集中空调系统中光催化降解室内甲醛的研究

发布时间：2020-06-09 01:52

【摘要】： 随着室内空气质量(Indoor Air Quality, IAQ)受到人们越来越多的重视,光催化作为提高IAQ的高科技前沿净化技术由于其广泛性、彻底性、安全性和持久性等特点而世界瞩目。本课题采用这一技术去除广泛存在于室内的代表性污染物甲醛,结合中央空调系统进行研究,对改善IAQ具有十分重要的意义。本课题得到了上海市科委科研基金项目“纳米光催化材料及其集中空调系统中光催化净化装置的应用研究”(No.0552nm002)的资助。本文首先对影响光催化反应速率的因素进行了优化分析,研究了一种能够适用于集中空调系统的新型管网光催化净化器,并结合真空紫外(Vacuum Ultraviolet, VUV)技术加强了对甲醛的去除,最后对净化器应用于房间时的室内浓度及净化器性能要求进行了预测,为光催化去除室内甲醛在集中空调系统中的实际应用提供了理论依据。本文研究内容及结论分述如下: (1)基于反应动力学和质量传递理论的催化剂膜厚优化催化剂膜厚优化是催化剂固定所特有的问题,本文针对甲醛连续流过多孔泡沫镍网时的光催化降解,基于光催化反应动力学和质量传递理论,建立了能够预测催化剂最优膜厚的数学模型。研究表明:反应速率随着催化剂膜厚先是快速的增加而后到达一个稳定的值。紫外(Ultraviolet, UV)光在催化剂层内的衰减系数对最优催化剂膜厚有着较大的影响,它可以使最优膜厚有数量级上的改变。不同波长的UV光,衰减系数变化较大,波长越短,UV光在催化剂层内的衰减系数越大,最优膜厚越小。该研究揭示了催化剂膜厚如何影响光催化反应速率以及模型参数如何影响催化剂最优膜厚。 (2)基于多相催化稳态理论的光强优化 UV光是光催化反应的驱动力,直接影响光催化的反应速率,同时UV光也是一种能源,它的合理使用对节约能源有着至关重要的意义。本文分析了光催化过程中的光能损失组成,着重针对电子-空穴对的复合损失,提出了使用合适光强对其进行有效控制以提高光能利用率的思想,根据挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)的光催化降解机理并运用多相催化稳态理论建立了预测光强的数学模型。为了方便应用,定义了过量系数,进一步简化模型得到了估计合适光强的简单方法,并通过文献中和实验中的甲醛光催化降解数据说明了该方法的使用。研究表明:根据所提出的方法来确定光强,能够在保证好的降解性能的同时提高光能利用率。光强的大小与VOCs的种类和浓度、催化剂和载体的属性以及UV光的波长有关。该研究为节约光能提供了新思路。 (3)集中空调用光催化净化器的设计和优化集中空调系统有着流速高的特点,如何增加反应物的停留时间,同时降低净化器的压力损失是集中空调用净化器设计的两个重要问题。本文本着增加迎风面积可降低迎面风速和压力损失的思想研究了一种新型管网光催化空气净化器,考察了净化器的阻力特性、光解和光催化降解室内浓度的甲醛的特性以及光能效率,并针对该结构类型的净化器提出了尺寸优化设计步骤。结果表明:该净化器具有表面光强均匀、压力损失小以及光能效率高等优点,可以通过改变迎风面积来灵活适用于具有不同流速的集中空调系统,还可以通过增加反应单元的数量来进行大比例应用。根据尺寸优化设计步骤进行设计,可合理的选择光源,在保证降解速率的同时使得能耗最小。 (4)VUV联合光催化加强对甲醛降解的实验研究采用VUV这一较为经济的方法与光催化技术相结合来进一步提高对室内典型浓度的甲醛的降解效率,从技术上和经济上对该混合方法降解甲醛的可行性进行了实验研究和理论研究,并对其中的一些反应机理进行了研究。结果表明:该混合过程在技术和经济上都是可行的,一个突出的优点是VUV和光催化能够优势互补,VUV能在光催化的基础上大大提高对甲醛的降解效率,而光催化能够去除VUV产生的过量臭氧。该混合过程与光催化过程相比,当处理空气量为518 m3/h,甲醛浓度为0.6 mg/m3时,去除每kg甲醛节省成本约44%。由于室内材料对臭氧有多相分解作用,新风对臭氧有稀释作用,再加上光催化净化装置对回风中的臭氧有分解作用,使得允许混合系统生成的最大臭氧浓度高于WHO规定的室内臭氧浓度标准极限值。本文研究的VUV—光催化混合空气净化系统能够应用于实际工程中。 (5)光催化净化器性能要求、使用时间和最高能耗要求的预测采用建筑材料的散发特性研究与光催化净化器的性能研究相结合的方法,分析了净化装置的去除效率对室内甲醛浓度和散发率的影响,并根据这些研究对光催化净化器的性能要求和使用时间进行了预测和分析,最后通过与通风方法的比较,对净化器最高能耗要求进行了预测。研究表明:净化装置的去除效率和自净时间的幂函数成线性关系,且线性系数受材料内部扩散系数的影响很大。当材料的散发过程由内部扩散过程控制,且当使用净化装置时的室内浓度降低速率不大于不使用净化装置的降低速率时,净化装置的使用不会增加室内VOC的去除速率,唯一的作用是将室内浓度控制的较低,但是否可以停止净化装置的运行,还取决于VOC剂量对人体健康的影响。在光催化和通新风具有相同自净时间的前提下,通新风的方法为光催化净化装置的最高能耗提出了要求,这一要求取决于室内温度的设定值、室外空气温度值以及室外VOC浓度值等参数。该研究为光催化空气净化器的设计要求提供了理论参考,并为其应用条件提供了理论依据。
【图文】：

示意图,净化器,光催化,示意图

的接触光催化剂对光催化反应有着重要的影响结构设计减小甚至消除。因此负载型光催化系技术是实际应用中最有前景的技术。型光催化净化器是为在实验室中进行研究而设器通常为一密闭容器、平板净化器或者管式净化器来评价催化剂的活性或进行污染物降解规污染物的净化器都是负载型净化器，大致可分净化器[67-70]V 光源置于管的中央，壁面上负有光催化剂，器能够有均匀的光强，但反应面积较小，反应是环的内外壁都涂有光催化剂，，紫外灯在环的化器比管状净化器有更多的催化剂面积，但内传递的影响。器[71-73]d AirClean

示意图,净化器,光催化,流化床

净化器[74,75]是将光催化剂负载在能够透射 UV 光的球形填床内放有 UV 光源，让空气穿过填充床与填料1-3[75]是一个圆管型填充床净化器，这种净化器与催化剂比表面积，并且能够大大改善传质性能，减，且净化器的阻力损失较大。图 1-3 填充床光催化净化器示意图[75]g.1-3 Schematic diagram of a packed-bed photocatalytic pur净化器[76]ContaminatedAirTiO2-coated Spherical PackingUV Lamps
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X51

【参考文献】