室内空气实用教案

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1、1第一节第一节 室内室内(sh ni)空气净化技术空气净化技术空气(kngq)过滤固体(gt)吸附去除空气中的固体颗粒物吸附空气中的大部分气体污染物光催化技术降解室内空气中的VOCs技术成熟较成熟研发阶段第1页/共36页第一页，共36页。2第二节第二节 吸附法去除室内空气污染物吸附法去除室内空气污染物一、两种类型的吸附一、两种类型的吸附物理吸附物理吸附 是指主要由于吸附剂与吸附质之间的分是指主要由于吸附剂与吸附质之间的分子间力的作用所引起的吸附，亦称范德华子间力的作用所引起的吸附，亦称范德华吸附吸附化学吸附化学吸附 由吸附剂表面与吸附质分子间的化学键由吸附剂表面与吸附质分子间的化学键力所导致力

2、所导致(dozh)的吸附，称为化学吸附的吸附，称为化学吸附第2页/共36页第二页，共36页。3二、吸附剂二、吸附剂 目前所用的吸附剂主要有：粒状活性炭（目前所用的吸附剂主要有：粒状活性炭（Granular Activated Carbon，简称，简称GAC）、高锰酸钾）、高锰酸钾(o mn sun ji)浸泡过的氧化浸泡过的氧化铝（铝（Potassium permanganate Impregnated Alumina，简称，简称PIA）和以上两种物质的混合物。）和以上两种物质的混合物。第3页/共36页第三页，共36页。4它们的工作机理分述如下：它们的工作机理分述如下： (1)GAC：物理吸附

3、，由于活性炭内有许多微：物理吸附，由于活性炭内有许多微 孔，比表面积很大，所以容易吸附孔，比表面积很大，所以容易吸附VOCs。 (2)PIA：化学反应，由于高锰酸钾具有强氧化：化学反应，由于高锰酸钾具有强氧化 性，所以它可以氧化性，所以它可以氧化VOCs，将其分解，将其分解(fnji)为水和为水和 二氧化碳。二氧化碳。 (3)GAC-PIA：物理吸附与化学反应相结合。：物理吸附与化学反应相结合。第4页/共36页第四页，共36页。5三、活性炭动态吸附模型的建立和应用三、活性炭动态吸附模型的建立和应用3.1、活性炭吸附机理、活性炭吸附机理(j l) 活性炭有颗粒活性炭及活性炭纤维两种，各自结构见下

4、图。活性炭有颗粒活性炭及活性炭纤维两种，各自结构见下图。第5页/共36页第五页，共36页。6 活性炭吸附机理主要有单分子层吸附、多分子层吸附和微孔填充理活性炭吸附机理主要有单分子层吸附、多分子层吸附和微孔填充理论。论。 单分子层吸附理论是指吸附表面上只吸附一个分子层就饱和单分子层吸附理论是指吸附表面上只吸附一个分子层就饱和(boh)，被吸附的分子间无相互作用力。吸附气体和吸附剂之间处于，被吸附的分子间无相互作用力。吸附气体和吸附剂之间处于动态平衡。动态平衡。 多分子层吸附理论是指吸附在固体表面上的分子与气相中的分子因多分子层吸附理论是指吸附在固体表面上的分子与气相中的分子因范德华力存在仍具有吸

5、引力，形成所谓多分子吸附层。范德华力存在仍具有吸引力，形成所谓多分子吸附层。 微孔填充理论是指微孔在整个空间内都有吸附力场，吸附质分子填微孔填充理论是指微孔在整个空间内都有吸附力场，吸附质分子填充在整个空间，而不是形成吸附质分子层。充在整个空间，而不是形成吸附质分子层。第6页/共36页第六页，共36页。73.2、现有活性炭吸附模型及其不足、现有活性炭吸附模型及其不足 现有的动态现有的动态(dngti)吸附模型主要有孔扩散模型和壁扩散模型。但吸附模型主要有孔扩散模型和壁扩散模型。但孔扩散模型忽略了壁扩散的影响；壁扩散模型忽略了孔扩散的作用。孔扩散模型忽略了壁扩散的影响；壁扩散模型忽略了孔扩散的作

