结合混合媒体的加湿与电离室内空气净化技术研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 5.63MB 94 页 15积分

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摘要

近年来，随着国民经济突飞猛进的发展，居民生活质量也不断改善，尤其是

在居住方面，大量装修原料、家具以及家电设备持续涌入室内，造成了严重的室

内环境污染。同时，室外环境中工业废气、汽车尾气以及燃料燃烧产物的大量排

放，使得室外雾霾天气日益严重，致使室外新风不“新”，在这种情况下，即使对

室内增加新风量，室内空气品质也难以得到改善，反而进一步恶化了室内环境污

染，严重威胁着人体健康。为改善室内空气质量，出现了多种室内空气净化技术，

本课题通过综合比较分析现有的室内空气净化技术，提出了一种结合混合媒体的

加湿与电离室内空气净化技术。

本课题首先分别对单一的混合媒体中的 KOH 改性活性炭、活性高锰酸钾球

以及加湿和电离技术的基本净化机理及其对 SO2和甲醛的去除机理进行了理论

分析；然后在此基础上将混合媒体、加湿、电离相结合，设计了去除气体污染物

的整体净化方案，并对该组合技术的的特点与优势、以及其对 SO2和甲醛的协同

净化机理进行了分析；再次为了验证这三种技术的结合后的优势及其产生的 O3

浓度是否在国家标准控制范围内，在风道式空气净化性能测试台上测试了不同组

合方式下的过滤器对 SO2和甲醛的一次净化效率以及电离过滤器产生的 O3浓度；

最后为了研究该组合技术在空气净化器中的应用性，设计了一台应用该净化技术

的空气净化器样机，并依据《空气净化器》（GB/T 18801-2008）中的测试方法，

在30m³环境实验舱内测试了该样机对颗粒物 PM2.5 和甲醛的去除效果。

由风道式空气净化性能测试台中不同实验工况下测得的数据可知，在相同的

实验条件下，当释放的上游 SO2气体浓度在 0.6 mg/m³~3.0mg/m³时，混合媒体过

滤器相比于比单独的 KOH 改性活性炭过滤器，对 SO2的一次净化效率提高了

16.8%~17.4%；加湿过滤器与混合媒体共同作用后，对 SO2的一次净化效率在混

合媒体的基础上提高了 22.7%~25.8%；最后电离过滤器的加入，使得 SO2的一次

净化效率又提高了2.1%~3.9%。同样，当释放的甲醛气体的上游浓度在 0.2

mg/m³~1.0mg/m³时，混合媒体相比于单独的 KOH 改性活性炭，对甲醛的一次净

化效率提高了 9.2%~10.4%；加湿与混合媒体共同作用后，比单独的混合媒体对

甲醛的一次净化效率提高了 11.9%~13.7%；最后电离过滤器的加入，使得甲醛的

一次净化效率又提高了 2.4%~3.0%。由此可见，混合媒体相比于单独的 KOH 改

性活性炭有利于提高对 SO2/甲醛的一次净化效率，且加湿与电离的加入进一步

提高了混合媒体对 SO2/甲醛的一次净化效率。同时，测得电离过滤器产生的 O3

浓度为 0.027ppm，小于国家标准允许的 0.047ppm，在国家标准控制范围内，表

明该技术是安全的。由环境实验舱内空气净化器样机对 PM2.5/甲醛净化性能的测

试结果可知，净化器样机在 20min 内对 PM2.5 的去除率为 99.4%，洁净空气量为

457.7m³/h；在 52min 内对甲醛的去除率为 63.7%，洁净空气量为 35.1m³/h。与市

场上产品相比净化性能较高，具有很好的应用前景。

由上述比较分析可知，结合混合媒体的加湿与电离室内空气净化技术具有较

好的净化性能，且使用安全，在空气净化器样机中也具有良好的应用效果。相关

实验数据与研究成果为今后相关净化产品的研发与实际应用提供了一定的参考

与借鉴。

关键词：混合媒体加湿电离室内空气净化技术

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of our national economy, people’s

