計算空氣凈化器的處理風(fēng)量，實驗將進風(fēng)口截面(87.5cm2)進行如圖4所示的分割處理.

圖4 入風(fēng)口截面分割圖(單位：mm)Fig.4 Entrance section segmentation(unit：mm)

將截面分割成m個1cm×1cm的正方形，實驗測量每個單元格內(nèi)的線速度vm，并根據(jù)式(4)計算空氣凈化器的處理風(fēng)量Q.

分割后，不足一個正方形的部分按照其面積占完整方格的比例進行計算.

1.4.5 空氣凈化器凈化性能參數(shù)計算

1)潔凈空氣量和凈化能效

潔凈空氣量指的是空氣凈化器在上述規(guī)定的實驗條件下，針對目標污染物凈化能力的參數(shù)，表示空氣凈化器提供潔凈空氣的速率.凈化能效指的是空氣凈化器在上述實驗條件下單位功耗所產(chǎn)生的潔凈空氣量，計算方法如下：

式中：CADR為潔凈空氣量，m3/h；ke為總衰減常數(shù)，min-1；kn為自然衰減常數(shù)，min-1；ηc為凈化能效，m3/(h·W)；V為實驗艙容積，m3.

國標中的凈化能效η＝CADR/P，其中，P(W)指的是空氣凈化器整體輸入功率實測值，它包含了空氣凈化器的實際功耗和風(fēng)機與電機的能量損失，本研究中只集中考察凈化組件本身的實際功耗Pc(W)，Pc的計算式為

式中pΔ為空氣凈化器流道進出口壓降，Pa.

2)有效凈化效率和去除率

有效凈化效率(α)指的是空氣凈化器所能提供的潔凈空氣輸送量CADR與處理風(fēng)量Q的比值，去除率(β)指的是空氣凈化器開啟 20min后顆粒污染物減少量與初始顆粒污染物濃度的比值，計算式分別為

式中：ci為空氣凈化器開啟 20min后顆粒污染物濃度，mg/m3；c0為初始顆粒污染物濃度，mg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣凈化器結(jié)構(gòu)分析

圖5 吸附原理示意Fig.5 Schematic diagram of the adsorption principle

空氣凈化器內(nèi)部顆粒吸附情況如圖5所示，當帶有顆粒污染物的流體流過褶皺狀流道時，流體呈湍流狀態(tài)，在褶皺處形成漩渦，分散在流體中的細顆粒污染物隨著流體旋轉(zhuǎn)運動.當這些流體漩渦與固體壁面相撞時，顆粒污染物就被吸附在固體壁面上，從而達到氣固分離的效果.

2.2 吸附材料對凈化性能的影響

在上述實驗艙內(nèi)進行實驗，將6種材料安裝在基于物理吸附原理而設(shè)計的新型框架結(jié)構(gòu)中.對比 6種材料的凈化性能并探究初始濃度(7.5～8.0mg/m3)和風(fēng)機頻率(50Hz)基本相同的情況下，新型空氣凈化器的潔凈空氣量、有效凈化效率和去除率的差異，并通過電子顯微鏡觀察6種材料的微觀結(jié)構(gòu)，分析6種材料凈化性能存在差異的根本原因.

2.2.1 不同材料的凈化性能

從圖6可以看出，HEPA和靜電棉的凈化性能明顯比其他 4種材料好，其中凈化性能最好的是HEPA.耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網(wǎng)的有效凈化效率均為4.4%，明顯低于其他材料，其中耐高溫玻璃纖維的 CADR和去除率均是 6種材料中最低的.使用6種材料凈化空氣時，風(fēng)機功率基本保持不變.由于6種材料的結(jié)構(gòu)差異，安裝不同材料的空氣凈化器的處理風(fēng)量有一定差別，HEPA的有效凈化效率最大.去除率和有效凈化效率的值相差較大，因為有效凈化效率的物理意義為單次凈化性能，而去除率的物理意義是總凈化性能.實驗中，空氣凈化器在密閉的環(huán)境中會進行多次循環(huán)凈化，達到去除 PM2.5的目的.綜上，6種材料凈化性能排序為：HEPA＞靜電棉＞防霧霾納米紗窗＞初效過濾棉＞不銹鋼篩網(wǎng)＞耐高溫玻璃纖維.

