客机座舱气态净化技术分析

《暖通空调杂志》2014年第七期

1机舱环境控制系统与舱内气态污染物

机舱环境控制系统的一个主要任务是控制舱内污染物的浓度，这与客舱通风系统有直接关系。客机的通风多采用50％新风＋50％回风［7］。飞机的主发动机引入外部新鲜空气进行压缩与加热，在燃烧室前将一部分压缩空气送入飞机的通风系统，在空调包（airconditioningpack）中减压并冷却，然后与来自机舱内的、经过高效过滤器过滤后的回风混合，再送回客舱。美国供热、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）的商用客舱空气质量标准（ASHRAEStandard161－2007）建议的人均舒适通风量约为7．1L／s［8］。大部分的现代商业客机中人均通风量约为6～12L／s，而在Lindgren等人对26架波音767－300飞机进行的调查中，根据机舱内CO2平均体积分数（709×10－6）推算得出巡航状态下机舱内人均通风量达到了15L／s［9］。机舱内的污染物主要有颗粒物、微生物及气态污染物三大类，其来源主要为：1）飞机到达与离开机场时的地面气态污染物；2）飞机巡航状态时引入的新风中的臭氧；3）乘客及乘务人员呼出与代谢散发的CO2、丙酮、乙醇及感官污染物（气味）；4）机舱内清洗剂散发的化学污染物；5）某些航班中喷洒杀虫剂的残留物［5］；6）臭氧与有机物反应产生的二次污染物。由于来源不同，机舱环境控制系统的回风系统与新风系统面临着不同的任务。

2回风中的气态污染物及其处理技术

2．1回风中的气态污染物在巡航状态下，除臭氧以外的其他污染物主要来自机舱内部。这些舱内污染物的去除主要在回风系统中进行。一般商用客机的回风系

统都装有高效过滤器。2009年的欧洲标准EN1822－1规定，用机的高效过滤器，对最易穿透粒径为0．3μm的颗粒的去除效率应达到99．97％，但是高效过滤器对气态污染物却无能为力。Lindgren等人对26架波音767－300飞机上的空气质量进行检测后发现，巡航状态下，CO2的体积分数在96％的检测时间内低于1000×10－6，NO2与O3的质量浓度最大值分别为37，66μg／m3，甲醛的质量浓度最大值为15μg／m3，机舱内空气质量符合美国联邦航空局的标准［9］。Nagda等人根据2003年以前的6篇关于机舱内污染物种类与浓度实时检测的文献中的数据，总结了机舱内CO2和CO的浓度水平并进行对比，认为机舱内主要污染物浓度水平与住宅、办公室等建筑环境及其他交通工具内的污染物接近，但机舱内乙醇与丙酮浓度明显较高，这归结为机舱内较高的人员密度；氯代烃及与燃料有关的污染物浓度比建筑及其他交通工具内更低［5］。克兰菲尔德大学的健康与环境研究所受英国政府资助，对机舱内污染物进行了实际检测，发现甲苯、二甲苯与柠檬烯等VOC的浓度满足英国标准BSEN4618：2009，也满足居住及办公环境的标准［10］。关军等人随机选取16架次国内航班，对机舱内的VOC进行了实测，结果显示座舱内总的污染物浓度在巡航阶段出现一定程度的增加，其增量主要来自于人员活动，如餐食服务、人体散发等［11］。综上，机舱内气态污染物的浓度基本与居住及办公建筑环境中接近。但是，目前对机舱内气态污染物的控制，主要的方法是引入新风进行稀释，以将污染物维持在较低浓度水平。而随着对机舱环境要求的逐渐提高及能耗成本的增加，有必要采取更主动、更高效的技术手段。