living standard has been improved greatly, especially in the indoor living conditions, a

large number of decoration materials, furniture, and household appliance are brought

indoor, causing serious indoor pollution. In addition, a lot of emissions of industrial

waste gas, vehicle exhaust and fuel combustion products have made the outdoor haze

weather becoming more serious, causing outside air no fresh. In this case, even if we

do ventilation, it is hard to improve the indoor air quality. On the contrary, it causes

the indoor air quality even worsen and more harmful to human health. To improve the

indoor air quality, a variety of indoor air purification technologies have emerged. By

comparing and analysising the various kinds of purification technologies, this paper

proposes an indoor air purification technology of mixed media combined with

humidification and ionization.

Firstly, the basic purification mechanism of mixed media（KOH modified carbon

and activated potassium permanganate ball）,humidification and ionization technology

were analyzed respectively, including the purification mechanism purifying SO2 and

formaldehyde. Then, the characteristics and advantages and the mechanism of the

combined purification technology with mechanism of mixed media and

humidification and ionization were introduced, including the purification mechanism

of purifying SO2 and formaldehyde by the combined purification technology.

Furthermore, based on the introduction, the purification scheme of removing gas

pollution and the concrete implementation ways were presented. After that, in order to

validate the advantages of the combined purification method and the O3 concentration

produced by the ionization filter under the national standard control range, the

instantaneous purification efficiency on SO2 and formaldehyde with different kinds of

combinations and the O3 concentration produced by the ionization filter were tested

on the air duct test system. Finally, in order to study the applicability of the combined

purification technology on air cleaner, the paper designed and accomplished an air

cleaner applied with the combined purification technology, and tested its purification

performance on PM2.5 and formaldehyde in a 30m3 environmental chamber according

to the method specified in the《air cleaner》（ GB/T 18801-2008 ）.

According to the test data under different experimental designs on the air duct

test system ,at the same experimental conditions, when the upstream concentration of

SO2 was during 0.6mg/m3~3.0 mg/m3, the instantaneous purification efficiency of the

air filter filled with mixed media was 16.8%~17.4% higher than the air filter filled

with just KOH modified active carbon; and when the mixed media filter combined

with the humidifying filter, the instantaneous purification efficiency of the air filter

filled with mixed media was improved by 22.7%~25.8%; when the ionization filter

was working with the mixed media filter and the humidifying filter, the instantaneous

purification efficiency of the mixed media filter combined with the humidifying filter

was improved by 2.1%~3.9%. When the upstream concentration of formaldehyde was

during 0.2 mg/m3~1.0 mg/m3, the instantaneous purification efficiency of the air filter

filled with mixed media was 9.2%~10.4% higher than the air filter filled with just

KOH modified active carbon; and when the mixed media filter combined with the

humidifying filter, the instantaneous purification efficiency of the air filter filled with

mixed media was improved by 11.9%~13.7%; when the ionization filter was working

with the mixed media filter and the humidifying filter, the instantaneous purification

efficiency of the mixed media filter combined with the humidifying filter was

improved by 2.4%~3.0%. The results showed that to the instantaneous purification

efficiency for SO2 and formaldehyde, the mixed media was more beneficial than the

single KOH modified active carbon, and the mixed media combined with humidifying

was more beneficial than the single mixed media, and the mixed media combined

with humidifying and ionization more beneficial than the mixed media combined with

humidifying. At the same time, the tested O3 concentration produced by the ionization

filter was 0.027ppm, lower than the 0.047 ppm that allowed by the national standard,

which is in the scope of the national standard control.

The test results of the air cleaner which applied with the technology of the mixed

media combined with humidification and ionization technology in a 30m3

environmental chamber showed that, the removal rate of the air cleaner on PM2.5 was

99.4% in 20 minutes, and the clean air delivery rate was 457.7m³/h. On the other hand,

the removal rate of the air cleaner on formaldehyde was 63.7% in 52 minutes, and the

clean air delivery rate was 35.1m³/h. This result is higher than the most of air cleaner

products on the market, having a broad application prospect.

