结合改性活炭的负离子加催化协同去除甲醛 SO2的研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 9 4 6.29MB 98 页 15积分

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摘要

随着我国经济的飞速发展，人们居住条件明显改善，大量装修材料和家电设

备进入室内，造成了室内空气的严重污染。此外，居住建筑密闭性的增强，工业

污染物和汽车尾气的大量排放，使得室外新风不“足”、不“新”，进一步加剧了

室内空气污染。在室内污染物中，有机气体甲醛和无机气体 SO2污染严重，且对

人体危害较大，而相应的净化技术却不够完善。因此，对甲醛/SO2净化技术的研

究对于改善室内空气质量有着重要的意义。通过综合比较多种净化方法，提出了

一种结合改性活性炭的负离子加催化技术。该组合技术以改性活性炭吸附法为主

体；配合负离子法，利用负离子以及负离子产生中伴随的臭氧（O3）来净化污染

气体，加入了高效过滤器配合负离子的净化；再结合催化法，分解多余 O3，加速

对甲醛/SO2净化反应。目前，虽然对单独的改性活性炭吸附法、负离子法、催化

法去除甲醛/SO2的研究较多，但将三者组合起来，对结合改性活性炭的负离子加

催化协同去除甲醛/SO2的研究却较少。

首先，对单独的改性活性炭吸附法、负离子法及催化法去除甲醛和 SO2的机

理进行了分析；然后，对结合改性活性炭的负离子加催化协同去除甲醛、SO2及

控制 O3的机理和优势进行了分析，并在此基础上设计了该组合技术的方案，介

绍了方案的具体实施；接着，为了对该组合技术理论上的净化优势进行定性验证

和定量研究，在风道式空气净化性能测试台上对不同组合的过滤器进行了去除甲

醛和 SO2的一次净化效率和 O3分解效果测试；最后，为了研究该组合技术在空

气净化器整机中的应用性，设计了一台应用了该组合技术的空气净化器，依据

GB/T 18801-2008《空气净化器》中的方法，对净化器样机进行了去除甲醛和

PM2.5 的性能测试，并将测试结果与市场上净化器的测试结果进行了比较。

由对甲醛和 SO2一次净化效率的实验数据可知：在 0.8m/s 的风速下，一方面，

当释放的甲醛气体上游浓度在0.2~1.0mg/m³时，蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤

器比蜂窝状改性活性炭过滤器对甲醛的一次净化效率提高了2.2~2.9 个百分点；

而负离子发生器开启下，在蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器的基础上又提升了

4.9~6.5 个百分点；高效过滤器的参与，在负离子发生器与蜂窝状改性活性炭+催

化剂过滤器串联的基础上再次提升了 1.4~2.0 个百分点。另一方面，当释放的 SO2

气体上游浓度在0.6~3.0mg/m³时，蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器比蜂窝状改

性活性炭过滤器对 SO2的一次净化效率提高了 11.3~14.9 个百分点；而负离子发

生器开启下，在蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器的基础上又提升了 2.1~3.9 个百

分点；高效过滤器的参与，在负离子发生器与蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器

串联的基础上再次提升了 2.9~3.7 个百分点。可见，改性活性炭+催化剂与单独的

改性活性炭相比有利于提高对甲醛和 SO2的净化性能，负离子法的参与能进一步

提高改性活性炭+催化剂去除甲醛和 SO2的净化性能，而高效过滤器的协同，更

进一步提高了负离子法参与下改性活性炭+催化剂的净化性能。然而，该组合技

术协同净化甲醛和 SO2的过程较为复杂，对其机理还需进一步研究，这样才找到

最佳反应条件，进一步提高对甲醛和 SO2的净化效果。

由对负离子发生器产生的 O3浓度的测试数据可知，在 0.8m/s 风速下，当试

验过滤器上游存在 0.2~1.0mg/m³的甲醛气体，或者 0.6~3.0mg/m³的SO2气体时，

蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器对 O3的分解率为 88.2%~97.6%，然而此时仍有

