鐵路車輛內部揮發性有機化合物（VOCs）凈化設備研制

陳全雷，葛美周，蔣玲雁

（1.中車四方車輛有限公司，山東青島 266111；2.北京化工大學化學工程學院，北京 100029）

人們在乘坐鐵路車輛時，長時間處于車內封閉狀態，由于車內通風條件的制約及車內使用材料的污染，車內殘留的總揮發性有機化合物（TVOC）往往會影響乘客乘坐的舒適性，甚至對其呼吸系統和神經系統造成嚴重損害。這類物質包括芳香族化合物、醇類化合物、鹵代烴等，其中苯、甲苯和二甲苯被認為是具有代表性的有毒室內空氣污染物，而墻板、PVC地板、膠粘劑、清洗劑和油漆是車內空氣揮發性有機物（VOCs）的主要來源。因此，提升列車車輛內部的空氣質量，盡快去除其中有害的VOCs，成為急需解決的問題。本文利用紫外線（UV）光解技術結合催化氧化技術開發出一種室內空氣凈化設備，其具有反應條件溫和、室溫下實現VOCs深度氧化、無選擇性、對多種VOCs均有效（特別是處理室內低濃度的VOCs）等特點。

1 VOCs凈化原理

紫外燈激發產生臭氧（O3）的原理：首先紫外燈放射出不同波長的紫外光，當對應的光子能量大于有機物的鍵能時，可打斷其化學鍵直接光解VOCs；然后該段波長的紫外光可以激發空氣中的氧氣產出活性氧等物質，其與氧氣結合形成臭氧，這些具有強氧化性的物質也可以徹底降解有機物，從而提高礦化率，達到氧化VOCs的目的；最后紫外光激發的活性氧自由基與水分子反應后生成羥基自由基（? OH）或過氧羥基（HO2?）等活性基團，這類具有強氧化性的自由基也可以與VOCs反應達到降解的目的。但臭氧也是一種污染物質，在功率選擇不當或者氣體中的VOCs量變化控制不當的情況下，紫外光解產生的多余臭氧會造成空氣污染。

空氣凈化中常采用活性炭等吸附方法，存在著吸附飽和、更換吸附劑的問題，本文通過在吸附劑（活性炭、氧化鋁或二氧化鈦等）上負載催化劑活性組分，采用開發制備的常溫氧化催化劑能夠降低氧化降解反應的活化能，在常溫條件下利用氧化劑在催化劑上將VOCs轉化成小分子。由于吸附在催化劑上的物質能夠得到及時的分解，吸附飽和的問題得以解決；臭氧隨時都在降解活性炭上的有機物，并且能夠進一步提高對有機物的去除效率，把負載催化劑的活性炭提高到合適的厚度，保證出口不會出現臭氧。將紫外光解聯合臭氧催化凈化空氣裝置應用到實際空氣凈化中，真正實現了過濾、消毒、降解三重功效為一體的空氣凈化。

2 VOCs凈化設備研制

2.1 工作原理

VOCs凈化設備主要由自由基發生裝置與常溫催化氧化裝置組成，如圖1所示。自由基發生裝置具有3個作用：①利用高能射線（如紫外光）光束分解空氣中的氧分子產生游離氧，即活性氧，因游離氧所攜正負電子不平衡，因此需與氧分子結合，進而產生具有強氧化性的臭氧；②利用紫外光裂解有機廢氣大分子的分子鍵，直接對有機廢氣進行分解處理；③紫外光還具有殺菌和除異味的作用。但是紫外光及其產生的O3對室內VOCs的處理效果較差，難以達到室內空氣凈化標準的要求，因此通過自由基發生裝置后的含VOCs空氣和O3再一起進入常溫催化氧化裝置反應，將其轉化為CO2和H2O。常溫催化氧化裝置內裝有可在常溫下催化處理多組分VOCs的催化劑，這種催化劑具備獨特的空隙結構和表面官能團，能將VOCs和O3吸附在該催化劑表面進行催化反應，催化氧化性能顯著提高。

2.2 結構及風道設計

該VOCs凈化設備采用KJ800Q-B01型單體結構，由離心風機、過濾層（包括初級、二級和三級）、紫外臭氧發生器、常溫催化氧化裝置等構成，其中紫外臭氧發生器和常溫催化氧化裝置是重要的組成部分，其結構示意圖和模型如圖 2所示，基本參數如表1所示。