All in all, the technology of mixed media combined with humidification and

ionization is a kind of indoor air purification technology which owns good

purification performance and has a good application effect in the air cleaner.

Meanwhile, the research results provide an improved technology on purifying indoor

air pollution, and the related experimental data and research results can provide some

reference on the development and practical application of the future purification

products.

Key word: mixed media, humidification, ionization, indoor air

purification technology

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 现有的室内空气净化技术 ............................................................................. 2

1.3 国内外对吸附材料、加湿与电离技术的研究现状 ..................................... 4

1.3.1 国内外对吸附材料的研究现状 .......................................................... 4

1.3.2 国内外对加湿技术的研究现状 .......................................................... 8

1.3.3 国内对电离技术的研究现状 .............................................................. 9

1.3.4 不同空气净化技术相结合应用的研究现状 .................................... 10

1.4 本课题的研究思路以及主要研究内容 ....................................................... 11

1.4.1 本课题的研究思路 ............................................................................ 11

1.4.2 本课题主要研究内容 ........................................................................ 12

1.4.3 本课题的关键技术 ............................................................................ 12

第二章净化机理理论分析 ........................................................................................ 14

2.1 改性活性炭的净化机理 ............................................................................... 14

2.1.1 改性活性炭的选择 ............................................................................ 14

2.1.2 KOH 改性活性炭的基本净化机理 ................................................... 16

2.1.3 KOH 改性活性炭净化 SO2的机理 ................................................... 17

2.1.4 KOH 改性活性炭吸附甲醛的机理 ................................................... 20

2.2 活性高锰酸钾球的净化机理 ....................................................................... 21

2.2.1 活性高锰酸钾球的选择 .................................................................... 21

2.2.2 活性高锰酸钾球对 SO2的净化机理 ............................................... 21

2.2.3 活性高锰酸钾球净化甲醛的机理 .................................................... 22

2.3 加湿技术的净化机理 ................................................................................... 22

2.3.1 加湿技术的选择 ................................................................................ 23

2.3.2 加湿过滤器的净化机理 .................................................................... 23

2.3.3 加湿过滤器对 SO2的净化机理 ....................................................... 24

2.3.4 加湿过滤器对甲醛的净化机理 ........................................................ 24

2.4 电离技术的净化机理 ................................................................................... 25

2.4.1 负离子发生器的选择 ........................................................................ 25

2.4.2 负离子技术的净化机理 .................................................................... 26

2.5 本章小结 ....................................................................................................... 26

第三章去除气体污染物方案 .................................................................................... 28

3.1 去除气体污染物的方案设计 ....................................................................... 28

3.1.1 整体净化方案设计 ............................................................................ 28

3.1.2 混合媒体与加湿以及电离技术的结合优势分析 ............................ 29

3.1.3 结合混合媒体的加湿以及电离技术的协同净化机理 .................... 30

3.2 整体方案中各净化元件的设计 ................................................................... 31

3.2.1 混合媒体过滤器的设计 .................................................................... 31

3.2.2 加湿过滤器的设计 ............................................................................ 33

3.2.3 电离过滤器的设计 ............................................................................ 35

3.3 整体净化方案的具体实施 ........................................................................... 37

3.3.1 混合媒体过滤器的实施 .................................................................... 37

3.3.2 加湿过滤器的实施 ............................................................................ 38

3.3.3 电离过滤器的实施 ............................................................................ 39

3.3.4 整体方案的具体实施 ........................................................................ 39

3.4 本章小结 ....................................................................................................... 40

第四章去除气体污染物的实验研究 ........................................................................ 41

4.1 实验装置 ....................................................................................................... 41

4.1.1 风道式空气净化性能测试台 ............................................................ 41

4.1.2 风量数据采集装置 ............................................................................ 43

