客機座艙氣態凈化技術分析范文

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《暖通空調雜志》2014年第七期

1機艙環境控制系統與艙內氣態污染物

機艙環境控制系統的一個主要任務是控制艙內污染物的濃度，這與客艙通風系統有直接關系。客機的通風多采用50％新風＋50％回風［7］。飛機的主發動機引入外部新鮮空氣進行壓縮與加熱，在燃燒室前將一部分壓縮空氣送入飛機的通風系統，在空調包（airconditioningpack）中減壓并冷卻，然后與來自機艙內的、經過高效過濾器過濾后的回風混合，再送回客艙。美國供熱、制冷與空調工程師學會（ASHRAE）的商用客艙空氣質量標準（ASHRAEStandard161－2007）建議的人均舒適通風量約為7．1L／s［8］。大部分的現代商業客機中人均通風量約為6～12L／s，而在Lindgren等人對26架波音767－300飛機進行的調查中，根據機艙內CO2平均體積分數（709×10－6）推算得出巡航狀態下機艙內人均通風量達到了15L／s［9］。機艙內的污染物主要有顆粒物、微生物及氣態污染物三大類，其來源主要為：1）飛機到達與離開機場時的地面氣態污染物；2）飛機巡航狀態時引入的新風中的臭氧；3）乘客及乘務人員呼出與代謝散發的CO2、丙酮、乙醇及感官污染物（氣味）；4）機艙內清洗劑散發的化學污染物；5）某些航班中噴灑殺蟲劑的殘留物［5］；6）臭氧與有機物反應產生的二次污染物。由于來源不同，機艙環境控制系統的回風系統與新風系統面臨著不同的任務。

2回風中的氣態污染物及其處理技術

2．1回風中的氣態污染物在巡航狀態下，除臭氧以外的其他污染物主要來自機艙內部。這些艙內污染物的去除主要在回風系統中進行。一般商用客機的回風系

統都裝有高效過濾器。2009年的歐洲標準EN1822－1規定，用于飛機的高效過濾器，對最易穿透粒徑為0．3μm的顆粒的去除效率應達到99．97％，但是高效過濾器對氣態污染物卻無能為力。Lindgren等人對26架波音767－300飛機上的空氣質量進行檢測后發現，巡航狀態下，CO2的體積分數在96％的檢測時間內低于1000×10－6，NO2與O3的質量濃度最大值分別為37，66μg／m3，甲醛的質量濃度最大值為15μg／m3，機艙內空氣質量符合美國聯邦航空局的標準［9］。Nagda等人根據2003年以前的6篇關于機艙內污染物種類與濃度實時檢測的文獻中的數據，總結了機艙內CO2和CO的濃度水平并進行對比，認為機艙內主要污染物濃度水平與住宅、辦公室等建筑環境及其他交通工具內的污染物接近，但機艙內乙醇與丙酮濃度明顯較高，這歸結為機艙內較高的人員密度；氯代烴及與燃料有關的污染物濃度比建筑及其他交通工具內更低［5］。克蘭菲爾德大學的健康與環境研究所受英國政府資助，對機艙內污染物進行了實際檢測，發現甲苯、二甲苯與檸檬烯等VOC的濃度滿足英國標準BSEN4618：2009，也滿足居住及辦公環境的標準［10］。關軍等人隨機選取16架次國內航班，對機艙內的VOC進行了實測，結果顯示座艙內總的污染物濃度在巡航階段出現一定程度的增加，其增量主要來自于人員活動，如餐食服務、人體散發等［11］。綜上，機艙內氣態污染物的濃度基本與居住及辦公建筑環境中接近。但是，目前對機艙內氣態污染物的控制，主要的方法是引入新風進行稀釋，以將污染物維持在較低濃度水平。而隨著對機艙環境要求的逐漸提高及能耗成本的增加，有必要采取更主動、更高效的技術手段。