圖6 6種材料凈化性能對比Fig.6 Comparison of the purification performance of six materials

2.2.2 不同材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖 7為 6種材料在光學(xué)顯微鏡下所呈現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu).從圖中可以看出，HEPA、初效過濾棉和靜電棉均為多層玻璃纖維結(jié)構(gòu)，吸附表面積大，顆粒污染物會被吸附到多層纖維結(jié)構(gòu)中.但是，初效過濾棉和靜電棉的纖維之間縫隙較大，部分細顆粒污染物會隨著空氣從纖維的縫隙中穿過，而沒有與纖維接觸，使吸附效率降低；HEPA纖維分布密集，網(wǎng)孔小，顆粒污染物可通過慣性被吸附到材料表面，因此HEPA的凈化性能高于兩種過濾棉.此外，與初效過濾棉相比，靜電棉的纖維更細小，吸附面積更大，同時靜電棉是帶靜電的駐極體材料，由于靜電作用，顆粒污染物穿過此種材料時可被吸附在材料表面，因此靜電棉的凈化性能明顯高于初效過濾棉，與HEPA相近.

圖7 6種材料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of the six materials

耐高溫玻璃纖維、不銹鋼篩網(wǎng)和防霧霾納米紗窗均為單層結(jié)構(gòu).由于耐高溫玻璃纖維內(nèi)部無多孔結(jié)構(gòu)，顆粒污染物只能吸附在其表面，吸附面積遠小于多層纖維材料，不利于顆粒污染物的吸附，因此其凈化性能最差.單層不銹鋼篩網(wǎng)孔徑較大，可達48μm，使得其吸附面積小，此外該材料表面光滑，與顆粒作用力弱，不易吸附顆粒，同時已被吸附的顆粒污染物在氣流作用下也可能從材料上脫附下來，降低其凈化性能.同為單層結(jié)構(gòu)的防霧霾納米紗窗的骨架孔徑更大，可達 1 mm，但防霧霾納米紗窗表面修飾有一層非常薄且不規(guī)則的納米纖維層，使其孔徑減小到納米級別，遠小于 PM2.5顆粒大小，能夠很好地吸附污染物顆粒，因此其凈化性能明顯高于耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網(wǎng).

綜上，通過多層致密的纖維結(jié)構(gòu)或由材料修飾得到的超微孔道對于顆粒具有很好的吸附作用，利于顆粒的吸附；同時駐極體材料的帶電性可以大幅提升吸附效果.

2.3 PM2.5的初始濃度對凈化性能的影響

為了探究 PM2.5初始濃度對 6種材料吸附效果的影響，對6種材料分別在3種不同的PM2.5初始濃度下進行空氣凈化實驗.其中風(fēng)機頻率相同，對比不同PM2.5初始濃度下6種材料的CADR、有效凈化效率α和去除率β.實驗結(jié)果如圖 8所示，從圖中可以看出，在 PM2.5初始濃度不同時，3個表征參數(shù)的值基本保持不變，這說明 PM2.5的初始濃度不會影響空氣凈化器的凈化性能.

2.4 處理風(fēng)量對凈化性能的影響

實驗通過變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率進而改變空氣凈化器的處理風(fēng)量，風(fēng)機頻率分別設(shè)置為 30、40、50Hz，PM2.5的初始濃度保持穩(wěn)定，實驗結(jié)果如圖 9所示，5種材料的CADR值和去除率均隨處理風(fēng)量的增大而增大，在相同時間內(nèi)可以產(chǎn)生更多的潔凈空氣.其中，HEPA和靜電棉的增加幅度較大，初效過濾棉、不銹鋼篩網(wǎng)和防霧霾納米紗窗由于本身吸附性能較差，處理風(fēng)量的變化對其吸附性能的影響相對較小.CADR值的增加，使 PM2.5的整體去除率β也隨之增加.

