CN110917844A

CN110917844A - 一种臭氧紫外水协同净化空气的方法

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Publication number: CN110917844A
Application number: CN201911290067.2A
Authority: CN
Inventors: 高攀峰; 李倩倩; 傅海燕; 朱福苗; 吴优
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明涉及一种臭氧紫外水协同净化空气的方法，是在封闭空间内设置臭氧发生装置和紫外发射装置，将待净化空气引入所述封闭空间，在臭氧和紫外辐射条件下，待净化空气中的有机污染物在所述封闭空间被去除。本发明提供的臭氧紫外水协同净化空气的方法，可快速处理含有甲醛、苯、间二甲苯等有机污染物的空气，其去除率高，具有显著的环保优势。

Description

一种臭氧紫外水协同净化空气的方法

技术领域

本发明涉及室内空气污染治理技术，尤其是一种臭氧紫外水协同净化空气的方法。

背景技术

目前，中国已经从传统的烟尘型污染转变为以细颗粒物(PM2.5)和臭氧(O₃)为特征的大气复合污染。VOCs是形成O₃和PM2.5污染的重要前体。苯和甲醛的大量产生和排放是导致中国O₃浓度快速增长的主要原因。与传统的SO₂、NO₂、烟粉尘不同的是，我国苯系物和甲醛污染防治工作起步较晚，且排放来源非常复杂，因此迫切需要室内空气污染的净化方法、影响因素及其控制方案。

空气净化方法大致可分为三类：物理净化，化学净化和生物净化。其中，物理吸附技术已广泛应用于室内空气净化领域。低温等离子体，臭氧氧化和光催化氧化技术主要应用于工业领域。由于单一纯化技术或多或少存在不足，预计联合两种或更多种空气净化方法可以实现良好的净化效率。目前主要有物理吸附和光催化氧化联合净化技术以及物理吸附和等离子体联合净化技术。物理吸附剂通常具有吸附饱和的问题，如果不及时更换，很容易滋生细菌，造成二次污染。为了弥补这一缺陷，物理吸附技术通常与光催化净化技术协同净化室内VOC。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种臭氧紫外水协同净化空气的方法，可实现封闭空间内甲醛、苯、间二甲苯的较高去除率。

本发明的作用机理如下：发明人认为，单独利用臭氧对有机污染物进行氧化的方法效率较低，因此将臭氧和紫外光照结合起来。当能量大于光触媒禁带(VB)宽度的光照射催化剂载体时，光激发电子跃迁到导带(CB)形成导带电子e-，臭氧吸收光能生成氧自由基(O·)，空气中的水分(H₂O)与氧自由基(O·)结合生成2分子的羟基自由基(HO·)。羟基自由基(HO·)可以无选择地氧化常见有机污染物使之矿化，从而实现降解转化空气中有机污染物的目的。其过程如下所示：

反应方程式如下：

O₃+uv→O₂+O·

O·+H₂O→2HO·

本发明的难度在于，最大限度地提高对有机污染物的去除率，特别是在存在多种污染物，例如甲醛、苯、间二甲苯等时，由于O₃-UV-H₂O协同净化体系对单个污染物处理效果最佳时，往往对其它污染物的处理效果不在最佳时，为此，发明人采用响应曲面法，寻找对去除率的关键影响因素，探明因素对去除率的影响规律，并结合多元回归方程，求解出最优解，获得最佳的协同处理条件。上述过程可为将该技术应用于治理室内空气污染提供数据参考。

