1 概述

随着经济发展与人民生活水平的提高，人们对建筑室内的美观要求也随之增长，大量能产生挥发性有机化合物(VOCs)的建筑材料、涂料等也随着室内装修进入了室内，造成室内空气品质下降[1]。新建建筑物密闭性不断提高，建筑内部通风率不足，也加剧了室内VOCs浓度过高。室内VOCs浓度超标，易使人们患上建筑综合症(SBS)，出现呼吸系统、神经系统和心脑血管系统的不良反应[2]。甲醛(HCHO)是典型的VOCs，因其具有致癌作用，成为室内空气品质领域关注的重点[3]。

光催化氧化(PCO)技术在降低室内VOCs浓度的同时，可以降低人员对新风量的要求，节约建筑的供暖及空调能耗。相比其他空气净化手段，PCO技术还具有使用安全、反应条件温和、催化活性高的优点[4]，因此利用PCO技术降解室内VOCs已成为国内外的研究热点[5]。光催化氧化空气净化器(以下简称空气净化器)内的光催化氧化涉及VOCs与光催化剂之间的传质、吸附脱附以及氧化反应。本文选取甲醛为污染物，采用试验方法，对比分析平板型、折板型空气净化器的反应动力学性能参数、数理模型参数。Degussa P25型TiO2光催化剂具有催化活性高、反应条件温和、无毒且性质稳定的特性，因此在甲醛的降解试验中，空气净化器采用Degussa P25型TiO2作为光催化剂，并通过浸渍涂膜法涂覆在玻璃片表面。甲醛分子先从高浓度的主流区域通过传质转移至TiO2表面的活性点位，活性点位在紫外线光源的照射下产生电子-空穴对，电子-空穴对有很强的氧化能力，与甲醛分子直接发生氧化还原反应，最终生成CO2和水。

空气净化器内耦合了速度场、紫外辐射场和污染物浓度场，对于初始甲醛浓度一定的气态污染物，光催化剂表面的流速分布将直接影响甲醛与光催化剂之间的传质、吸附脱附、氧化反应效果。空气净化器内的流速分布很难进行实际测定，需要借助计算流体力学(CFD)的方法进行模拟分析[6]。因此，本文选用Fluent软件对折板型空气净化器内流体的流速场进行模拟分析。Fluent软件是发展成熟的商用CFD软件，在模拟过程中具有理想的收敛速度和求解精度，通过建模、生成网格，求解器计算，从而进行可视化输出。

2 试验方案

试验系统流程见图1。试验系统主要由制气系统、循环降解系统组成，制气系统主要由干洁空气增湿器、甲醛发生器、缓冲罐等组成，循环降解系统主要由空气净化器(平板型、折板型空气净化器)、环境舱、循环风机等组成。

将具有一定压力的干洁空气(干燥洁净空气)分别通入增湿器、甲醛发生器，增湿器出口空气与未增湿干洁空气混合，以调节空气的相对湿度。湿空气与甲醛发生器制得的甲醛混合后，得到相对湿度、甲醛体积分数符合试验要求的混合气。打开进气阀、排气阀，将循环降解系统中充满混合气，当空气净化器、环境舱中混合气的相对湿度、甲醛体积分数稳定后关闭进气阀、排气阀。随即开启循环风机，采集各采样口的甲醛体积分数。25 min后开启空气净化器的紫外线灯，并继续采集采样口的甲醛体积分数。数据采集时间间隔为5 min。

笔者选取5种工况进行试验，每种工况对应的缓冲罐出口混合气的相对湿度、甲醛体积分数见表1。混合气的温度为25 ℃，循环降解系统中混合气的流量保持在25 m3/h。本文仅根据工况1的试验结果，对比分析平板型、折板型空气净化器的反应动力学性能参数、数理模型参数。测量参数与测试仪器见表2。

 

表1 每种工况对应的缓冲罐出口混合气的相对湿度、甲醛体积分数

  

工况相对湿度/%甲醛体积分数工况1505×10-6工况2508×10-6工况3406×10-6工况4706×10-6工况5809×10-6

 

表2 测量参数与测试仪器

  

测量参数测试仪器混合气温度水银温度计混合气相对湿度干湿球温度计混合气流速Testo 480型风速仪混合气中甲醛体积分数紫外可见分光光度计

平板型、折板型空气净化器的结构分别见图2、3，折板型空气净化器内部流体流向见图4。平板型空气净化器配置6块尺寸(长×宽×厚)为200 mm×40 mm×4 mm的玻璃片与3盏紫外线灯(布置在同一侧)，每盏紫外线灯的功率为20 W，紫外线波长为254 nm。为使空气净化器内流速均匀，分别设置3个进气口和出气口。折板型空气净化器配置12块尺寸为200 mm×40 mm×4 mm的玻璃片，成V形排列，夹角为60°，每个玻璃片的一端带有工艺缺口，使混合气在流道中成之字形流动。在V形玻璃片两侧分别配置3盏紫外线灯，功率与紫外线波长与平板型空气净化器的紫外线灯相同。