4.1.3 污染气体发生装置 ............................................................................ 44

4.2 实验方案设计 ............................................................................................... 45

4.2.1 实验目的 ............................................................................................ 45

4.2.2 实验测试仪器 .................................................................................... 45

4.2.3 实验方案 ............................................................................................ 47

4.2.4 实验步骤 ............................................................................................ 50

4.3 实验结果与数据分析 .................................................................................... 53

4.3.1 对SO2的净化效果与数据分析 ....................................................... 53

4.3.2 对甲醛的净化效果与数据分析 ........................................................ 58

4.3.3 对产生的 O3浓度的数据分析 .......................................................... 64

4.4 本章小结 ....................................................................................................... 64

第五章空气净化器样机设计与净化效果测试 ........................................................ 66

5.1 空气净化器样机设计 .................................................................................... 66

5.1.1 空气净化器样机方案设计 ................................................................ 66

5.1.2 净化器样机各部件的设计与选型定制 ............................................ 68

5.1.3 样机的完成 ........................................................................................ 70

5.2 空气净化器样机净化效果测试实验 ............................................................ 71

5.2.1 环境实验舱介绍 ................................................................................ 71

5.2.2 测试准备 ............................................................................................ 73

5.2.3 测试方法 ............................................................................................ 74

5.3 空气净化器样机测试结果与分析 ................................................................ 75

5.3.1 去除 PM2.5 的测试结果与分析 ......................................................... 75

5.3.2 去除甲醛的测试结果与分析 ............................................................ 77

5.4 本章小结 ....................................................................................................... 79

第六章结论与展望 .................................................................................................... 80

6.1 结论 ............................................................................................................... 80

6.2 展望 ............................................................................................................... 81

参考文献 ...................................................................................................................... 83

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .......................................... 87

致谢 ............................................................................................................................ 89

