铁路车辆内部挥发性有机化合物（VOCs）净化设备研制

陈全雷，葛美周，蒋玲雁

（1.中车四方车辆有限公司，山东青岛 266111；2.北京化工大学化学工程学院，北京 100029）

人们在乘坐铁路车辆时，长时间处于车内封闭状态，由于车内通风条件的制约及车内使用材料的污染，车内残留的总挥发性有机化合物（TVOC）往往会影响乘客乘坐的舒适性，甚至对其呼吸系统和神经系统造成严重损害。这类物质包括芳香族化合物、醇类化合物、卤代烃等，其中苯、甲苯和二甲苯被认为是具有代表性的有毒室内空气污染物，而墙板、PVC地板、胶粘剂、清洗剂和油漆是车内空气挥发性有机物（VOCs）的主要来源。因此，提升列车车辆内部的空气质量，尽快去除其中有害的VOCs，成为急需解决的问题。本文利用紫外线（UV）光解技术结合催化氧化技术开发出一种室内空气净化设备，其具有反应条件温和、室温下实现VOCs深度氧化、无选择性、对多种VOCs均有效（特别是处理室内低浓度的VOCs）等特点。

1 VOCs净化原理

紫外灯激发产生臭氧（O3）的原理：首先紫外灯放射出不同波长的紫外光，当对应的光子能量大于有机物的键能时，可打断其化学键直接光解VOCs；然后该段波长的紫外光可以激发空气中的氧气产出活性氧等物质，其与氧气结合形成臭氧，这些具有强氧化性的物质也可以彻底降解有机物，从而提高矿化率，达到氧化VOCs的目的；最后紫外光激发的活性氧自由基与水分子反应后生成羟基自由基（• OH）或过氧羟基（HO2•）等活性基团，这类具有强氧化性的自由基也可以与VOCs反应达到降解的目的。但臭氧也是一种污染物质，在功率选择不当或者气体中的VOCs量变化控制不当的情况下，紫外光解产生的多余臭氧会造成空气污染。

空气净化中常采用活性炭等吸附方法，存在着吸附饱和、更换吸附剂的问题，本文通过在吸附剂（活性炭、氧化铝或二氧化钛等）上负载催化剂活性组分，采用开发制备的常温氧化催化剂能够降低氧化降解反应的活化能，在常温条件下利用氧化剂在催化剂上将VOCs转化成小分子。由于吸附在催化剂上的物质能够得到及时的分解，吸附饱和的问题得以解决；臭氧随时都在降解活性炭上的有机物，并且能够进一步提高对有机物的去除效率，把负载催化剂的活性炭提高到合适的厚度，保证出口不会出现臭氧。将紫外光解联合臭氧催化净化空气装置应用到实际空气净化中，真正实现了过滤、消毒、降解三重功效为一体的空气净化。

2 VOCs净化设备研制

2.1 工作原理

VOCs净化设备主要由自由基发生装置与常温催化氧化装置组成，如图1所示。自由基发生装置具有3个作用：①利用高能射线（如紫外光）光束分解空气中的氧分子产生游离氧，即活性氧，因游离氧所携正负电子不平衡，因此需与氧分子结合，进而产生具有强氧化性的臭氧；②利用紫外光裂解有机废气大分子的分子键，直接对有机废气进行分解处理；③紫外光还具有杀菌和除异味的作用。但是紫外光及其产生的O3对室内VOCs的处理效果较差，难以达到室内空气净化标准的要求，因此通过自由基发生装置后的含VOCs空气和O3再一起进入常温催化氧化装置反应，将其转化为CO2和H2O。常温催化氧化装置内装有可在常温下催化处理多组分VOCs的催化剂，这种催化剂具备独特的空隙结构和表面官能团，能将VOCs和O3吸附在该催化剂表面进行催化反应，催化氧化性能显著提高。

2.2 结构及风道设计

该VOCs净化设备采用KJ800Q-B01型单体结构，由离心风机、过滤层（包括初级、二级和三级）、紫外臭氧发生器、常温催化氧化装置等构成，其中紫外臭氧发生器和常温催化氧化装置是重要的组成部分，其结构示意图和模型如图 2所示，基本参数如表1所示。