50%的工况下试验过滤器下游 O3浓度超过国家标准。当蜂窝状过滤器的厚度由

22mm 增至 25mm 后，O3分解率为 92.9%，且试验过滤器下游 O3浓度未超过国标

限值。可见，蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器对 O3有较高的分解率，且增加过

滤器的厚度，对控制 O3浓度有利。

对应用了该组合技术的空气净化器样机的测试结果显示，样机对甲醛的洁净

空气量为 46.1m³/h，在 60min 内的去除率为 78.5%；对 PM2.5 的洁净空气量为

407.9m3/h，在 18min 内的去除率为 98.3%，与市场上产品相比净化性能较高。

综上所述，结合改性活性炭的负离子加催化技术与改性活性炭、改性活性炭

+催化剂、负离子发生器开启下的改性活性炭+催化剂相比，对甲醛/SO2的一次净

化效率最高，且对 O3浓度有较好的控制效果，在净化器整机中应用效果较好。

研究成果为净化室内甲醛和 SO2提供了一种有一定应用性的改进的方法。

关键词：改性活性炭吸附法负离子法催化法 O3 高效过滤器甲醛

SO2 一次净化效率

ABSTRACT

With the rapid development of the national economy, residents’ living conditions

have improved significantly, thus a large number of decoration materials and household

appliance are brought indoor, which results in serious indoor air pollution. In addition,

more and more airtight residential buildings, lots of emissions by industrial pollutants

and vehicle exhaust have made the outside air neither enough nor fresh, which further

exacerbate the indoor air pollution. Among the indoor contaminations, organic gas

formaldehyde and inorganic gas SO2 are particularly serious, and both are very harmful

to human health, however, the corresponding purification technology are not very

perfect. Therefore, research on purifying formaldehyde and SO2 are very important for

improving the indoor air quality.

By comparing various kinds of purification methods, modified carbon adsorption

combined with anion and catalyst technique was proposed. In this combined

purification technique, modified carbon adsorption was chosen as the main method, and

the anion method was chosen as the auxiliary by using the purification performance of

the anion and ozone produced coincide, and the high efficiency particulate air filter was

adopt for cooperating with anion, moreover, catalysts was added for decomposing the

rest of ozone and accelerating the removal of formaldehyde and SO2. Lots of previously

studies only considered on using the modified carbon adsorption, anion and catalyst

respectively, rather than using the combined purification method of these three on

purifying formaldehyde and SO2.

Firstly, the respective purification mechanism of modified carbon adsorption, anion

and catalytic technique on purifying formaldehyde and SO2 were analyzed. Then, the

mechanism and the advantages of the combined purification technique with all these

three were introduced, on this basis, the purification scheme and the concrete

implementation of the combined purification technique were presented. After that, in

order to validate the advantages of the combined purification technique qualitatively

and to research it quantitatively, the instantaneous purification efficiency on

formaldehyde and SO2 and the effect of ozone decomposition of the filters with

different combinations were tested on the duct type air purification performance test bed.

Finally, for studying the applicability of the combined purification technique in air

cleaner, an air cleaner applied with this combined technique was designed and

accomplished, and its purification performance on formaldehyde and PM2.5 were tested

in a 30 m3 environmental chamber according to the method specified in GB/T 18801-

2008 “air cleaner”. In addition, the test results of this air cleaner was compared with

others in the market.

According to the test data of the instantaneous purification efficiency on

formaldehyde and SO2, at the wind speed of 0.8m/s, on one hand, when the upstream

concentration of formaldehyde was during 0.2~1.0 mg/m3, the instantaneous

purification efficiency of honeycomb air filter filled with modified active carbon and

catalyst was 2.2%~2.9% higher than honeycomb air filter just filled with modified

active carbon, and when the anion generator was working, the instantaneous purification

efficiency of honeycomb air filter filled with modified active carbon and catalyst was

improved by 4.9%~6.5%, further more, when the high efficiency particulate air filter

was working, the instantaneous purification efficiency of the in line filter of the anion

generator and honeycomb air filter filled with modified active carbon and catalyst was

improved by 1.4%~2.0%. On the other hand, when the upstream concentration of SO2

was during 0.6~3.0 mg/m3, the instantaneous purification efficiency of honeycomb air

filter filled with modified active carbon and catalyst was 11.3%~14.9% higher than

honeycomb air filter just filled with modified active carbon, and when the anion

generator was working, the instantaneous purification efficiency of honeycomb air filter