第一章绪论

1.1 课题来源及研究意义

据统计，人平生约有 70%~90%的时段是在室内进行的[1]，污染的室内空气

会使人体出现头痛、焦急、萎靡不振等症状。清新的室内空气使人身心舒畅、精

力充沛，提高人们的生活质量与工作效率。因此，室内空气质量的优劣与人们的

日常生活息息相关。

随着国民经济突飞猛进的发展，居民生活质量也不断改善，尤其是在居住方

面，越来越讲究室内的装修。装修过程中使用的各种装饰材料、新置办的家具及

家用电器等，都散发着甲醛、苯等污染物，成为污染室内空气的主要源头；其次，

烹饪过程中产生的油烟以及吸烟产生的烟雾等加剧了室内空气污染；再次，由于

空调系统设计过程中考虑到节能需求，使得建筑物的密闭性不断增大，导致相应

的新风量减小，加上空调系统的维护不当，进一步恶化了室内空气；最后，室外

生态环境的破坏、工业废气及汽车尾气的排放、农作物燃烧等室外污染产生的

PM2.5、硫化物、氮化物等会通过门窗、墙缝等途径进入室内，加剧室内空气污

染。上述因素使得室内空气品质不断恶化，因此，如何提高室内空气品质成为人

们研究的热点。

室内空气污染物按其结构可以分为：室内颗粒污染物、室内气体污染物、室

内微生物污染物，其中室内气体污染物又分为挥发性有机污染物（VOCs）、有害

无机小分子气体污染物两种。室内颗粒污染物主要指悬浮粉尘颗粒，包括烟尘、

灰尘、花粉、毛发等。研究发现，空气中的颗粒污染物可以危害呼吸道系统，甚

至会引发癌症等疾病，同时，重金属、细菌等可以富集在颗粒污染物上，极大的

危害人体健康。挥发性有机污染物（VOCs），是引发病态建筑综合征的主要因素，

VOCs 主要包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯、厨房中的油烟等有机蒸汽等。VOCs

可能破坏造血系统和神经系统，导致癌变和畸变并引发新陈代谢缺陷[2]。有害无

机小分子气体污染物，主要包括 SO2、CO、CO2、氮氧化物等，可以通过呼吸系

统的吸入损害呼吸道，引发咽喉不适、干咳等症状，严重时会损害肺功能，出现

溃疡、肺水肿甚至窒息死亡。室内微生物污染物，主要包括细菌、病毒、螨虫、

人类和动物的代谢产物等，通过皮肤接触、呼吸吸入、消化摄入等传播途径进入

人体，引起各种传染性疾病，如 SARS、流感、肺炎、肺结核等。

室内空气污染物可以从控制污染源、通风、净化三种方法入手进行控制。污

染源控制是通过使用低污染的室内装修材料，从源头上抑制或削减室内空气污染。

鉴于此，我国颁布了一系列强制性国家标准，以限制装修材料的有害气体释放量，

上海理工大学硕士学位论文

但即使在一定面积的房间内使用达到标准的装修材料，随着使用时间的累积，其

释放的有害气体也会累积，仍可造成室内空气污染物超标[3]，不能在短时间内解

决室内空气污染问题。通风是利用室外新鲜空气来置换或稀释污染的室内空气，

但对室外新风的利用，必须建立在已知室外环境气候的基础上，若室外空气污染

严重，则会在通风过程中把室外污染物重新带入室内。净化是一种去除室内污染

物的有效方法，通过借助专门的净化技术去除或降解室内空气污染物，从而改善

室内空气品质。总之，这三种方法中的任何一种都不能完全解决室内空气污染问

题，但在污染源控制见效慢，通风稀释又受室外环境制约的情况下，净化成为一

种便捷、见效快的控制室内污染的方法，成为室内空气净化领域的研究热点。

1.2 现有的室内空气净化技术

目前现有的室内空气净化方法主要包括：过滤法、吸附法、臭氧净化法、负

离子净化法、低温等离子放电净化法、静电除尘法、紫外线杀菌法、光催化净化

法、植物净化法等。

过滤法是一种去除室内颗粒污染物的方法。主要利用过滤材料的筛选、惯性

碰撞、拦截、静电以及重力沉降等作用[4]捕集流动空气中的固态或液态微粒，但

这几种捕集作用，并不是同时对某一颗粒污染物产生作用的，通常仅仅是其中的

一种或几种起主导作用。目前过滤技术已发展成熟，且被广泛应用于工业洁净室

和生物洁净室的空气净化系统、空调机组以及家用净化器中。

吸附法是一种利用多孔性固体材料（吸附剂）来去除室内气体污染物的方法。

主要依靠多孔材料的固体表面上未平衡或未饱和的分子间力，使附近的气体污染

物（吸附质）中所含有的某些组分吸附在固体材料表面上，从而将气体污染物分

离的过程。吸附技术几乎适用于所有气体污染物的去除，因此被广泛应用。

臭氧法是利用其自身强氧化性来分解污染物的一种净化方法，主要应用于室

内空气中微生物的净化。其净化原理是臭氧中的 O原子可以氧化并穿透微生物

的细胞壁，然后与微生物体内的不饱和键反应继而杀死微生物，在此过程中臭氧

被还原成氧和水，无残留物存在，有效避免了二次污染。需要注意的是，高浓度

的臭氧会危害人体健康，我国《室内空气中臭氧卫生标准》（GB/T 18262—1997）

规定室内 1h 容许的最高臭氧平均浓度为 0.1mg/m3，而低浓度的臭氧不会起到净

化作用，因此限制了该净化技术的应用。

负离子法是一种主要去除室内颗粒污染物的方法。悬浮颗粒污染物大部分都

带正电荷，负离子利用自身的凝结和吸附，附着在微粒上并将其中和，使带正电

荷的微粒颗粒聚集而成为中性微粒，沉落到地面等表面上。适宜浓度的负离子对

人体健康是有益的，但浓度过高时也会对人体造成危害，如恶心、头晕等。负离

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