博士生陈其威:原位热再生吸附薄层模块对室内VOCs吸附行为的实验与模拟研究

2021年6月23日,《Building and Environment》杂志刊登了课题组博士生陈其威的最新成果:Experimental and modeling investigations on the adsorption behaviors of indoor volatile organic compounds in an in-situ thermally regenerated adsorption-board module (2021, 203: 108065). https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108065.

背景介绍

室内气态污染物(VOCs)主要由建材、涂料、家具等散发,其低浓度、多组分和长期缓慢释放的特性对人体健康造成了持续的慢性危害。吸附净化是去除VOCs主要的方法,然而现有吸附净化模块寿命有限,吸附容量较低。我们前期研究中提出了一种原位热再生的薄层吸附模块(https://doi.org/10.1111/ina.12540),可以有效拓展吸附材料使用寿命,并显著降低风阻。但是对于该吸附模块在实际应用中的材料选取,尺寸设计以及能耗分析尚缺乏充分研究,限制了该净化模块在实际环境中的应用推广。

成果介绍

基于上述分析,本研究按照如图1所示的研究框架,首先制备了柔性的吸附薄层,接着建立了柔性薄层模块对室内气态VOCs的吸附数理模型,籍此研究了模块结构参数对其净化性能的影响,最后比较了传统堆积式吸附模块和柔性吸附薄层模块的净化性能和能耗。

图1. 研究框架

如图2所示,通过将去离子水、羧甲基纤维素(CMC)、活性炭和EVA乳液按一定比例混合,搅拌后将均一的分散液负载在柔性电热膜表面并烘干制成柔性吸附薄层。然后一方面将制备的吸附薄层剥离并填充在吸附管中测试其吸附动力学参数(K,D);另一方面对吸附薄层模块性能进行实验测试,得到对VOCs的吸附穿透曲线。通过与模型计算的穿透曲线对比,验证所建立模型的可靠性。

图2. 柔性吸附薄层制备过程

利用上述建立的模型,可分析不同材料、几何参数以及运行工况下,吸附薄层模块对甲醛的吸附、脱附过程的性能(如图3所示)。模型计算表明:扩散系数D在吸附过程中具有重要影响。相比增大材料的平衡吸附量,适当的增加扩散系数D可实现更长的穿透时间和更大的有效吸附容量(一定工作时间内的容量)。所建立的模型可针对实际净化需求,对吸附薄层模块的材料选取、几何参数和运行工况进行优化设计。

图3. 基于模型的参数研究

当传统堆积式和吸附薄层式两种模块对VOCs具有相同的初始洁净空气量(CADR)时,通过模型对两种装置的长期性能和能耗进行了分析。本研究提出了无量纲有效洁净空气体积,用于评估单位体积吸附材料产生的有效洁净空气体积,并利用产生单位洁净空气体积的能耗作为净化装置的能耗评价指标。该指标可兼顾考虑两者材料用量、穿透时间、有效吸附量、能耗等参数上的差异,而对装置性能作出科学的评价。实验结果表明,相比于堆积式模块,吸附薄层模块可产生4-7倍的无量纲有效洁净空气体积,且可降低40%-50%的净化过程能耗。

小结

本研究建立了柔性吸附薄层模块的净化传质模型,并对吸附模块进行参数研究,可对实际净化需求进行特定化的柔性吸附薄层模块设计。研究结果表明,与传统堆积式模块对比,吸附薄层模块在实际应用过程具有吸附速率快和能耗低的优越性。本研究为柔性吸附薄层模块的设计和实际应用提供了基础。这种新型的吸附模块可应用于酒店、车辆、地铁、住宅等场合,为室内空气提供持续净化。


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原文出处

https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108065