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空氣淨化器內部結構對其淨化效率的影響研究
发布时间:2016/11/28 访问人数:659
近年來,隨著人們對居室環境要求的提高,大量的新型建築和裝飾材料進入住宅和公共建築,加之現代化建築物的密閉性,造成建築物室內空氣汙染問題日益突出,已嚴重地危害到了人體健康,從而受到社會各界的普遍關注。

爲了改善室內空氣質量,人們提出了很多辦法,如控制汙染源、加室內新風量等。但有些地方(如醫院、已裝修的帶汙染材料的建築),這種局部控制汙染源的方法已是不可能的;另外增加建築新風量,卻加了室內取暖、通風、空調的額外費用,且這種方法只是對汙染物起到稀釋作用,並不能完全根除。研究一種空氣,来大幅度消除室内各种污染物和细菌,且不破坏原有建筑物结构,一直是人们研究的一个方向。纳米光催化氧化技术的出现,为人们研制这种淨化設備提供了思路。北京工业大学在光催化氧化去除室内污染物方面做了很多有意义的工作,对光催化氧化作用下室内甲醛、苯、氨、氮氧化物、二氧化硫等污染物的降解特性进行了深入的研究,取得了很好的结果。将光催化氧化技术产业化是国内外同行研究的最终目的,它需要考虑的因素很多,其中光催化反应器的结构设计是一个主要的影响因素。多年来,这项技术一直难以产业化,一个主要原因是净化器的净化效率低,运行费用篼。净化器运行效率直接与其内部结构相关,因此,净化器内部结构的研究,就成为光催化空气净化器研制的一个核心问题。本文从净化器结构影响效率-费用方面对净化器内部结构进行优化设计。

2淨化器結構設計光催化氧化去除室內汙染物的基本原理是:當紫外光的能量大于或等于半導體Ti02的禁帶能量時,價帶上的電子被激發進入導帶,同時在價帶上産生相應的空穴。光致電子和空穴與催化劑表面吸附的水(h2o)和氧氣(02)發生反應,生成具有強氧化性的羟基官能團,與汙染物發生作用,從而達到去除汙染物的目的。:2002-12-11;修訂日期:2003~01-14基金項目:“十五”國家醫學科技攻關資助項目;中國博士後基金資助項目從光催化原理分析可知,合理的淨化器結構應該滿足:在淨化器內部,活性光子、固體催化劑與汙染氣流應緊密、有效地接觸,且光子利用率高。從淨化器運轉的費用分析可知,風機及光能能耗量是決定淨化器運轉的總年費用(RMB/yr),因此,淨化器設計必須考慮:(1)以最小的動力驅動室內汙染氣流以一定的速度通過淨化器,即氣流通過淨化器進出口的壓降低;(2)光源發出的光子能夠被有效利用。光子的有效利用包括兩方面的內容,一是光源産生的光子全部被用來激發生成光致電子與空穴,這樣光源的輻射場分布就成爲淨化器內部結構設計必須考慮的一個參素;二是必須保證光致電子和空穴被充分利用,即必須有足夠的汙染氣流發生作用來阻止光致電子與孔穴的複合,這樣,流過淨化器內部的汙染物流場和濃度場也就成爲淨化器設計必須考慮的另一個參數。以上分析可見,合理的淨化器內部結構應該充分考慮氣流通過淨化器進出口壓降、輻射場、流場和濃度場的影響。