具体方案如下：

一种臭氧紫外水协同净化空气的方法，在封闭空间内设置臭氧发生装置和紫外发射装置，将待净化空气引入所述封闭空间，在臭氧和紫外辐射条件下，待净化空气中的有机污染物在所述封闭空间被去除。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为10-380μw/cm²，空气湿度为30-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留100-300s。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧浓度为30ppm，紫外辐照条件为186μw/cm²，空气湿度为50％，停留时间240s；此条件下，待净化空气中的甲醛、苯、间二甲苯的去除率分别为97.47％，63.89％，100％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为190-380μw/cm²，空气湿度为30-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留165-300s，待净化空气中的甲醛去除率≥99％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧浓度为30ppm，空气湿度为60％，紫外辐照为186.89μw/cm²，待净化空气在所述封闭空间内停留时间为237.69s，待净化空气中的甲醛去除率为100％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为0-190μw/cm²，空气的湿度为50-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留165-300s，待净化空气中的苯去除率≥95％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度为50ppm，紫外辐射条件为190μw/cm²，空气的湿度为50％，待净化空气在所述封闭空间内停留≥165s，待净化空气中的苯去除率为100％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过50ppm，紫外辐射条件为0μw/cm²，空气的湿度为30％，待净化空气在所述封闭空间内停留165s，待净化空气中的间二甲苯去除率≥99％。

进一步的，所述封闭空间内，臭氧的浓度为50ppm，紫外辐射条件为0μw/cm²，空气的湿度为30％，待净化空气在所述封闭空间内停留165s，待净化空气中的间二甲苯去除率为100％。

进一步的，所述封闭空间内臭氧浓度为28.71ppm，空气湿度为40％，紫外辐照条件为185.2μw/cm²，待净化空气在所述封闭空间内停留时间为179.56s，待净化空气中的苯去除率为63.89％，间二甲苯去除率为100％。

有益效果：本发明提供的臭氧紫外水协同净化空气的方法，可快速处理含有甲醛、苯、间二甲苯等有机污染物的空气，其去除率高，具有显著的环保优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明提供的紫外光联合臭氧发生装置图；

图2是本发明一个实施例1提供的单一反应条件对甲醛去除率的影响图；

图3是本发明一个实施例2提供的单一反应条件对苯去除率的影响图；

图4是本发明一个实施例2提供的单一反应条件对间二甲苯去除率的影响图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

以下使用的测试方法包括：

1)臭氧的检测方法

使用紫外光度臭氧检测器来检测臭氧浓度。

2)甲醛的检测方法

使用4160甲醛分析仪，可以读取瞬时浓度，以连续读取甲醛浓度。

3)苯系物的检测方法

使用溶剂解吸法收集，存储并提取苯系物进行检查。

实施例中的模拟待处理空气中，有机污染物含量为0.3mg/m³。

实施例中采用的试验装置如图1所述，其中：电源1用于供电；风扇2用于增加反应器内空气流动速率；紫外灯4用于产生紫外辐照；臭氧发生器4用于产生臭氧；温湿计6用于实时记录反应器内温度和湿度；大气采样器7和活性炭采样管8用于采集反应器内VOCs；甲醛分析仪3用于实时监测甲醛浓度。

实施例1臭氧紫外水协同净化空气中的甲醛

采用响应曲面法，建立四因素三水平Box-Benhnken中心组合实验，以甲醛去除率为响应值，选取对实验结果影响较大的实验条件：臭氧浓度(A)、空气湿度(B)、紫外辐照(C)、停留时间(D)作为实验考察因素，各因素三水平都是由单因素变量考察最终确定的，如表1所示：

表1响应面因素与水平

根据软件优化实验，实验设计及结果如表2所示。

表2 Box-Benhnken响应面分析试验设计及结果

从表2中实验组1和13、25和27的对比数据可以看出，紫外光解与臭氧氧化作用于甲醛存在协同作用。进一步，运用响应面软件Design-Expert.8.05b对表3数据进行多元回归方程拟合分析，得到甲醛去除率与臭氧浓度、空气湿度、紫外辐照、停留时间的关系如下：