filled with modified active carbon and catalyst was improved by 2.1%~3.9%, further

more, when the high efficiency particulate air filter was working, the instantaneous

purification efficiency of the in line filter of the anion generator and honeycomb air

filter filled with modified active carbon and catalyst was improved by 2.9%~3.7%. This

showed that to the instantaneous purification efficiency on formaldehyde and SO2,

modified active carbon coupled with catalyst was better than just the modified active

carbon, and the addition of anion generator was better than just the combination of

modified active carbon with catalyst, further more, the addition of high efficiency

particulate air filter on the in line filter of the anion generator and honeycomb air filter

filled with modified active carbon and catalyst was better than all the above. However,

the mechanism of the combined purification technique on purifying formaldehyde and

SO2 were very complicated, which needs more researches for finding the optimum

conditions to improve the instantaneous purification efficiency on purifying

formaldehyde and SO2.

The testing data of the downstream ozone concentration showed that, at the wind

speed of 0.8m/s, with 0.2~1.0 mg/m3 of formaldehyde or 0.6~3.0 mg/m3 of SO2 at the

filter upstream, the decomposition rate of honeycomb filter filled with modified active

carbon and catalyst for ozone was 88.2% ~ 97.6%, while there were still 50%

conditions of the ozone concentration exceeding the national standard. On the other

hand, when the thickness of honeycomb filter was increased from 22 to 25 mm, the

decomposition rate for ozone was 92.9%, and the downstream ozone concentration was

inside the national standard limit. It showed that the honeycomb filter filled with

modified active carbon and catalyst had certain effect on decomposing ozone, and the

increasing thickness of the honeycomb filter was beneficial for the decomposition rate

of ozone.

The test results of the air cleaner applied with the combined purification technique

showed that, for formaldehyde, the clean air delivery rate was 46.1m3/h, and the

removal rate was 78.5% in 60 minutes. On the other hand, for PM2.5, the clean air

delivery rate was 407.9m3/h, and the removal rate was 98.3% in 18 minutes. This was

better than many products in the market.

In conclusion, the modified carbon adsorption combined with anion and catalyst

technique showed the highest instantaneous purification efficiency on formaldehyde and

SO2, moreover, it had certain effect on decomposing ozone, and could be well applied to

the air cleaner. The research results provide an improved method on purifying indoor

formaldehyde and SO2.

Key words: modified activated carbon adsorption, anion, catalyst,

ozone, high efficiency particulate air filter, formaldehyde, SO2,

instantaneous purification efficiency

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 课题来源及研究意义 ............................................ 1

