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清华大学 · 建筑技术科学系 2013.08.22

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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清华大学 · 建筑技术科学系 2013.08.22

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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.

  9. 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

  10. 2003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。2003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。

  11. 中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

  12. 3. 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

  13. 3.1 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

  14. VOCs PCO如何净化空气? 紫外灯(关) 微生物 紫外灯 (开) TiO2

  15. 光催化材料的反应能力 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

  16. 反应器 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

  17. 光催化降解副产物的测试及危害评估 • 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

  18. 空气净化器有害副产物评估 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

  19. TCO 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!

  20. 热催化降解甲醛测试实验系统 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

  21. 室温条件下的甲醛去除实验效果 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

  22. 降解甲醛的反应速率：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

  23. PTR-MS 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.

  24. 等离子体技术 • 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。

  25. 吸附技术 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

  26. 吸附材料去除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

  27. 物理吸附 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

  28. 3.2 颗粒物污染去除技术 过滤技术 小颗粒通过，大颗粒不通过

  29. 过滤器工作原理 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

  30. 高效过滤器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

  31. 静电除尘技术 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。

  32. 负离子技术 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。

  33. 3.3 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

  34. UVGI使用在短波长的紫外线（UV）光分解微生物。UVGI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

  35. 臭氧杀菌技术 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

  36. 3.4 各种净化技术总结

  37. 4. 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。

  38. 谢谢！

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