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1、室内空气污染及控制室内空气污染及控制第七讲第七讲 室内空气污染治理室内空气污染治理空气净化技术空气净化技术1室内空气污染及控制室内空气污染及控制 如果前期的污染源失控而污染物浓度较高如果前期的污染源失控而污染物浓度较高且污染物散发难以切断，此时要采用空气净且污染物散发难以切断，此时要采用空气净化技术来去除室内空气污染物化技术来去除室内空气污染物 2室内空气污染及控制室内空气污染及控制第一节第一节 室内空气净化技术室内空气净化技术空气过滤空气过滤固体吸附固体吸附去除空气中的固体颗粒物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吸附空气中的大部分气体污染物光催化技术光催化技术降解室内空气中的
2、降解室内空气中的VOCs技术成熟技术成熟较成熟较成熟研发阶段研发阶段3室内空气污染及控制室内空气污染及控制第三节第三节 光催化法去除室内空气污染物光催化法去除室内空气污染物一、纳米光催化降解一、纳米光催化降解VOCs的原理和特点的原理和特点 1972年年Fujishima和和Honda在在Nature上发表了重要上发表了重要论文发现了在论文发现了在TiO2单晶体表面上光催化分解水的现象，单晶体表面上光催化分解水的现象，这标志着多相光催化反应研究的开始。近年来，使用这标志着多相光催化反应研究的开始。近年来，使用纳米半导体光催化材料消除空气中纳米半导体光催化材料消除空气中VOCs的研究和应的研究和
3、应用获得广泛关注！用获得广泛关注！*A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238: 37-384室内空气污染及控制室内空气污染及控制1、原理、原理 光催化反应降解光催化反应降解VOCs的本质是在的本质是在光电转换中进行光电转换中进行氧化还原反应氧化还原反应。 根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）吸收一个能量大于其带隙能（吸收一个能量大于其带隙能（Eg）的光子时，电子）的光子时，电子（e-）会从充满的价带
4、跃迁到空的导带，而在价带留）会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴（下带正电的空穴（h+）。价带空穴具有强氧化性，而）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。例如空穴可以使应。例如空穴可以使H2O氧化，电子使空气中的氧化，电子使空气中的O2还还原。原。5室内空气污染及控制室内空气污染及控制 TiO2光催化降解光催化降解VOCs反应原理图反应原理图6室内空气污染及控制室内空气污染及控制2、反应式、反应式
5、强氧化性，能有效强氧化性，能有效地将有机污染物氧地将有机污染物氧化，并最终将其分化，并最终将其分解为解为CO2、H2O、PO43-、SO42-、NO23-以及卤素以及卤素离子等无机小分子离子等无机小分子7室内空气污染及控制室内空气污染及控制3、特点、特点 由于存在尺寸效应，半导体纳米超细微粒产生了由于存在尺寸效应，半导体纳米超细微粒产生了一些与块体半导体不同的物理化学特性，因而可以显一些与块体半导体不同的物理化学特性，因而可以显著提高其光催化效率。著提高其光催化效率。纳米材料的具体优点纳米材料的具体优点如下：如下：(1)超细微粒的尺寸量子效应会导致其吸收光谱的吸超细微粒的尺寸量子效应会导致其吸