空气首先在离心风机的驱动下经过初级过滤层，其中的可吸入颗粒物杂质、灰尘等被过滤掉；然后进入到紫外臭氧发生器，再经过二级过滤层进入常温催化氧化装置，此时其中的VOCs组分被氧化降解；最后通过三级过滤层以及纳米银杀菌薄膜进行杀菌处理，得到净化。该净化设备采用过滤层、紫外光解和常温催化氧化方式的结合，不仅可以有效提高净化效率，还可延长紫外灯和催化反应组件的使用寿命。

图1 VOCs净化设备工作原理

图2 KJ800Q-B01型VOCs净化设备结构示意图和模型

表1 KJ800Q-B01型VOCs净化设备基本参数

3 净化效果验证

为验证VOCs净化设备的应用效果，研究人员对未出厂的25K型硬卧车厢进行了现场净化测试试验。

3.1 净化效果测试

该硬卧车厢的内部结构如图3所示，现场净化测试试验过程如下。

（1）参照TB/T 3139-2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》检测布点的要求，在车厢两端（1位端、2位端）分别确定采样点的位置和高度。

（2）按照检测要求，将净化设备安放在硬卧车厢中部，硬卧车厢门窗密闭，在净化设备不运行的情况下，首先对硬卧车厢两端的VOCs浓度进行原始浓度检测。

（3）接通电源，净化设备开始运行。每隔30 min检测并记录各采样点的VOCs浓度，并计算其VOCs去除率；同时，记录净化设备上显示屏的显示记录，包括进出口VOCs浓度以及现场的温度、湿度。

图3 硬卧车厢内部结构（中部放置VOCs净化设备）

检测仪器除净化设备上自带的VOCs检测仪（显示屏显示）外，VOCs浓度检测采用便携式VOC检测仪（ppbRAE3000），臭氧浓度检测采用泵吸式臭氧检测仪（SKY2000-O3）。

试验测试指标是净化设备运行前后整个硬卧车厢内的VOCs浓度，经过计算得出净化设备对VOCs的去除率。计算公式如下：

式（1）中，η为VOCs去除率；Ct为设备运行t时车厢内的VOCs浓度；C0为净化设备启动前硬卧车厢内的初始VOCs浓度。

3.2 测试结果分析

本次试验所用列车车辆由于内部装修完成时间比较短，车内VOCs浓度比较高，试验开始前测量的浓度在10～14 mg/m3之间，设备运行30 min后，浓度从10 mg/m3以上迅速下降至2～4 mg/m3，运行时车厢内的VOCs仍持续释放。本次测试试验考察了紫外灯功率、紫外灯管排布位置、入口风量等操作参数对VOCs去除效果的影响，具体结果如下。

3.2.1 紫外灯功率对 VOCs净化效果的影响

在最大风量为900 m3/h、其他条件相同的工况下，测试紫外灯功率P对净化设备处理整个硬卧客室内VOCs净化效果的影响，如图4所示。由图可知，在相同的设备运行时间内，随着紫外灯功率的增加，整个硬卧客室内VOCs去除率略有升高。紫外灯功率P在150～600 W之间变化时，设备运行180 min后VOCs去除率从74.66%增加至83.66%，整个客室提升了近9%。这是由于紫外灯功率增加，光照强度增加，相应的光解效率也得以提高；同时，在同一入口风量下，产生的光子数增多，臭氧的产量也随之增加，其宏观表现是带来更高的去除率，两者的协同作用促进了总去除率的提高。

图4 紫外灯功率P 对硬卧客室内VOCs净化效果的影响

3.2.2 入口风量对 VOCs净化效果的影响

在紫外灯全开、其他条件不变的工况下，测试入口风量Q对净化设备处理整个硬卧客室内VOCs净化效果的影响，如图5所示。由图可知，整个硬卧客室1位端和2位端VOCs浓度随净化设备运行时间的延长而逐渐减小，曲线呈下降趋势，而VOCs去除率曲线呈上升趋势。随着入口风量的增加，整个客室内VOCs的去除率也递增。入口风量从400 m3/h增加至900 m3/h，客室内VOCs的去除率提高了16%左右。其原因是：随着入口风量的增加，密闭客室内空气置换次数增多，相同设备运行时间内能够处理的空气量也增多，所以净化效果有所提升。

