活性炭纤维过滤器在室内空气净化中的试验研究

1、前言
　　室内的环境质量是影响人体健康最重要的环境因素。室内空气污染物在种类、数量上都随建筑物的地点、种类、用途和室外空气污染状况的变化而变化。解决这一问题的有效方法就是在室内增加空气净化设备,据有关资料报导,目前使用的空气净化设备对净化多种污染气体能力普遍较差,如对人体放出的二氧化碳和体臭,厨房产生的水蒸汽和一氧化碳,吸烟过程中产生的复杂的气体污染物等。另外很多种污染物是很难用现在的空气净化设备清除干净的。基于上述原因本研究提出了利用活性炭纤维过滤器净化室内污染气体,较系统地研究了活性炭纤维过滤器的性能、特点,探讨了不同污染空气条件下各种因素对过滤器过滤效率的影响,为活性炭纤维在室内空气净化方面的应用提供了科学的依据,为室内空气净化器的研究发展奠定了基础。
　　活性炭纤维过滤器(以下简称过滤器)采用活性炭纤维毡或纤维布制成,此种材料优越于活性炭(GAC)具有高度发达的微孔结构,吸附容量大,外表面积大(约是GAC的10~100倍),吸、脱附速度快,净化效果好的特性。此过滤器设计外形尺寸为282mm×282mm×120mm。当过滤风量为设计风量260m³/h时,设计迎面风速为0.91m/s,滤速为0.172m/s,需滤材为0.44m²(过滤器有效面积为0.42m²)。为了便于加工和降低造价,过滤器边框采用塑料板,滤材用207#的尼龙网及铁丝网支撑,滤材的边缘与塑料边框用玻璃胶粘接使之密封。其结构如图1所示。

2、过滤器的性能测试
　　2.1　测试流程图
　　过滤器的性能测试流程见图2。

　　采样器的风量控制在1L/min,采样时记录采样时间和流量。
　　2.2、测试方法
　　2.2.1、过滤器阻力测试
　　关闭新风口,全开回风阀,启动风机,通过调节主风道的闸板阀来控制风机风量,进而调节过滤器的过滤风速。风机风量由连接在主风道的热电风速仪测出风速后确定。过滤器的阻力由其前、后设置的静压环压力差而确定,静压由倾斜式微压计读出。
　　2.2.2　过滤器对各种污染气体总去除效率的测试
　　(1)污染气体测试及采样分析方法

　　每分钟抽吸一次)法制取;NH3采用浓氨水挥发法制取。
　　实验时首先在过滤器前后测孔处安装采样管,采样管和大气采样器相连。然后在实验室内制备所需浓度的某种污染气体,由电风扇混合均匀2min,开启风机调节所需风量。根据性能测试研究的不同内容,设置不同的条件,测定出过滤器前后的污染气体浓度。测试顺序为:风机启动后首先在过滤器入口采样5min,依此浓度作为过滤器的入口浓度,然后测定过滤器出口在风机运行不同时间后的5min平均浓度,求出过滤器的总去除效率η。
　　过滤器总去除效率:

　3、过滤器的性能测试结果与分析
　　3.1　过滤器阻力测试结果及分析
　　过滤器阻力随主风道风速的变化见图3。　　

　　由图3可知,过滤器的阻力均随风道风速的增加而增大,近乎直线关系。当过滤器的风量为设计风量时(即Q=260m³/h,风道风速为2.82m/s,过滤器滤速为17.20cm/s),过滤器阻力约为20Pa。
　　3.2　过滤器对污染气体去除效率测试结果与分析
　　3.2.1　在相同的污染条件
　　测定不同风量下风机开启20min后的过滤器出口5min平均浓度,计算其污染气体去除效率。其结果见图4。

　　由图4风量与效率变化曲线可知:①SO2、NOX污染气体在同一浓度不同风量下,存在着最高去除效率和与之相对应的过滤器的最佳滤速。过滤器对入口浓度为1.555mg/m³的SO2,最高去除率为90.4%,最佳滤速为12.50cm/s,最佳风量为189m³/h;对浓度为2.506mg/m³的NOX的最高去除率为76.58%,最佳滤速为12.50cm/s,过滤器的高效区风量范围为157.6~251.6m³/h。②低风量气体去除率低,主要是由于风机出风量低时,虽然过滤器的过滤效率提高,但相对的未净化气体多,一次循环后,净化气体与未净化气体混合后房内污染物浓度仍较高,致使开机20min后的去除效率受到影响。但如果过滤器在某一风量下无的循环过滤,污染气体会达到某一最高去除效率,这样作的结果是很不经济的。因此选择最佳开机时间、最佳过滤风量和最佳气体去除效率对研究活性炭纤维过滤器具有重要的实际意义。
　　3.2.2　一定浓度的污染气体在同一风量不同的开机时间下
　　分别测定风机开启10、20、30、40、50、60min后的过滤器出口的5min气体平均浓度,计算各时间段的污染气体总去除效率。测试结果见图5、图6。

