超聲霧化在非過濾式空氣凈化裝置中的應用*

王金鵬， 戚兆陽, 朱澤森， 劉 杰， 時運來

(1.南京林業大學機械電子工程學院 南京，210037)(2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

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超聲霧化在非過濾式空氣凈化裝置中的應用*

王金鵬1， 戚兆陽1, 朱澤森1， 劉 杰1， 時運來2

(1.南京林業大學機械電子工程學院 南京，210037)(2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

總結了霧滴捕獲細顆粒物的理論，利用超聲霧化除塵技術和負離子技術設計了一種區別于傳統空氣凈化器的非過濾式空氣凈化裝置。在容積為8 m3的模擬實驗艙內進行了驗證實驗，結果表明，該空氣凈化裝置在20 min內就可以使模擬實驗艙內的PM2.5濃度降低44.2%，在50 min內使模擬實驗艙內的PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到低于初始值的水平，即72.3 μg/m3，證實其對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。該空氣凈化裝置不需要定期更換濾網，無須擔心因濾網更換不及時而引起室內空氣二次污染的問題，還具有調節室內濕度的功能。

霧霾； 室內環境； 空氣凈化； 負離子； 超聲霧化

引 言

細顆粒物(fine particulate matter，簡稱PM2.5)，自從它被納入我國空氣質量監測標準以來，一直被大家強烈關注。中國環境監測總站每天播報的天氣質量數據，其中就包括PM2.5濃度值。PM2.5顆粒物已成為國內霧霾天氣的主要污染物。

PM2.5的來源主要有工業燃煤、汽車尾氣及工礦企業的廢氣排放等，而PM2.5的成分主要有碳顆粒、鹽顆粒及重金屬顆粒等[1]。最近，清華大學和美國健康影響研究所聯合發布的《中國燃煤和其他主要空氣污染源造成的疾病負擔》指出，空氣污染是中國疾病負擔的一個重要來源[2]。2013年，中國的PM2.5人口加權平均濃度為54 μg/m3，99.6%的人口生活在超出世界衛生組織空氣質量指南標準(10 μg/m3)的大氣環境里。2013年的大氣污染分析結果顯示，燃煤對PM2.5年均濃度的貢獻率為40%。霧霾天氣也會影響到室內的空氣質量。Branco等[3]的研究表明，幼兒園教室內外的PM2.5濃度比值通常在1～2之間。石晶金等[4]闡述了室內PM2.5濃度、來源及其影響因素。2015年4月，清華大學發布了室內PM2.5污染公益調研報告，結果顯示，室內PM2.5污染對人的影響更顯著，室內PM2.5吸入量為室外的4倍。實際上，大部分人一生中有80%的時間在室內度過，因此，室內空氣質量的優劣直接影響了人們的身體健康和生活質量[5]。目前，室內空氣的凈化方法主要包括植物凈化、通風凈化和空氣凈化器凈化三種方式。植物凈化只能凈化特定的污染物，凈化能力極其有限；通風凈化只能使室內和室外的空氣形成對流，及時更換室內的空氣，易受室外空氣的影響；相對而言，室內空氣凈化器能夠有效地去除室內的顆粒物。目前，室內空氣凈化器的除塵技術主要是單一或部分采用了靜電除塵、過濾除塵、負離子除塵及水洗除塵等技術，各有特點。負離子技術占用空間小，產生的負氧離子對人體有益，水霧除塵技術可以有效去除水溶性離子污染，因此，筆者設計了一種以超聲霧化技術和負離子除塵技術為核心的非過濾式空氣凈化裝置，并進行了實驗研究。

1 霧滴捕集微顆粒物的理論

文獻[6-7]研究了降雨對空氣中的親水性顆粒的清除效果及其與降雨強度、顆粒在水中的溶解度之間的關系模型。Duhanyan等[8]指出，空氣中顆粒污染物的去除率與水滴的尺寸分布高度相關，粒徑接近的時候去除率更高。關于霧滴對微顆粒物的清除效率問題，Pruppacher等[9]提出了綜合考慮布朗運動、熱泳和電泳等因素的經典通量模型。Seifeld等[10]通過實驗研究了霧滴對微顆粒物的捕集效率與霧滴粒徑、顆粒物粒徑、顆粒物濃度及其環境濕度等因素的關系，并提出了降水(霧滴)清除空氣中顆粒物的系數μ(單位是時間的倒數)的理論公式