6、收光谱的吸 收带边蓝移和提高催化剂光催化活性。收带边蓝移和提高催化剂光催化活性。(2)纳米材料粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电纳米材料粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电 子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷 分离效率。分离效率。(3)纳米材料尺寸很小，比表面积很大，增强了半导纳米材料尺寸很小，比表面积很大，增强了半导 体光催化剂吸附有机污染物的能力。体光催化剂吸附有机污染物的能力。8室内空气污染及控制室内空气污染及控制二、光催化降解二、光催化降解VOCs研究涉及方面研究涉及方面9室内空气污染及控制室内空气污染及控制 光催化剂光催化剂 光催化
7、剂多为金属氧化物或硫化物，实用性较好光催化剂多为金属氧化物或硫化物，实用性较好的有的有TiO2和和ZnO，其中，其中TiO2的综合性能最好，其光催的综合性能最好，其光催化活性高（高于化活性高（高于ZnO），化学性质稳定、氧化还原性），化学性质稳定、氧化还原性强、抗光阴极腐蚀性强、难溶、无毒且成本低，是研强、抗光阴极腐蚀性强、难溶、无毒且成本低，是研究应用中采用最广泛的单一化合物光催化剂。究应用中采用最广泛的单一化合物光催化剂。 VOCs种类种类 ASHRAE研究项目报告统计：目前已经有近研究项目报告统计：目前已经有近60种种有机化合物已经进行过气固相光催化反应研究，其中有机化合物已经进行过气固
8、相光催化反应研究，其中43种为在室内环境中常见的有机化合物。种为在室内环境中常见的有机化合物。American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineering 10室内空气污染及控制室内空气污染及控制 两种不同光源下的两种不同光源下的VOC转化率转化率11室内空气污染及控制室内空气污染及控制三、光催化反应器三、光催化反应器VOC降解数理模型降解数理模型 光催化反应器光催化反应器VOC降解性能强化和结构优化设计降解性能强化和结构优化设计对于光催化空气净化技术的应用至关重要，而光催化对于光催化空气净化技术的应用至
9、关重要，而光催化反应器反应器VOC降解数理模型是开展以上工作的基础！降解数理模型是开展以上工作的基础！ 12室内空气污染及控制室内空气污染及控制1、光催化反应器、光催化反应器VOC降解的物理化学机制降解的物理化学机制 光催化反应器中光催化反应器中VOC降解属于多相催化反应，是降解属于多相催化反应，是气相反应物（气相反应物（VOC）与固相光催化剂（通常为）与固相光催化剂（通常为TiO2）表面接触时发生在两相界面上的一种反应。反）表面接触时发生在两相界面上的一种反应。反应可分为以下几个过程：应可分为以下几个过程：(1)受浓度差的驱动，受浓度差的驱动，VOC由流体相附着到固体催化由流体相附着到固体催
10、化 剂表面；剂表面；(2)VOC在表面活性位上被吸附；在表面活性位上被吸附；(3)被吸附的被吸附的VOC分子在表面上进行光催化反应；分子在表面上进行光催化反应；(4)反应产物从催化剂表面脱附；反应产物从催化剂表面脱附；(5)产物从固体催化剂外表面进入流动相。产物从固体催化剂外表面进入流动相。13室内空气污染及控制室内空气污染及控制2、光催化反应器、光催化反应器VOC降解数理模型降解数理模型 以下为几种常见光催化反应器的结构示意图，包以下为几种常见光催化反应器的结构示意图，包括平板反应器、蜂窝状反应器和管状反应器。括平板反应器、蜂窝状反应器和管状反应器。平板反应器平板反应器14室内空气污染及控制