6、用。 活性炭对污染物的吸附过程是污染物首先进入微孔，然后再被吸附到活性炭对污染物的吸附过程是污染物首先进入微孔，然后再被吸附到孔壁，仅考虑其中一个并不能完整地描述活性炭的吸附过程，并且目前孔壁，仅考虑其中一个并不能完整地描述活性炭的吸附过程，并且目前已有的模型均没有考虑如何把模型应用在实际工程中，以及如何设计选已有的模型均没有考虑如何把模型应用在实际工程中，以及如何设计选择这种设备。择这种设备。第7页/共36页第七页，共36页。83.3、多组分吸附模型的建立和应用、多组分吸附模型的建立和应用 活性炭纤维对有机物的吸附优于颗粒状活性炭，故研究活性炭纤维对有机物的吸附优于颗粒状活性炭，故研究(yn

7、ji)活性活性炭纤维的吸附特性，并建立相应的模型。炭纤维的吸附特性，并建立相应的模型。模型的假定模型的假定(1) 忽略轴向扩散。忽略轴向扩散。(2) 流动是稳态流动。流动是稳态流动。(3) 反应器处于恒温下。反应器处于恒温下。(4) 流体为不可压缩型流体，物性参数不变。流体为不可压缩型流体，物性参数不变。(5) 在纤维孔内吸附质与吸附剂始终处于平衡状态。在纤维孔内吸附质与吸附剂始终处于平衡状态。(6) 吸附质在纤维孔内既有孔隙扩散，也有沿着吸附吸附质在纤维孔内既有孔隙扩散，也有沿着吸附 剂的内表面扩散。剂的内表面扩散。第8页/共36页第八页，共36页。9模型的建立模型的建立 如图所示为活性炭吸

8、附器，含有如图所示为活性炭吸附器，含有(hn yu)(hn yu)污染物的气体从左侧污染物的气体从左侧x=0 x=0处进入，从右侧排出。图中处进入，从右侧排出。图中1 1表示吸附器内纤维之间的间隙，表示吸附器内纤维之间的间隙，2 2表示活性表示活性炭纤维，其半径为炭纤维，其半径为RfRf。第9页/共36页第九页，共36页。10 活性炭纤维本身由骨架和纤维内微孔组成。活性炭纤维制成毯子或活性炭纤维本身由骨架和纤维内微孔组成。活性炭纤维制成毯子或毡子毡子(zhn zi)等形式时，纤维间也有间隙。空气正是穿过这些间隙从活等形式时，纤维间也有间隙。空气正是穿过这些间隙从活性炭吸附器上游流到下游的。空气

9、在穿过活性碳纤维间的空隙时与纤维性炭吸附器上游流到下游的。空气在穿过活性碳纤维间的空隙时与纤维的微孔间的传质导致污染物质被吸附到活性炭上。的微孔间的传质导致污染物质被吸附到活性炭上。 由此可知，污染物在活性炭吸附器中的去除由两部分组成，即主流由此可知，污染物在活性炭吸附器中的去除由两部分组成，即主流体与活性炭纤维外表面之间的对流传质和污染物从活性炭纤维的外表面体与活性炭纤维外表面之间的对流传质和污染物从活性炭纤维的外表面吸附到微孔中。与之相应的方程由两部分组成，即吸附器整体平衡方程吸附到微孔中。与之相应的方程由两部分组成，即吸附器整体平衡方程和活性炭纤维内部质量平衡的扩散方程。和活性炭纤维内部

10、质量平衡的扩散方程。第10页/共36页第十页，共36页。11 (1) 吸附器沿长度吸附器沿长度(chngd)方向的微分方程方向的微分方程 初始条件：初始条件： 边界条件：边界条件： 式中：式中：2(1)()aaaksfCCuh CCxR ,00,0 = aaxCC,0 = aa inxCC第11页/共36页第十一页，共36页。12(2) 纤维纤维(xinwi)内的微分方程内的微分方程222211(1)()(1)()kakakapppkpsCCCqqqDDrrrrrr第12页/共36页第十二页，共36页。13初始条件：初始条件：边界条件：边界条件：00, 0 rqq,00,0 kakarCC0,

