集中空調(diào)系統(tǒng)中光催化降解室內(nèi)甲醛的研究.pdf

1、隨著室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)受到人們?cè)絹?lái)越多的重視，光催化作為提高IAQ的高科技前沿凈化技術(shù)由于其廣泛性、徹底性、安全性和持久性等特點(diǎn)而世界矚目。本文對(duì)影響光催化反應(yīng)速率的因素進(jìn)行了優(yōu)化分析，研究了一種能夠適用于集中空調(diào)系統(tǒng)的新型管網(wǎng)光催化凈化器，并結(jié)合真空紫外(VUV)技術(shù)加強(qiáng)了對(duì)甲醛的去除，最后對(duì)凈化器應(yīng)用于房間時(shí)的室內(nèi)濃度及凈化器性能要求進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為光催化去除室內(nèi)甲醛在集中空調(diào)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)論分述

2、如下： (1)基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量傳遞理論的催化劑膜厚優(yōu)化催化劑膜厚優(yōu)化是催化劑固定所特有的問(wèn)題，本文針對(duì)甲醛連續(xù)流過(guò)多孔泡沫鎳網(wǎng)時(shí)的光催化降解，基于光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量傳遞理論，建立了能夠預(yù)測(cè)催化劑最優(yōu)膜厚的數(shù)學(xué)模型。研究表明：反應(yīng)速率隨著催化劑膜厚先是快速的增加而后到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的值。紫外(Ultraviolet，UV)光在催化劑層內(nèi)的衰減系數(shù)對(duì)最優(yōu)催化劑膜厚有著較大的影響，它可以使最優(yōu)膜厚有數(shù)量級(jí)上的改變。不同波長(zhǎng)的UV光

3、，衰減系數(shù)變化較大，波長(zhǎng)越短，UV光在催化劑層內(nèi)的衰減系數(shù)越大，最優(yōu)膜厚越小。該研究揭示了催化劑膜厚如何影響光催化反應(yīng)速率以及模型參數(shù)如何影響催化劑最優(yōu)膜厚。 (2)基于多相催化穩(wěn)態(tài)理論的光強(qiáng)優(yōu)化UV光是光催化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，直接影響光催化的反應(yīng)速率，同時(shí)UV光也是一種能源，它的合理使用對(duì)節(jié)約能源有著至關(guān)重要的意義。本文分析了光催化過(guò)程中的光能損失組成，著重針對(duì)電子-空穴對(duì)的復(fù)合損失，提出了使用合適光強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行有效控制以提高光能利

4、用率的思想，根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VolatileOrganicCompounds，VOCs)的光催化降解機(jī)理并運(yùn)用多相催化穩(wěn)態(tài)理論建立了預(yù)測(cè)光強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型。為了方便應(yīng)用，定義了過(guò)量系數(shù)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型得到了估計(jì)合適光強(qiáng)的簡(jiǎn)單方法，并通過(guò)文獻(xiàn)中和實(shí)驗(yàn)中的甲醛光催化降解數(shù)據(jù)說(shuō)明了該方法的使用。研究表明：根據(jù)所提出的方法來(lái)確定光強(qiáng)，能夠在保證好的降解性能的同時(shí)提高光能利用率。光強(qiáng)的大小與VOCs的種類(lèi)和濃度、催化劑和載體的屬性以及UV光的波

5、長(zhǎng)有關(guān)。該研究為節(jié)約光能提供了新思路。 (3)集中空調(diào)用光催化凈化器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化集中空調(diào)系統(tǒng)有著流速高的特點(diǎn)，如何增加反應(yīng)物的停留時(shí)間，同時(shí)降低凈化器的壓力損失是集中空調(diào)用凈化器設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要問(wèn)題。本文本著增加迎風(fēng)面積可降低迎面風(fēng)速和壓力損失的思想研究了一種新型管網(wǎng)光催化空氣凈化器，考察了凈化器的阻力特性、光解和光催化降解室內(nèi)濃度的甲醛的特性以及光能效率，并針對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的凈化器提出了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。結(jié)果表明：該凈化器具有表面

6、光強(qiáng)均勻、壓力損失小以及光能效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)改變迎風(fēng)面積來(lái)靈活適用于具有不同流速的集中空調(diào)系統(tǒng)，還可以通過(guò)增加反應(yīng)單元的數(shù)量來(lái)進(jìn)行大比例應(yīng)用。根據(jù)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，可合理的選擇光源，在保證降解速率的同時(shí)使得能耗最小。 (4)VUV聯(lián)合光催化加強(qiáng)對(duì)甲醛降解的實(shí)驗(yàn)研究采用VUV這一較為經(jīng)濟(jì)的方法與光催化技術(shù)相結(jié)合來(lái)進(jìn)一步提高對(duì)室內(nèi)典型濃度的甲醛的降解效率，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上對(duì)該混合方法降解甲醛的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論

7、研究，并對(duì)其中的一些反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：該混合過(guò)程在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的，一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是VUV和光催化能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，VUV能在光催化的基礎(chǔ)上大大提高對(duì)甲醛的降解效率，而光催化能夠去除VUV產(chǎn)生的過(guò)量臭氧。該混合過(guò)程與光催化過(guò)程相比，當(dāng)處理空氣量為518m3/h，甲醛濃度為0.6mg/m3時(shí)，去除每kg甲醛節(jié)省成本約44％。由于室內(nèi)材料對(duì)臭氧有多相分解作用，新風(fēng)對(duì)臭氧有稀釋作用，再加上光催化凈化裝置對(duì)回風(fēng)中的臭氧有分解作用，

8、使得允許混合系統(tǒng)生成的最大臭氧濃度高于WHO規(guī)定的室內(nèi)臭氧濃度標(biāo)準(zhǔn)極限值。本文研究的VUV-光催化混合空氣凈化系統(tǒng)能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中。 (5)光催化凈化器性能要求、使用時(shí)間和最高能耗要求的預(yù)測(cè)采用建筑材料的散發(fā)特性研究與光催化凈化器的性能研究相結(jié)合的方法，分析了凈化裝置的去除效率對(duì)室內(nèi)甲醛濃度和散發(fā)率的影響，并根據(jù)這些研究對(duì)光催化凈化器的性能要求和使用時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析，最后通過(guò)與通風(fēng)方法的比較，對(duì)凈化器最高能耗要求進(jìn)行了預(yù)

9、測(cè)。研究表明：凈化裝置的去除效率和自?xún)魰r(shí)間的冪函數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系，且線(xiàn)性系數(shù)受材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)的影響很大。當(dāng)材料的散發(fā)過(guò)程由內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程控制，且當(dāng)使用凈化裝置時(shí)的室內(nèi)濃度降低速率不大于不使用凈化裝置的降低速率時(shí)，凈化裝置的使用不會(huì)增加室內(nèi)VOC的去除速率，唯一的作用是將室內(nèi)濃度控制的較低，但是否可以停止凈化裝置的運(yùn)行，還取決于VOC劑量對(duì)人體健康的影響。在光催化和通新風(fēng)具有相同自?xún)魰r(shí)間的前提下，通新風(fēng)的方法為光催化凈化裝置的最高能耗提出了要