11、室内空气污染及控制 蜂窝状反应器蜂窝状反应器15室内空气污染及控制室内空气污染及控制 管状反应器管状反应器16室内空气污染及控制室内空气污染及控制以上三种形式的反应器，可概括为如下形式：以上三种形式的反应器，可概括为如下形式： 通用光催化反应器示意图：（通用光催化反应器示意图：（a）反应器通道坐标系；（）反应器通道坐标系；（b）过流截面微元的质量平衡）过流截面微元的质量平衡17室内空气污染及控制室内空气污染及控制模型假设：模型假设： 为突出物理本质并简化问题，假设：（为突出物理本质并简化问题，假设：（1）仅有一）仅有一种种VOC参与表面光催化反应；（参与表面光催化反应；（2）沿流动方向反应）沿
12、流动方向反应器截面相同。器截面相同。光催化反应器的传质方程：光催化反应器的传质方程：边界条件边界条件:18室内空气污染及控制室内空气污染及控制 式中：式中：G为空气体积流量，为空气体积流量，m3/s；z为沿空气流动为沿空气流动方向距进口的距离，方向距进口的距离，m；为沿反应器截面周向距原为沿反应器截面周向距原点的距离，点的距离，m；L为反应器通道长度，为反应器通道长度，m；L是沿反是沿反应器截面周向反应面的周长，应器截面周向反应面的周长，m；C(z)、Cs(z, )分别分别为截面为截面z处处VOC的平均摩尔浓度和在的平均摩尔浓度和在(z, )坐标处贴近坐标处贴近反应表面空气层反应表面空气层VO
13、C的摩尔浓度，的摩尔浓度，mol/m3，Cin为反为反应器进口处应器进口处VOC的摩尔浓度，的摩尔浓度，mol/m3；r(z, )为当地为当地光催化反应速率，光催化反应速率，mol/m2s；Kapp(z, )为当地表观反为当地表观反应系数，应系数，m/s；hm(z, )为当地对流传质系数，为当地对流传质系数，m/s。 19室内空气污染及控制室内空气污染及控制 根据光催化反应器根据光催化反应器VOC降解的物理化学机制推导，降解的物理化学机制推导，可得在单分子和双分子反应时当地表观反应系数可得在单分子和双分子反应时当地表观反应系数Kapp(z, )的表达式分别为：的表达式分别为： 由光催化材料、被
14、降解由光催化材料、被降解VOC、当地紫外光强度、当地紫外光强度I(z, )、Cs(z, )和水蒸气浓度和水蒸气浓度Cw等参数共同决定。等参数共同决定。 20室内空气污染及控制室内空气污染及控制进一步，解得：进一步，解得：定义定义当地总降解系数当地总降解系数Kt(z, )为：为：该式代入光催化反应器传质方程，积分可得：该式代入光催化反应器传质方程，积分可得：式中：式中：Cout为反应器出口处为反应器出口处VOC的摩尔浓度，的摩尔浓度，mol/m3。 21室内空气污染及控制室内空气污染及控制定义定义总降解系数总降解系数Kt为：为：式中：式中：Ar为反应面积，为反应面积，m2 于是，得到：于是，得到
15、： 22室内空气污染及控制室内空气污染及控制 参考换热器性能计算的参考换热器性能计算的 -NTU法中传热单元数法中传热单元数NTU的定义，定义了光催化反应器的的定义，定义了光催化反应器的传质单元数传质单元数NTUm如下：如下： 光催化反应器的光催化反应器的VOC转化率转化率可表示为：可表示为： 采用传质单元数采用传质单元数NTUm，反应器转化率，反应器转化率 可表示为：可表示为： 23室内空气污染及控制室内空气污染及控制反应器反应器VOC降解速率降解速率 可表示如下：可表示如下：G、Cin、和、和NTUm是影响反应器是影响反应器VOC降解性能的重要降解性能的重要因素因素 ！ 24室内空气污染及
