活性炭纖維過濾器在室內(nèi)空氣凈化中的試驗研究

1、前言
　　室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量是影響人體健康最重要的環(huán)境因素。室內(nèi)空氣污染物在種類、數(shù)量上都隨建筑物的地點、種類、用途和室外空氣污染狀況的變化而變化。解決這一問題的有效方法就是在室內(nèi)增加空氣凈化設(shè)備,據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo),目前使用的空氣凈化設(shè)備對凈化多種污染氣體能力普遍較差,如對人體放出的二氧化碳和體臭,廚房產(chǎn)生的水蒸汽和一氧化碳,吸煙過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的氣體污染物等。另外很多種污染物是很難用現(xiàn)在的空氣凈化設(shè)備清除干凈的?；谏鲜鲈虮狙芯刻岢隽死没钚蕴坷w維過濾器凈化室內(nèi)污染氣體,較系統(tǒng)地研究了活性炭纖維過濾器的性能、特點,探討了不同污染空氣條件下各種因素對過濾器過濾效率的影響,為活性炭纖維在室內(nèi)空氣凈化方面的應(yīng)用提供了科學(xué)的依據(jù),為室內(nèi)空氣凈化器的研究發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
　　活性炭纖維過濾器(以下簡稱過濾器)采用活性炭纖維氈或纖維布制成,此種材料優(yōu)越于活性炭(GAC)具有高度發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu),吸附容量大,外表面積大(約是GAC的10~100倍),吸、脫附速度快,凈化效果好的特性。此過濾器設(shè)計外形尺寸為282mm×282mm×120mm。當過濾風量為設(shè)計風量260m³/h時,設(shè)計迎面風速為0.91m/s,濾速為0.172m/s,需濾材為0.44m²(過濾器有效面積為0.42m²)。為了便于加工和降低造價,過濾器邊框采用塑料板,濾材用207#的尼龍網(wǎng)及鐵絲網(wǎng)支撐,濾材的邊緣與塑料邊框用玻璃膠粘接使之密封。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、過濾器的性能測試
　　2.1　測試流程圖
　　過濾器的性能測試流程見圖2。

　　采樣器的風量控制在1L/min,采樣時記錄采樣時間和流量。
　　2.2、測試方法
　　2.2.1、過濾器阻力測試
　　關(guān)閉新風口,全開回風閥,啟動風機,通過調(diào)節(jié)主風道的閘板閥來控制風機風量,進而調(diào)節(jié)過濾器的過濾風速。風機風量由連接在主風道的熱電風速儀測出風速后確定。過濾器的阻力由其前、后設(shè)置的靜壓環(huán)壓力差而確定,靜壓由傾斜式微壓計讀出。
　　2.2.2　過濾器對各種污染氣體總?cè)コ实臏y試
　　(1)污染氣體測試及采樣分析方法

　　每分鐘抽吸一次)法制取;NH3采用濃氨水揮發(fā)法制取。
　　實驗時首先在過濾器前后測孔處安裝采樣管,采樣管和大氣采樣器相連。然后在實驗室內(nèi)制備所需濃度的某種污染氣體,由電風扇混合均勻2min,開啟風機調(diào)節(jié)所需風量。根據(jù)性能測試研究的不同內(nèi)容,設(shè)置不同的條件,測定出過濾器前后的污染氣體濃度。測試順序為:風機啟動后首先在過濾器入口采樣5min,依此濃度作為過濾器的入口濃度,然后測定過濾器出口在風機運行不同時間后的5min平均濃度,求出過濾器的總?cè)コ?eta;。
　　過濾器總?cè)コ?

　3、過濾器的性能測試結(jié)果與分析
　　3.1　過濾器阻力測試結(jié)果及分析
　　過濾器阻力隨主風道風速的變化見圖3?！　?/p>

　　由圖3可知,過濾器的阻力均隨風道風速的增加而增大,近乎直線關(guān)系。當過濾器的風量為設(shè)計風量時(即Q=260m³/h,風道風速為2.82m/s,過濾器濾速為17.20cm/s),過濾器阻力約為20Pa。
　　3.2　過濾器對污染氣體去除效率測試結(jié)果與分析
　　3.2.1　在相同的污染條件
　　測定不同風量下風機開啟20min后的過濾器出口5min平均濃度,計算其污染氣體去除效率。其結(jié)果見圖4。

　　由圖4風量與效率變化曲線可知:①SO2、NOX污染氣體在同一濃度不同風量下,存在著最高去除效率和與之相對應(yīng)的過濾器的最佳濾速。過濾器對入口濃度為1.555mg/m³的SO2,最高去除率為90.4%,最佳濾速為12.50cm/s,最佳風量為189m³/h;對濃度為2.506mg/m³的NOX的最高去除率為76.58%,最佳濾速為12.50cm/s,過濾器的高效區(qū)風量范圍為157.6~251.6m³/h。②低風量氣體去除率低,主要是由于風機出風量低時,雖然過濾器的過濾效率提高,但相對的未凈化氣體多,一次循環(huán)后,凈化氣體與未凈化氣體混合后房內(nèi)污染物濃度仍較高,致使開機20min后的去除效率受到影響。但如果過濾器在某一風量下無的循環(huán)過濾,污染氣體會達到某一最高去除效率,這樣作的結(jié)果是很不經(jīng)濟的。因此選擇最佳開機時間、最佳過濾風量和最佳氣體去除效率對研究活性炭纖維過濾器具有重要的實際意義。
　　3.2.2　一定濃度的污染氣體在同一風量不同的開機時間下
　　分別測定風機開啟10、20、30、40、50、60min后的過濾器出口的5min氣體平均濃度,計算各時間段的污染氣體總?cè)コ?。測試結(jié)果見圖5、圖6。