(1)

其中：da和Dr分別為顆粒物和雨滴的直徑；P為降水率(降水強度)；E(Dr,da)為霧滴捕集微顆粒物的效率。

在此基礎上，若將PM2.5的初始濃度考慮進來，Seifeld給出了另一個公式

(2)

由式(2)可以算出，若要在30 min內使初始PM2.5濃度為100，200和1 000 μg/m3的空間的空氣質量降到35 μg/m3(美國national ambient air quality standard,簡稱NAAQS)，則需要清除系數μ分別為2.1，3.5和6.7 h-1。

Ladino等[11]進行了霧滴捕集亞微米氣溶膠的實驗研究，并把自己的實驗數據與文獻[9]的通量模型進行了對比，在分析了實驗數據的基礎上，提出了捕集效率應該由碰撞捕集效率和凝并捕集效率兩部分組成，其中碰撞捕集效率為

(3)

其中：mICPMS為采樣收集到的無水偏硼酸鋰(LiBO2)的質量(μg)；Nr為霧滴的數量；Ca為氣溶膠濃度；ma為一個LiBO2顆粒的質量(μg)；r和a分別為霧滴和LiBO2顆粒的直徑；L為霧滴和顆粒物在實驗裝置的反應通道里有效接觸的距離。

相比較于碰撞捕集效率，由于凝并捕集效率實驗和理論分析難度極大，Ladino在后續的實驗結果分析對比當中，將凝并捕集效率設為1來進行分析和計算。結果表明，捕集效率的實驗值與理論分析數值基本處于同一個量級，當霧滴直徑為12.8 μm，相對濕度為88.3%～90%時，捕集效率隨著顆粒物的直徑(0.05～0.33 μm)的增大先減小后又增大，拐點出現在顆粒物直徑0.24 μm附近；而當顆粒物直徑固定為0.24 μm時，則捕集效率隨著霧滴直徑(12.8～20 μm)的增大而降低。

對于模擬大氣降水來抑制空氣霧霾污染物的問題，Yu[12]提出了大氣噴水地球工程方法，并用有記錄的全國各地的降水與霧霾的演變數據對此進行了直觀的說明。此大氣噴水地球工程方法就是在高樓及高塔的頂上安裝噴水裝置向建筑物外的受污染大氣噴水，給受污染的空氣洗淋浴。這需要一個模型來研判采用什么樣的壓力、流量來“噴水”，所建立的模型需包含大氣環境參數(溫度、濕度、風速等)、顆粒物的參數(類型、分布、預計的變化過程等)以及噴頭距地面的距離、噴頭的布置位置等參數。

2 空氣凈化裝置設計

2.1 超聲霧化器和負離子發生器選型設計

為了解決室內PM2.5顆粒物污染的問題，筆者提出選擇一套能產生粒徑接近于2.5 μm的裝置，營造一個局部的適合這些微小霧滴捕獲PM2.5顆粒物并且能夠完成凝并、沉降整個過程的環境，以此達到抑制室內PM2.5顆粒物濃度的目的。

超聲霧化是已知的恰好可以提供粒徑接近2.5 μm的技術，因此筆者選用超聲霧化器作為空氣凈化裝置的核心，希望能利用其產生的微小霧滴與空氣中的PM2.5顆粒更容易地發生相互作用、凝結、長大及沉降的云物理學過程，將PM2.5顆粒物從空氣中分離出來。超聲霧化器根據工作頻率高低不同又分兩大類，這里選用卓爾林Ф20型超聲霧化器，工作頻率為1.7 MHz的高頻，如圖1所示，單個功率為20 W，工作頭直徑為47 mm，高為40 mm。通過HELOS激光粒譜儀測試其產生的霧滴粒徑，結果顯示其霧滴中徑在10 μm左右，約是傳統的壓力噴霧所產生的霧滴粒徑的十分之一。

