PM2.5净化装置设计探索

摘 要：在封闭的室内利用以水膜水洗为净化原理的实验装置测试该原理能否有效净化PM2.5，能否将室内PM2.5浓度降到现行国家规定的标准值以下；改变空气通过水膜的速度，探索此净化原理的净化效率是否与其有关。

关键词：大气污染；PM2.5净化；水膜水洗；雾化水净化

中图分类号：X701 文献标识码：A

当下，大气污染日益严重，大半个中国都笼罩在PM2.5引起的阴霾天气里。由于PM2.5难以被鼻孔、喉咙所阻挡，通过呼吸系统被吸入后沉积到肺泡，造成肺部及全身性炎症，心血管系统损伤。研究表明，PM2.5日平均浓度每增加10ug/m3，呼吸系统疾病的死亡风险就增加0.97%，心血管疾病的死亡风险增加1.22%，心肺疾病死亡率和癌症死亡率分别升高6%和 8%。而且PM2.5浓度升高会对发育期的儿童肺功能有明显影响。流行病学资料显示，生活在污染严重城市的人患肺癌的风险比生活在清洁城市的人高10%—15%。

目前常见的PM2.5净化技术有HEPA、活性炭吸附、等离子/负离子净化、光催化（光触媒）净化等。HEPA是目前被广泛使用的一种多层净化技术。其过滤介质由细微玻璃纤维制成，厚度和质地与吸墨纸非常相似。HEPA高效过滤器一向被认为对所有0.3微米和更大的颗粒最低去除率高达99.97%。但是HEPA无法过滤掉直径0.3微米以下颗粒和直径更小与空气中PM2.5形成关系密切的气态污染物。活性炭吸附、光催化（光触媒）净化技术虽然对气态污染物有较好的净化效果，但对于固体颗粒污染物净化效果有限。

因此我们希望探索出新的PM2.5净化技术，其净化原理简单，对固体颗粒和气态污染物都有较好的净化效果，由此技术制造出来的PM2.5净化装置售价低，维护简单，成本低。我们想到了水洗净化，水既能洗掉空气中的固体颗粒，又能吸收空气中的多种气态污染物，理应能有效降低空气中的PM2.5的浓度。但目前关于水洗净化PM2.5原理的研究少之又少，所以对水洗净化PM2.5的详细研究相当有必要。

国家环保部根据我国情况于2012年的《环境空气质量标准》GB 3095—2012， 规定环境空气中的PM2.5控制浓度一级标准为日平均浓度35μg/m3，与世界卫生组织推荐准则值空气中的PM2.5日平均浓度25μg/m3的标准相近，可以做为室内和车内环境中的PM2.5的测试评价标准。

1 净化装置设计

1.1 净化原理

本装置的净化原理是水膜水洗和雾化水净化。水膜水洗是通过喷头将水喷到若干层适当目数的纱网上，在纱网上形成一层层水膜，然后让需要净化的空气以一定的速度通过纱网上的水膜。此种净化方式类似于水洗，但又不完全等同于水洗。将水以水膜的形式展开既能增大空气与水的接触面积，又能减小空气通过的阻力。这样的净化原理既增大的净化的效果又减小了净化的功耗。这里的雾化水净化是一种辅助净化。雾化水净化就是喷头喷水时会形成大量细小水颗粒悬浮在纱网上方，空气经过此含有大量细小悬浮水颗粒层时，空气中的污染物会因拦截作用、扩散作用、重力和惯性的作用溶于水颗粒中，最终水颗粒会在重力的作用下落入纱网下方的水槽中。此种净化方式相对于纤维过滤，阻力略有增大，但净化效果却大大提高，最终将进一步提高此装置的净化效率。

1.2 净化装置构造（见图1）

1.3 装置净化过程

水循环：水泵将底部储水池中的水输送到装置上部水管，喷头将水雾化喷出，形成大量悬浮在空中的细小水颗粒，并在五层纱网上形成水膜。水颗粒溶解污染物后在重力的作用下，落在纱网上，随纱网上洗过空气的水一起流入储水池。

空气循环：右侧风机将外界空气吸入，空气运动路径如上图箭头所示。空气经纱网水膜水洗净化后再被纱网上方的雾化层净化，最后经装置左侧开口的挡水板离开。

2 净化实验

2.1 实验概述

依据广州市环境检测中心2012年监控数据：广州市区PM 2.5日平均浓度0.073mg/m3，国家环保部根据我国情况于2012年的《环境空气质量标准》GB 3095—2012， 规定环境空气中的PM2.5控制浓度一级标准为日平均浓度 35μg/m3。

选取广州大学工程实验北楼的605a实验室作为实验房间，房间尺寸 6m×7.6m×4.5m。

2.2 实验测试仪器

CW-HAT200高精度手持PM2.5速测仪：环境条件：-5—45℃，

AWA6218B型噪声统计分析仪：精度等级：2级；测量范围：35-130dB

UT212数字万用表：测量范围：交流电流0—400A±（1.5%+12），交流电压0—600V±（1.2%+5）

2.3 实验方案

实验设置了三种工况，分别是工况1空气经过水膜的速度为1.50m/s，工况2空气经过水膜速度为1.43m/s，工况3空气经过水墨速度为1.30m/s。实验测试时，每隔5min记录一次装置进出口空气PM2.5浓度，每隔30min记录一次周围空气PM2.5浓度。

2.4 实验数据（见图2～8）

2.5 数据处理及分析

η=[（C1-C2）/C1]×100%

C1 为室内最初PM2.5浓度，C2房间经净化后的PM2.5浓度

工况1：室内初始PM2.5浓度C1=0.107mg/m3 ，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.034mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.107-0.034）/0.107]×100%=69%

工况2：室内初始PM2.5浓度C1=0.101mg/m3 ，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.046mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.101-0.046）/0.101]×100%=54%

工况3：室内初始PM2.5浓度C1=0.105mg/m3 ，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.057mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.105-0.057）/0.105]×100%=46%

3 结论

3.1 由自然沉降实验可知，当把室内空气PM2.5的浓度升高到120ug/m3，不使用净化装置，经过1h的自然沉降，室内空气PM2.5的浓度会维持在105ug/m3。由此也可推出，不同工况的实验中室内空气PM2.5浓度降到105ug/m3以下，是因为净化装置的净化作用。

3.2 由工况1可知，本装置能有效净化室内PM2.5，在工况1的条件下净化效率达69%。而且本装置能将室内PM2.5浓度净化到国家规定的0.035 mg/m3以下。

由此可得出结论：水膜水洗净化和雾化水净化PM2.5是一种简单有效的净化PM2.5的新技术，采用此项技术的PM2.5净化装置能够将室内空气净化到国家规定的浓度以下。

3.3 三种工况下装置的净化效率不同，实验中改变的是风机的风量，即改变被净化空气通过水膜的速度。工况1，风速V=1.50m/s，效率η=69%；工况2，风速1.43 m/s，效率η=54%；工况3，风速V=1.30m/s，效率η=46%。由此可以推测，水膜水洗净化的效率与空气经过水膜的速度有关，而且在一定范围内净化效率随风速的增加而增加。

参考文献

[1]徐玉党.室内污染控制与洁净技术[D].重庆：重庆大学出版社，2008.

[2]西安工程大学.流体动力式喷水室净化PM2.5的研究[J].全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集，2008.

[3]国家质量监督检疫总局.GB/T18883-2002 室内空气质量标准[S].环境工作通讯，2003（03）：26-33.

[4]国家质量监督检疫总局.GB 3095—2012环境空气质量标准[S]，2012.