1)根据响应曲面模型得到单一反应条件对甲醛去除率的影响，图2描述了各项反应条件均在中心点时(即臭氧浓度为50ppm，空气湿度为50％，紫外辐照为190μw/cm²，停留时间为165s)，模型所预测的各反应条件对甲醛去除率的影响。由图2可知，随着臭氧浓度的不断增大，甲醛去除率也明显上升。例如当臭氧浓度为0ppm时，甲醛去除率为63％；随着臭氧浓度不断增加至100ppm时，甲醛去除率上升至98％。随着空气湿度的不断增大，甲醛去除率无明显变化。例如当空气湿度为30％时，甲醛去除率为95％；随着空气湿度不断增加至50％时，甲醛去除率上升至99％；随着空气湿度不断增加至70％时，甲醛去除率下降至92％。随着紫外辐照的不断增大，甲醛去除率先上升后下降，上升趋势较明显，下降趋势较平缓。例如当紫外辐照为0μw/cm²时，甲醛去除率为38％；随着紫外辐照不断增加至190μw/cm²时，甲醛去除率上升至100％，随着紫外辐照的不断增大至380μw/cm²时，甲醛去除率下降至96％。随着停留时间的不断增大，甲醛去除率也不断上升，且上升趋势较明显。例如当停留时间为30s时，甲醛去除率为48％；随着停留时间不断增加至165s时，甲醛去除率上升至100％，且保持至300s。

从以上分析可以看出，各项反应条件对甲醛去除率影响大小的顺序为：紫外辐照>停留时间>臭氧浓度>空气湿度。

2)通过Design-Expert.8.05b生成的等高线图及响应面3D立体图可以直观反映出两个影响因素之间相互作用的强弱，包括：

a)臭氧浓度和空气湿度的交互作用显著，在给定的范围内当臭氧浓度不变时，甲醛去除率随空气湿度先增大后减小。

b)臭氧浓度和紫外辐照的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，甲醛去除率随紫外辐照先增大后减小。

c)臭氧浓度和停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，甲醛去除率随停留时间先增大后减小。

d)空气湿度与紫外辐照的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，甲醛去除率随紫外辐照先增大后减小。

e)空气湿度与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，甲醛去除率随停留时间的增大而增大。

f)紫外辐照与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当紫外辐照不变时，甲醛去除率随停留时间的增大而增大。

3)多元回归方程拟合结果见表4

表4回归模型的方差分析及显著性分析结果

注：(P<0.05)表示差异显著，(P<0.01)表示差异极显著。

从表4分析可以看出，该模型P<0.0001表示整体足够精确，R²＝0.9156，信噪比>4表示该二次多元回归模拟方程拟合的比较好，因此，该模型可用于有效地分析和科学预测臭氧紫外水协同氧化技术在不同的环境因素的影响下除醛效果。

通过建立甲醛去除率与臭氧浓度、空气湿度、紫外辐照、停留时间之间的二次多元回归模型，求解出最优臭氧紫外水协同作用降解甲醛工艺条件为：臭氧浓度30ppm、空气湿度60％、紫外辐照186.89μw/cm²、停留时间237.69s，此条件下，甲醛去除率为100％。

实施例2臭氧紫外水协同净化空气中的苯和间二甲苯

采用响应曲面法，建立四因素三水平Box-Benhnken中心组合实验，以苯和间二甲苯去除率为响应值，选取对实验结果影响较大的实验条件：臭氧浓度(A)、空气湿度(B)、紫外辐照(C)、停留时间(D)作为实验考察因素，各因素三水平都是由单因素变量考察最终确定的，如表5所示。

表5响应面因素与水平

根据软件优化实验，实验设计及结果如表6所示。

表6 Box-Benhnken响应面分析试验设计及结果

运用响应面软件Design-Expert.8.05b对表6数据进行多元回归方程拟合分析，分别得到苯去除率、间二甲苯去除率与臭氧浓度、空气湿度、紫外辐照、停留时间的关系如下：