　　由图5和图6可以看出,对同一浓度的污染气体风量一定时,污染气体的去除效率随风机开启时间的延长而增加,最终趋于一平衡值。通过过滤器风量为189~226m³/h,污染气体去除效率曲线最为理想,一般在过滤器入口浓度不太高时,风机开启20 ~30min,即可达到室内环境质量的要求。
　　3.2.3、过滤器风量一定,污染气体浓度不同
　　测定风机开启20min后过滤器出口的5min气体平均浓度,计算出不同过滤器入口浓度下过滤器的去除效率,测试结果见图7、8。

　　由图7、图8可以看出;在规定的净化时间范围内,过滤器对气体去除效率有随污染气体浓度升高而增加的趋势,但当污染气体浓度达到某一值后,效率都有所降低。这说明活性炭纤维在一定时间内对高浓度的污染气体有较高的去除率,但是每次循环的净风量是一定的,即一定时间内处理的污染气体量是一定的,随着室内制造污染浓度增高,即使过滤器的去除效率较高,但固定时间内气体的循环、混合也影响了总去除效率。因此对低浓度的污染气体可以采用较短的开启时间进行快速净化,而对污染气体浓度较高时,可以延长风机开启时间,使净化器达到最佳去除效果。过滤器对不同种类的污染气体在一定时间内,存在着最佳去除效率的浓度范围,在这个范围内净化设备开启一定时间便可满足室内环境质量要求,若在气体过滤器上标记去除浓度范围将会为用户的选择提供方便。
　　3.2.4　同一浓度的污染气体在风机开启不同时间段,过滤器前后浓度随时间变化
　　燃烧0.1g、0.5g的硫磺,风扇混匀后同时测定过滤器第1个5min,第2个5min,第3个5min,第4个5min过滤器前后气体平均浓度,计算每个时间段的去除效率。测定结果见图9、图10。

　　从图9、图10可以看出,过滤器吸附过滤气体规律为:(1)对于低浓度气体,第1个5min处理效率较高,在达到饱和前随着进口浓度降低,效率处于下降趋势,开机时间越长,它的累积去除效率就越大,但累积速率有所降低,因此开启时间并非越长越好,太长耗电大,效果不一定特别明显。(2)对于高浓度气体,第1个5min的去除率相对不高,而后随着浓度降低,第2个5min的效率增高,浓度再降时,效率又逐渐减小,此规律说明过滤器的去除效率随着气体浓度增高而增大,但增加到一定值时,再随着浓度的增高,去除效率又开始下降,中间出现一个峰值,说明高浓度的污染气体应适当增加风机开启时间,有利于污染物质的去除。以上两规律和前面结果分析完全相符合。
　　3.2.5　过滤器对CO、CO2的去除率
　　实验室内点燃6支烟,每支烟每分钟抽吸一次,烟抽完后,电风扇混匀2min,开启净化装置,调节风量Q=157.6m³/h,在过滤器入口,由多种气体检测器通过比长式CO2、CO检测管,测出CO2、CO气体浓度,运行5min及20min后分别在过滤器出口处测定CO2、CO气体浓度。结果见附表。

　4、小结
　　(1)过滤器的阻力与风道风速成直线关系。
　　(2)过滤器对SO2、NOX的去除效率随过滤器的风量而变化。去除效率最高时,过滤器相对应的风量为189m³/h~226m³/h。
　　(3)过滤器对SO2、NOX等污染气体的去除效率均随去除时间的延长而增大,最后逐渐趋于平缓趋势。过滤器的最佳滤速不随污染物浓度的改变而变化。
　　(4)在20min的开机时间内,过滤器对SO2、NOX气体的去除效率都有随污染气体浓度升高而增加的趋势,但当污染气体浓度达到某一值后,浓度升高,效率却有所降低。过滤器对SO2、NOX的去除有一个最佳浓度范围。
　　(5)过滤器对CO、CO2几乎无去除效果。