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《暖通空調(diào)雜志》2014年第七期

1機(jī)艙環(huán)境控制系統(tǒng)與艙內(nèi)氣態(tài)污染物

機(jī)艙環(huán)境控制系統(tǒng)的一個(gè)主要任務(wù)是控制艙內(nèi)污染物的濃度，這與客艙通風(fēng)系統(tǒng)有直接關(guān)系。客機(jī)的通風(fēng)多采用50％新風(fēng)＋50％回風(fēng)［7］。飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)引入外部新鮮空氣進(jìn)行壓縮與加熱，在燃燒室前將一部分壓縮空氣送入飛機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，在空調(diào)包（airconditioningpack）中減壓并冷卻，然后與來自機(jī)艙內(nèi)的、經(jīng)過高效過濾器過濾后的回風(fēng)混合，再送回客艙。美國(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）的商用客艙空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（ASHRAEStandard161－2007）建議的人均舒適通風(fēng)量約為7．1L／s［8］。大部分的現(xiàn)代商業(yè)客機(jī)中人均通風(fēng)量約為6～12L／s，而在Lindgren等人對(duì)26架波音767－300飛機(jī)進(jìn)行的調(diào)查中，根據(jù)機(jī)艙內(nèi)CO2平均體積分?jǐn)?shù)（709×10－6）推算得出巡航狀態(tài)下機(jī)艙內(nèi)人均通風(fēng)量達(dá)到了15L／s［9］。機(jī)艙內(nèi)的污染物主要有顆粒物、微生物及氣態(tài)污染物三大類，其來源主要為：1）飛機(jī)到達(dá)與離開機(jī)場(chǎng)時(shí)的地面氣態(tài)污染物；2）飛機(jī)巡航狀態(tài)時(shí)引入的新風(fēng)中的臭氧；3）乘客及乘務(wù)人員呼出與代謝散發(fā)的CO2、丙酮、乙醇及感官污染物（氣味）；4）機(jī)艙內(nèi)清洗劑散發(fā)的化學(xué)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(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物。由于來源不同，機(jī)艙環(huán)境控制系統(tǒng)的回風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)面臨著不同的任務(wù)。

2回風(fēng)中的氣態(tài)污染物及其處理技術(shù)

2．1回風(fēng)中的氣態(tài)污染物在巡航狀態(tài)下，除臭氧以外的其他污染物主要來自機(jī)艙內(nèi)部。這些艙內(nèi)污染物的去除主要在回風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)行。一般商用客機(jī)的回風(fēng)系

統(tǒng)都裝有高效過濾器。2009年的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1822－1規(guī)定，用于飛機(jī)的高效過濾器，對(duì)最易穿透粒徑為0．3μm的顆粒的去除效率應(yīng)達(dá)到99．97％，但是高效過濾器對(duì)氣態(tài)污染物卻無能為力。Lindgren等人對(duì)26架波音767－300飛機(jī)上的空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，巡航狀態(tài)下，CO2的體積分?jǐn)?shù)在96％的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)低于1000×10－6，NO2與O3的質(zhì)量濃度最大值分別為37，66μg／m3，甲醛的質(zhì)量濃度最大值為15μg／m3，機(jī)艙內(nèi)空氣質(zhì)量符合美國(guó)聯(lián)邦航空局的標(biāo)準(zhǔn)［9］。Nagda等人根據(jù)2003年以前的6篇關(guān)于機(jī)艙內(nèi)污染物種類與濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)的文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，總結(jié)了機(jī)艙內(nèi)CO2和CO的濃度水平并進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為機(jī)艙內(nèi)主要污染物濃度水平與住宅、辦公室等建筑環(huán)境及其他交通工具內(nèi)的污染物接近，但機(jī)艙內(nèi)乙醇與丙酮濃度明顯較高，這歸結(jié)為機(jī)艙內(nèi)較高的人員密度；氯代烴及與燃料有關(guān)的污染物濃度比建筑及其他交通工具內(nèi)更低［5］。克蘭菲爾德大學(xué)的健康與環(huán)境研究所受英國(guó)政府資助，對(duì)機(jī)艙內(nèi)污染物進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)甲苯、二甲苯與檸檬烯等VOC的濃度滿足英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSEN4618：2009，也滿足居住及辦公環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)［10］。關(guān)軍等人隨機(jī)選取16架次國(guó)內(nèi)航班，對(duì)機(jī)艙內(nèi)的VOC進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示座艙內(nèi)總的污染物濃度在巡航階段出現(xiàn)一定程度的增加，其增量主要來自于人員活動(dòng)，如餐食服務(wù)、人體散發(fā)等［11］。綜上，機(jī)艙內(nèi)氣態(tài)污染物的濃度基本與居住及辦公建筑環(huán)境中接近。但是，目前對(duì)機(jī)艙內(nèi)氣態(tài)污染物的控制，主要的方法是引入新風(fēng)進(jìn)行稀釋，以將污染物維持在較低濃度水平。而隨著對(duì)機(jī)艙環(huán)境要求的逐漸提高及能耗成本的增加，有必要采取更主動(dòng)、更高效的技術(shù)手段。