1.2 国内外对甲醛/SO2净化技术的研究现状 ............................ 2

1.3 改性活性炭吸附法、负离子法以及催化法的研究现状 ................ 3

1.3.1 改性活性炭吸附法去除甲醛/SO2的研究现状 ..................... 3

1.3.2 负离子法去除甲醛/SO2的研究现状 ............................. 5

1.3.3 催化法去除甲醛/SO2的研究现状 ............................... 6

1.3.4 组合技术去除甲醛/SO2的研究现状 ............................. 7

1.4 本课题的研究思路以及主要内容 .................................. 8

1.4.1 本课题的研究思路 .......................................... 8

1.4.2 本课题主要研究内容 ........................................ 9

1.4.3 研究的关键技术及研究路线 .................................. 9

第二章去除甲醛/SO2的机理分析 ....................................... 11

2.1 改性活性炭吸附法的净化机理 ................................... 11

2.1.1 改性活性炭的介绍及选择 ................................... 11

2.1.2 改性活性炭吸附法的基本净化机理 ........................... 13

2.1.3 KOH 改性活性炭吸附甲醛的机理 .............................. 14

2.1.4 KOH 改性活性炭吸附 SO2的机理 ............................... 15

2.2 负离子法的净化机理 ........................................... 17

2.2.1 负离子的介绍及发生技术选择 ............................... 17

2.2.2 负离子的净化机理 ......................................... 19

2.2.3 臭氧（O3）的净化机理 ...................................... 19

2.3 催化法的净化机理 ............................................. 20

2.3.1 催化剂的介绍和选择 ....................................... 21

2.3.2 催化反应的基本机理 ....................................... 22

2.3.3 MnO2催化分解 O3的机理 ..................................... 23

2.3.4 MnO2催化分解甲醛/SO2的机理 ................................ 23

2.4 本章小结 ..................................................... 24

第三章去除甲醛/SO2的方案 ........................................... 25

3.1 改性活性炭与负离子加催化技术的结合性分析 ..................... 25

3.1.1 结合改性活性炭的负离子加催化技术的净化机理 ............... 25

3.1.2 结合改性活性炭的负离子加催化技术的优势分析 ............... 26

3.2 对甲醛/SO2净化技术的方案设计 ................................. 28

3.2.1 结合改性活性炭的负离子加催化技术方案设计 ................. 28

3.2.2 蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器的设计 ...................... 29