16、控制室内空气污染及控制 评价光催化反应器评价光催化反应器VOC降解性能的四个关键参数降解性能的四个关键参数25室内空气污染及控制室内空气污染及控制说明：说明：u实际工况下，空气中同时存在实际工况下，空气中同时存在多种多种VOCs而非单一而非单一的的VOC，由于空气中，由于空气中VOCs的含量很低，而且对流传的含量很低，而且对流传质效果远大于不同质效果远大于不同VOCs之间的扩散效果，因此本数之间的扩散效果，因此本数理模型也可扩展到多组分理模型也可扩展到多组分VOCs的光催化降解过程，的光催化降解过程，只是方程中当地表观反应系数和当地对流传质系数分只是方程中当地表观反应系数和当地对流传质系数分别
17、针对不同种类的别针对不同种类的VOC。u从其物理化学过程可知，此数理模型不只限于光催从其物理化学过程可知，此数理模型不只限于光催化反应器化反应器VOC降解过程，可适用于所有满足模型假设降解过程，可适用于所有满足模型假设条件的气固或液固多相反应过程，对于评价和优化设条件的气固或液固多相反应过程，对于评价和优化设计这些过程中使用的反应器同样具有指导意义。计这些过程中使用的反应器同样具有指导意义。 26室内空气污染及控制室内空气污染及控制四、四、光催化降解光催化降解VOCs实验实验27室内空气污染及控制室内空气污染及控制 28室内空气污染及控制室内空气污染及控制 为了研究不同紫外光源对平板反应器降解
18、为了研究不同紫外光源对平板反应器降解VOC的的性能影响，分别使用两根平行的黑光灯（主波长性能影响，分别使用两根平行的黑光灯（主波长365 nm）和杀菌灯（主波长）和杀菌灯（主波长254 nm）作为紫外光源，对）作为紫外光源，对其进行测试。其进行测试。 29室内空气污染及控制室内空气污染及控制 30室内空气污染及控制室内空气污染及控制 31室内空气污染及控制室内空气污染及控制 比较杀菌灯与黑光灯，相同距离下比较杀菌灯与黑光灯，相同距离下杀菌灯杀菌灯在反应表面产生的光强较高，其发光效率较在反应表面产生的光强较高，其发光效率较高，而且相同光强下其光催化效果更好，因高，而且相同光强下其光催化效果更好，
19、因此更适合作为光催化反应器的光源。此更适合作为光催化反应器的光源。32室内空气污染及控制室内空气污染及控制五、光催化反应器设计研究五、光催化反应器设计研究 光催化反应器设计对于光催化空气净化技术的应光催化反应器设计对于光催化空气净化技术的应用至关重要，性能优异的光催化材料应用于结构优化用至关重要，性能优异的光催化材料应用于结构优化的反应器中才能物尽其用，实现高效降解的反应器中才能物尽其用，实现高效降解VOCs的目的目的。光催化反应器设计包括两部分，选型和尺寸优化的。光催化反应器设计包括两部分，选型和尺寸优化设计。设计。1、常见光催化反应器、常见光催化反应器 常见的光催化反应器包括常见的光催化反
20、应器包括平板平板、管状管状和和蜂窝状蜂窝状反反应器。其中平板反应器具有空气流量小，反应条件易应器。其中平板反应器具有空气流量小，反应条件易于控制（如反应表面光强均匀且易于调节）等特点，于控制（如反应表面光强均匀且易于调节）等特点，因此适合于进行光催化反应动力学等基础研究，而不因此适合于进行光催化反应动力学等基础研究，而不适用于空气净化领域。而适用于空气净化领域。而管状管状和和蜂窝状蜂窝状反应器可用于反应器可用于处理空气流量较大的工况，实用性较好，处理空气流量较大的工况，实用性较好，33室内空气污染及控制室内空气污染及控制2、管状光催化反应器特点分析、管状光催化反应器特点分析管状反应器根据其外管