2．2回風中氣態污染物處理技術

2．2．1吸附技術吸附分為物理吸附與化學吸附，分別基于吸附劑與吸附質的分子間作用力及分子間的化學鍵。吸附的效果主要與吸附機理、吸附表面積、孔隙率、平衡吸附量、污染物在吸附劑中的擴散系數和半衰期等因素有關。在建筑室內空氣凈化領域，吸附已被多項研究證明是一種有效的去除VOC的方法。Parmar等人通過實驗證明活性炭對于去除多種氣態污染物均有效果［12，14］；Fang等人研究發現基于吸附原理的除濕轉輪對改善空氣品質有積極作用，除濕轉輪對VOC和感官污染物（氣味）的去除效率分別不低于94％與80％，使用除濕轉輪后測試人員對空氣品質的不滿意率由70％降低到20％，同時通過檢測沒有發現二次污染物［15］。對于機艙或其他交通工具的艙室，去除氣態污染物的吸附裝置通常采用類似顆粒物過濾器的一次性過濾單元。吸附過濾器由支撐基體和阻燃吸附床組成，在機艙環境下常與顆粒物過濾器結合在一起使用，同時去除顆粒物與化學污染物。圖1為美國某公司的HEPA／Odour吸附過濾器示意圖［16］，其將高效空氣過濾器和吸附過濾器結合在一起，橫截面下半部分即為用于去除氣態污染物的吸附材料。該過濾器已作為可選件應用于AirbusA320／A330／A340等系列飛機中，可與普通高效過濾器互相轉換。吸附技術的優勢在于：1）吸附過濾器適合低溫環境，而且對多種污染物均可有效去除；2）水蒸氣對活性炭吸附VOC有不利影響，而機艙內相對濕度很低，更有利于活性炭的吸附；3）吸附過濾器結構簡單，安全節能。然而，吸附技術也存在很多問題：1）活性炭吸附過濾器由于受到吸附量的限制，質量大，使用壽命有限，由于飛機的空氣凈化裝置只有在C檢（通常為飛行6500h后）時才更換，這一缺點嚴重影響吸附技術在機艙污染物控制方面的長效性；2）吸附材料吸附量達到飽和后易產生二次污染；3）在機艙環境中，不僅存在VOC和氣味等污染物，還存在較高濃度的臭氧，吸附態的VOC可與臭氧發生二次反應，產生包括超細顆粒物在內的多種有害副產物［17］，這使得吸附技術應用于機艙環境時需要謹慎考慮。

2．2．2光催化技術光催化技術是指在紫外線的照射下，催化劑將氣態污染物催化分解為二氧化碳和水的技術。典型的光催化裝置包括兩個最基本的部件：光催化材料與紫外燈光源。研究中最常用到的催化劑是TiO2，ZnO與ZnO2也有應用［18－19］。在室內空氣凈化領域，光催化技術是一種通用的空氣凈化技術，可以同時去除多種污染物，如醛類、芳烴、烷烴、烯烴、鹵代烴、氣味等。但是光催化氧化過程容易產生副產物，如甲醛、乙醛，這些副產物的危害甚至更大［20－21］。因此有研究認為光催化技術還不是可以真正應用于實際的成熟技術［22］。Ginestet等人設計了一種用于機艙的新型光催化氧化空氣過濾器，其中的光催化單元包括2個可以互換的負載TiO2面板和夾在中間的4個紫外線燈（見圖2）。研究結果表明，光催化單元的效率隨VOC種類的不同而不同。其中甲苯最難被氧化，反應的中間產物為甲醛和乙醛，中間產物會繼續被氧化，但是對于中間產物是否會被完全氧化，以及光催化技術是否適用于實際機艙環境并沒有給出答案［23］。為驗證在實際機艙環境中，光催化技術對VOC的凈化效果和乘客對空氣品質主觀評價的影響，Sun等人在模擬機艙中進行了實驗，評價以TiO2為催化劑的紫外光催化對VOC的凈化效果。結果顯示，光催化技術可以有效去除VOC，如乙醇、甲苯、異戊二烯，但乙醇未完全氧化時會產生甲醛、乙醛等副產物［24］。Wisthaler等人在高乘客密度、航行時間7h的條件下模擬對比了吸附與光催化技術的凈化效果。結果發現，兩種技術都可有效去除大部分的有機污染物，但是光催化在不能完全氧化乙醇時，會產生有害的甲醛和乙醛氣體，而乙醇在機艙中非常常見，主要由濕紙巾、酒精飲料散發以及人體呼出。綜合考慮，吸附技術比光催化技術在整體上效果更好，但是作者同時也指出，該研究沒有考慮長期效果，比如較低的相對濕度對有機污染物在光催化材料上積聚的影響，以及吸附劑達到吸附飽和與飽和后污染物再散發的影響［25］。在機艙凈化產品方面，光催化技術還沒有得到實際應用。圖3為美國某公司處于開發階段的光催化可再生吸附裝置模型。在實驗室條件下測得其對VOC的去除效率可達90％以上。該裝置將光催化技術和吸附技術結合起來，既發揮了光催化效率高、阻力小、壽命長的優勢，也通過吸附組件消除了光催化可能帶來副產物的問題。但是這種裝置結構復雜，吸附組件同樣存在對副產物吸附飽和的問題，實際效果也有待驗證。光催化裝置的優勢在于：1）可以在常溫下工作；2）可以處理多種污染物；3）質量輕、阻力小；4）效率穩定，使用壽命長。但也存在很多問題：1）需要消耗電能；2）設備結構復雜；3）易產生有害副產物。

