基于纳米光催化技术(专效去除甲醛tvoc等)对车辆空气净化的应用研究建工学院毛晨露

基于纳米光催化技术（专效去除甲醛、tvoc等）对车辆空气净化的应用研究（一）目前背景和意义。据某机构的实验数据，该机构借用“室内空气质量标准”来检测车内空气质量发现：国产的新车不合格率甚至高达了93.8%，现有道路上行驶的车辆经检测，不合格率也高至59.3%。众所周知，甲醛和苯系物属于被世界卫生组织认定为致癌、并容易导致血液病的有害物质，它们是导致车内环境污染的“元凶”之一，它们不仅具有致癌性，还能对人体的免疫和神经系统产生不良影响，使人反应迟钝、精神不振，也成为汽车行车安全的一个隐患。据来自中国科协工程学会联合会汽车环境专业委员会主办的“中国首次汽内环境污染情况调查活动”的调查结果显示：在随机抽检的842辆汽车中，有93.82%汽车存在着不同程度的车内环境污染，其中车内主要的污染物质为甲苯，此外还包括二甲苯、苯、甲醛以及总挥发有机物(TVOC)。中国室内装饰协会室内空气监测中心曾对200辆汽车进行车内环境检测，得出的结果是：如果参照室内空气质量标准，有高达90%以上的汽车都存在环境污染指数超标，主要超标成份为甲醛或苯等有害物质，而且超标相当严重，甚至超标达到了五六倍以上，此外还发现，在被检测的汽车中以新车的空气质量为最差，其甲醛等物质超标达到10倍以上。深圳市计量质量检测研究院曾对使用不足半年的新车进行了随机检测了，得到的结果是70%的汽车车内空气环境不达标，其中有害气体的浓度超过标准规定的限值，超标严重的甚至达到了限值的10倍以上；广州中科环境检测中心对2000辆汽车进行车内环境检测结果表明有92.5%的车辆存在车内空气环境污染问题；哈尔滨市质检所环境检测中心对50辆使用不足半年的新车进行了随机抽检，结果发现其中甲醛超标的有16辆，总挥发有机化合物(TVOC)超标的有30辆，已经严重超标的甚至超过标准限值的10倍；浙江省消协将待售的10个品牌的新家用车委托杭州市疾病控制预防中心进行了甲醛、苯、甲苯、二甲苯四项检测，结果很不理想，发现其中有7个品牌的新车超标，此外还公开社会上征集了20辆使用半年无改装的车辆进行检测，结果是其中的11辆车的甲醛指标超标，另外9辆车的总挥发有机化合物(TVOC)超标。车辆内逐渐释放出来的污染物不能得到有效分解，使室内污染相当严重，形成令人恐惧的“毒气室”，这些有害物质都有致癌性，部分甚至可能影响人的神经系统或免疫系统。因此人如果经常长时间呆在这样的环境里，不仅会出现头晕、恶心、想吐等不舒适感，而且很可能会影响人的身体健康，甚至诱发一些疾病。汽车空气污染对生命造成的危害程度令人触目惊心，在现代人呼吸的沉重中，反映出生命的某种失衡，更反映出室内空气污染治理已刻不容缓。（二）现有车载空气净化器各有不足首先在空气净化器的发展历程中主要经历了几个阶段：第一阶段的产品主要是采用物理办法，即利用过滤、吸附、磁化等物理办法对杂质进行处理，属于小型的空气过滤器，空气通过风机对其加压、过滤或者静电凝聚的方法来清除杂质、尘埃、烟尘等，从而以达到净化空气的目的，这种装置结构简单，效果也不理想，只能除去大颗粒的杂质。第二阶段的产品是以臭氧负离子功能为主的空气净化器，即负离子净化器。负离子空气净化器也是目前应用最广的一种空气净化器，我们知道，臭氧具有消毒、杀菌、除异味等功能，负离子空气净化器主要是通过强电场产生负离子与颗粒污染物结合形成“重离子”，使有害物质和大颗粒杂质沉降或吸附在过滤网上面，同时对空气进行杀菌消毒作用，从而达到净化空气的目的，显然这么空气净化器效果明显，使人神清气爽，但是，不足的是该空气净化器会产生臭氧，而臭氧有不能分解有机污染物的缺点，因此可能会造成二次污染的问题。第三阶段的产品是采用纳米光技术的空气净化器，即紫外光空气净化器。利用紫外线的原理，微生物的细胞膜在通过紫外线的照射下被破坏，从而杀死各种病菌，细菌等有害物质，以达到杀菌消毒的作用，常见的紫外光空气净化器结合HEPA除尘、紫外杀菌和负离子等技术于一身，具有全方位、效果理想等特点。