圖1 卓爾林Ф20超聲霧化器Fig.1 Ф20 type ultrasonic atomizer from Zhuoer′lin

圖2 山水韻A2206型負離子發生器Fig.2 Negative ion generator of A2206 type

負離子技術是用直流高壓將空氣電離，產生負離子和負氧離子，其中負氧離子可以改善人的心肺功能，負離子與空氣中的塵埃、煙霧等結合，可以促使其發生團聚作用，也更容易吸附在其他物體的表面，從而達到了凈化空氣的效果。負離子發生器選用山水韻(Sansui)A2206型多頭負離子發生器，如圖2所示，負離子數量超過每平方厘米5 000萬個，適用面積可達15 m2，外形尺寸為40 mm×30 mm×20 mm。

2.2 空氣凈化裝置整體設計

微細水霧對抑制灰塵能起到較好的效果，負離子除塵也是行之有效的方法，但是二者結合是否能對PM2.5產生一定的抑制效果，而且如何將它們集成在一個裝置里也是一個挑戰。在超聲霧化器產生的水霧測試實驗過程中，發現因水霧密度比空氣略重，水霧會自然下沉，并形成各種圖案，因此水霧發生裝置應該布置在凈化裝置的上部。為了使與微細顆粒混合之后的水霧能夠有一個沉降的空間，還需要將凈化裝置的空間尺寸充分利用，因此把凈化裝置的下半部分設計成雙層玻璃的形式，允許上述混合水霧在其中反應、沉降。由于僅僅靠水霧沉降帶動的空氣流動實現內外的空氣交換所能產生的單位時間的潔凈空氣量(CADR)太小，因此在凈化裝置的中下部設置了兩個小風扇輔助氣流交換。作為凈化空氣的裝置，不能僅凈化室內外對流的空氣，還需要具備內循環模式，因此設計了朝向室外和室內的兩個進氣口，并設計了單向閥。加工安裝完成后的空氣凈化裝置如圖3所示。

2.3 微細水霧反應室設計

位于凈化裝置上部的微細水霧反應室如圖4所示，其不僅包括超聲霧化器、水槽等，還包括負離子發生器。圖中左右兩側各布置了一個進氣口，在進氣口內側設計有單向閥，可以分別允許室外或者室內的空氣進入反應室。在進氣口附近布置有負離子發生器，左右各一個。在反應室的內部有幾個支柱支撐起一個長方形水槽，槽深約110 mm，槽內水深約90 mm，槽寬為66 mm，其中布置2～4個超聲霧化器。在水槽與反應室內壁之間構成了空氣與水霧向下流動的通道，支撐水槽的支柱是小長方體，并未完全遮擋住這一通道。

圖3 基于超聲霧化的非過濾式空氣凈化裝置Fig.3 The non-filter air cleaning device based on ultrasonic atomizer

圖4 微細水霧反應室側面示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reaction chamber of fine droplet and PM2.5

2.4 空氣凈化裝置的功能

空氣凈化裝置具有內循環、外循環兩種工作模式，含塵空氣進入微細水霧反應室，其中的微細顆粒物與水霧混合之后通過下落通道進入雙層玻璃之間的沉降室，伴隨著含塵霧滴的凝并、沉降以及大霧滴的沖刷，經過凈化的空氣從出風口進入室內。由于超聲霧化器隨著工作時間的延長會發熱，因此通過控制器上的旋鈕設置其工作時長和停頓時長(0～60 min)。配合濕度傳感器，還可以自動控制霧化器的啟停。另外，為了進一步增加美感，在裝置雙層玻璃沉降室四周設置了霓虹燈。負離子發生器、超聲霧化器、強制通風風扇以及霓虹燈可以通過控制器上的按鍵手動單獨控制。

在雙層玻璃的底部設置有集污槽，凝結的水珠滴落在集污槽中，雙層玻璃靠近室內的一側設計成可以開合的形式，方便人們在適當的時候打開裝置對其內部進行清理。

綜上所述，筆者設計的空氣凈化裝置，不僅可以降低室外霧霾對室內人員的影響，還可以通過內循環抑制室內的PM2.5濃度，同時具有調節室內濕度以及為室內補充負氧離子的功能，耗水少，能耗低，清理方便，不需要定期更換濾網，不會因濾網更換不及時而引起室內空氣二次污染的問題。