1)根据响应曲面模型得到单一反应条件对苯去除率的影响，图3描述了各项反应条件均在中心点时(即臭氧浓度为50ppm，空气湿度为50％，紫外辐照为190μw/cm²，停留时间为165s)，模型所预测的各反应条件对甲醛去除率的影响。由图3可知，随着臭氧浓度的不断增大，苯去除率先上升后下降，且变化趋势十分明显。例如当臭氧浓度为0ppm时，苯去除率为66％；随着臭氧浓度不断增加至50ppm时，苯去除率上升至98％，随着臭氧浓度不断增加至100ppm时，苯去除率下降至85％。随着空气湿度的不断增大，苯去除率先上升后下降，且变化趋势十分明显。例如当空气湿度为30％时，苯去除率为81％；随着空气湿度不断增加至50％时，苯去除率上升至98％；随着空气湿度不断增加至70％时，苯去除率下降至86％。随着紫外辐照的不断增大，苯去除率先上升后下降，且变化趋势十分明显。例如当紫外辐照为0μw/cm²时，苯去除率为79％；随着紫外辐照不断增加至190μw/cm²时，苯去除率上升至98％，随着紫外辐照的不断增大至380μw/cm²时，苯去除率下降至76％。随着停留时间的不断增大，苯去除率先上升后下降，且变化趋势十分明显。例如当停留时间为30s时，苯去除率为67％，随着停留时间不断增加至165s时，苯去除率上升至98％，随着停留时间不断增加至300s时，苯去除率上升下降至89％。

从以上分析可以看出，各项反应条件对苯去除率影响大小的顺序为：臭氧浓度>停留时间>紫外辐照>空气湿度。

a)臭氧浓度与空气湿度的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，苯去除率随空气湿度先增大后减小。

b)臭氧浓度与紫外辐照的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，苯去除率随紫外辐照先增大后减小。

c)臭氧浓度与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，苯去除率随停留时间先增大后减小。

d)空气湿度与紫外辐照的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，苯去除率随紫外辐照先增大后减小。

e)空气湿度与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，苯去除率随停留时间先增大后减小。

f)紫外辐照与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当紫外辐照不变时，苯去除率随停留时间先增大后减小。

3)根据响应曲面模型得到单一反应条件对间二甲苯去除率的影响，图4描述了各项反应条件均在中心点时(即臭氧浓度为50ppm，空气湿度为50％，紫外辐照为190μw/cm2，停留时间为165s)，模型所预测的各反应条件对间二甲苯去除率的影响。由图4可知，随着臭氧浓度的不断增大，间二甲苯去除率也不断上升，但上升趋势较为平缓。例如当臭氧浓度为0ppm时，间二甲苯去除率为37％；随着臭氧浓度不断增加至100ppm时，间二甲苯去除率上升至42％。随着空气湿度的不断增大，间二甲苯去除率先下降后上升，且变化趋势十分明显。例如当空气湿度为30％时，间二甲苯去除率为64％；随着空气湿度不断增加至50％时，间二甲苯去除率下降至45％；随着空气湿度不断增加至70％时，间二甲苯去除率上升至55％。随着紫外辐照的不断增大，间二甲苯去除率几乎不变，保持为45％。随着停留时间的不断增大，间二甲苯去除率先上升后下降，且上升趋势较明显，下降趋势较平缓。例如当停留时间为30s时，间二甲苯去除率为28％；随着停留时间不断增加至165s时，间二甲苯去除率上升至45％，随着停留时间不断增加至300s时，间二甲苯去除率下降至38％。

从以上分析可以看出，各项反应条件对间二甲苯去除率影响大小的顺序为：空气湿度>停留时间>臭氧浓度>紫外辐照。

4)通过Design-Expert.8.05b生成的等高线图及响应面3D立体图可以直观反映出两个影响因素之间相互作用的强弱，包括：

a)臭氧浓度与空气湿度的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，间二甲苯去除率随空气湿度先减小后增大。

b)臭氧浓度与紫外辐照的交互作用一般；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，间二甲苯去除率随紫外辐照无明显变化。

c)臭氧浓度与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当臭氧浓度不变时，间二甲苯去除率随停留时间的增大而增大。

d)空气湿度与紫外辐照的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，甲醛去除率随紫外辐照的增大而减小。