2．2回风中气态污染物处理技术

2．2．1吸附技术吸附分为物理吸附与化学吸附，分别基于吸附剂与吸附质的分子间作用力及分子间的化学键。吸附的效果主要与吸附机理、吸附表面积、孔隙率、平衡吸附量、污染物在吸附剂中的扩散系数和半衰期等因素有关。在建筑室内空气净化领域，吸附已被多项研究证明是一种有效的去除VOC的方法。Parmar等人通过实验证明活性炭对于去除多种气态污染物均有效果［12，14］；Fang等人研究发现基于吸附原理的除湿转轮对改善空气品质有积极作用，除湿转轮对VOC和感官污染物（气味）的去除效率分别不低于94％与80％，使用除湿转轮后测试人员对空气品质的不满意率由70％降低到20％，同时通过检测没有发现二次污染物［15］。对于机舱或其他交通工具的舱室，去除气态污染物的吸附装置通常采用类似颗粒物过滤器的一次性过滤单元。吸附过滤器由支撑基体和阻燃吸附床组成，在机舱环境下常与颗粒物过滤器结合在一起使用，同时去除颗粒物与化学污染物。图1为美国某公司的HEPA／Odour吸附过滤器示意图［16］，其将高效空气过滤器和吸附过滤器结合在一起，横截面下半部分即为用于去除气态污染物的吸附材料。该过滤器已作为可选件应用于AirbusA320／A330／A340等系列飞机中，可与普通高效过滤器互相转换。吸附技术的优势在于：1）吸附过滤器适合低温环境，而且对多种污染物均可有效去除；2）水蒸气对活性炭吸附VOC有不利影响，而机舱内相对湿度很低，更有利于活性炭的吸附；3）吸附过滤器结构简单，安全节能。然而，吸附技术也存在很多问题：1）活性炭吸附过滤器由于受到吸附量的限制，质量大，使用寿命有限，由机的空气净化装置只有在C检（通常为飞行6500h后）时才更换，这一缺点严重影响吸附技术在机舱污染物控制方面的长效性；2）吸附材料吸附量达到饱和后易产生二次污染；3）在机舱环境中，不仅存在VOC和气味等污染物，还存在较高浓度的臭氧，吸附态的VOC可与臭氧发生二次反应，产生包括超细颗粒物在内的多种有害副产物［17］，这使得吸附技术应用于机舱环境时需要谨慎考虑。

2．2．2光催化技术光催化技术是指在紫外线的照射下，催化剂将气态污染物催化分解为二氧化碳和水的技术。典型的光催化装置包括两个最基本的部件：光催化材料与紫外灯光源。研究中最常用到的催化剂是TiO2，ZnO与ZnO2也有应用［18－19］。在室内空气净化领域，光催化技术是一种通用的空气净化技术，可以同时去除多种污染物，如醛类、芳烃、烷烃、烯烃、卤代烃、气味等。但是光催化氧化过程容易产生副产物，如甲醛、乙醛，这些副产物的危害甚至更大［20－21］。因此有研究认为光催化技术还不是可以真正应用于实际的成熟技术［22］。Ginestet等人设计了一种用于机舱的新型光催化氧化空气过滤器，其中的光催化单元包括2个可以互换的负载TiO2面板和夹在中间的4个紫外线灯（见图2）。研究结果表明，光催化单元的效率随VOC种类的不同而不同。其中甲苯最难被氧化，反应的中间产物为甲醛和乙醛，中间产物会继续被氧化，但是对于中间产物是否会被完全氧化，以及光催化技术是否适用于实际机舱环境并没有给出答案［23］。为验证在实际机舱环境中，光催化技术对VOC的净化效果和乘客对空气品质主观评价的影响，Sun等人在模拟机舱中进行了实验，评价以TiO2为催化剂的紫外光催化对VOC的净化效果。结果显示，光催化技术可以有效去除VOC，如乙醇、甲苯、异戊二烯，但乙醇未完全氧化时会产生甲醛、乙醛等副产物［24］。Wisthaler等人在高乘客密度、航行时间7h的条件下模拟对比了吸附与光催化技术的净化效果。结果发现，两种技术都可有效去除大部分的有机污染物，但是光催化在不能完全氧化乙醇时，会产生有害的甲醛和乙醛气体，而乙醇在机舱中非常常见，主要由湿纸巾、酒精饮料散发以及人体呼出。综合考虑，吸附技术比光催化技术在整体上效果更好，但是作者同时也指出，该研究没有考虑长期效果，比如较低的相对湿度对有机污染物在光催化材料上积聚的影响，以及吸附剂达到吸附饱和与饱和后污染物再散发的影响［25］。在机舱净化产品方面，光催化技术还没有得到实际应用。图3为美国某公司处于开发阶段的光催化可再生吸附装置模型。在实验室条件下测得其对VOC的去除效率可达90％以上。该装置将光催化技术和吸附技术结合起来，既发挥了光催化效率高、阻力小、寿命长的优势，也通过吸附组件消除了光催化可能带来副产物的问题。但是这种装置结构复杂，吸附组件同样存在对副产物吸附饱和的问题，实际效果也有待验证。光催化装置的优势在于：1）可以在常温下工作；2）可以处理多种污染物；3）质量轻、阻力小；4）效率稳定，使用寿命长。但也存在很多问题：1）需要消耗电能；2）设备结构复杂；3）易产生有害副产物。