3 空氣凈化裝置的性能實驗

3.1 實驗系統搭建

空氣凈化裝置實驗系統如圖5所示。將裝置放置在8 m3的由鋁型材和有機玻璃搭建的密封的模擬實驗艙內，測試儀器采用型號為3016IAQ的LIGHTHOUSE手持式粒子濃度測試儀，見圖6。為了控制實驗模擬艙內的濕度，增加了簡易冷凝器和一個空氣泵。

圖5 空氣凈化實驗系統Fig.5 Experimental system of air purifier

圖6 LIGHTHOUSE 3016IAQ手持式粒子測試儀Fig.6 LIGHTHOUSE 3016IAQ handheld particle counter

3.2 空氣凈化效果實驗

接通電源，關閉艙門和懸掛于實驗艙頂部的風扇，利用LIGHTHOUSE 3016IAQ型粒子測試儀分別測量實驗艙內顆粒物濃度。首先，測試儀自動記錄PM2.5，PM10、溫度及濕度等數據；然后，在實驗艙中點燃兩根香煙，待香煙燃盡后，開啟風扇，使得實驗艙中的空氣與煙霧均勻混合，通過在實驗艙側壁上的預留孔，利用粒子測量儀測量實驗艙內顆粒物濃度數值。整個過程中實驗艙處于密閉狀態。開啟空氣凈化裝置實驗系統，9 min后打開測試儀，采樣時間為1 min，得到第1組數據。重復上述步驟，每隔10 min測得1組數據，直至PM2.5濃度接近或低于初始值。

3.3 實驗數據及分析

綜合利用負氧離子和超聲霧化技術的空氣凈化裝置的凈化效果實驗所測得的部分數據如表1所示，繪制的曲線如圖7所示。

表1 空氣凈化裝置凈化效果實驗數據

圖7 空氣凈化裝置凈化效果Fig.7 Purifying effect of air cleaning device

分析上述實驗數據可知，模擬實驗艙內PM2.5初始濃度值為94.9 μg/m3，2只香煙點完后，顆粒物的濃度上升到最大值382.7 μg/m3。開啟凈化裝置之后，實驗艙中PM2.5顆粒物濃度持續下降，在20 min內就使得模擬實驗艙內的PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到213.5 μg/m3，降低約44.2%。經過50 min左右，各種顆粒物的濃度降低到低于初始值的水平，PM2.5物濃度從382.7 μg/m3降到72.3 μg/m3，PM10從801.7 μg/m3降到了226.9 μg/m3。實驗結果表明，筆者設計的空氣凈化裝置對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。PM10在凈化裝置剛啟動的時候有短暫上升，10 min后才開始逐漸下降，這可能是因為凈化系統剛啟動時，部分微細水霧霧滴沒有充分冷凝，導致測試儀誤把小水滴當作PM2.5顆粒物所致，這一變化也與實驗艙內的初始階段的濕度變化相吻合。

4 結 論

1) 筆者利用超聲霧化除塵技術和負離子技術設計制作了一種區別于傳統空氣凈化器的非過濾式空氣凈化裝置。

2) 在搭建的8 m3的模擬實驗艙內進行了驗證實驗，結果表明，所設計的空氣凈化裝置在20min內就可以使得模擬實驗艙內的PM2.5濃度降低44.2%，在50 min后使PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到72.3 μg/m3，PM10從801.7 μg/m3降到了226.9 μg/m3，表明其對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。

3) 該空氣凈化裝置還具有調節室內濕度以及為室內補充負氧離子的功能，耗水少，能耗低，方便清理，無須因為濾網的不及時更換而引起室內空氣二次污染的問題。

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(第36卷卷終)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.030

*國家自然科學基金青年基金資助項目(51408311)；南京林業大學人才基金資助項目(GXL2014044)

2016-08-29；

2016-09-27

TB559; X513

王金鵬，男，1979年10月生，講師。主要研究方向為農林機械化、超聲霧化及其應用。曾發表《直線超聲電機驅動的精密運動平臺位移分辨率》(《振動與沖擊》2015年第34卷第22期)等論文。 E-mail:mejpw@aliyun.com