2．2．3低溫等離子技術低溫等離子技術是利用等離子反應器內的高活性自由基和臭氧將空氣中的VOC或氣味污染物氧化成二氧化碳和水，達到凈化空氣目的的技術［26］。低溫等離子技術可以有效去除顆粒物，去除效率在76％～99％之間［27－28］，對氣態污染物的去除效果并不理想，但當其與熱催化技術［27］、紫外光催化技術［28］結合時，去除VOC的效果會明顯提高。VanDurme等人通過實驗證明，對于等離子技術，相對濕度越低，甲苯的去除效果越好［29］，這一特性恰好適用于低濕的機艙環境。低溫等離子裝置的優點在于：1）有較長的壽命；2）在整個壽命周期內都能維持穩定的效率；3）可以同時去除顆粒物和氣態污染物。其最大的問題在于容易產生副產物（如臭氧），且需要較高的電壓，若應用于飛機上，則可能存在較大的安全隱患。

2．2．4熱催化技術熱催化技術是指利用貴金屬、過渡金屬氧化物等催化材料，在加熱條件下將VOC氧化為二氧化碳和水的技術。Muggli等人對比了γ－MnO2與Pt／TiO2兩種分別代表過渡金屬氧化物與貴金屬的典型催化材料對VOC（以正己烷、苯與乙酸乙酯三種不同性質的有機物為代表）的去除效果，在反應溫度達到200℃或更高時，兩種材料對VOC的去除效率均能達到90％以上［30］。通常條件下，反應溫度需要達到100℃或更高，對VOC的催化分解才會有明顯效果［31］。因此，催化反應所需的高溫環境嚴重限制了熱催化技術在機艙環境的應用。目前熱催化技術已有應用，美國某公司將VOC的催化分解與臭氧的催化分解相結合制備催化轉化器，用于處理新風中的VOC，但其主要作用是處理臭氧［32］。

3新風中的臭氧及其處理技術

3．1新風中的臭氧機艙內的臭氧來自外部大氣。中高緯度地區大氣對流層的高度約為8000～12000m，因此，很多商業飛機，特別是飛行高度較高的越洋飛機以及在高緯度地區飛行的飛機會在臭氧濃度較高的對流層頂及平流層內飛行。以美國汽車工程師學會的報告為例，在北緯50°、海拔10700m處，春季臭氧體積分數可達到0．5×10－6；在北緯80°處，甚至高達1．0×10－6［2］。機艙內的臭氧會直接引起乘客眼睛干澀、頭痛、胸悶及皮膚干燥瘙癢等多種不適癥狀，長期接觸會引起嚴重的呼吸道疾病并損害免疫系統。同時臭氧會與機艙內的VOC、人體皮膚、頭發及衣服等多種物質發生反應，產生多種副產物及超細顆粒物［33］。美國聯邦航空局（FAA）操作要求CFR－title14－part121．578［34］、適航標準CFR－title14－part25．832［35］，ASHRAE的商用客艙空氣質量標準（ASHRAEStandard161－2007［8］）均對客艙中的臭氧濃度作出了規定：飛行高度高于9754m（32000ft）時，臭氧體積分數任何時刻均不允許超過0．25×10－6，且飛行高度高于8230m（27000ft）時，任意連續3h的平均值不得超過0．1×10－6。這些標準適用于任何航班。FAA的顧問委員會（AC120－38）及ASHRAEStandard161－2007建議在有可能出現臭氧超標的航班中，應連續監測臭氧濃度，且應安裝并運行臭氧轉換器。可見，控制飛機客艙中的臭氧濃度對于保護乘客及機務人員的健康是非常必要的，而且在某些機型中是強制性的。因此，對于新風中污染物處理的一個主要任務就是去除其中的臭氧。Spengler等人實際調查發現，被檢航班機艙內臭氧平均體積分數為0．08×10－6，并且檢測到有20％的航班機艙內臭氧體積分數超過了0．10×10－6，有11％的航班機艙內臭氧體積分數超過了0．12×10－6［4］。2006—2007年，Bhangar等人對北美境內的航班和跨洋航線的航班機艙內的臭氧濃度進行了實時檢測，結果顯示，在沒有安裝臭氧轉化器的飛機機艙內，臭氧濃度的平均值是裝有臭氧轉化器的7倍；裝有臭氧轉化器的飛機機艙內臭氧濃度較高時，仍滿足美國聯邦航空局的標準［36］。美國客機機艙環境研究中心在2010年的報告中指出，沒有安裝臭氧轉化器的飛機機艙內臭氧濃度明顯較高，且在調查的46架未安裝臭氧轉化器的飛機中，8架飛機的機艙內臭氧體積分數超過了0．10×10－6，1架超過了0．25×10－6［33］。綜合相關標準與實際調查結果，飛機有必要安裝去除臭氧的裝置，并予以定期的維護與更換。

