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清华大学 · 建筑技术科学系 2013.08.22 - PowerPoint PPT Presentation


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2013 中国清洁技术论坛. 空气净化技术及发展概况. 徐秋健. 清华大学 · 建筑技术科学系 2013.08.22. 目录. 为什么需要空气净化? 我们需要哪些净化功能? 现有空气净化技术概况 空气净化技术展望. 1 . 为什么 需要空气净化 ?. 传统家电, 家庭 必需品. 空气净化器,必需品 or 奢侈品?. 存在作用范围小、有效时间短、经久耐用性差等问题. 密闭空间生命安全保障:必需空气净化. 空间站空气净化. 波音飞机机舱净化. 人防工程滤毒净化. 人居环境: 空气安全、健康如何保证 ?. 人体的物质摄取量(重量比).

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Presentation Transcript

2013中国清洁技术论坛

空气净化技术及发展概况

徐秋健

清华大学 ·建筑技术科学系

2013.08.22


目录

为什么需要空气净化?

我们需要哪些净化功能?

现有空气净化技术概况

空气净化技术展望


1. 为什么需要空气净化?

传统家电,家庭必需品

空气净化器,必需品 or 奢侈品?

存在作用范围小、有效时间短、经久耐用性差等问题


密闭空间生命安全保障:必需空气净化

空间站空气净化

波音飞机机舱净化

人防工程滤毒净化


人居环境:空气安全、健康如何保证?

人体的物质摄取量(重量比)

成年人的空气摄入量:约15kg/天


2. 我们需要哪些净化功能?

国外家庭空气净化产品的主要功能

治疗过敏症

家居除臭

降低二手烟伤害

不能满足中国家庭净化需求


我国家居环境VOC污染严重

城镇新建建筑逾10亿平米/年

建材和木家具散发VOC:甲醛、苯、甲苯等

致癌物 (WHO)

地毯

塑料地板

复合木家具

复合木地板

油漆

隔热材料

大芯板


室内半挥发性有机物(SVOC)污染

遗传和代际效应不容忽视!

几种主要的塑化剂、阻燃剂在我国的产量和消费量都位居世界首位!

时间

Birth

1 year

10 year

20 year

30 year

影响

暴露

Wang LX, et al., Chinese Sci. Bulletin, 2010.


我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首! 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

-室外PM2.5浓度高,殃及室内空气

哈佛大学:按中国目前的可吸入颗粒污染计算,2003-2033年间我国将有6千5百万人死于慢性肺病,1千8百万人死于肺癌(Lin et al., Lancet, 2008)。

图片来源:美国宇航局NASA: http://www.nasa.govtopicsearthfeatureshealth-sapping.html


2003 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!非典:空气传播疾病截止到2003年7月31日,中国累计感染病例5327例,349人死亡。


我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!国家庭需要的空气净化产品的功能

甲醛、苯、甲苯、二甲苯、TVOC、苯并(a)芘

SO2、NO2、NH3、O3

SVOC(塑化剂DEHP、阻燃剂)

化学污染

  • PM10

  • PM2.5,超细颗粒(UFP)

颗粒物污染

  • 细菌

  • 病毒(SARS,H7N9)

微生物污染


3. 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!现有空气净化技术概况

  • 化学污染

    - 光/热催化氧化

    - 吸附

    - 等离子体

    - 其它(如生物酶分解)

  • 颗粒物污染

    - 过滤

    - 静电除尘

    - 负离子

  • 微生物污染

    - 紫外杀菌(UVGI)

    - 臭氧


3.1 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!化学污染去除技术

光催化 (PCO) 降解VOCs 的原理

Fujishima A. , et al., Nature, 1972, 238(5338): 38-45.

导带

价带


VOCs 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

PCO如何净化空气?

紫外灯(关)

微生物

紫外灯 (开)

TiO2


光催化材料的反应能力 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

反应面积与流通面积之比Ar/Ac

传质能力强弱

提高光催化降解VOC的效果的途径

空气净化器

4条途径

- 提高无量纲反应面积Ar/Ac

- 提高对流传质强度

- 应用更高性能的光催化材料

- 优化运行条件

例:增加肋片


反应器 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

紫外灯

涂覆TiO2的肋片

1

73%

增加肋片

x

x

C (ppm)

C (ppm)

不含肋片时的VOC 浓度

含肋片时的VOC浓度


光催化降解副产物的 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!测试及危害评估

  • 质子传递反应质谱仪PTR-MS

  • 在线检测

  • 最低30 ppt

配气系统

反应器以及采样测量装置


空气净化器有害副产物评估 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

光催化反应中间产物的实时测量

有些反应条件下反应不完全,会产生更为有害的气体

Cini=1200ppb, T=24-26℃, RH=47-50%, 254nm, 0.43mW/cm2


TCO 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

HCHO

O2

H2O

CO2

热催化技术(TCO)

热催化降解甲醛原理:室温催化燃烧

在室温下进行

特点: 不需要紫外光激发,反应面积可比光催化大大提高.