1.5 mg/cm2，稍微过量，使空气净化器内的光催化氧化过程处于反应控制。环境舱的尺寸为1.5 m×1.0 m×1.3 m，材质为不锈钢，内部无甲醛发生源，内对壁玻璃片甲醛的吸附可忽略。平板型空气净化器的玻璃片为单面涂覆光催化剂，折板型空气净化器的玻璃片为双面涂覆光催化剂。平板型与折板型空气净化器玻璃片的投影面积相同。

平板型、折板型空气净化器玻璃片上的TiO2负载量(涂覆在单位面积玻璃片上的质量)均为

  

图1 试验系统流程1.增湿器 2.甲醛发生器 3.缓冲罐 4.平板型空气净化器 5.折板型空气净化器 6.空气净化器进口采样口7.空气净化器出口采样口 8.环境舱 9.搅拌风机 10.循环风机 11.环境舱采样口

根据 《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）、《低压管道输水灌溉工程技术规范》（SL/T 153—95）、《微灌工程技术规范》，考虑蓄水池水利系数，本项目综合灌溉水利用系数取0.89。

  

图2 平板型空气净化器的结构

  

图3 折板型空气净化器的结构

  

图4 折板型空气净化器内部流体流向

3 试验结果与分析

3.1 降解性能

根据工况1的测量数据，由式(1)计算得到平板型、折板型空气净化器r随φin的变化，分别见图5、6。由图5、6可知，与平板型空气净化器相比，在φin相同的条件下，折板型空气净化器的光催化氧化反应速率r更高。这说明，折板型空气净化器对甲醛的降解性能更优。

反应动力学是研究各种物理、化学因素(如温度、压力、浓度、反应体系中的介质、催化剂、流场和温场分布、停留时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和数学表达式等的化学反应工程的分支学科。光催化氧化技术实现工业化的一个关键问题就是光催化氧化反应器(如本文中的空气净化器)的选型与放大，这就涉及到反应动力学的研究。

比较发现，倒伏小麦每公顷总茎蘖数、无效穗数和有效穗数分别比未倒伏小麦高100.05万、37.20万和62.40万，说明群体偏大是这次小麦大面积倒伏发生的重要原因之一。

反应有效度η体现了传质与氧化反应间的匹配程度，η的变化范围为(0,1]，越接近1匹配程度越高。传质斯坦顿数St*体现了空气净化器实际传质能力与理想传质能力的差距，St*越大，空气净化器的传质能力越强。传质单元数INTU反映空气净化器降解能力，综合表征了空气净化器的结构特性、传质能力和反应能力，INTU越大，空气净化器的降解性能越好。空气净化器的一次通过效率ξ体现了混合气流经空气净化器时甲醛体积分数的下降幅度，ξ越大，空气净化器的降解能力越强。反应有效度η、传质斯坦顿数St*的计算方法见文献[11]，然后再根据式(2)、(3)计算空气净化器的传质单元数INTU、一次通过效率ξ。

笔者根据测量数据，对空气净化器的光催化氧化反应速率r进行计算[8]：

 

(1)

式中 r——空气净化器的光催化氧化反应速率，mol/(m2·s)

1.2 研究方法 超声检查由专业产科超声医师采用GE Voluson E8型彩色多普勒超声诊断仪，探头频率3～5 MHz，按照规范化标准切面，根据孕周要求测量胎儿常规项目，在11～13+6周观察胎儿NT及鼻骨，对NT异常的胎儿在11～20周加做三尖瓣血流及静脉导管血流检测。对所有胎儿进行追踪随访。

黑斑病菌培养：打取PDA平板中的菌碟，每个三角瓶中接种10 ～ 12个菌碟，将接种好的三角瓶置于30 ℃恒温摇床中120 r/min摇培24 h。

3．腹痛的视觉模拟评分法(VAS)：使用视觉模拟评分量表判定腹痛程度，0分为无痛，1～3分为轻度疼痛，4～6分为中度和重度疼痛(阵发性疼痛4分，持续性疼痛5分，持续性加重的疼痛6分)，逐渐剧烈的疼痛且无法忍受7～10分。