e)空气湿度与停留时间的交互作用显著；在给定的范围内当空气湿度不变时，间二甲苯去除率随停留时间的增大而增大。

f)紫外辐照与停留时间的交互作用一般；在给定的范围内当紫外辐照不变时，间二甲苯去除率随停留时间的增大而增大。

5)通过建立苯去除率、间二甲苯去除率与臭氧浓度、空气湿度、紫外辐照、VOCs初始浓度、停留时间之间的二次多元回归模型，求解出最优臭氧紫外水协同作用降解苯、间二甲苯工艺条件为：臭氧浓度28.71ppm、空气湿度40％、紫外辐照185.2μw/cm2、停留时间179.56s。此条件下，苯去除率为63.89％，间二甲苯去除率为100％。

实施例3臭氧紫外水协同净化空气中的甲醛、苯和间二甲苯当空气中同时含有甲醛、苯和间二甲苯三种污染物时，难以保证对三种污染物的去除率都最大，为此，本实施例综合分析最优的臭氧紫外水协同作用降解甲醛工艺条件(臭氧浓度30ppm、空气湿度60％、紫外辐照186.89μw/cm²、停留时间237.69s)与最优的臭氧紫外水协同作用降解苯、间二甲苯工艺条件(臭氧浓度28.71ppm、空气湿度40％、紫外辐照185.2μw/cm²、停留时间179.56s)发现：其中，臭氧浓度、紫外辐照差别不大，空气湿度、停留时间稍有差别。综合两种结果，优化得到臭氧紫外水协同作用降解甲醛、苯、间二甲苯工艺条件为：臭氧浓度30ppm、紫外辐照186μw/cm²、空气湿度50％、停留时间240s。此条件下，甲醛、苯、间二甲苯的去除率分别为97.47％，63.89％，100％，为含有三种污染物时的最优解。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：在封闭空间内设置臭氧发生装置和紫外发射装置，将待净化空气引入所述封闭空间，在臭氧和紫外辐射条件下，待净化空气中的有机污染物在所述封闭空间被去除。

2.根据权利要求1所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为10-380μw/cm²，空气湿度为30-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留100-300s。

3.根据权利要求2所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧浓度为30ppm，紫外辐照条件为186μw/cm²，空气湿度为50％，停留时间240s；此条件下，待净化空气中的甲醛、苯、间二甲苯的去除率分别为97.47％，63.89％，100％。

4.根据权利要求2所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为190-380μw/cm²，空气湿度为30-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留165-300s，待净化空气中的甲醛去除率≥99％。

5.根据权利要求4所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧浓度为30ppm，空气湿度为60％，紫外辐照为186.89μw/cm²，待净化空气在所述封闭空间内停留时间为237.69s，待净化空气中的甲醛去除率为100％。

6.根据权利要求2所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过100ppm，紫外辐射条件为0-190μw/cm²，空气的湿度为50-70％，待净化空气在所述封闭空间内停留165-300s，待净化空气中的苯去除率≥95％。

7.根据权利要求6所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度为50ppm，紫外辐射条件为190μw/cm²，空气的湿度为50％，待净化空气在所述封闭空间内停留≥165s，待净化空气中的苯去除率为100％。

8.根据权利要求2所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度不超过50ppm，紫外辐射条件为0μw/cm²，空气的湿度为30％，待净化空气在所述封闭空间内停留165s，待净化空气中的间二甲苯去除率≥99％。

9.根据权利要求8所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内，臭氧的浓度为50ppm，紫外辐射条件为0μw/cm²，空气的湿度为30％，待净化空气在所述封闭空间内停留165s，待净化空气中的间二甲苯去除率为100％。

10.根据权利要求2所述臭氧紫外水协同净化空气的方法，其特征在于：所述封闭空间内臭氧浓度为28.71ppm，空气湿度为40％，紫外辐照条件为185.2μw/cm²，待净化空气在所述封闭空间内停留时间为179.56s，待净化空气中的苯去除率为63.89％，间二甲苯去除率为100％。