2.1压降对净化器结构设计的要求考虑到风机的能量损耗,净化器的设计应该考虑以最小的动力来满足净化器内部流场需求,同时保证光子的有效利用。为此本文采用蜂窝状光催化剂负载结构,如所示。这样的蜂窝状结构通道产生的压降很小,几乎可以忽略不计,同时可以保证污染气流与纳米催化剂的接触表面积足够大,以保证光子的有效利用。目前,这种结构已被广泛应用于汽车尾气及其他发动机尾气的治理11. 2.2辐射场对净化器结构设计的要求辐射场是决定空气净化器效率的一个主要参数。因为局部辐射强度决定着催化剂光能吸收速率,即决定着光催化反应速率。对于辐射场的计算Hos-sain RauppP,提出第一定律辐射场模型,对反应器内部辐射场分布进行模拟计算,认为紫外光辐射场是由通道几何形状、通道纵横比及催化剂涂层平均反射率来决定。当催化剂涂层的反射率及通道几何形状一定时,辐射场分布仅由通道的纵横比来唯一确定。为通道壁面上辐射光强随无量纲轴向距离X=的变化,即光强随着通道轴向距离的增大而逐渐减小,当X大到3时,该处光强已降低到入射光强的1%以下。可见,净化器内部结构应充分考虑催化剂基体蜂窝状结构每一通道的纵横比不能太大,且紫外光源与催化剂层应充分靠近,以充分利用光子。本文净化器内部光源与催化剂层结构如所示,光源两侧分别布置催化剂层,使光源发出的光子被充分利用,光源距催化剂层的距离为0.5cm.同时在第一排催化剂层的上游附加一过滤层,过滤层上也可以涂催化剂,以充分利用光源发射的光子。

2.3流場和濃度場對淨化器結構設計的要求淨化器內部流場及濃度場對淨化效率的影響是相互制約的,流場和濃度場的設計應該保證有足夠的汙染氣流通過光活性區與光子發生作用,且駐留時間足夠長。當室內汙染物濃度一定時,要增大通過光活性區的汙染量,則必須大氣流流速,而這樣會造成汙染物駐留時間減小,淨化效率反而降低。因此,要提高淨化器效率,必須充分考慮內部流場和濃度場的影響。HossanW提出未充分發展對流-擴散反應模型對反應器內部流場和濃度場進行分析,計算結果發現汙染氣流通過催化劑層時入口處橫向速度最大,而遠離入口處,橫向速度幾乎爲零,軸向速度變爲最大,故入口處汙染氣流向壁面的質量傳遞"系數較大;同時在入口的壁面附近,汙染物濃度梯度變化最大。因此,在光強較大、汙染物質量傳遞較大和濃度變化較大的入口區,汙染物降解速率最大,由此同樣得出催化劑層通道的縱橫比不宜太大。在此提出兩個無量綱量:抱(雷諾數)和(Dankohler數),對反應器內部光催化反應特性進行分析,其中醜e是以速度場方程得到的無量綱數,是由光催化表面濃度場得到的無量綱數,這樣,反應器反應性能的好壞則由通道的幾何形狀、縱橫比及數來唯一決定。

當催化劑層結構確定,則淨化器效率則由流場(ie)和濃度場(Da)唯一確定。當Da的駐留時間減少幾乎減小一半。當醜e―定時,0(1數的增加實際上是增加汙染物向催化劑表面的擴散速率,但當增大到一定時,反應速率則因催化劑活性受到限制,因爲所有活性光子被消耗完了,要提篼淨化效率,必須增加催化劑活性。因此,當催化劑層結構和活性一定時,反應器效率與數和Da數存在一最佳匹配。

3,催化剂层板几何尺寸为3mmx300mm,厚度6mm,层板上蜂窝孔密度为25.250CPSM(cells Pers 輻射場對淨化效率的影響,如爲一排紫外燈/1排催化劑層和一排紫外燈/2排催化劑層的實驗結果,可見兩層催化劑層的淨化效率比一層催化劑層高,這主要是由于與一層催化劑層相比,兩層催化劑層與汙染物的接觸面積增大了,同時光子的利用得到提高。與爲流場與濃度場對淨化器效率的影響,當室內汙染物濃度較低時,流量較小時淨化效率較篼,而濃度較高時則相反,流量較大時淨化效率較高,這主要是由于汙染物濃度與其在輻射場對淨化器效率的影響催化劑層表面駐留的時間相互作用的結果。可見,流場和濃度場之間存在著相互制約。

4結論本文通過實驗分析了淨化器內部結構對淨化效率的影響,結果認爲合理的淨化器設計應充分考慮催化劑層基體結構、內部輻射場、流場和濃度場的影響:蜂窩狀催化劑負載結構可以減小流動阻力,大汙染物接觸面積,降低動力損耗。

射場場光強分布沿通道軸向逐漸減小,故內部催化劑層的布置應該充分靠近光源。

汙染物流場的分布在通道入口處橫向速度最大,催化劑層的縱橫比不宜過大。

濃度場的分布應充分考慮汙染物在催化劑層內部的駐留時間。

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