基于水表面粘附作用的新型空气净化系统

齐一衡,俞 健,张亚非

基于水表面粘附作用的新型空气净化系统

齐一衡,俞 健,张亚非*

上海交通大学电子信息与电气工程学院;薄膜与微细技术教育部重点实验室, 上海 201100

空气污染已经成为当今社会的严重问题,为了有效解决这个问题，人们提出了多种解决方案，其中空气净化器则是最常用的手段。如今用于应对空气污染的空气净化器的品种繁多，但它们都不善于自动更换其中所吸附的污染物或者过滤媒介，滞留污染物而引入新的污染因素，一般难以有效净化空气中比PM2.5更小的污染物。针对以上缺点，本文提出了一种以水作为媒介的空气净化方法--水表面粘附净化空气系统。作为一种高效率低能耗的新型空气净化系统，其能够快速净化室内空气，改善生活环境。水表面粘附空气净化系统是一种基于水表面对空气中污染物的粘附作用的空气净化系统，其主要对水表面粘附空气净化系统的物理结构、电路设计和空气净化效果进行了介绍，测试了水表面附空气净化系统对PM2.5的吸收效果，并针对系统的节水性能进行了重点优化。其显著特点是能够净化常见的绝大部分空气污染物，并可以及时、自动地更换因吸附积蓄的污染物过多而浑浊度过高的水媒介。

粘附作用; 空气净化系统

空气污染已经成为当今社会的严重问题，身处污染中的居民，越来越需要一套功能优越的净化空气装置[1,2]。汽车尾气、工业排放、装修污染等是导致空气污染的主要因素，其中已知的污染物包括氮氧化物、硫氧化物、氨气、甲醛、一氧化碳等有毒有害气体和粉尘、PM2.5等可吸入微粒。

为了有效解决这个问题，人们提出了多种解决方案，其中空气净化器则是最常用的手段。目前，利用过滤网或者活性炭[3]等作为媒介的空气净化装置，在实验室、宾馆、病院以及重污染区已被广泛应用[4]。这些空气净化装置能够在一定程度上减少空气污染，从净化机理的角度分类，其主要包括以下四种类型：过滤、物理吸附、等离子体分解[5]、化学吸收。但是目前的市售空气净化装置存在显著的不足。PM2.5等微小的颗粒可以越过过滤网侵入人体肺部造成伤害，而且过滤网上滞留的污染物还容易滋生细菌；需要人工更换净化媒介的空气净化器不符合现代家居的自动化理念，对于中老年用户来说更是一种负担。

空气中的PM2.5等不溶于水的微粒能够被江河湖海净化是因为有巨大的水表面与空气接触，并形成对流。过于接近的水分子和PM2.5等微粒间存在相互吸引的作用，即范德华力。由于分子间存在范德华力，微粒可以被吸附到水的表面从而被沉降。如果能人为地制造出大面积水平面，就能有效吸收PM2.5[5,6]。

本文设计了一种能自动换水、不引入新的污染物的新型水表面黏附空气净化系统，测试了该系统对PM2.5等污染物的吸收效果。

1 实验

水的表面与空气形成对流才能更有效地吸收，因此需要引入风力系统。但是引入风力系统无疑会使成本加大。由于运动的相对性，让空气流动或者制造流动的水平面效果是一样的。这套表面粘附系统利用水膜涂覆器，在玻璃板衬底上涂成均匀水膜，并使之从上至下倾斜流动。空气中的PM2.5、可溶性有害气体等污染物与流动的水薄膜接触时，就会被水膜吸附和吸收。

图1 水表面粘附空气净化系统结构

图2 水表面粘附空气净化水膜效果

我们所设计的水表面粘附空气净化系统的结构如图1所示，编号1-9分别代表的结构为1水膜涂覆器、2玻璃板衬底、3水收集容器、4发光二极管、5水泵、6阀门、7储水池、8进水口、9出水口。

水流通过进水口进入水膜涂覆器，水膜涂覆器是挖有均匀细孔的塑料管，水从细孔中流出后就会在基板（玻璃板等）表面上形成水膜，装置形成的水膜效果如图2所示。吸附和攫取空气中的污染物，吸收之后的水流入基板下部的水收集容器中，水收集容器中的水流入储水池通过潜水泵再泵回水膜涂覆器中，从而达到水循环利用的效果。当水变得浑浊时，光敏电阻能自动检测出水的透光度降低，光敏传感器电平发生反转，把这一光学信号转换为电信号传给继电器输出模块，通过继电器输出模块控制电路通断，完成自动换水。

为了测试该装置对空气中污染物的实际净化效果，我们在长、宽、高各1.5 m的密闭空间中点燃一盘蚊香。已知蚊香的烟雾中含有PM1、PM2.5、PM10、甲醛、PVOC等污染物。蚊香燃烧20 min之后，开启水表面粘附空气净化系统并且熄灭蚊香，每10 min测量一次蚊香燃烧处正上方1 m处空气中PM1、PM2.5、PM10的浓度。