φin、φout——各时刻气体净化器进、出口混合气的甲醛体积分数

Vm——气体的摩尔体积，L/mol，温度为25 ℃，大气压力为100 kPa时，取24.46 L/mol

A——气体净化器内的反应面积，m2，平板型与折板型空气净化器的反应面积分别为0.048、0.152 m2

① 反应动力学性能参数

  

图5 平板型空气净化器r随φin的变化

  

图6 折板型空气净化器r随φin的变化

② 数理模型参数

矿体厚度：矿体的厚度分为两个明显的区间（图2B），1～3 m为一个区间，4～7 m为另一个区间。两个区间的资源量曲线变化也明显存在较大的落差及间断，矿体厚度与资源量的贡献关系总体呈负相关关系，即厚度越大，对资源量的贡献越小。对资源量贡献最大的矿体厚度为1～2 m，占总量的70%，这与矿床矿体多为薄脉型特征相符。

光催化氧化反应器降解VOCs性能的强化和结构优化对于空气净化技术的应用至关重要，而光催化氧化反应器降解VOCs数理模型是开展以上工作的基础。文献[9]、[10]建立了适用面较广的光催化氧化反应器降解VOCs的数理模型，推导出了反映降解性能和影响因素的关系式：

式中 ξ——空气净化器的一次通过效率

(2)

 

(3)

ξ=1-exp(-INTU)

q——混合气的流量，m3/h，试验时保持为25 m3/h

INTU——传质单元数

Ac——空气净化器过流断面面积，m2，平板型与折板型空气净化器的过流断面面积均为0.009 6 m2

St*——传质斯坦顿数

η——反应有效度

木棉花具有非常广泛的应用前景，随着对木棉花功效认识的加深，其食用人群逐渐扩大，应用的范围也越来越广。但木棉花的研究水平严重滞后，目前对于木棉花化学成分的研究不够系统深入，药效物质基础尚未明确，没有化学成分和药理作用研究报道，缺乏严格、系统的毒理学作用和安全性评价资料。为保证木棉花的食用安全，对其进行毒理学研究与食品安全风险评估刻不容缓。通过毒理学试验，可以更加系统地了解和评价木棉花的食用安全性，完善木棉花的基础研究资料。

光催化氧化反应是一种典型的表面氧与可被还原物质之间的反应。一般而言，光催化氧化反应速率被认为与反应物降解速率或生成物速率相一致。Langmuir单分子层吸附理论被广泛应用于光催化氧化反应，并形成了用于求解光催化氧化反应速率的Langmuir-Hinshelwood(L-H)动力学模型。光催化氧化反应速率综合考虑了评价空气净化器降解性能的两项指标——吸附平衡常数、反应速率常数，因此可通过考察光催化反应速率，判断空气净化器对甲醛的吸附与降解性能[7]。

二是定人员。主题党日以支部为单位组织，全体党员（含预备党员、流动党员）参加，各党支部可根据当月活动主题，拓展参加党日活动的人员范围，邀请入党积极分子和群众代表参加。各级党员领导干部要以普通党员身份，带头参加所在党支部的主题党日活动。鼓励不同领域党支部联合开展主题党日活动，结合实际进一步探索和深化支部共建。

病人有一个继母、一个亲生哥哥、一个亲生哥哥和嫂嫂、异母兄弟、异母姐妹，还有一个叔叔。她的叔叔开着一家羊肉店，但是生意不好。她的婚姻是17岁那年继母安排的。

在工况1的试验条件下，平板型和折板型空气净化器的数理模型参数见表3。由表3可知，折板型空气净化器的反应有效度η大于平板型空气净化器，说明折板型空气净化器传质与氧化反应的匹配程度更高。折板型空气净化器的传质斯坦顿数St*比较小，说明实际传质并不理想，主要原因是平板型空气净化器配置3个进气口，折板型空气净化器仅配置1个进气口，在混合气流量相同的情况下，折板型空气净化器内混合气的流速较大，混合气与玻璃片的接触并不充分。折板型空气净化器的传质单元数INTU、一次通过效率ξ均高于平板型空气净化器，得益于折板型空气净化器的结构增大了反应面积。

 

表3 平板型、折板型空气净化器的数理模型参数

  

空气净化器类型ηSt*INTUξ平板型0.1410.1520.1070.102折板型0.2280.0580.2090.189

工况1试验条件下，分别采用平板型、折板型光催化空气净化器时，环境舱内甲醛体积分数随测试时间的变化见图7。由图7可知，前25 min紫外线灯处于关闭状态，期间混合气甲醛体积分数有所下降，主要是由于光催化剂对甲醛的吸附作用。在紫外线灯开启后，氧化反应使甲醛降解速率加快，当而紫外线光照50 min后，甲醛的降解速率开始变慢。折板型空气净化器内甲醛体积分数的下降速率要明显高于平板型净化器。