2．2．3低温等离子技术低温等离子技术是利用等离子反应器内的高活性自由基和臭氧将空气中的VOC或气味污染物氧化成二氧化碳和水，达到净化空气目的的技术［26］。低温等离子技术可以有效去除颗粒物，去除效率在76％～99％之间［27－28］，对气态污染物的去除效果并不理想，但当其与热催化技术［27］、紫外光催化技术［28］结合时，去除VOC的效果会明显提高。VanDurme等人通过实验证明，对于等离子技术，相对湿度越低，甲苯的去除效果越好［29］，这一特性恰好适用于低湿的机舱环境。低温等离子装置的优点在于：1）有较长的寿命；2）在整个寿命周期内都能维持稳定的效率；3）可以同时去除颗粒物和气态污染物。其最大的问题在于容易产生副产物（如臭氧），且需要较高的电压，若应用机上，则可能存在较大的安全隐患。

2．2．4热催化技术热催化技术是指利用贵金属、过渡金属氧化物等催化材料，在加热条件下将VOC氧化为二氧化碳和水的技术。Muggli等人对比了γ－MnO2与Pt／TiO2两种分别代表过渡金属氧化物与贵金属的典型催化材料对VOC（以正己烷、苯与乙酸乙酯三种不同性质的有机物为代表）的去除效果，在反应温度达到200℃或更高时，两种材料对VOC的去除效率均能达到90％以上［30］。通常条件下，反应温度需要达到100℃或更高，对VOC的催化分解才会有明显效果［31］。因此，催化反应所需的高温环境严重限制了热催化技术在机舱环境的应用。目前热催化技术已有应用，美国某公司将VOC的催化分解与臭氧的催化分解相结合制备催化转化器，用于处理新风中的VOC，但其主要作用是处理臭氧［32］。

3新风中的臭氧及其处理技术

3．1新风中的臭氧机舱内的臭氧来自外部大气。中高纬度地区大气对流层的高度约为8000～12000m，因此，很多商业飞机，特别是飞行高度较高的越洋飞机以及在高纬度地区飞行的飞机会在臭氧浓度较高的对流层顶及平流层内飞行。以美国汽车工程师学会的报告为例，在北纬50°、海拔10700m处，春季臭氧体积分数可达到0．5×10－6；在北纬80°处，甚至高达1．0×10－6［2］。机舱内的臭氧会直接引起乘客眼睛干涩、头痛、胸闷及皮肤干燥瘙痒等多种不适症状，长期接触会引起严重的呼吸道疾病并损害免疫系统。同时臭氧会与机舱内的VOC、人体皮肤、头发及衣服等多种物质发生反应，产生多种副产物及超细颗粒物［33］。美国联邦航空局（FAA）操作要求CFR－title14－part121．578［34］、适航标准CFR－title14－part25．832［35］，ASHRAE的商用客舱空气质量标准（ASHRAEStandard161－2007［8］）均对客舱中的臭氧浓度作出了规定：飞行高度高于9754m（32000ft）时，臭氧体积分数任何时刻均不允许超过0．25×10－6，且飞行高度高于8230m（27000ft）时，任意连续3h的平均值不得超过0．1×10－6。这些标准适用于任何航班。FAA的顾问委员会（AC120－38）及ASHRAEStandard161－2007建议在有可能出现臭氧超标的航班中，应连续监测臭氧浓度，且应安装并运行臭氧转换器。可见，控制飞机客舱中的臭氧浓度对于保护乘客及机务人员的健康是非常必要的，而且在某些机型中是强制性的。因此，对于新风中污染物处理的一个主要任务就是去除其中的臭氧。Spengler等人实际调查发现，被检航班机舱内臭氧平均体积分数为0．08×10－6，并且检测到有20％的航班机舱内臭氧体积分数超过了0．10×10－6，有11％的航班机舱内臭氧体积分数超过了0．12×10－6［4］。2006—2007年，Bhangar等人对北美境内的航班和跨洋航线的航班机舱内的臭氧浓度进行了实时检测，结果显示，在没有安装臭氧转化器的飞机机舱内，臭氧浓度的平均值是装有臭氧转化器的7倍；装有臭氧转化器的飞机机舱内臭氧浓度较高时，仍满足美国联邦航空局的标准［36］。美国客机机舱环境研究中心在2010年的报告中指出，没有安装臭氧转化器的飞机机舱内臭氧浓度明显较高，且在调查的46架未安装臭氧转化器的飞机中，8架飞机的机舱内臭氧体积分数超过了0．10×10－6，1架超过了0．25×10－6［33］。综合相关标准与实际调查结果，飞机有必要安装去除臭氧的装置，并予以定期的维护与更换。