图5 入口风量对硬卧客室内VOCs净化效果的影响

3.2.3 紫外灯排布位置对 VOCs净化效果的影响

在净化设备入口风量为900 m3/h的条件下，研究紫外灯功率相同但灯管位置不同时，净化设备对整个硬卧客室内VOCs的净化效果。本文分别测试了150 W、300 W、450 W 3种紫外灯在最大风量为900 m3/h、其他条件不变工况下的功率情况。净化设备内紫外灯箱内部排布如图6所示，3个开关（SWITCH1、SWITCH2、SWITCH3）分别控制3组紫外灯。不同紫外灯的功率组合和排布位置如表2所示。

图6 净化设备内紫外灯箱内部排布

表2 不同紫外灯的功率组合和排布位置

（1）当紫外灯功率为150 W时，不同排布位置（第1组和第2组）的紫外灯对净化设备处理整个硬卧客室内VOCs效果的影响如图7所示。由图可知，随净化设备运行时间的延长，整个硬卧客室内VOCs的浓度逐渐减小，曲线呈下降趋势；而VOCs去除率随着设备运行时间的延长呈上升趋势，且第2组（中部位置）比第1组（顶部位置）略高。在净化设备运行180 min后，两者对整个客室VOCs的去除率分别达74.66%和75.48%。其原因是：在相同风量、紫外灯功率一致的条件下，紫外灯管需要预热，中间位置的灯管比两端口位置产生的臭氧量多，紫外光氧化阶段的去除率升高，催化臭氧氧化阶段的去除率也升高，二者协同使VOCs总的去除率提高。

图7 紫外灯排布位置对硬卧客室内VOCs净化效果的影响（功率为150 W）

（2）当紫外灯功率为300 W时，不同排布位置（第1+2组和第3组）的紫外灯对净化设备处理整个硬卧客室内VOCs效果的影响如图8所示。由图可知，客室 1位端和2位端VOCs的浓度随净化设备运行时间的延长逐渐减小，曲线呈下降趋势，而VOCs的去除率随着设备运行时间的延长呈上升趋势，且第1+2组（近紫外灯箱出气口）比第3组（远离紫外灯箱出气口）的去除率略有上升。在净化设备运行180 min后，两者对整个客室VOCs的去除率分别达78.66%和76.54%。

（3）当紫外灯功率为450 W时，不同排布位置（第1+3组和第2+3组）的紫外灯对净化设备处理整个硬卧客室内VOCs效果的影响如图9所示。由图可知，客室1位端和2位端VOCs的浓度随净化设备运行时间的延长逐渐减小，而去除率呈上升趋势，且第2+3组比第1+3组略有上升。在净化设备运行180 min后，两者对整个客室VOCs的去除率分别达78.72%和79.40%。

4 结语

图8 紫外灯排布位置对硬卧客室内VOCs净化效果的影响（功率为300 W）

图9 紫外灯排布位置对硬卧客室内VOCs净化效果的影响（功率为450 W）

本文针对列车车内残留VOCs引起的车内空气质量问题，利用紫外光解联合常温催化氧化技术原理，研制了KJ800Q-B01型单体式VOCs净化设备，并用其对未出厂的25K型硬卧车厢内部的VOCs进行了净化试验测试。测试分别考察了净化设备的入口风量、紫外灯功率以及紫外灯位置等因素对净化效果的影响规律，结果表明：该净化设备对整个硬卧客室VOCs的去除率随着紫外灯功率、入口风量的增加呈上升趋势，而紫外灯越靠近灯箱出气口，对整个硬卧客室VOCs的去除率越高。该净化设备在运行180 min后对硬卧客室VOCs的去除率可以达到80%以上，同时对出口空气的臭氧含量进行监测，没有测到臭氧溢出，因此能够避免臭氧的二次污染。另外，该净化装置结构简单，移动便利，同样可用于办公场所等的空气净化。