3．2新風中臭氧的處理技術通常對氣態臭氧的凈化有兩種方法：1）吸附，如活性炭吸附去除臭氧；2）催化分解，鈀、鉑等貴金屬及二氧化錳等過渡金屬氧化物催化分解臭氧均有很高的效率。

3．2．1吸附技術1977年，在美國聯邦航空局確認臭氧是造成機艙內人員身體不適的主要原因后，泛美航空公司與波音公司合作，以活性炭吸附作為應急方案在波音747上試用。采用活性炭吸附的方法可以很好地去除臭氧，但是存在很嚴重的問題：過濾器壽命短，需要頻繁更換；質量大，對于飛機是一個非常大的負擔；防火性差，由于臭氧的強氧化性，活性炭吸附臭氧后，容易自燃甚至發生爆炸。由于這些缺陷，活性炭吸附去除臭氧的方法并沒有得到廣泛應用。

3．2．2熱催化技術對于臭氧的凈化，熱催化技術是利用催化材料，將臭氧催化分解為氧氣的技術。1978年，JohnsonMatthey公司以貴金屬為活性涂層，金屬蜂窩結構為基底，套裝在金屬罐體中，研發了臭氧催化裝置，隨后進行商業化并應用于飛機上。目前，臭氧轉化器是飛機上主流的去除臭氧的裝置。臭氧轉化器的催化材料主要有兩類，一類是貴金屬，如鉑、鈀、銠等；一類是過渡金屬氧化物，如錳、鎳、鐵、鈷、銅等的氧化物。1979年，JohnsonMatthey公司在實驗了30種不同的活性材料后，最終選擇了鉑作為催化材料。而Heck等人在研究中發現，無論是在無污染的理想環境下，還是在實際飛行環境中檢測，鈀對臭氧的催化效率比鉑更高［37］。除鈀、鉑等貴金屬外，Hao等人發現金對催化分解臭氧也有很大的潛力，在高濃度（體積分數400×10－6）、常溫（300K）條件下，仍有很高的催化分解效率［38］。Imamura等人研究了銀、鎳、錳、鐵、銅、鈷等多種金屬的氧化物對臭氧的催化分解效率，發現氧化銀的效率最高［39］。在過渡金屬中，催化分解臭氧效率最高的是以MnO2為代表的錳氧化物［40］。在Tatsushima等人的專利中也提到以MnO2為催化材料可以達到很好的催化效果［41］。顧玉林比較了MnO2，Co3O4，NiO，Fe2O3，CuO的催化活性，并進行了復合金屬氧化物實驗，對比錳－銅、錳－鎳、錳－鐵、錳－鈷、鈷－鎳、鐵－鎳、銅－鎳等多種雙金屬氧化物催化材料，發現錳－銅系金屬氧化物的活性最高，穩定性最好［42］。Lester等人通過實驗發現貴金屬如鉑等，搭配基體金屬如鎳、鐵等催化效果很好［43］。Liu等人研究了雙金屬催化劑如鈀與鎳組合，鉑、銠、金等與錳、鈷、鐵等組合的催化效果。在實驗中，鈀與鎳組合，在臭氧體積分數為1×10－6、溫度為95～175℃的條件下，臭氧的轉化效率均在98％以上［44］。Yu等人在錳催化劑中加入鈀，以提高催化劑的抗水性，發現錳含量為80％～90％時催化活性最高［45］。實際應用于飛機上的催化劑主要以貴金屬為主，1％Pd／γ－Al2O3是目前飛機上使用的效率最高的臭氧催化材料［46］；也可搭配過渡金屬氧化物，如Pd－MnOx／SiO2－Al2O3，以有效降解臭氧，同時提高抗鈍化能力［47］。臭氧轉化器一般由金屬外殼和內部涂有催化劑的蜂窩狀金屬或陶瓷組成［7］（如圖4所示），催化劑附著于蜂窩狀空氣流通通道表面，增加了催化劑與臭氧的接觸面積。為了增加流道內的徑向流動，也可以在流道上增加突起的肋片［48］（如圖5所示）；或者采用近似蜂窩狀的結構，如交叉流道的蜂窩結構［49］（如圖6所示）；或者采用膜結構［50－51］，膜結構一般都采用多層和褶皺的形式（如圖7所示），濾膜為一層很薄的多孔材料或微纖多孔材料，其上附著催化材料。除已經得到廣泛應用的蜂窩狀結構整體式催化轉化器外，也有學者對其他結構形式的熱催化分解臭氧轉化器進行了研究。Kalluri等人利用直徑為4，8，12μm的鎳纖維，采用濕法造紙技術，將負載鈀、銀的氧化鋁粉末均勻分布其中，燒結制備了金屬纖維氈（如圖8所示），再成型為W型過濾器，其對體積分數為10×10－6的臭氧的催化分解效果很好，臭氧的停留時間非常短（67～200μs），且降很小，與現有的整體式臭氧催化轉化器的壓降接近［52］。這種采用金屬纖維氈的過濾器與現在很多顆粒物過濾器類似，其最終成型的結構形式多樣，便于結構優化，以提高效率與壽命，減小壓降。同時，負載不同的催化材料，可以去除不同的污染物，而不僅僅限于臭氧。如通過與活性材料組合，可以實現去除機艙內VOC等多種污染物，以及實現同時去除臭氧與VOC的目的。因此，這是一種很有潛力的可應用于機艙內臭氧與VOC去除的技術。熱催化分解去除臭氧技術在航空工業的研究和應用已有30多年的歷史，其主要優勢在于技術成熟，可以滿足機艙內的凈化要求，但也存在以下問題：1）熱催化分解一般需要最低150℃的工作環境，在200℃以上能更好地保證對多種污染物的有效去除，如果工作環境溫度低于150℃，催化氧化效果就會顯著下降［30］；2）根據航空工業界的經驗，臭氧轉化器也會不斷積聚污染物，效率逐漸降低；3）偶然發生的煙霧或高濃度燃油污染物在很短的時間內便會使催化劑中毒。