21、形状的不同可有多种形式，如圆管状和管状反应器根据其外管形状的不同可有多种形式，如圆管状和 方管状；方管状；结构都为光源内置式，光源置于反应器中央照射反应表面，光结构都为光源内置式，光源置于反应器中央照射反应表面，光 源利用率高，反应条件好；源利用率高，反应条件好；但通常由于反应器的外管壁与灯管之间间隙较大，空气旁通量但通常由于反应器的外管壁与灯管之间间隙较大，空气旁通量 大，传质特性差，反应器的性能受到一定限制；大，传质特性差，反应器的性能受到一定限制；通过缩小外管直径或增加肋片的方式可强化传质从而增强反应通过缩小外管直径或增加肋片的方式可强化传质从而增强反应 器性能，但同时也会增加反应器的阻
22、力能耗，因此管状反应器器性能，但同时也会增加反应器的阻力能耗，因此管状反应器 的设计存在性能和能耗的平衡问题；的设计存在性能和能耗的平衡问题；管状反应器通常适用于空气流通截面不大而沿空气流动方向空管状反应器通常适用于空气流通截面不大而沿空气流动方向空 间较大的场合，这样可为置于反应器内部的紫外灯管提供足够间较大的场合，这样可为置于反应器内部的紫外灯管提供足够 的空间；的空间；管状反应器可通过多个并联方式提高其空气处理量，但同时也管状反应器可通过多个并联方式提高其空气处理量，但同时也 会增加光源使用数量从而增加能耗。会增加光源使用数量从而增加能耗。34室内空气污染及控制室内空气污染及控制3、蜂窝
23、状光催化反应器特点分析、蜂窝状光催化反应器特点分析 蜂窝状反应器根据其蜂窝通道形状的不同可有多蜂窝状反应器根据其蜂窝通道形状的不同可有多种不同形式，如方形、三角形和六边形等，但其结构种不同形式，如方形、三角形和六边形等，但其结构都为光源外置式，所谓外置是指光源位于反应器通道都为光源外置式，所谓外置是指光源位于反应器通道之外。蜂窝反应器中尤以方形蜂窝状反应器使用最为之外。蜂窝反应器中尤以方形蜂窝状反应器使用最为广泛。蜂窝状反应器结构紧凑，流动阻力小，传质特广泛。蜂窝状反应器结构紧凑，流动阻力小，传质特性好，但是由于其光源外置，反应表面的辐照条件很性好，但是由于其光源外置，反应表面的辐照条件很差。
24、差。35室内空气污染及控制室内空气污染及控制4、新型光催化反应器设想、新型光催化反应器设想 由以上分析结果可知，管状反应器传质特性差，由以上分析结果可知，管状反应器传质特性差，但其反应特性较好；蜂窝状反应器虽然结构紧凑传质但其反应特性较好；蜂窝状反应器虽然结构紧凑传质特性好，但其反应特性不佳。管状和蜂窝状反应器的特性好，但其反应特性不佳。管状和蜂窝状反应器的主要差异在于光源的摆放位置。管状反应器选择光源主要差异在于光源的摆放位置。管状反应器选择光源内置以优化反应特性；蜂窝状反应器选择光源外置以内置以优化反应特性；蜂窝状反应器选择光源外置以优化结构和传质特性。优化结构和传质特性。 如果存在一种理
25、想光源，其直径很小，这样便可将如果存在一种理想光源，其直径很小，这样便可将其放入蜂窝状反应器内，而此时管状反应器的管径可其放入蜂窝状反应器内，而此时管状反应器的管径可进一步缩小，最终两种反应器将实现结构统一，都为进一步缩小，最终两种反应器将实现结构统一，都为光源内置式光催化反应器。如果存在这种理想光源，光源内置式光催化反应器。如果存在这种理想光源，便可结合两种反应器的优势，设计一种较为理想的光便可结合两种反应器的优势，设计一种较为理想的光催化反应器结构形式。催化反应器结构形式。36室内空气污染及控制室内空气污染及控制解决途径：解决途径： 为了实现结构紧凑的紫外面光源可将为了实现结构紧凑的紫外面
26、光源可将发光二极管发光二极管（LED，Light-emitting diode）作为点光源单元组成）作为点光源单元组成大面积阵列从而构成大面积阵列从而构成面光源面光源。 新型面光源蜂窝状反应器新型面光源蜂窝状反应器兼具结构紧凑以及反应兼具结构紧凑以及反应和传质特性好的优点，是一种较为理想的反应器结构和传质特性好的优点，是一种较为理想的反应器结构形式。还可充分利用传质入口段效应强化传质：将一形式。还可充分利用传质入口段效应强化传质：将一段较长的蜂窝状反应器分为若干小段，各间隔一定距段较长的蜂窝状反应器分为若干小段，各间隔一定距离，然后顺序连接，这样每小段都可利用传质入口段离，然后顺序连接，这样每