而对于车载空气净化器来说，由于车内环境的特点，空气净化器受到多方面的限制：(1)功耗、噪音、尺寸限制了大功率风机首先是电力供应问题，空气净化器的核心部分包括两个部分第一个是滤网，决定了单次净化效率；第二个部分是风机，足够大的风量可以在同样的时间内循环更多的空气。这也就是我们说的单位时间内输出洁净空气量的概念。受到多重因素限制，车载净化器难以提供大功率风机我们都知道，所有汽车供电都通过点烟器接口，虽然有部分车辆提供了220V电压接口，但为了提高产品的通用性，目前车载空气净化器均采用12V点烟器接口。这就出现了一个问题，由于功率的限制，车内空气净化器就不能将大功率风机。此外，车内对空气净化器的运行噪音、机身尺寸都有更为苛刻的限制，车载空气难以配备大马力风机。在我们的实际测试过程中也发现，车载空气净化器普遍存在出风口风速低、风量小的问题。这与汽车本身自带的空调出风相比，差异明显。(2)车内环境复杂，低风速易形成净化死角前排座椅形成了空气循环屏障第二个问题是车内环境的问题，以标准型5座汽车为标准，由于车内前排座椅的遮挡，形成天然屏障，加之车载空气净化器出风口风速不足的问题，导致放在前排的车载净化器形成小区域循环，车内空气仅能通过空气浓度的自然平衡进行过滤，而整个过程是被动的。车载空气净化器因这几年的空气污染情况倍受关注，号称能“杀菌、除醛、吸尘、去味”全方位净化车内空气的车载空气净化器成为市场新宠，但是市面上的车载空气净化器参查不齐。如何解决汽车以甲醛，TVOC为主污染有机挥发性气体严重的问题？（三）光催化特性的基础研究光催化特性是纳米半导体材料的重要特性之一，这一性质在环境领域中的应用已有20余年的历史。具有光催化活性的光触媒材料很多为n型半导体氧化物，其中二氧化钛(TiO2)因具有高化学稳定性、耐热佳、成本低且无毒等特点成为近年来研究应用的焦点。光催化技术的应用范围十分广泛可用于污染水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌防雾和自清洁功能等。光催化基本原理是基于能带理论的光生电子-空穴理论,其中,以半导体作为光催化剂的研究最多。以Ti02为例,Ti02具有不连续的能带结构,由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成,存在于价带和导带之间的区域称为禁带,禁带宽度Eg=3.2eV。当能大于等于3.2eV(波长小于380mn)的光波照射到TiCh表面时,部分价带电子吸收能量并发生能级跃迁,电子跃迁到导带上后,相应的在价带上会产生一个空穴,由此形成电子-空穴对。.此时,导带上的电子因具有较高的能量,可作为还原剂,能量较低的空穴作为氧化劍,当电子-空穴对具有足够长的存在时间时,就可以与Ti02表面吸附的污染物发生氧化还原反应,从而实现将污染物降解为C02和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解，特别是对于废气的净化,杀菌除臭等方面的成效非常显著。图1——光催化原理纳米光催化的优点：（1）低温深度反应：光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常规的催化氧化方法亦需要几百度的高温。（2）净化彻底：它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。（3）绿色能源：光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。（4）氧化性强：大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。（5）广谱性：光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。