11、 0qrr0, 0kaCrr, ()(1)afakapkpsCqrRh CCDDrrka, CfksrRC第13页/共36页第十三页，共36页。14(3) 吸附表面平衡方程吸附表面平衡方程 当仅有一种物质当仅有一种物质(wzh)时，时，q与与Cka的关系为：的关系为： 当当n种种VOC共同存在，通过活性炭吸附器时，对于第共同存在，通过活性炭吸附器时，对于第 i种种VOC，其吸附表面平衡方程如下：，其吸附表面平衡方程如下：max1kakaqKCqKCmax,1iika iijka jjqK CqK C第14页/共36页第十四页，共36页。15模型中系数的确定模型中系数的确定纤维孔内纤维孔内VOC

12、VOC扩散系数扩散系数DkDk的确定的确定 纤维孔内纤维孔内VOCVOC扩散系数用下式计算：扩散系数用下式计算：(2)(2)表面扩散系数表面扩散系数DsDs的确定的确定 有多种理论解释表面扩散系数，但通过理论计算其值很困难。目有多种理论解释表面扩散系数，但通过理论计算其值很困难。目前最常用方法前最常用方法(fngf)(fngf)是由实验确定其值。是由实验确定其值。2pakDDk第15页/共36页第十五页，共36页。16(3) 纤维表面对流传质系数纤维表面对流传质系数h的确定的确定 纤维表面对流传质系数可通过类比方法纤维表面对流传质系数可通过类比方法(fngf)得到：得到：0.40.370.75

13、ReShScfahdShDaScDRefdu第16页/共36页第十六页，共36页。17模型模型(mxng)的验证的验证 本实验装置本实验装置第17页/共36页第十七页，共36页。18实验所选用的仪器实验所选用的仪器(yq)及其精度及其精度第18页/共36页第十八页，共36页。19第19页/共36页第十九页，共36页。20活性炭纤维：实验材料选用鞍山活性炭纤维公司生产的粘胶基活性炭，活性炭纤维：实验材料选用鞍山活性炭纤维公司生产的粘胶基活性炭，其纤维半径其纤维半径(bnjng)(bnjng)为为13 13 10-6m 10-6m ，密度为，密度为87kg/m387kg/m3，孔隙率为，孔隙率为

14、0.0950.095。实验材料处理：实验前，把活性炭纤维放置在实验材料处理：实验前，把活性炭纤维放置在120120恒温箱中恒温箱中2424小时，然小时，然后自然冷却干燥待用。实验时吸附床直径后自然冷却干燥待用。实验时吸附床直径(db)(db)为为6 6 10-3m 10-3m，床孔隙率，床孔隙率0.0950.095。第20页/共36页第二十页，共36页。21用甲苯和苯验证污染源为单种物质用甲苯和苯验证污染源为单种物质(wzh)时模型的正确性，模型计算时模型的正确性，模型计算值与实验值比较如下：值与实验值比较如下：第21页/共36页第二十一页，共36页。22所建模型能够很好的描述(mio sh)

15、活性炭对单组分VOC的动态吸附特性 第22页/共36页第二十二页，共36页。23 对于多组分的验证，以甲苯和苯为实验对于多组分的验证，以甲苯和苯为实验(shyn)物质，进口浓度均为物质，进口浓度均为17.36mg/m3，活性炭厚度为，活性炭厚度为8mm. 实验实验(shyn)结果和理论值对比结果和理论值对比如下：如下：所建模型能够很好的描述活性炭对多组分的动态(dngti)吸附特性。 第23页/共36页第二十三页，共36页。243.43.4、活性炭吸附器的设计选型方法、活性炭吸附器的设计选型方法 在实际工程中，活性炭吸附器的效率随着使用时间的延长而减小，其在实际工程中，活性炭吸附器的效率随着使

16、用时间的延长而减小，其出口浓度则随着使用时间的延长而升高，当出口浓度上升到室内浓度时，出口浓度则随着使用时间的延长而升高，当出口浓度上升到室内浓度时，活性炭吸附器完全失效。活性炭吸附器完全失效。 选择活性炭吸附器时，应考虑两个基本要求：选择活性炭吸附器时，应考虑两个基本要求：(1)(1)应考虑在可能的最大回风量情况应考虑在可能的最大回风量情况(qngkung)(qngkung)下，活性炭吸附器允许下，活性炭吸附器允许的最高浓度，即要保证活性炭吸附器在最低效率时，能够去除房间内的的最高浓度，即要保证活性炭吸附器在最低效率时，能够去除房间内的VOCVOC产生率。产生率。(2)(2)活性炭吸附器在使