3．2新风中臭氧的处理技术通常对气态臭氧的净化有两种方法：1）吸附，如活性炭吸附去除臭氧；2）催化分解，钯、铂等贵金属及二氧化锰等过渡金属氧化物催化分解臭氧均有很高的效率。

3．2．1吸附技术1977年，在美国联邦航空局确认臭氧是造成机舱内人员身体不适的主要原因后，泛美航空公司与波音公司合作，以活性炭吸附作为应急方案在波音747上试用。采用活性炭吸附的方法可以很好地去除臭氧，但是存在很严重的问题：过滤器寿命短，需要频繁更换；质量大，对机是一个非常大的负担；防火性差，由于臭氧的强氧化性，活性炭吸附臭氧后，容易自燃甚至发生爆炸。由于这些缺陷，活性炭吸附去除臭氧的方法并没有得到广泛应用。

3．2．2热催化技术对于臭氧的净化，热催化技术是利用催化材料，将臭氧催化分解为氧气的技术。1978年，JohnsonMatthey公司以贵金属为活性涂层，金属蜂窝结构为基底，套装在金属罐体中，研发了臭氧催化装置，随后进行商业化并应用机上。目前，臭氧转化器是飞机上主流的去除臭氧的装置。臭氧转化器的催化材料主要有两类，一类是贵金属，如铂、钯、铑等；一类是过渡金属氧化物，如锰、镍、铁、钴、铜等的氧化物。1979年，JohnsonMatthey公司在实验了30种不同的活性材料后，最终选择了铂作为催化材料。而Heck等人在研究中发现，无论是在无污染的理想环境下，还是在实际飞行环境中检测，钯对臭氧的催化效率比铂更高［37］。除钯、铂等贵金属外，Hao等人发现金对催化分解臭氧也有很大的潜力，在高浓度（体积分数400×10－6）、常温（300K）条件下，仍有很高的催化分解效率［38］。Imamura等人研究了银、镍、锰、铁、铜、钴等多种金属的氧化物对臭氧的催化分解效率，发现氧化银的效率最高［39］。在过渡金属中，催化分解臭氧效率最高的是以MnO2为代表的锰氧化物［40］。在Tatsushima等人的专利中也提到以MnO2为催化材料可以达到很好的催化效果［41］。顾玉林比较了MnO2，Co3O4，NiO，Fe2O3，CuO的催化活性，并进行了复合金属氧化物实验，对比锰－铜、锰－镍、锰－铁、锰－钴、钴－镍、铁－镍、铜－镍等多种双金属氧化物催化材料，发现锰－铜系金属氧化物的活性最高，稳定性最好［42］。Lester等人通过实验发现贵金属如铂等，搭配基体金属如镍、铁等催化效果很好［43］。Liu等人研究了双金属催化剂如钯与镍组合，铂、铑、金等与锰、钴、铁等组合的催化效果。在实验中，钯与镍组合，在臭氧体积分数为1×10－6、温度为95～175℃的条件下，臭氧的转化效率均在98％以上［44］。Yu等人在锰催化剂中加入钯，以提高催化剂的抗水性，发现锰含量为80％～90％时催化活性最高［45］。实际应用机上的催化剂主要以贵金属为主，1％Pd／γ－Al2O3是目前飞机上使用的效率最高的臭氧催化材料［46］；也可搭配过渡金属氧化物，如Pd－MnOx／SiO2－Al2O3，以有效降解臭氧，同时提高抗钝化能力［47］。臭氧转化器一般由金属外壳和内部涂有催化剂的蜂窝状金属或陶瓷组成［7］（如图4所示），催化剂附着于蜂窝状空气流通通道表面，增加了催化剂与臭氧的接触面积。为了增加流道内的径向流动，也可以在流道上增加突起的肋片［48］（如图5所示）；或者采用近似蜂窝状的结构，如交叉流道的蜂窝结构［49］（如图6所示）；或者采用膜结构［50－51］，膜结构一般都采用多层和褶皱的形式（如图7所示），滤膜为一层很薄的多孔材料或微纤多孔材料，其上附着催化材料。除已经得到广泛应用的蜂窝状结构整体式催化转化器外，也有学者对其他结构形式的热催化分解臭氧转化器进行了研究。Kalluri等人利用直径为4，8，12μm的镍纤维，采用湿法造纸技术，将负载钯、银的氧化铝粉末均匀分布其中，烧结制备了金属纤维毡（如图8所示），再成型为W型过滤器，其对体积分数为10×10－6的臭氧的催化分解效果很好，臭氧的停留时间非常短（67～200μs），且降很小，与现有的整体式臭氧催化转化器的压降接近［52］。这种采用金属纤维毡的过滤器与现在很多颗粒物过滤器类似，其最终成型的结构形式多样，便于结构优化，以提高效率与寿命，减小压降。同时，负载不同的催化材料，可以去除不同的污染物，而不仅仅限于臭氧。如通过与活性材料组合，可以实现去除机舱内VOC等多种污染物，以及实现同时去除臭氧与VOC的目的。因此，这是一种很有潜力的可应用于机舱内臭氧与VOC去除的技术。热催化分解去除臭氧技术在航空工业的研究和应用已有30多年的历史，其主要优势在于技术成熟，可以满足机舱内的净化要求，但也存在以下问题：1）热催化分解一般需要最低150℃的工作环境，在200℃以上能更好地保证对多种污染物的有效去除，如果工作环境温度低于150℃，催化氧化效果就会显著下降［30］；2）根据航空工业界的经验，臭氧转化器也会不断积聚污染物，效率逐渐降低；3）偶然发生的烟雾或高浓度燃油污染物在很短的时间内便会使催化剂中毒。