27、小段都可利用传质入口段效应实现传质强化。效应实现传质强化。37室内空气污染及控制室内空气污染及控制5、光催化反应器尺寸优化设计思路光催化反应器尺寸优化设计思路 光催化反应器的类型确定后，其尺寸优化设计也光催化反应器的类型确定后，其尺寸优化设计也十分重要。十分重要。 通常在给定条件下，如通常在给定条件下，如VOCs种类（如甲醛、甲种类（如甲醛、甲苯或其他污染物）、污染物进口浓度苯或其他污染物）、污染物进口浓度Cin、水蒸气浓、水蒸气浓度度Cw，空气流量，空气流量G、反应器迎风面积、反应器迎风面积Ac、光源能耗、光源能耗I和光催化材料和光催化材料M，综合考虑性能和能耗，要求反应器，综合考虑性能和能
28、耗，要求反应器的转化率的转化率不低于给定值不低于给定值min，阻力损耗，阻力损耗 P不超过给不超过给定值定值 Pmax的范围，设计出满足应用需要的最佳反应的范围，设计出满足应用需要的最佳反应器尺寸。器尺寸。 对于蜂窝状反应器此尺寸为孔径对于蜂窝状反应器此尺寸为孔径d和长度和长度L；而对；而对于管状反应器通常反应器长度于管状反应器通常反应器长度L由灯管长度决定，此由灯管长度决定，此尺寸则为管径尺寸则为管径d和肋片数和肋片数n。 38室内空气污染及控制室内空气污染及控制 基于前述理论与实验研究，提出了如下光催化反基于前述理论与实验研究，提出了如下光催化反应器尺寸优化设计思路：应器尺寸优化设计思路：
29、(1)对于给定形式的光催化反应器，通过以对于给定形式的光催化反应器，通过以min做为理做为理想反应转化率想反应转化率ir确定出反应器尺寸范围的下限，在此确定出反应器尺寸范围的下限，在此下限之上的反应器才可能满足性能要求；下限之上的反应器才可能满足性能要求；(2)通过通过 Pmax确定反应器尺寸范围的上限，在此上限确定反应器尺寸范围的上限，在此上限内反应器阻力损耗才满足能耗要求；内反应器阻力损耗才满足能耗要求；(3)取（取（1）、（）、（2）步骤中得到的尺寸范围交集（若不）步骤中得到的尺寸范围交集（若不存在此交集则无法设计满足该条件的反应器结构），存在此交集则无法设计满足该条件的反应器结构），确
30、定可满足确定可满足min的最佳尺寸。若在此范围内都无满足的最佳尺寸。若在此范围内都无满足min的尺寸，则需考虑使用性能更好的光催化材料或的尺寸，则需考虑使用性能更好的光催化材料或改善反应条件（如提高光源能耗）以满足改善反应条件（如提高光源能耗）以满足min，也可，也可考虑降低考虑降低min或增大或增大 Pmax以获得合适的尺寸。以获得合适的尺寸。 39室内空气污染及控制室内空气污染及控制 40室内空气污染及控制室内空气污染及控制 本部分科研工作者杨瑞特长与爱好：本部分科研工作者杨瑞特长与爱好：网球：网球：20052005年北京市高校网球公开赛男团亚军主力队员；年北京市高校网球公开赛男团亚军主力队员；20042004年北京市高校网球公开赛男单第年北京市高校网球公开赛男单第3 3名，男双亚军；名，男双亚军；中国象棋：中国象棋：19991999年清华大学马约翰年清华大学马约翰杯中国象棋赛乙组冠军。杯中国象棋赛乙组冠军。围棋：围棋：国家围棋业余四段。国家围棋业余四段。41室内空气污染及控制室内空气污染及控制 感谢同学们对本课程的选修！感谢同学们对本课程的选修！恳请对该课程的讲授内容、讲授方式提出建设性建议！恳请对该课程的讲授内容、讲授方式提出建设性建议！可以面对面交流，亦可可以面对面交流，亦可by email！42
