基于納米光催化技術(專效去除甲醛、tvoc等)對車輛空氣凈化的應用研究建工學院毛晨露

1、基于納米光催化技術(專效去除甲醛、tvoc等)對車輛空氣凈化的應用研究目前背景和意義。據(jù)某機構的實驗數(shù)據(jù)，該機構借用“室內(nèi)空氣質(zhì)量標準”來檢測車內(nèi)空氣質(zhì)量發(fā)現(xiàn)：國產(chǎn)的新車不合格率甚至高達了93.8%，現(xiàn)有道路上行駛的車輛經(jīng)檢測，不合格率也高至59.3%。眾所周知，甲醛和苯系物屬于被世界衛(wèi)生組織認定為致癌、并容易導致血液病的有害物質(zhì)，它們是導致車內(nèi)環(huán)境污染的“元兇”之一，它們不僅具有致癌性，還能對人體的免疫和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，使人反應遲鈍、精神不振，也成為汽車行車安全的一個隱患。據(jù)來自中國科協(xié)工程學會聯(lián)合會汽車環(huán)境專業(yè)委員會主辦的“中國首次汽內(nèi)環(huán)境污染情況調(diào)查活動”的調(diào)查結果顯示：在隨機抽檢

2、的842輛汽車中，有93.82%汽車存在著不同程度的車內(nèi)環(huán)境污染，其中車內(nèi)主要的污染物質(zhì)為甲苯，此外還包括二甲苯、苯、甲醛以及總揮發(fā)有機物(TVOC)。中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)空氣監(jiān)測中心曾對200輛汽車進行車內(nèi)環(huán)境檢測，得出的結果是：如果參照室內(nèi)空氣質(zhì)量標準，有高達90%以上的汽車都存在環(huán)境污染指數(shù)超標，主要超標成份為甲醛或苯等有害物質(zhì)，而且超標相當嚴重，甚至超標達到了五六倍以上，此外還發(fā)現(xiàn)，在被檢測的汽車中以新車的空氣質(zhì)量為最差，其甲醛等物質(zhì)超標達到10倍以上。深圳市計量質(zhì)量檢測研究院曾對使用不足半年的新車進行了隨機檢測了，得到的結果是70%的汽車車內(nèi)空氣環(huán)境不達標，其中有害氣體的濃度超過標準

3、規(guī)定的限值，超標嚴重的甚至達到了限值的10倍以上；廣州中科環(huán)境檢測中心對2000輛汽車進行車內(nèi)環(huán)境檢測結果表明有92.5%的車輛存在車內(nèi)空氣環(huán)境污染問題；哈爾濱市質(zhì)檢所環(huán)境檢測中心對50輛使用不足半年的新車進行了隨機抽檢，結果發(fā)現(xiàn)其中甲醛超標的有16輛，總揮發(fā)有機化合物(TVOC)超標的有30輛，已經(jīng)嚴重超標的甚至超過標準限值的10倍；浙江省消協(xié)將待售的10個品牌的新家用車委托杭州市疾病控制預防中心進行了甲醛、苯、甲苯、二甲苯四項檢測，結果很不理想，發(fā)現(xiàn)其中有7個品牌的新車超標，此外還公開社會上征集了20輛使用半年無改裝的車輛進行檢測，結果是其中的11輛車的甲醛指標超標，另外9輛車的總揮發(fā)有機

4、化合物(TVOC)超標。車輛內(nèi)逐漸釋放出來的污染物不能得到有效分解，使室內(nèi)污染相當嚴重，形成令人恐懼的“毒氣室”，這些有害物質(zhì)都有致癌性，部分甚至可能影響人的神經(jīng)系統(tǒng)或免疫系統(tǒng)。因此人如果經(jīng)常長時間呆在這樣的環(huán)境里，不僅會出現(xiàn)頭暈、惡心、想吐等不舒適感，而且很可能會影響人的身體健康，甚至誘發(fā)一些疾病。汽車空氣污染對生命造成的危害程度令人觸目驚心，在現(xiàn)代人呼吸的沉重中，反映出生命的某種失衡，更反映出室內(nèi)空氣污染治理已刻不容緩?，F(xiàn)有車載空氣凈化器各有不足首先在空氣凈化器的發(fā)展歷程中主要經(jīng)歷了幾個階段：第一階段的產(chǎn)品主要是采用物理辦法，即利用過濾、吸附、磁化等物理辦法對雜質(zhì)進行處理，屬于小型的空氣過