（6）寿命长：理论上，催化剂的寿命是无限长的。（四）研究开发内容对这一问题的解决，国内外研究成果，有的着眼于研究制造及装饰过程的材料等，有的着力于空气污染治理的产品研发。但鲜有从空气净化器在车载中的角度予以深入研究，也鲜有从纳米光催化的技术优化方面予以关注。从人们的消费水平看，广大用户需要的期盼的是：车内空气的质量提高和价格能较为普遍接受的产品。本项目基于纳米材料的节能环保和实用性，和光催化技术的特点,制备适用于车载内空气污染治理的净化装置,尤其针对甲醛、总挥发性有机物(TVOC)的净化，通过设计实验和模型制作的形式研究和分析其运行的影响因素及整机性能，从而达到治理车内污染物甲醛、苯等，避免甲醛、苯等危害，以持续改善车内的空气环境、营造绿色环保空间，净化车内空气的目的。具体两点如下：(1)研究光催化组件在不同条件中的效果,尤其是在不同波长时的光催化性能，改良材料性能，使材料克服只能在紫外线条件下使用的限制，在普通波长光中也能良好地发挥作用。(2)研究光催化组件在车辆上的实施情况。将光催化组件与活性炭、HEPA高效滤网、负离子发生器、风机组合,作为完整的空气净化器原型机,进行光催化降解甲苯和TVOC的能力测试,并与现有的车载内空气就质量和效果进行比较。（五）实验设计流程1）实验装置本项目需要连续流光催化实验装置来进行实验分析，该装置主要由动态配气系统、光催化反应器和检测装置组成,如图f。其中配气系统包括气源和质量流量计,通过流量计和三通闹可以调控污染物的流量和初始浓度。将样品(D=10cm)置于反应器中部,密封反应器。实验总流量为200ml/min,其中空气流量20ml/min,甲苯初始浓度73.8ing/m3。实验过程中每隔一定时间取样一次,进入气相色谱测定甲苯浓度。（f）光催化实验流程图2）实验设计设计以下两个实验1.自然衰减实验a)将小试装置放置于图g中的实验操作台上,检验运转是否正常,然后关闭设在试验室外面的开关。b)记录试验时试验室内平均相对湿度和温度。C)开启空气净化系统,净化试验室内空气,使待试验的气体污染物和可能的干扰物质背景浓度小于气体分析仪的检测下限。d)开启搅拌风扇。用微量进样针抽取一定量污染物滴在滤纸上,关闭进样。口,挥发的污染物可被卷人搅拌风扇所形成的空气祸流中去,稳定30min后,用气相色谱检测污染物的浓度,作为试验室内的初始浓度(t=0),浓度应在相关标准的2-10倍范围内。e)每30min测定一次气体污染物浓度的数据,连续测定5h。2.总衰减实验a)自然衰减中a)-d)项的步骤进行试验。b)开启光f崔化小试装置,每30min测定一次气体污染物的浓度数据,连续测定5h。c)关闭空气净化器。通过该实验装置的检测，检测出甲醛和TVOC等有毒性气体的过滤量，与现有技术和市场上的空气净化器对比。3）实验数据的处理活性数据处理1.去除率（1）污染物的去除率依据式(1)求出:式中:n为去除率,%;Co为污染物的初始浓度,mg/m3;Q为反应过程中任意时刻t污染物的浓度,mg/m3。2.单位时间去除量污染物的去除量依据式(2）求出:Am=(Co-C,)xQ(2）式中:Am为单位时间的去除量,mg/h;Co为污染物的初始浓度,mg/m3;C,为反应过程中任意时刻t污染物的浓度,mg/m3;Q为流量,m3/h。（六）本项目的创新点和关键技术创新点：1、本项目所关注的光触媒介质在经过多次实验和研究的升级之后，在普通室内日光灯及普通太阳光下也可发挥较好的效果。而传统的光催化需要紫外光才能发挥很好作用，在波长为300~400nm的可见光中并不能取得良好的效果；2、经过前期的数据调查和设计实验的研究之后，本项目所研究的空气净化器，在使用纳米材料技术之后，从环保节能和经济上都有很大的改进，同时结合光催化组件在空气净化器中的应用，达到90%以上的高效净化甲醛和TVOC等有害气体。关键技术和主要技术指标：1、分子络合