4总结与展望

目前机舱内空气质量与一般建筑环境接近，除臭氧以外的其他气态污染物的控制主要是通过新风的稀释作用。而随着全球性的能源危机，客机的新风量很可能进一步减小，这就要求对机舱内的VOC及气味等污染物采取更主动、更有效的控制方式。对于VOC的净化，在吸附、光催化、热催化与等离子等几种主要技术中，应用较多的是吸附技术。吸附装置结构简单，适合低温环境，对多种污染物都可有效去除，几乎不产生二次污染物，但是吸附容量有限，寿命短。除吸附技术外，热催化技术在机舱环境中的应用也有一定潜力。催化材料会将吸附到表面的污染物分解掉，因此理论上不存在吸附饱和与寿命过短的问题。但是在常温下，包括贵金属与过渡金属氧化物在内的多数催化材料的催化活性都不高，且一种催化材料往往只对特定的某几种污染物有较高的催化效果，而实际条件下污染物的种类都是很复杂的。另外，由于反应产物复杂、停留时间过长及安全与稳定性等原因，虽已有将光催化技术应用于机舱中去除VOC的相关研究，但并无应用实例；尚没有将低温等离子技术应用到机舱环境中的研究。而对于新风中必须去除的臭氧，热催化技术的应用在国外已经商业化，且趋于成熟。但我国在该领域仍处于起步阶段，目前笔者正进行低温下催化分解臭氧的相关研究。综合考虑臭氧与VOC的去除，笔者认为热催化技术是最有应用潜力的。其关键在于开发常温或中低温条件下，针对机舱内气态污染物的高效催化材料。虽然一般情况下贵金属，如铂、钯等的催化效率高于过渡金属氧化物，如二氧化锰，但后者在经济性方面优势更大。对于热催化材料应用的结构形式，传统的填充床结构阻力较大，但效率较高，仍有一定的应用价值；也可参考现有的颗粒物过滤器，将催化材料与滤纸结合，制成气态污染物过滤器；整体式蜂窝催化转化器的阻力较小，在能耗方面有较大优势，合适的催化材料与负载方式将成为其应用的关键。

作者：陆义裴晶晶韩旭刘鲁萌刘俊杰单位：天津大学