5、濾器，空氣通過風機對其加壓、過濾或者靜電凝聚的方法來清除雜質(zhì)、塵埃、煙塵等，從而以達到凈化空氣的目的，這種裝置結構簡單，效果也不理想，只能除去大顆粒的雜質(zhì)。第二階段的產(chǎn)品是以臭氧負離子功能為主的空氣凈化器，即負離子凈化器。負離子空氣凈化器也是目前應用最廣的一種空氣凈化器，我們知道，臭氧具有消毒、殺菌、除異味等功能，負離子空氣凈化器主要是通過強電場產(chǎn)生負離子與顆粒污染物結合形成“重離子”，使有害物質(zhì)和大顆粒雜質(zhì)沉降或吸附在過濾網(wǎng)上面，同時對空氣進行殺菌消毒作用，從而達到凈化空氣的目的，顯然這么空氣凈化器效果明顯，使人神清氣爽，但是，不足的是該空氣凈化器會產(chǎn)生臭氧，而臭氧有不能分解有機污染物的缺點

6、，因此可能會造成二次污染的問題。第三階段的產(chǎn)品是采用納米光技術的空氣凈化器，即紫外光空氣凈化器。利用紫外線的原理，微生物的細胞膜在通過紫外線的照射下被破壞，從而殺死各種病菌，細菌等有害物質(zhì)，以達到殺菌消毒的作用，常見的紫外光空氣凈化器結合HEPA除塵、紫外殺菌和負離子等技術于一身，具有全方位、效果理想等特點。而對于車載空氣凈化器來說，由于車內(nèi)環(huán)境的特點，空氣凈化器受到多方面的限制：功耗、噪音、尺寸限制了大功率風機首先是電力供應問題，空氣凈化器的核心部分包括兩個部分第一個是濾網(wǎng)，決定了單次凈化效率；第二個部分是風機，足夠大的風量可以在同樣的時間內(nèi)循環(huán)更多的空氣。這也就是我們說的單位時間內(nèi)輸出潔凈

7、空氣量的概念。受到多重因素限制，車載凈化器難以提供大功率風機我們都知道，所有汽車供電都通過點煙器接口，雖然有部分車輛提供了220V電壓接口，但為了提高產(chǎn)品的通用性，目前車載空氣凈化器均采用12V點煙器接口。這就出現(xiàn)了一個問題，由于功率的限制，車內(nèi)空氣凈化器就不能將大功率風機。此外，車內(nèi)對空氣凈化器的運行噪音、機身尺寸都有更為苛刻的限制，車載空氣難以配備大馬力風機。在我們的實際測試過程中也發(fā)現(xiàn)，車載空氣凈化器普遍存在出風口風速低、風量小的問題。這與汽車本身自帶的空調(diào)出風相比，差異明顯。車內(nèi)環(huán)境復雜，低風速易形成凈化死角前排座椅形成了空氣循環(huán)屏障第二個問題是車內(nèi)環(huán)境的問題，以標準型5座汽車為標準，

8、由于車內(nèi)前排座椅的遮擋,形成天然屏障，加之車載空氣凈化器出風口風速不足的問題，導致放在前排的車載凈化器形成小區(qū)域循環(huán)，車內(nèi)空氣僅能通過空氣濃度的自然平衡進行過濾，而整個過程是被動的。車載空氣凈化器因這幾年的空氣污染情況倍受關注，號稱能“殺菌、除醛、吸塵、去味”全方位凈化車內(nèi)空氣的車載空氣凈化器成為市場新寵，但是市面上的車載空氣凈化器參查不齊。如何解決汽車以甲醛，TVOC為主污染有機揮發(fā)性氣體嚴重的問題？（三）光催化特性的基礎研究光催化特性是納米半導體材料的重要特性之一，這一性質(zhì)在環(huán)境領域中的應用已有20余年的歷史。具有光催化活性的光觸媒材料很多為n型半導體氧化物，其中二氧化鈦（TiO2）因具有

9、高化學穩(wěn)定性、耐熱佳、成本低且無毒等特點成為近年來研究應用的焦點。光催化技術的應用范圍十分廣泛可用于污染水處理、空氣凈化、太陽能利用、抗菌防霧和自清潔功能等。光催化基本原理是基于能帶理論的光生電子-空穴理論，其中，以半導體作為光催化劑的研究最多。以TI02為例,TiO2具有不連續(xù)的能帶結構,由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶構成，存在于價帶和導帶之間的區(qū)域稱為禁帶，禁帶寬度Eg=3.2eV。當能大于等于3.2eV（波長小于380mn）的光波照射到TiCh表面時，部分價帶電子吸收能量并發(fā)生能級躍遷,電子躍遷到導帶上后，相應的在價帶上會產(chǎn)生一個空穴，由此形成電子-空穴對。此時,導帶上的電子