圖8 6種材料的凈化性能與PM2.5初始濃度的關(guān)系Fig.8 Relationship between purification performance of six materials and PM2.5initial concentration

從圖 9(b)可以看到，有效凈化效率隨著處理風(fēng)量的增大而減小，這主要是因為隨著處理風(fēng)量的增大，流體通過吸附材料的速度增大，PM2.5顆粒與吸附材料的接觸時間減少，進入褶皺內(nèi)部的 PM2.5顆粒減少，大部分的 PM2.5只接觸了褶皺突出的部分，使整個材料的利用率降低，造成有效凈化效率降低.

2.5 凈化器壓降與凈化能效分析

實驗中使用的新型空氣凈化器的流道是切向流式，其壓降主要來源于褶皺狀流道，實驗中將凈化性能最好的HEPA安裝在新型空氣凈化器中，測量了不同處理風(fēng)量下空氣凈化器的壓降，并對比了44.1 m3/h、67.6m3/h和 86.0 m3/h這 3種處理風(fēng)量下新型空氣凈化器的凈化能效.如圖 10所示，凈化器的壓降隨處理風(fēng)量的增大而增大，在處理風(fēng)量為44.1 m3/h時，空氣凈化器的壓降僅為 54Pa.從圖 11可以看出，本實驗中的空氣凈化器凈化能效隨著處理風(fēng)量的增大而減小，在處理風(fēng)量為 44.1m3/h時凈化能效最大，高達42 m3/(h·W).

圖9 5種材料的凈化性能與處理風(fēng)量的關(guān)系Fig.9 Relationship between purification performance of five materials and airflow rate

圖10 壓降與處理風(fēng)量的關(guān)系Fig.10 Relationship between pressure drop and airflow rate

圖11 凈化能效與處理風(fēng)量的關(guān)系Fig.11 Relationship between cleaning energy efficiency and airflow rate

本實驗還測試了市場上某品牌空氣凈化器正常運行時過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓降，并計算得到了其凈化能效為 27.3 m3/(h·W)，實驗表明，本實驗的空氣凈化器在低風(fēng)速運行時具有較高的凈化能效，適合低風(fēng)速長時間運行.由于本實驗中的空氣凈化器采用吸附方式而非過濾方式處理空氣，凈化器的壓降不會隨顆粒污染物在材料表面的沉積而增大.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以物理吸附為主要凈化原理的新型空氣凈化器，根據(jù)國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》搭建了 2.94 m3的密閉實驗艙，并參照國標方法做了自然衰減和總衰減實驗.實驗結(jié)果表明HEPA和靜電棉的凈化性能較好，說明多層纖維結(jié)構(gòu)吸附材料的凈化性能優(yōu)于單層纖維結(jié)構(gòu)的吸附材料，纖維之間的縫隙越小，吸附面積越大，凈化性能越好.此外，駐極體吸附材料的帶電性可大幅度提高凈化器的凈化性能；PM2.5的初始濃度不會影響新型空氣凈化器的凈化性能；CADR和去除率隨著處理風(fēng)量的增大而增大，有效凈化效率和凈化能效均隨處理風(fēng)量的增大而降低.凈化器的壓降隨處理風(fēng)量的增大而增大，在處理風(fēng)量為44.1m3/h時，凈化器壓降僅為 54Pa，凈化能效高達 42m3/(h·W)，高于市場上的空氣凈化器.因此，本實驗設(shè)計的空氣凈化器適合在低風(fēng)速下長時間運行，并且壓降不會隨顆粒污染物在材料表面的沉積而增大，具有良好的應(yīng)用前景.