　　由圖5和圖6可以看出,對同一濃度的污染氣體風量一定時,污染氣體的去除效率隨風機開啟時間的延長而增加,最終趨于一平衡值。通過過濾器風量為189~226m³/h,污染氣體去除效率曲線最為理想,一般在過濾器入口濃度不太高時,風機開啟20 ~30min,即可達到室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求。
　　3.2.3、過濾器風量一定,污染氣體濃度不同
　　測定風機開啟20min后過濾器出口的5min氣體平均濃度,計算出不同過濾器入口濃度下過濾器的去除效率,測試結(jié)果見圖7、8。

　　由圖7、圖8可以看出;在規(guī)定的凈化時間范圍內(nèi),過濾器對氣體去除效率有隨污染氣體濃度升高而增加的趨勢,但當污染氣體濃度達到某一值后,效率都有所降低。這說明活性炭纖維在一定時間內(nèi)對高濃度的污染氣體有較高的去除率,但是每次循環(huán)的凈風量是一定的,即一定時間內(nèi)處理的污染氣體量是一定的,隨著室內(nèi)制造污染濃度增高,即使過濾器的去除效率較高,但固定時間內(nèi)氣體的循環(huán)、混合也影響了總?cè)コ?。因此對低濃度的污染氣體可以采用較短的開啟時間進行快速凈化,而對污染氣體濃度較高時,可以延長風機開啟時間,使凈化器達到最佳去除效果。過濾器對不同種類的污染氣體在一定時間內(nèi),存在著最佳去除效率的濃度范圍,在這個范圍內(nèi)凈化設(shè)備開啟一定時間便可滿足室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求,若在氣體過濾器上標記去除濃度范圍將會為用戶的選擇提供方便。
　　3.2.4　同一濃度的污染氣體在風機開啟不同時間段,過濾器前后濃度隨時間變化
　　燃燒0.1g、0.5g的硫磺,風扇混勻后同時測定過濾器第1個5min,第2個5min,第3個5min,第4個5min過濾器前后氣體平均濃度,計算每個時間段的去除效率。測定結(jié)果見圖9、圖10。

　　從圖9、圖10可以看出,過濾器吸附過濾氣體規(guī)律為:(1)對于低濃度氣體,第1個5min處理效率較高,在達到飽和前隨著進口濃度降低,效率處于下降趨勢,開機時間越長,它的累積去除效率就越大,但累積速率有所降低,因此開啟時間并非越長越好,太長耗電大,效果不一定特別明顯。(2)對于高濃度氣體,第1個5min的去除率相對不高,而后隨著濃度降低,第2個5min的效率增高,濃度再降時,效率又逐漸減小,此規(guī)律說明過濾器的去除效率隨著氣體濃度增高而增大,但增加到一定值時,再隨著濃度的增高,去除效率又開始下降,中間出現(xiàn)一個峰值,說明高濃度的污染氣體應(yīng)適當增加風機開啟時間,有利于污染物質(zhì)的去除。以上兩規(guī)律和前面結(jié)果分析完全相符合。
　　3.2.5　過濾器對CO、CO2的去除率
　　實驗室內(nèi)點燃6支煙,每支煙每分鐘抽吸一次,煙抽完后,電風扇混勻2min,開啟凈化裝置,調(diào)節(jié)風量Q=157.6m³/h,在過濾器入口,由多種氣體檢測器通過比長式CO2、CO檢測管,測出CO2、CO氣體濃度,運行5min及20min后分別在過濾器出口處測定CO2、CO氣體濃度。結(jié)果見附表。

　4、小結(jié)
　　(1)過濾器的阻力與風道風速成直線關(guān)系。
　　(2)過濾器對SO2、NOX的去除效率隨過濾器的風量而變化。去除效率最高時,過濾器相對應(yīng)的風量為189m³/h~226m³/h。
　　(3)過濾器對SO2、NOX等污染氣體的去除效率均隨去除時間的延長而增大,最后逐漸趨于平緩趨勢。過濾器的最佳濾速不隨污染物濃度的改變而變化。
　　(4)在20min的開機時間內(nèi),過濾器對SO2、NOX氣體的去除效率都有隨污染氣體濃度升高而增加的趨勢,但當污染氣體濃度達到某一值后,濃度升高,效率卻有所降低。過濾器對SO2、NOX的去除有一個最佳濃度范圍。
　　(5)過濾器對CO、CO2幾乎無去除效果。