空氣首先在離心風機的驅動下經過初級過濾層，其中的可吸入顆粒物雜質、灰塵等被過濾掉；然后進入到紫外臭氧發生器，再經過二級過濾層進入常溫催化氧化裝置，此時其中的VOCs組分被氧化降解；最后通過三級過濾層以及納米銀殺菌薄膜進行殺菌處理，得到凈化。該凈化設備采用過濾層、紫外光解和常溫催化氧化方式的結合，不僅可以有效提高凈化效率，還可延長紫外燈和催化反應組件的使用壽命。

圖1 VOCs凈化設備工作原理

圖2 KJ800Q-B01型VOCs凈化設備結構示意圖和模型

表1 KJ800Q-B01型VOCs凈化設備基本參數

3 凈化效果驗證

為驗證VOCs凈化設備的應用效果，研究人員對未出廠的25K型硬臥車廂進行了現場凈化測試試驗。

3.1 凈化效果測試

該硬臥車廂的內部結構如圖3所示，現場凈化測試試驗過程如下。

（1）參照TB/T 3139-2006《機車車輛內裝材料及室內空氣有害物質限量》檢測布點的要求，在車廂兩端（1位端、2位端）分別確定采樣點的位置和高度。

（2）按照檢測要求，將凈化設備安放在硬臥車廂中部，硬臥車廂門窗密閉，在凈化設備不運行的情況下，首先對硬臥車廂兩端的VOCs濃度進行原始濃度檢測。

（3）接通電源，凈化設備開始運行。每隔30 min檢測并記錄各采樣點的VOCs濃度，并計算其VOCs去除率；同時，記錄凈化設備上顯示屏的顯示記錄，包括進出口VOCs濃度以及現場的溫度、濕度。

圖3 硬臥車廂內部結構（中部放置VOCs凈化設備）

檢測儀器除凈化設備上自帶的VOCs檢測儀（顯示屏顯示）外，VOCs濃度檢測采用便攜式VOC檢測儀（ppbRAE3000），臭氧濃度檢測采用泵吸式臭氧檢測儀（SKY2000-O3）。

試驗測試指標是凈化設備運行前后整個硬臥車廂內的VOCs濃度，經過計算得出凈化設備對VOCs的去除率。計算公式如下：

式（1）中，η為VOCs去除率；Ct為設備運行t時車廂內的VOCs濃度；C0為凈化設備啟動前硬臥車廂內的初始VOCs濃度。

3.2 測試結果分析

本次試驗所用列車車輛由于內部裝修完成時間比較短，車內VOCs濃度比較高，試驗開始前測量的濃度在10～14 mg/m3之間，設備運行30 min后，濃度從10 mg/m3以上迅速下降至2～4 mg/m3，運行時車廂內的VOCs仍持續釋放。本次測試試驗考察了紫外燈功率、紫外燈管排布位置、入口風量等操作參數對VOCs去除效果的影響，具體結果如下。

3.2.1 紫外燈功率對 VOCs凈化效果的影響

在最大風量為900 m3/h、其他條件相同的工況下，測試紫外燈功率P對凈化設備處理整個硬臥客室內VOCs凈化效果的影響，如圖4所示。由圖可知，在相同的設備運行時間內，隨著紫外燈功率的增加，整個硬臥客室內VOCs去除率略有升高。紫外燈功率P在150～600 W之間變化時，設備運行180 min后VOCs去除率從74.66%增加至83.66%，整個客室提升了近9%。這是由于紫外燈功率增加，光照強度增加，相應的光解效率也得以提高；同時，在同一入口風量下，產生的光子數增多，臭氧的產量也隨之增加，其宏觀表現是帶來更高的去除率，兩者的協同作用促進了總去除率的提高。

圖4 紫外燈功率P 對硬臥客室內VOCs凈化效果的影響

3.2.2 入口風量對 VOCs凈化效果的影響

在紫外燈全開、其他條件不變的工況下，測試入口風量Q對凈化設備處理整個硬臥客室內VOCs凈化效果的影響，如圖5所示。由圖可知，整個硬臥客室1位端和2位端VOCs濃度隨凈化設備運行時間的延長而逐漸減小，曲線呈下降趨勢，而VOCs去除率曲線呈上升趨勢。隨著入口風量的增加，整個客室內VOCs的去除率也遞增。入口風量從400 m3/h增加至900 m3/h，客室內VOCs的去除率提高了16%左右。其原因是：隨著入口風量的增加，密閉客室內空氣置換次數增多，相同設備運行時間內能夠處理的空氣量也增多，所以凈化效果有所提升。