  

图7 工况1试验条件下分别采用平板型、折板型光催化空气净化器时环境舱内甲醛体积分数随测试时间的变化

  

图8 9个流道的折板型空气净化器的物理模型

  

图9 物理模型的截面

3.2 折板型空气净化器内的速度场模拟

为缩短模拟时间，笔者以9条流道的折板型空气净化器为例(物理模型见图8，玻璃片尺寸与试验采用的玻璃片尺寸一致)，对3个截面流道内的流体速度场进行模拟。截面划分见图9，图中红色线段包围的为截面A，蓝色线段包围的为截面B，绿色线段包围的为截面C，3个截面均为各方向上的中间截面。设定流体(空气)流量为25 m3/h，相对湿度为50%，温度为25 ℃。空气净化器内流体的流动处于湍流状态，采用标准k-ε湍动能方程进行求解。

折板型空气净化器内3个截面的速度场见图10，图中e+00代表100，e-02代表10-2，e-01代表10-1。由截面A、B速度场可知，除在玻璃片工艺缺口处的气体流速稍高以外，各流道的流体流速分布基本均匀，这说明每块玻璃片表面都有近似的传质、氧化反应过程，每块玻璃片表面的光催化剂均得到了有效利用。由截面B、C速度场可知，三角形流道各条边附近的流体流速比较大，各顶点附近的流体流速比较小，这削弱了顶点位置光催化剂与甲醛的传质与氧化反应。因此，优化流道截面形状也是提高空气净化器降解性能的途径之一。

  

图10 折板型空气净化器内3个截面的速度场

4 结论

① 与平板型空气净化器相比，折板型空气净化器的光催化氧化反应速率更高，说明折板型空气净化器对甲醛的降解性能更优。

② 折板型空气净化器的反应有效度大于平板型空气净化器，说明折板型空气净化器传质与氧化反应的匹配程度更高。折板型空气净化器的传质斯坦顿数比较小，说明实际传质并不理想，主要原因是平板型空气净化器配置3个进气口，折板型空气净化器仅配置1个进气口，在混合气流量相同的情况下，空气净化器内混合气的流速较大，混合气与玻璃片的接触并不充分。折板型空气净化器的传质单元数、一次通过效率均高于平板型空气净化器，得益于折板型空气净化器的结构增大了反应面积。

③ 由折板型空气净化器内流体速度场模拟结果可知，各流道的流体流速分布基本均匀，说明每块玻璃片表面都有近似的传质、氧化反应过程，每块玻璃片表面的光催化剂均得到了有效利用。三角形流道3条边附近的流体流速比较大，3个顶点附近的流体流速比较小，削弱了顶点位置光催化剂与甲醛的传质与氧化反应，优化流道截面形状也是提高空气净化器降解性能的途径之一。

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[2] WESCHLER C J. Changes in indoor pollutants since the 1950s[J]. Atmospheric Environment，2009，43(1)：153-169.

[3] AYDOGAN A，MONTOYA L D. Formaldehyde removal by common indoor plant species and various growing media[J]. Atmospheric Environment，2011，45(16)：2675-2682.

[4] REN L，LI Y Z，HOU J T，et al. The pivotal effect of the interaction between reactant and anatase TiO2 nanosheets with exposed {001} facets on photocatalysis for the photocatalytic purification of VOCs[J]. Applied Catalysis B：Environmental，2016，181：625-634.

[5] MAMAGHANI A H，HAGHIGHAT F，LEE C S. Photocatalytic oxidation technology for indoor environment air purification：the state-of-the-art[J]. Applied Catalysis B：Environmental，2017，203：247-269.

[6] ZHONG L X，HAGHIGHAT F，BLONDEAU P，et al. Modeling and physical interpretation of photocatalytic oxidation efficiency in indoor air applications[J]. Building and Environment，2010，45(12)：2689-2697.

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[8] ASSADI A A，BOUZAZA A，WOLBERT D. Photocatalytic oxidation of trimethylamine and isovaleraldehyde in an annular reactor：Influence of the mass transfer and the relative humidity[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2012，236：61-69.

[9] ZHANG Y P，YANG R，ZHAO R Y. A model for analyzing the performance of photocatalytic air cleaner in removing volatile organic compounds[J]. Atmospheric Environment，2003，37(24)：3395-3399.

[10] MO J H，ZHANG Y P，XU Q J，et al. Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air：A literature review[J]. Atmospheric Environment，2009，43(14)：2229-2246.

[11] 莫金汉. 光催化降解室内有机化学污染物的若干重要机理问题研究(博士学位论文)[D]. 北京：清华大学，2009：23-25.