比光催化更强的甲醛降解效果!


热催化降解 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!甲醛测试实验系统

催化材料

混合罐

流量控制

采样气袋

PTR-MS

流量控制

INNOVA

甲醛

压缩空气


室温条件下的甲醛去除实验效果 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

入口甲醛浓度(49ppm)

Eff.=98%!

出口甲醛浓度(1.0ppm)

T=17℃ , RH=35%, u=0.5m/s


降解甲醛 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!的反应速率:服从双分子L-H 动力学方程

E1: 反应活化能

E2: 吸附活化能

Xu QJ, Zhang YP et al. Environmental Science & Technology, 2011, 45: 5754-5760


PTR-MS 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

出口空气中未有副产物检出

  • 室温热催化难以降解其他的VOC,降低了副产物风险.


等离子体技术 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

  • 采用电晕放电或辉光放电产生低温等离子体。

  • 等离子体具有较高活性,可对VOCs 分子进行氧化、降解反应。


吸附技术 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

吸附过程

3. 表面吸附

1. 对流传质

2. 材料内部扩散

污染物分子

选择孔隙多、比表面积大、分配系数强的材料

注意外部对流,净化器内的流场分布


吸附材料去除 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!VOC过程

空气净化设备吸附材料遴选

中间状态M(t)

平衡态

t=t1

t= ∞

t=0

  • 通过传质模型计算, 可获得任意给定时间吸附净化中间状态的性能,提炼出决定材料性能的关键参数,用于指导吸附选材。

颗粒材料中间状态性能

颗粒模型

指导吸附选材,预测设备寿命

过滤设备模型

过滤设备中间状态性能


物理吸附 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

化学反应

  • 初始速度快

  • 容量有限

  • 速度慢

  • 容量大

  • 有副产物风险


3.2 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!颗粒物污染去除技术

过滤技术

小颗粒通过,大颗粒不通过


过滤器工作原理 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

①扩散:De<0.1μm

②中途拦截: De>0.4μm

③惯性碰撞: De>0.4μm

④被静电捕获

过滤材料需定时清理或更换。

From Wikipedia


高效过滤器 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!HEPA,> 99.97%

0.3um

过滤器的总效率和各种作用效果与粒径的关系曲线图


静电除尘技术 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

电场使粒子迁移至收集板

集尘区

使粒子带电

需定时清理灰尘,防止击穿或失效。


负离子技术 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

原理:与空气中的尘粒、烟雾以及悬浮微生物等污染物结合,变成重粒子而沉降,起到空气净化作用。

  • 发生技术:

  • 电晕放电

  • 导电纤维

  • 加热式电晕极

  • 水动力型发生

重粒子沉降以后需清理,否则容易引起二次悬浮。


3.3 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!微生物污染去除技术

紫外杀菌技术(UVGI)

紫外灯用于空调过滤器杀菌


UVGI 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!使用在短波长的紫外线(UV)光分解微生物。

254nm紫外线会破坏DNA核酸。

Mercury-vapor lamp

紫外灯辐射可对人体造成伤害,需防止直接照射


臭氧杀菌技术 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!

杀灭病毒:直接破坏其RNA(核糖核酸)或DNA(脱氧核糖核酸)

杀灭细菌、霉菌类微生物:先作用于细胞膜,使细胞膜结构受到损伤,导致新陈代谢障碍并抑制其生长,并继续破坏膜内组织,直至杀灭

臭氧本身对人体有害,需防止逸散到人员活动的环境中


3.4 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!各种净化技术总结


4. 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首! 空气净化技术展望

  • 唯有真正有效、无副作用的净化技术才会最终占领市场;

  • 单一净化技术难以满足室内污染物的多样性,产品将更多体现多种技术融合;

  • 体现人性化、功能化设计,产品的结构形式会趋于多样化;

  • 空气净化产品的维护和模块更换将会持续升温。


谢谢! 我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首!


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