圖5 入口風量對硬臥客室內VOCs凈化效果的影響

3.2.3 紫外燈排布位置對 VOCs凈化效果的影響

在凈化設備入口風量為900 m3/h的條件下，研究紫外燈功率相同但燈管位置不同時，凈化設備對整個硬臥客室內VOCs的凈化效果。本文分別測試了150 W、300 W、450 W 3種紫外燈在最大風量為900 m3/h、其他條件不變工況下的功率情況。凈化設備內紫外燈箱內部排布如圖6所示，3個開關（SWITCH1、SWITCH2、SWITCH3）分別控制3組紫外燈。不同紫外燈的功率組合和排布位置如表2所示。

圖6 凈化設備內紫外燈箱內部排布

表2 不同紫外燈的功率組合和排布位置

（1）當紫外燈功率為150 W時，不同排布位置（第1組和第2組）的紫外燈對凈化設備處理整個硬臥客室內VOCs效果的影響如圖7所示。由圖可知，隨凈化設備運行時間的延長，整個硬臥客室內VOCs的濃度逐漸減小，曲線呈下降趨勢；而VOCs去除率隨著設備運行時間的延長呈上升趨勢，且第2組（中部位置）比第1組（頂部位置）略高。在凈化設備運行180 min后，兩者對整個客室VOCs的去除率分別達74.66%和75.48%。其原因是：在相同風量、紫外燈功率一致的條件下，紫外燈管需要預熱，中間位置的燈管比兩端口位置產生的臭氧量多，紫外光氧化階段的去除率升高，催化臭氧氧化階段的去除率也升高，二者協同使VOCs總的去除率提高。

圖7 紫外燈排布位置對硬臥客室內VOCs凈化效果的影響（功率為150 W）

（2）當紫外燈功率為300 W時，不同排布位置（第1+2組和第3組）的紫外燈對凈化設備處理整個硬臥客室內VOCs效果的影響如圖8所示。由圖可知，客室 1位端和2位端VOCs的濃度隨凈化設備運行時間的延長逐漸減小，曲線呈下降趨勢，而VOCs的去除率隨著設備運行時間的延長呈上升趨勢，且第1+2組（近紫外燈箱出氣口）比第3組（遠離紫外燈箱出氣口）的去除率略有上升。在凈化設備運行180 min后，兩者對整個客室VOCs的去除率分別達78.66%和76.54%。

（3）當紫外燈功率為450 W時，不同排布位置（第1+3組和第2+3組）的紫外燈對凈化設備處理整個硬臥客室內VOCs效果的影響如圖9所示。由圖可知，客室1位端和2位端VOCs的濃度隨凈化設備運行時間的延長逐漸減小，而去除率呈上升趨勢，且第2+3組比第1+3組略有上升。在凈化設備運行180 min后，兩者對整個客室VOCs的去除率分別達78.72%和79.40%。

4 結語

圖8 紫外燈排布位置對硬臥客室內VOCs凈化效果的影響（功率為300 W）

圖9 紫外燈排布位置對硬臥客室內VOCs凈化效果的影響（功率為450 W）

本文針對列車車內殘留VOCs引起的車內空氣質量問題，利用紫外光解聯合常溫催化氧化技術原理，研制了KJ800Q-B01型單體式VOCs凈化設備，并用其對未出廠的25K型硬臥車廂內部的VOCs進行了凈化試驗測試。測試分別考察了凈化設備的入口風量、紫外燈功率以及紫外燈位置等因素對凈化效果的影響規律，結果表明：該凈化設備對整個硬臥客室VOCs的去除率隨著紫外燈功率、入口風量的增加呈上升趨勢，而紫外燈越靠近燈箱出氣口，對整個硬臥客室VOCs的去除率越高。該凈化設備在運行180 min后對硬臥客室VOCs的去除率可以達到80%以上，同時對出口空氣的臭氧含量進行監測，沒有測到臭氧溢出，因此能夠避免臭氧的二次污染。另外，該凈化裝置結構簡單，移動便利，同樣可用于辦公場所等的空氣凈化。