便攜式室內空氣凈化器的研制

沈慧紅，劉科麟，李 娜，劉沙琴，許皓帆

(杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州 310012)

便攜式室內空氣凈化器的研制

沈慧紅，劉科麟，李 娜，劉沙琴，許皓帆

(杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州 310012)

采用活性炭、HEPA、光觸媒、UV-C等多種空氣凈化技術，研制了一種新型便攜式室內空氣凈化器。通過實驗測定：該凈化器可以凈化PM2.5、細菌及有害氣體，凈化效果明顯，效率較高，并且移動方便。

便攜式；室內；空氣凈化器

1 引言

近年來，我國空氣質量不容樂觀，杭州也曾發生嚴重的連續霧霾天氣，即使緊閉門窗，也無法阻止PM2.5對室內空氣的污染。與此同時，現代裝修所用的大量裝飾材料也會造成室內空氣污染。室內空氣污染的程度甚至可以達到室外空氣污染的100倍以上[1]，已經嚴重地危害到人們的健康。隨著社會的發展和進步，現代人需要長時間地待在室內進行工作學習和開展各項活動，由此人們也越來越關注和重視室內空氣的污染問題，必須加強室內空氣凈化技術的研究，努力改善室內空氣質量狀況。

2 空氣凈化器的設計思路

2.1 室內污染物

室內空氣污染物主要由4個部分組成：一是滲透到室內的室外大氣污染，如霧霾、汽車尾氣和工業排放等；二是裝修裝飾過程中使用的涂料、油漆、粘合劑和人造復合板材等化學材料散發出的甲醛、甲苯和苯酚等污染物；三是因烹飪、吸煙和點蚊香等行為產生的各種燃燒產物；四是人體自身活動，如呼吸、排汗、化妝、洗滌、養寵物和開空調等，產生的分泌物、化學品、微生物和粉塵等污染物。可見，凈化室內空氣不但要吸附粉塵，還要分解有害物質和殺菌消毒。

2.2 空氣凈化技術

空氣凈化技術主要分為需要鼓風機動力的主動式空氣凈化技術和不需要鼓風機動力的被動式空氣凈化技術，結合室內空氣污染的實際情況，主要采用以下幾類主動式空氣凈化技術。

2.2.1 活性炭

活性炭是一種多孔碳，根據吸附孔的大小可以分為吸附小分子的微孔(孔徑<2 nm)、吸附大分子的中孔(孔徑2～50 nm)和吸附細菌及其他微生物的大孔(孔徑>50 nm)[2]。活性炭物理性質和化學性質都很穩定，因此作為吸附材料廣泛應用在環保領域。

2.2.2 HEPA

HEPA(High Efficiency Particulate Air Filter)，即高效空氣微粒過濾器，是國際公認最好的高效濾材。其材質主要是各種高效濾紙和有機纖維，可以有效阻隔0.3 μm以上的微粒，阻隔率可達99.97%以上[3]，因此HEPA是粉塵、煙霧等空氣污染物最有效的過濾裝置。

2.2.3 光觸媒

凡是具有光催化功能的材料都可以稱之為光觸媒[4]，實際應用中以納米TiO2為代表，TiO2在光的照射下，與空氣中的O2和H2O一起發生反應，使得TiO2表面產生了強氧化性的超氧陰離子自由基和氫氧自由基，可把空氣中的各種有害物、異味、微生物等氧化分解成無污染的CO2和H2O，從而達到空氣凈化的效果。

2.2.4 UV-C

UV-C波段，波長200～275 nm[5]，也叫短波滅菌紫外線。危害人體的細菌和病毒等單細胞微生物經UV-C照射后，細胞阻止內的DNA和RNA結構直接被徹底破壞，使微生物體內的蛋白質徹底無法生成，使微生物立即死亡或喪失繁殖能力。針對室內的實際污染情況，本文研制的空氣凈化器主要采用了以下幾類主動式空氣凈化技術。

2.3 關鍵要素

設計和制作一臺合格的空氣凈化器，必須綜合考慮風阻、風機和風道等重點要素，才能最大限度地發揮凈化器的功效。

2.3.1 風阻

用于清除固體顆粒物的空氣過濾器，不同級別的產品，過濾能力不同。過濾能力越高的過濾器，由于孔徑的縮小或結構緊密度的提升，對流動的空氣所產生的阻力也越大。由此造成風機產生的風無法有效通過。研究發現，過濾器并非級別越高越好，而是應該選用與風機能力匹配的產品，才能實現最佳的凈化效果。

2.3.2 風機

不同的風機可以提供不同的風量與風壓，風機對于空氣凈化器的凈化效能至關重要。常見的風機類型有兩種：軸流式風機和離心式風機。

軸流式風機因氣流流動的方向與風機扇葉的軸相同而得名，多用于空氣流量要求較高而對風壓要求較低的場合。由于其風壓較小，所產生的氣流很難穿透過濾網，因此在空氣凈化器中使用較少。離心風機的原理是利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，使用一個渦旋管道，將氣流變向、減速、壓縮，從而產生了很高的風壓與風量，因此可在有限的空間內，實現高風壓與高風量，非常適用于空氣凈化器。