10、因具有較高的能量，可作為還原劑,能量較低的空穴作為氧化劍，當電子-空穴對具有足夠長的存在時間時，就可以與Ti02表面吸附的污染物發(fā)生氧化還原反應，從而實現(xiàn)將污染物降解為C02和H2O,甚至對一些無機物也能徹底分解，特別是對于廢氣的凈化殺菌除臭等方面的成效非常顯著。光催化原理圖分解有！I川殺菌消|HoMH-O電子空穴對電子形It空穴電子躍遷電子毆遷納米光催化劑吸收尤能紫外線C波段通過特定波長光線照射.激活納米光催化劑，生成電子空穴對，使光催化劑與周圍的H20分子、6分子發(fā)生作用，結合生成氫氧自由基OH,通過氫氧自由基0H層層報住空氣中各種有害成分，分解有害成分分子構造，抑制細菌生長和病尋的活性能

11、力，從而達到殺菌.空氣凈化、除臭.防霧消除空氣污染的目的。圖1光催化原理納米光催化的優(yōu)點：低溫深度反應：光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機污染物完全氧化成無毒無害的物質(zhì)。而傳統(tǒng)的高溫焚燒技術則需要在極高的溫度下才可將污染物摧毀，即使用常規(guī)的催化氧化方法亦需要幾百度的高溫。凈化徹底：它直接將空氣中的有機污染物，完全氧化成無毒無害的物質(zhì)，不留任何二次污染，目前廣泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是將污染源轉(zhuǎn)移。綠色能源：光催化可利用太陽光作為能源來活化光催化劑，驅(qū)動氧化一還原反應，而且光催化劑在反應過程中并不消耗。從能源角度而言，這一特征使光催化技術更具魅力。氧化性強：大量研究表明，半導

12、體光催化具有氧化性強的特點，對臭氧難以氧化的某些有機物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對難以降解的有機物具有特別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由基(HO),HO的氧化性高于常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。廣譜性：光催化對從烴到羧酸的種類眾多有機物都有效，美國環(huán)保署公布的九大類114種污染物均被證實可通過光催化得到治理，即使對原子有機物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除效果，一般經(jīng)過持續(xù)反應可達到完全凈化。壽命長：理論上，催化劑的壽命是無限長的。研究開發(fā)內(nèi)容對這一問題的解決，國內(nèi)外研究成果，有的著眼于研究制造及裝飾過程的材料等，有的著力于空氣污

13、染治理的產(chǎn)品研發(fā)。但鮮有從空氣凈化器在車載中的角度予以深入研究，也鮮有從納米光催化的技術優(yōu)化方面予以關注。從人們的消費水平看,廣大用戶需要的期盼的是：車內(nèi)空氣的質(zhì)量提咼和價格能較為普遍接受的產(chǎn)品。本項目基于納米材料的節(jié)能環(huán)保和實用性，和光催化技術的特點，制備適用于車載內(nèi)空氣污染治理的凈化裝置，尤其針對甲醛、總揮發(fā)性有機物(TVOC)的凈化，通過設計實驗和模型制作的形式研究和分析其運行的影響因素及整機性能，從而達到治理車內(nèi)污染物甲醛、苯等，避免甲醛、苯等危害，以持續(xù)改善車內(nèi)的空氣環(huán)境、營造綠色環(huán)?？臻g，凈化車內(nèi)空氣的目的。具體兩點如下：（1）研究光催化組件在不同條件中的效果,尤其是在不同波長時的

14、光催化性能，改良材料性能，使材料克服只能在紫外線條件下使用的限制，在普通波長光中也能良好地發(fā)揮作用。（2）研究光催化組件在車輛上的實施情況。將光催化組件與活性炭、HEPA高效濾網(wǎng)、負離子發(fā)生器、風機組合，作為完整的空氣凈化器原型機，進行光催化降解甲苯和TVOC的能力測試,并與現(xiàn)有的車載內(nèi)空氣就質(zhì)量和效果進行比較。（五）實驗設計流程1）實驗裝置本項目需要連續(xù)流光催化實驗裝置來進行實驗分析，該裝置主要由動態(tài)配氣系統(tǒng)、光催化反應器和檢測裝置組成，如圖f。其中配氣系統(tǒng)包括氣源和質(zhì)量流量計，通過流量計和三通鬧可以調(diào)控污染物的流量和初始濃度。將樣品（D=10cm）置于反應器中部，密封反應器。實驗總流量為2