4總結與展望

目前機艙內空氣質量與一般建筑環境接近，除臭氧以外的其他氣態污染物的控制主要是通過新風的稀釋作用。而隨著全球性的能源危機，客機的新風量很可能進一步減小，這就要求對機艙內的VOC及氣味等污染物采取更主動、更有效的控制方式。對于VOC的凈化，在吸附、光催化、熱催化與等離子等幾種主要技術中，應用較多的是吸附技術。吸附裝置結構簡單，適合低溫環境，對多種污染物都可有效去除，幾乎不產生二次污染物，但是吸附容量有限，壽命短。除吸附技術外，熱催化技術在機艙環境中的應用也有一定潛力。催化材料會將吸附到表面的污染物分解掉，因此理論上不存在吸附飽和與壽命過短的問題。但是在常溫下，包括貴金屬與過渡金屬氧化物在內的多數催化材料的催化活性都不高，且一種催化材料往往只對特定的某幾種污染物有較高的催化效果，而實際條件下污染物的種類都是很復雜的。另外，由于反應產物復雜、停留時間過長及安全與穩定性等原因，雖已有將光催化技術應用于機艙中去除VOC的相關研究，但并無應用實例；尚沒有將低溫等離子技術應用到機艙環境中的研究。而對于新風中必須去除的臭氧，熱催化技術的應用在國外已經商業化，且趨于成熟。但我國在該領域仍處于起步階段，目前筆者正進行低溫下催化分解臭氧的相關研究。綜合考慮臭氧與VOC的去除，筆者認為熱催化技術是最有應用潛力的。其關鍵在于開發常溫或中低溫條件下，針對機艙內氣態污染物的高效催化材料。雖然一般情況下貴金屬，如鉑、鈀等的催化效率高于過渡金屬氧化物，如二氧化錳，但后者在經濟性方面優勢更大。對于熱催化材料應用的結構形式，傳統的填充床結構阻力較大，但效率較高，仍有一定的應用價值；也可參考現有的顆粒物過濾器，將催化材料與濾紙結合，制成氣態污染物過濾器；整體式蜂窩催化轉化器的阻力較小，在能耗方面有較大優勢，合適的催化材料與負載方式將成為其應用的關鍵。

作者：陸義裴晶晶韓旭劉魯萌劉俊杰單位：天津大學