2.3.3 風道

通常空氣凈化器的風道較短，這樣一方面可以避免污染物在風道內的沉積，另一方面較短的風道相對容易密封，可以避免因密封效果不好導致泄漏，產生二次污染。

3 空氣凈化器設計與制備

3.1 結構設計

在風向設計上，一般需凈化的空氣首先經過過濾網，過濾為潔凈空氣，然后到達風機，再經過風機風道及后續凈化手段，吹入室內。同時，為了將室內立體空間循環凈化，一般考慮采用四周+底部進風，頂部吹風的設計。因此本課題研制的空氣凈化器的風道設計成四周進風、頂部吹風的形式。

凈化空氣經過活性炭網、HEPA和光觸媒網進入離心風機，在吹風口安裝UV-C殺菌燈進行殺菌處理，最終從空氣凈化器上方流出。在出風口外設置擋風板，以確保在空氣順暢流通的同時，避免雜物進入。

同時，為確保空氣凈化器便攜特性，在空氣凈化器底部安裝萬向輪，在頂部安裝拉手，從而確保移動性。在小型空氣凈化器的設計制作過程中采用蓄電池供電的方式，將蓄電池集成到空氣凈化器內部，以提高便攜性。

3.2 元件選型

根據GB/T 13554-2008《高效空氣過濾器》，針對50 m2的使用面積，初步選定過濾器和配套風機型號，并據此選擇UV-C殺菌燈型號，以及設計空氣凈化器支架和外殼。

本課題中，過濾器選用包含活性炭網、HEPA和光觸媒網的飛利浦AC4144過濾網套裝；UV-C殺菌燈選用上海四通公司生產的15W的UV-C殺菌燈；風機分別選用可以提供較高風壓和高風量的通用離心式風機(功率180 W、額定電壓為220 V)，以及具有較好便攜性的小型軸流式風機(功率3 W、額定電壓12 V)，以進行對照實驗。

4 性能測試

空氣凈化器樣機裝配完成后，在實驗室現有條件下，開啟空氣凈化器一段時間后，WinLand-TC308型TVOC+PM2.5空氣質量檢測儀進行空氣凈化程度測試。

實驗結果顯示，采用離心式風機的空氣凈化器在30 m2的實驗室運行1 h、2 h、4 h后，TVOC(評價有機氣態物質)從33分別降低到15、12.7和9，PM2.5從19.2分別降低到13.4、9.4和5.6。

采用軸流式風機的空氣凈化器在30 m2的實驗室運行1 h、2 h、4 h后，TVOC從分別33降低到30、25、23，PM2.5從19.2分別降低到17.2、14.7和10.8。

可見，開發的兩款空氣凈化器均起到了凈化空氣的效果，其中風機選擇對凈化效果有比較明顯的影響。采用180 W離心式風機制備的空氣凈化器對PM2.5的去除效率可達到27%以上，對有毒有害氣體的分解吸收可達到29%以上，有效提高了室內空氣質量。

5 結語

針對室內空氣污染的問題，采用活性炭吸附、HEPA過濾、光觸媒分解和紫外線殺菌技術，研制了一種便攜式空氣凈化器，經過實驗測試分析，該凈化器可以達到很好的凈化室內空氣的目的。

[1]龔 圣,黃肖容,隋賢棟.室內空氣凈化技術[J].環境污染治理技術與設備,2004,5(4):55～57.

[2]榮海琴,鄭經堂,王茂章.室內空氣中揮發性有機化合物及多孔炭材料在其脫除中的應用[J].環境科學進展,1999,7(6):104～109.

[3]徐海云,楊慶平.室內空氣凈化技術[J].艦船防化,2008(1):12～19.

[4]黃繩紀,陳城基.光觸媒在空氣凈化中的應用[J].廣州化工,2004,32(3):17～19.

[5]王元元,張立志.室內空氣凈化技術的研究與進展[J].暖通空調,2006,36(12):24～27.

Development of Portable Indoor Air Purifier

Shen Huihong, Liu Kelin, Li Na, Liu Shaqin, Xu Haofan

(HangzhouNormalUniversityQianjiangCollege,Hangzhou310012,China)

Through the adoption of several air purification technologies, including activated carbon, HEPA, photocatalyst and UV-C, the article develops a new type of portable indoor air purifier. Through experiment, this purifier can purify PM2.5, bacteria and harmful gas. It has the advantages of obvious effect,higher efficiency and easy mobility.

portable; indoor; air purifier

2015-10-21

沈慧紅(1996—)，女，浙江杭州人，杭州師范大學錢江學院學生。

R121.1

A

1674-9944(2015)12-0271-02