15、00ml/min,其中空氣流量20ml/min,甲苯初始濃度73.8ing/m3。實驗過程中每隔一定時間取樣一次，進入氣相色譜測定甲苯濃度。設計以下兩個實驗1自然衰減實驗a）將小試裝置放置于圖g中的實驗操作臺上，檢驗運轉(zhuǎn)是否正常，然后關閉設在試驗室外面的開關。b）記錄試驗時試驗室內(nèi)平均相對濕度和溫度。C）開啟空氣凈化系統(tǒng)，凈化試驗室內(nèi)空氣，使待試驗的氣體污染物和可能的干擾物質(zhì)背景濃度小于氣體分析儀的檢測下限。d）開啟攪拌風扇。用微量進樣針抽取一定量污染物滴在濾紙上，關閉進樣?？?揮發(fā)的污染物可被卷人攪拌風扇所形成的空氣禍流中去，穩(wěn)定30min后，用氣相色譜檢測污染物的濃度，作為試驗室內(nèi)的初始濃

16、度（t=0）,濃度應在相關標準的2-10倍范圍內(nèi)。e）每30min測定一次氣體污染物濃度的數(shù)據(jù)，連續(xù)測定5h。總衰減實驗a）自然衰減中a）-d）項的步驟進行試驗。開啟光f崔化小試裝置，每30min測定一次氣體污染物的濃度數(shù)據(jù)，連續(xù)測定5h。關閉空氣凈化器。風扇通過該實驗裝置的檢測，檢測出甲醛和TVOC等有毒性氣體的過濾量，與現(xiàn)有技術和市場上的空氣凈化器對比。3)實驗數(shù)據(jù)的處理活性數(shù)據(jù)處理1.去除率x100%(i)污染物的去除率依據(jù)式(1)求出：式中:n為去除率,;Co為污染物的初始濃度,mg/m3;Q為反應過程中任意時刻t污染物的濃度,mg/m3。2單位時間去除量污染物的去除量依據(jù)式(2)求出

17、：Am=(Co-C,)xQ(2)式中:Am為單位時間的去除量,mg/h;Co為污染物的初始濃度,mg/m3;C，為反應過程中任意時亥01污染物的濃度,mg/m3;Q為流量,m3/h。（六）本項目的創(chuàng)新點和關鍵技術創(chuàng)新點：1、本項目所關注的光觸媒介質(zhì)在經(jīng)過多次實驗和研究的升級之后，在普通室內(nèi)日光燈及普通太陽光下也可發(fā)揮較好的效果。而傳統(tǒng)的光催化需要紫外光才能發(fā)揮很好作用，在波長為300400nm的可見光中并不能取得良好的效果；2、經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)調(diào)查和設計實驗的研究之后，本項目所研究的空氣凈化器，在使用納米材料技術之后，從環(huán)保節(jié)能和經(jīng)濟上都有很大的改進，同時結合光催化組件在空氣凈化器中的應用，達到

18、90%以上的高效凈化甲醛和TVOC等有害氣體。關鍵技術和主要技術指標：1、分子絡合技術絡合技術是現(xiàn)在處理TVOC、苯及苯系物等有機污染物質(zhì)的最有效技術之一，由于苯等六棱環(huán)狀有機污染物質(zhì)，化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易被普通氧化物氧化還原，達到清除的效果，而生物絡合技術是指通過改變分子中化學鍵的配位方式，多種物質(zhì)通過絡合反應成高分子物質(zhì)。2、物理吸附技術本項目所研究的空氣凈化活性炭通過物理吸附的原理，經(jīng)過高科技技術加工工藝，對空氣中的有毒、有害氣體或異味進行持續(xù)的吸附反應，消除異味，特別對甲醛、苯、氨等有害氣體具有極強的吸附凈化作用。3、光催化作用本項目的光觸媒產(chǎn)品，在紫外光甚至普通的紫外線的照射下具有較強的催化氧化活性，可以在各種基材上使用，有效清除車內(nèi)甲醛、苯、氨、TVOV及細菌和毒菌等有害物質(zhì)，且效果持久。與國外車載型空氣凈化器對比為了體現(xiàn)車載型納米光催化空氣凈化器的特性，我們特意將它和現(xiàn)有國外一線產(chǎn)品進行了對比，（七）預期成果中期成果1得出實驗報告一篇。最終成果1申請有關專利至