中學有機化學和電路控制知識在智能植物液除臭機中的應用

俞家琛

研究目的

利用傳感器技術設計一種智能的植物液除臭裝置，該裝置在所處環境異味濃度達到一定量時能自動開機，當異味濃度低于一定值時能自動關機。該裝置能適時控制植物液的霧化，使植物液中的有效分子（含有生物活性或化學活性的雙鍵、羰基等活性基團）能迅速和異味分子發生反應，改變其結構，形成無味無害的氣體。

研究思路

從薄荷等多種植物中通過水蒸氣蒸餾法提取植物油，針對廁所主要異味氨氣和硫化氫，將不同植物油按一定的比例配置成專用的植物液。根據廁所異味濃度，采取超聲波霧化（或霧化噴頭）和洗滌過濾結合實現植物液的充分霧化，液滴的半徑<0.04mm，霧化后的植物液滴的比表面積比傳統裝置形成的除臭劑液滴的比表面積大60倍左右，在同樣除臭效果的條件下，除臭劑消耗量是現有裝置的1/60。除臭機通過空氣傳感器和控制電路實現除臭操作的自動運行。

研究過程

現場測試

2015年暑假，我們對杭州市濱江區周邊的部分景區、車站、高速公路服務區、影院、會議中心的32個公共廁所的異味濃度進行了檢測（圖1）。用氨敏傳感器測得的氨氣濃度在0.15?0.78mg/m3之間。通風、保潔好的廁所，氨氣濃度在0.30mg/m3以下，而無窗、保潔差的廁所異味濃度在0.60mg/m3以上。

植物液的提取及配比

植物液包括下述重量份的組分，配方如下：薄荷油10份、樟油7份、月桂油7份、檸檬油6份、橙油5份、松樹油3份、雪松油3份、迷迭香油3份、留蘭香油2份、桉樹油2份。此配方屬于多醛技術，混合2種以上醛類物質能長期顯著地消抵難聞的異味。冷浸法提取單一植物20g，用600mL石油醚室溫浸泡3次，每次用200mL溶劑，浸泡時間為3h/次，合并提取液，將濾液在旋轉蒸發儀上蒸去石油醚，用無水硫酸鈉脫水，濾紙過濾，配比后獲得植物液，見圖2。

除臭機制作

除臭機由洗滌過濾和超聲波霧化2個功能單元組成。除臭機左側是洗滌過濾單元，設有風機，殼體背面設有若干通孔，殼體內裝有填料，填料上分散有植物液。填料部分下方的殼體內自下而上設有格柵、儲液槽和多孔環氧板，儲液槽中儲存稀釋后的植物液，植物液本身具備一定的揮發性，風機啟動后空氣從洗滌單元的外殼的后、左、下3面的進風口進入，加速了植物液的揮發。空氣進入后和填料上的及揮發的植物液產生反應。除臭機的右上方是超聲波霧化單元，當洗滌過濾單元工作一段時間后臭氣濃度還未低于設定值時，此單元自動開機，能增大植物液霧化的比表面積。除臭機噪聲不大于36db，兼具加濕和香薰功能。右下方是控制郃分。控制電路（見圖3）設有總開關、洗滌開關、霧化開關、自動開關、指示燈、濃度傳感器等，均與設置在殼體內的控制器相連。

除臭實驗

除臭機采用了氨敏傳感器，當氨氣濃度達到一定量時能自動開機，當氨氣濃度低于一定值時能自動關機。當填料阻力加大時，風機風量減少，能通過清洗指示燈提醒人們清洗填料，有效延長裝置的使用壽命；而且除臭劑中的有效分子（雙鍵、羰基等活性基團）有生物活性或化學活性，能迅速和異味分子發生反應，改變其結構，形成無味無害的氣體，不僅除臭效果好，而且安全綠色無害。本除臭機工作過程如下。

氨敏傳感器檢測到氨氣濃度達到一定量時（濃度超過0.2mg/m3），自動開機；

臭氣經風機引入殼體內，在均勻分散有植物液的填料部分實現洗滌過濾除臭；

除臭后的氣體經通孔循環使用；

一定時間內臭氣濃度仍保持一定量時（濃度超過0.4mg/m3），同時啟動超聲波霧化裝置使植物液霧化；令氨敏傳感器檢測到臭氣濃度低于一定值時（濃度低于0.4mg/m3），超聲波霧化裝置自動關機；

濃度檢測器檢測到臭氣濃度低于一定值時（濃度低干0.2mg/m3），洗滌過濾風機自動關機。

實驗結果

0.2m3小型密封測試艙測試結果

我們在800mmx500mmx500mm的測試艙內滴入1滴稀釋后的氨水，開啟測試艙內的軸流風機，5分鐘后通過專用氨敏檢測儀測得氨氣濃度是12.37mg/m3，連接霧化設備后，每1分鐘向測試艙后噴10秒稀釋10倍的植物液，半個小時后，也就是噴30次以后，測試艙內氨氣濃度從初始的12.37mg/m3下降到1.53mg/m3，實測效果非常好。

現場嗅閾值模擬實測

在0.2m3的小型密封測試艙有3個手動閥門，用于連接實測氨氣濃度的檢測儀和調節氣壓，我們準備了1個圖4所示的異味收集罩，在測試艙內添加適量氨氣，超過氨氣嗅閾值0.2mg/m3至0.25mg/m3。異味收集罩一端和測試艙閥門連接，另一端罩體部分是有機硅材料，可以直接吸在除臭機空氣進口面的小孔上，異味收集罩兩側有塞栓結構。我們先打開空氣閥門，再打開連接收集罩的閥門，這樣測試艙內氣壓和大氣壓一致，因為除臭機風機向外吸氣，除臭機內形成負壓，測試艙內異味被吸

到除臭機內，通過聚氨酯內多孔結構，植物液和異味發生反應，能降低異味的濃度。通過實地嗅覺感知法，感知收集罩塞栓結構處氨氣的濃度及處理后除臭機出風口濃度的變化，可知除臭機的消除異味的效果。通過多人實測，以嗅閾值為基準，參與測試者都覺得效果不錯。

該項目獲得第31屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組環境科學與工程一等獎。

專家評語

該項目創新性強，利用霧化和超聲技術成功研制除臭劑以及測試裝置。理論依據扎實，研發工作量大，裝置實用性強，體現出較全面的科技能力和創新水平。建議在后續工作中考慮如下問題：①深入分析植物液的成分和機理，尤其是除臭過程中植物液的作用過程。②加強控制系統研發，如測試儀的標定及自控原理。③考慮系統對于用戶的使用便利性及與使用環境的結合。endprint