17、用期内应能吸附房间内总的活性炭吸附器在使用期内应能吸附房间内总的VOCVOC产生量。产生量。第24页/共36页第二十四页，共36页。25给出活性炭吸附器的设计选型方法如下：给出活性炭吸附器的设计选型方法如下：(1)确定房间内确定房间内VOC的产生率的产生率Rt；(2)根据房间中根据房间中VOC的产生率的产生率Rt、房间的设定浓度、房间的设定浓度Cset及经过吸附器的风及经过吸附器的风量量Qad计算计算(j sun)经过吸附器后允许的最高浓度经过吸附器后允许的最高浓度Csup：(3)确定活性炭吸附器的最低效率，即失效时的效率确定活性炭吸附器的最低效率，即失效时的效率:suptsetadRCCQs

18、up1setCC 第25页/共36页第二十五页，共36页。26(4)确定确定(qudng)吸附器的失效时间吸附器的失效时间 ；(5)计算吸附器在使用期内对计算吸附器在使用期内对VOC的吸附总量的吸附总量W:(6)从效率从效率出发，初步选定进入吸附器的流速出发，初步选定进入吸附器的流速uad、吸附器厚度、吸附器厚度l，确定，确定(qudng)活性炭吸附器达到效率活性炭吸附器达到效率时单位重量的吸附量时单位重量的吸附量wad；(7)得到所需要使用的活性炭的重量得到所需要使用的活性炭的重量Gad；0WRdtadadWGw第26页/共36页第二十六页，共36页。27(8)根据吸附器的重量根据吸附器的重

19、量(zhngling)Gad、吸附器的厚度、吸附器的厚度l确定空气流过吸确定空气流过吸附器的面积附器的面积A；(9) 根据吸附器的面积根据吸附器的面积A及流速及流速uad校核风量。如果差别不大，则设计选校核风量。如果差别不大，则设计选型过程完成；否则从第型过程完成；否则从第6步开始重新计算直到完全满足为止。步开始重新计算直到完全满足为止。 建立了描述多组份活性炭动态吸附特性的模型，弄清了活性炭吸附VOC动态特性的影响因素及其影响敏感性，模型分析(fnx)结果与实验结果吻合，证明了模型的正确性。分析(fnx)了单组分吸附和多组分吸附的不同特点，给出了在实际工程中活性炭吸附器的设计和选型方法。 第

20、27页/共36页第二十七页，共36页。28第28页/共36页第二十八页，共36页。29第29页/共36页第二十九页，共36页。30 何鲁敏：1951年出生，工学硕士。现任北京亚都室内环保科技股份有限公司董事长。1973年-1977年就读于清华大学建筑系。1977年-1979年任职于航空部第四设计院，为助理工程师。1979年-1982年就读于清华大学热能系，硕士研究生毕业。1982年-1985年任职于中国(zhn u)建筑科学研究院空调所。 第30页/共36页第三十页，共36页。31亚都空气(kngq)净化器原理第31页/共36页第三十一页，共36页。32亚都空气(kngq)净化器之一第32页/

21、共36页第三十二页，共36页。33亚都空气(kngq)净化器之二第33页/共36页第三十三页，共36页。34亚都空气(kngq)净化器之三第34页/共36页第三十四页，共36页。35吸附法存在的不足之处：吸附法存在的不足之处： GAC和和PIA对对VOCs的选择吸收性很强，不能消除所有的的选择吸收性很强，不能消除所有的VOCs。GAC高效吸收甲苯，但低效吸收甲醛，而且需要高效吸收甲苯，但低效吸收甲醛，而且需要(xyo)再生或更换滤再生或更换滤芯。虽然芯。虽然PIA与与GAC有较强的互补性，其混合物虽克服了上述缺点，但有较强的互补性，其混合物虽克服了上述缺点，但它也需要它也需要(xyo)再生，难以连续工作。再生，难以连续工作。第35页/共36页第三十五页，共36页。36感谢您的观看(gunkn)。第36页/共36页第三十六页，共36页。