为了进一步说明系统的吸收效果，我们将密闭空间打开一个小窗，测量蚊香燃烧处正上方PM2.5浓度的下降速率，与开启空气净化器作比较。

2 结果与讨论

使用空气净化系统后PM1、PM2.5和PM10浓度随时间的变化趋势见图3。室内的起始PM2.5浓度为50 µg/m3，0 min时点燃蚊香，蚊香中的PM2.5扩散到密闭空间中，在20 min时达到650 µg/m3，为室内初始PM2.5浓度的13倍左右。此时熄灭蚊香，打开水表面粘附净化空气系统。由于扩散现象的存在，靠近水膜表面处PM2.5浓度下降会引起附近PM2.5粒子向靠近水膜处扩散，进而被水膜吸收，最终使得整个密闭空间PM2.5浓度下降，达到净化室内整体空气质量的目的。从图4中可以看出，水表面粘附净化空气系统对PM2.5等可吸入颗粒物有着显著的净化作用，衰减系数可以达到每40 min92%。经过两个小时之后，PM2.5浓度下降至2 µg/m3，表明水表面粘附净化空气系统可以最终使室内PM2.5含量下降到2 µg/m3这样一个很低的水平。与过滤网不同，水表面粘附净化空气系统利用的是微观层面上的分子间作用力，能无差别的作用于细小的微粒，对PM2.5及更加细小的颗粒污染物具有很好的净化作用，克服了传统空气净化器的不足。

图3 PM1、PM2.5和PM10浓度随时间的变化

图4 不同条件下PM2.5浓度随时间的变化

针对室内空气污染，开窗通风是常见的措施。为了更好的揭示开窗通风与使用水表面粘附净化空气系统对室内空气的净化效果，图3展示了在密闭的空间中开启水表面粘附净化空气系统与在密闭系统中开一扇长、宽各0.15 m的窗这两种情况下PM2.5浓度下降速率的对比。开启净化器40 min以内，PM2.5的浓度从650 µg/m-3下降到50 µg/m-3，下降到点燃蚊香之前的水平。而模拟开窗通风的实验中，密闭空间内PM2.5浓度也会慢慢下降，但是通风40 min后，PM2.5的浓度仅下降到160 µg/m3。经过足够长时间之后，开启水表面粘附净化空气系统的情况下PM2.5浓度下降至2 µg/m3，而开窗通风的情况下PM2.5浓度最终维持在50 µg/m3不再继续下降。开启水表面粘附净化空气系统的情况下污染物的下降速率明显高于开窗扩散。开窗通风不会使污染物下降至室外环境浓度以下，在室外污染严重时，开窗通风没有效果。

3 结论

本文介绍了一种基于水表面粘附原理的新型空气净化系统。通过水薄膜的粘附作用，表面粘附空气净化系统能够有效粘附沉降PM2.5等空气中的颗粒状污染物，净化效果好，可应用范围广。这种空气净化系统以水作为净化媒介，成本低廉，还可以方便地进行自动换水，本文设计的控制系统能通过电磁阀实现全自动换水，自动化程度高。本文设计的水表面粘附净化空气系统弥补了市售空气净化器价格昂贵、自动化程度低、因污染物滞留引入新的污染因素、不能有效净化比PM2.5更小的污染物等缺点，具有很强的实用性和很高的市场价值。

[1] 吴鹏章,高扬.室内空气污染物的健康风险评价[J].上海环境科学,2009,28(2):56-65

[2] World Health Organization. Factors regulating the immune response:report of WHO Scientific Group[R]. Geneva: WHO,1970

[3] 何明,谢世全.活性炭过滤器在电厂水处理中的应用研究[J].四川电力技术,2001,24(5):49-50

[4] 李斌.室内污染现状及防治对策研究[J].环保论坛,2010(S):366-367

[5] 吴晓泺,姚路,张耀中,等.利用水表面粘附效应净化空气方法研究[J].环境工程,2016(S1):500-503

[6] 丁建宁,张建,杨平,等.范德华力作用下粗糙表面静态粘附的研究[J].传感技术学报,2006,19(5):1663-1666

A New Air Purification System Based on Water Surface Adhesion Effects

QI Yi-heng, YU Jian, ZHANG Ya-fei*

()201100,

Air pollution has become a serious problem in today's society. In order to solve this problem effectively, various solutions have been proposed, among which air purifiers are the most commonly used means. Nowadays, there are many kinds of air purifiers for dealing with air pollution, but they are not good at automatically replacing the pollutants or filter media adsorbed therein, and retaining new pollutants due to the retention of pollutants. It is generally difficult to effectively purify air than PM2. 5 smaller pollutants. In view of the above shortcomings, this paper proposes a water purification method based on water as a medium--water surface adhesion purification air system. As a new air purification system with high efficiency and low energy consumption, it can quickly purify indoor air and improve living environment. The water surface adhesion air purification system is an air purification system based on the adhesion of water surface to air pollutants. It mainly introduces the physical structure, circuit design and air purification effect of the water surface adhesion air purification system. The absorption effect of PM2.5 on the water surface with air purification system was tested, and the water-saving performance of the system was optimized. Its remarkable feature is that it can purify most of the common air pollutants, and can timely and automatically replace the water medium that is too turbid due to excessive accumulation of pollutants.

Adhesion effect; air purification system

TU834.8+2

B

1000-2324(2019)05-0828-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.019

2018-06-25

2018-09-08

齐一衡(1994-),男,硕士研究生,主要研究方向为超表面水空气净化. E-mail:qyiheng@126.com

Author for correspondence.E-mail:yfzhang@sjtu.edu.cn