3.2.3 负离子发生器的设计 ....................................... 30

3.2.4 高效过滤器的设计 ......................................... 33

3.3 对甲醛/SO2净化方案的实施 ..................................... 33

3.3.1 结合改性活性炭的负离子加催化技术的整体方案实施 ........... 33

3.3.2 蜂窝状改性活性炭+催化剂过滤器的实施 ...................... 34

3.3.3 负离子发生器的实施 ....................................... 35

3.3.4 高效过滤器的实施 ......................................... 37

3.4 本章小结 ..................................................... 37

第四章去除甲醛/SO2的实验研究 ....................................... 38

4.1 实验装置 ..................................................... 38

4.1.1 净化性能测试实验装置介绍 ................................. 38

4.1.2 风道式空气净化性能测试台 ................................. 39

4.1.3 污染气体发生装置 ......................................... 41

4.1.4 气体浓度测量装置 ......................................... 42

4.2 实验方案设计 ................................................. 43

4.2.1 实验目的 ................................................. 44

4.2.2 实验方案 ................................................. 44

4.2.3 实验步骤 ................................................. 48

4.3 实验结果与数据分析 ........................................... 51

4.3.1 对甲醛的一次净化效率实验结果与数据分析 ................... 51

4.3.2 对SO2的一次净化效率实验结果与数据分析 .................... 57

4.3.3 对O3的分解效果实验结果与数据分析 ......................... 63

4.4 本章小结 ..................................................... 65

第五章空气净化器整机设计和净化效果测试 ............................ 68

5.1 空气净化器整机设计及实验样机 ................................. 68

5.1.1 空气净化器整机方案 ....................................... 68

5.1.2 空气净化器各部件设计与选型定制 ........................... 70

5.1.3 空气净化器样机 ........................................... 73

5.2 空气净化器样机净化效果测试 ................................... 74

5.2.1 空气净化器样机测试的对象和方法介绍 ....................... 75

5.2.2 空气净化器样机的测试结果与数据分析 ....................... 79

5.3 本章小结 ..................................................... 82

第六章结论与展望 .................................................. 84

6.1 研究结论 ..................................................... 84

6.2 课题展望 ..................................................... 86

参考文献 ........................................................... 87

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 91

致谢 ............................................................. 93

第一章绪论

1.1 课题来源及研究意义

人的一生中约有 70%~90%的时间都是在室内度过的[1]，室内环境与人们的健

康生活息息相关。随着我国经济的飞速发展，老百姓居住条件明显改善，工业发

展日益繁荣，汽车数量急剧增加，这些都对室内环境造成了显著影响。室内装修

热潮和现代化设施的不断兴起，良莠不齐的建筑材料、装修材料以及大量的现代

化设备不断进入室内，使得室内甲醛（HCHO）、总挥发性有机物（TVOC）、臭

氧（O3）等污染物水平远高于室外，长期持续地暴露在污染的室内环境中，会严

重危害人体健康。此外，空调的普及，引起建筑的密闭性增强，使得新风量普遍

不足；工业和汽车尾气排放的大量污染物，造成室外空气中细颗粒（PM2.5）、二

氧化硫（SO2）等污染物严重超标，使得室外新风不“新”，这些都进一步加剧了

室内空气的污染。因此，寻找能够改善室内空气质量的方法，成为当前暖通及相

关专业的亟需解决的问题。

改善室内空气质量的方法主要包括三种：污染源控制、通风和空气净化。污

染源控制是通过国家法律条文来鼓励开发、使用低污染释放材料，控制有害气体

的散发，受我国材料技术水平制约，该方法不能在短期内解决室内空气污染问题。

通风是一种便捷有效的室内污染物控制方法，但其应用受室外空气质量和天气的

制约，在常年室外污染严重，或者在寒冷地区，每年就会有较长的时间很难有效

的实施通风措施。空气净化是通过专门的技术使污染物从室内空气中分离出来或

转化为无害物质，该方法能在不增加室外新风量的情况下，改善室内空气质量。

总之，任何单一的改善方法都不能完全解决室内空气质量问题，在污染源控制见

效慢，通风又受室外因素制约的情况下，空气净化作为一种便捷、见效快的改善

方法，成为室内空气污染控制领域的研究热点。

室内空气污染按污染物特性可以分为三类：物理污染、生物污染和化学污染。

其中，物理污染的净化技术已经比较成熟，主要通过各级过滤器去除不同粒径的

颗粒污染物；除医院等特殊场所外，花粉颗粒、宠物毛发等生物污染也可以通过

各级过滤器去除。而化学污染种类多样，主要为气态，其中的有机污染物甲醛、

无机污染物 SO2对人体危害很大。当室内甲醛达到 0.1mg/m³时就会有异味，可能

引起人体不适，更高的浓度则会使人头痛、咽喉不适、咳嗽甚至肺气肿，我国首

例室内装修引起的法律案例就是由于室内甲醛污染严重，造成居住者身体严重受

损而引发的。空气中 SO2浓度在0.5ppm 以上时，对人体已有潜在影响，在

上海理工大学硕士学位论文

1~3ppm 时大多数人开始感到刺激，其与大气中的烟尘协同作用，还可使呼吸道

疾病发病率增高，慢性病患者病情恶化。但是，目前针对室内污染物甲醛和 SO2

的净化技术却不是非常成熟完善。

综上，本课题选择对人体危害较大，净化技术却不够成熟的气态有机污染物

甲醛和无机污染物 SO2作为研究对象，对其净化技术进行了理论和实验研究。

1.2 国内外对甲醛/SO2净化技术的研究现状

目前对甲醛和 SO2的净化方法主要有：吸收法、吸附法、等离子法、O3法、

负离子法、催化法等。

吸收法：气体污染物与液体接触时，气体组分（吸收质）进入液体（吸收剂）

从而被液体分离出来的过程称为吸收。在该过程中，吸收质将进行两相传质过程，

按作用原理主要分为物理吸收和化学吸收。该方法多采用吸收塔应用于大气污染

治理工程中，设备结构略复杂，目前在室内空气净化领域也有初步的应用。

吸附法：吸附是一种固体表面现象，依靠多孔材料表面上未平衡或未饱和的

分子间力，把混合气体中的一种或几种组分结合在固体表面，使其分离出来的过

程。具有吸附特性的固体成为吸附剂，被吸附在固体表面的物质成为吸附质。根

据吸附作用力的不同分为物理吸附和化学吸附。该方法作为净化室内化学污染物

（包括甲醛、SO2气体）的主要方法，被广泛采用，吸附剂的应用以改性活性炭

为主。

等离子法：是一种利用气体放电所产生的具有高度反应活性的电子、分子、

原子和自由基与各种有机、无机污染分子反应，从而使污染物分子分解的方法。

该方法在净化空气中的化学气体污染物方面有着较好的优势，但是由于其降解污

染物机理复杂，影响因素较多，存在降解不完全以及生成 CO 和其他有机中间产

物问题，相关研究尚未深入。

O3法：是一种利用 O3的强氧化能力分解污染物的方法，可以快速分解有机

或无机物质，杀菌效果也较好。但是由于其强氧化性，过高浓度下危害人体健康，

我国 GB/T 18262—1997《室内空气中臭氧卫生标准》规定室内 1h 平均最高容许

的O3浓度为 0.1mg/m3，因此，该方法在去除室内甲醛和 SO2的应用方面也受到

了一定限制，其应用要考虑 O3排放浓度问题。

负离子法：大多数空气中的污染物以正离子的形式存在，负离子借助凝结和

吸附作用，附着在污染物微粒上，从而形成大离子并沉降下来，一方面可维持正

负离子平衡，另一方面不断地清洁污染物，改善空气质量。适宜浓度的负离子具

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