PM2.5净化装置设计探索

郑珍珠 周赛华 洪坤东 谢永杭

（广州大学，广东 广州 510006）

当下，大气污染日益严重，大半个中国都笼罩在PM2.5引起的阴霾天气里。由于PM2.5难以被鼻孔、喉咙所阻挡，通过呼吸系统被吸入后沉积到肺泡，造成肺部及全身性炎症，心血管系统损伤。研究表明，PM2.5日平均浓度每增加10ug/m3，呼吸系统疾病的死亡风险就增加0.97%，心血管疾病的死亡风险增加1.22%，心肺疾病死亡率和癌症死亡率分别升高6%和 8%。而且PM2.5浓度升高会对发育期的儿童肺功能有明显影响。流行病学资料显示，生活在污染严重城市的人患肺癌的风险比生活在清洁城市的人高10%—15%。

目前常见的PM2.5净化技术有HEPA、活性炭吸附、等离子/负离子净化、光催化（光触媒）净化等。HEPA是目前被广泛使用的一种多层净化技术。其过滤介质由细微玻璃纤维制成，厚度和质地与吸墨纸非常相似。HEPA高效过滤器一向被认为对所有0.3微米和更大的颗粒最低去除率高达99.97%。但是HEPA无法过滤掉直径0.3微米以下颗粒和直径更小与空气中PM2.5形成关系密切的气态污染物。活性炭吸附、光催化（光触媒）净化技术虽然对气态污染物有较好的净化效果，但对于固体颗粒污染物净化效果有限。

因此我们希望探索出新的PM2.5净化技术，其净化原理简单，对固体颗粒和气态污染物都有较好的净化效果，由此技术制造出来的PM2.5净化装置售价低，维护简单，成本低。我们想到了水洗净化，水既能洗掉空气中的固体颗粒，又能吸收空气中的多种气态污染物，理应能有效降低空气中的PM2.5的浓度。但目前关于水洗净化PM2.5原理的研究少之又少，所以对水洗净化PM2.5的详细研究相当有必要。

国家环保部根据我国情况于2012年发布的《环境空气质量标准》GB 3095—2012， 规定环境空气中的PM2.5控制浓度一级标准为日平均浓度35μg/m3，与世界卫生组织推荐准则值空气中的PM2.5日平均浓度25μg/m3的标准相近，可以做为室内和车内环境中的PM2.5的测试评价标准。

1 净化装置设计

1.1 净化原理

本装置的净化原理是水膜水洗和雾化水净化。水膜水洗是通过喷头将水喷到若干层适当目数的纱网上，在纱网上形成一层层水膜，然后让需要净化的空气以一定的速度通过纱网上的水膜。此种净化方式类似于水洗，但又不完全等同于水洗。将水以水膜的形式展开既能增大空气与水的接触面积，又能减小空气通过的阻力。这样的净化原理既增大的净化的效果又减小了净化的功耗。这里的雾化水净化是一种辅助净化。雾化水净化就是喷头喷水时会形成大量细小水颗粒悬浮在纱网上方，空气经过此含有大量细小悬浮水颗粒层时，空气中的污染物会因拦截作用、扩散作用、重力和惯性的作用溶于水颗粒中，最终水颗粒会在重力的作用下落入纱网下方的水槽中。此种净化方式相对于纤维过滤，阻力略有增大，但净化效果却大大提高，最终将进一步提高此装置的净化效率。

1.2 净化装置构造（见图1）

1.3 装置净化过程

水循环：水泵将底部储水池中的水输送到装置上部水管，喷头将水雾化喷出，形成大量悬浮在空中的细小水颗粒，并在五层纱网上形成水膜。水颗粒溶解污染物后在重力的作用下，落在纱网上，随纱网上洗过空气的水一起流入储水池。

空气循环：右侧风机将外界空气吸入，空气运动路径如上图箭头所示。空气经纱网水膜水洗净化后再被纱网上方的雾化层净化，最后经装置左侧开口的挡水板离开。

2 净化实验

2.1 实验概述

依据广州市环境检测中心2012年监控数据：广州市区PM 2.5日平均浓度0.073mg/m3，国家环保部根据我国情况于2012年发布的《环境空气质量标准》GB 3095—2012， 规定环境空气中的PM2.5控制浓度一级标准为日平均浓度 35μg/m3。

选取广州大学工程实验北楼的605a实验室作为实验房间，房间尺寸6m×7.6m×4.5m。

2.2 实验测试仪器

CW-HAT200高精度手持PM2.5速测仪：环境条件：-5—45℃，<90%RH；测量 范 围：0—500μg/m3

AWA6218B型噪声统计分析仪：精度等级：2级；测量范围：35-130dB

UT212数字万用表：测量范围：交流电流0—400A±（1.5%+12）， 交流 电 压 0—600V±（1.2%+5）

2.3 实验方案

实验设置了三种工况，分别是工况1空气经过水膜的速度为1.50m/s，工况2空气经过水膜速度为1.43m/s，工况3空气经过水墨速度为1.30m/s。实验测试时，每隔5min记录一次装置进出口空气PM2.5浓度，每隔30min记录一次周围空气PM2.5浓度。

2.4 实验数据（见图2～8）

2.5 数据处理及分析

η=[（C1-C2）/C1]×100%

C1 为室内最初PM2.5浓度，C2房间经净化后的PM2.5浓度

工况1：室内初始PM2.5浓度C1=0.107mg/m3，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.034mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.107-0.034）/0.107]×100%=69%

工况2：室内初始PM2.5浓度C1=0.101mg/m3，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.046mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.101-0.046）/0.101]×100%=54%

工况3：室内初始PM2.5浓度C1=0.105mg/m3，经过120分钟的净化后室内PM2.5浓度C2=0.057mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.105-0.057）/0.105]×100%=46%

3 结论

3.1 由自然沉降实验可知，当把室内空气PM2.5的浓度升高到120ug/m3，不使用净化装置，经过1h的自然沉降，室内空气PM2.5的浓度会维持在105ug/m3。由此也可推出，不同工况的实验中室内空气PM2.5浓度降到105ug/m3以下，是因为净化装置的净化作用。

3.2 由工况1可知，本装置能有效净化室内PM2.5，在工况1的条件下净化效率达69%。而且本装置能将室内PM2.5浓度净化到国家规定的0.035 mg/m3以下。

由此可得出结论：水膜水洗净化和雾化水净化PM2.5是一种简单有效的净化PM2.5的新技术，采用此项技术的PM2.5净化装置能够将室内空气净化到国家规定的浓度以下。

3.3 三种工况下装置的净化效率不同，实验中改变的是风机的风量，即改变被净化空气通过水膜的速度。工况1，风速V=1.50m/s，效率η=69%；工况2，风速1.43 m/s，效率η=54%；工况3，风速V=1.30m/s，效率η=46%。由此可以推测，水膜水洗净化的效率与空气经过水膜的速度有关，而且在一定范围内净化效率随风速的增加而增加。

[1]徐玉党.室内污染控制与洁净技术[D].重庆：重庆大学出版社，2008.

[2]西安工程大学.流体动力式喷水室净化PM2.5的研究[J].全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集，2008.

[3]国家质量监督检疫总局.GB/T18883-2002 室内空气质量标准[S].环境工作通讯，2003（03）：26-33.

[4]国家质量监督检疫总局.GB 3095—2012环境空气质量标准[S]，2012.