2．2回風(fēng)中氣態(tài)污染物處理技術(shù)

2．2．1吸附技術(shù)吸附分為物理吸附與化學(xué)吸附，分別基于吸附劑與吸附質(zhì)的分子間作用力及分子間的化學(xué)鍵。吸附的效果主要與吸附機(jī)理、吸附表面積、孔隙率、平衡吸附量、污染物在吸附劑中的擴(kuò)散系數(shù)和半衰期等因素有關(guān)。在建筑室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，吸附已被多項(xiàng)研究證明是一種有效的去除VOC的方法。Parmar等人通過實(shí)驗(yàn)證明活性炭對(duì)于去除多種氣態(tài)污染物均有效果［12，14］；Fang等人研究發(fā)現(xiàn)基于吸附原理的除濕轉(zhuǎn)輪對(duì)改善空氣品質(zhì)有積極作用，除濕轉(zhuǎn)輪對(duì)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(zhuǎn)輪后測(cè)試人員對(duì)空氣品質(zhì)的不滿意率由70％降低到20％，同時(shí)通過檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)二次污染物［15］。對(duì)于機(jī)艙或其他交通工具的艙室，去除氣態(tài)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(jī)艙環(huán)境下常與顆粒物過濾器結(jié)合在一起使用，同時(shí)去除顆粒物與化學(xué)污染物。圖1為美國(guó)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(jié)合在一起，橫截面下半部分即為用于去除氣態(tài)污染物的吸附材料。該過濾器已作為可選件應(yīng)用于AirbusA320／A330／A340等系列飛機(jī)中，可與普通高效過濾器互相轉(zhuǎn)換。吸附技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：1）吸附過濾器適合低溫環(huán)境，而且對(duì)多種污染物均可有效去除；2）水蒸氣對(duì)活性炭吸附VOC有不利影響，而機(jī)艙內(nèi)相對(duì)濕度很低，更有利于活性炭的吸附；3）吸附過濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全節(jié)能。然而，吸附技術(shù)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(zhì)量大，使用壽命有限，由于飛機(jī)的空氣凈化裝置只有在C檢（通常為飛行6500h后）時(shí)才更換，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重影響吸附技術(shù)在機(jī)艙污染物控制方面的長(zhǎng)效性；2）吸附材料吸附量達(dá)到飽和后易產(chǎn)生二次污染；3）在機(jī)艙環(huán)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(tài)的VOC可與臭氧發(fā)生二次反應(yīng)，產(chǎn)生包括超細(xì)顆粒物在內(nèi)的多種有害副產(chǎn)物［17］，這使得吸附技術(shù)應(yīng)用于機(jī)艙環(huán)境時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮。

2．2．2光催化技術(shù)光催化技術(shù)是指在紫外線的照射下，催化劑將氣態(tài)污染物催化分解為二氧化碳和水的技術(shù)。典型的光催化裝置包括兩個(gè)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(yīng)用［18－19］。在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，光催化技術(shù)是一種通用的空氣凈化技術(shù)，可以同時(shí)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(chǎn)生副產(chǎn)物，如甲醛、乙醛，這些副產(chǎn)物的危害甚至更大［20－21］。因此有研究認(rèn)為光催化技術(shù)還不是可以真正應(yīng)用于實(shí)際的成熟技術(shù)［22］。Ginestet等人設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)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(gè)可以互換的負(fù)載TiO2面板和夾在中間的4個(gè)紫外線燈（見圖2）。研究結(jié)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(yīng)的中間產(chǎn)物為甲醛和乙醛，中間產(chǎn)物會(huì)繼續(xù)被氧化，但是對(duì)于中間產(chǎn)物是否會(huì)被完全氧化，以及光催化技術(shù)是否適用于實(shí)際機(jī)艙環(huán)境并沒有給出答案［23］。為驗(yàn)證在實(shí)際機(jī)艙環(huán)境中，光催化技術(shù)對(duì)VOC的凈化效果和乘客對(duì)空氣品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的影響，Sun等人在模擬機(jī)艙中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)以TiO2為催化劑的紫外光催化對(duì)VOC的凈化效果。結(jié)果顯示，光催化技術(shù)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(shí)會(huì)產(chǎn)生甲醛、乙醛等副產(chǎn)物［24］。Wisthaler等人在高乘客密度、航行時(shí)間7h的條件下模擬對(duì)比了吸附與光催化技術(shù)的凈化效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)都可有效去除大部分的有機(jī)污染物，但是光催化在不能完全氧化乙醇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有害的甲醛和乙醛氣體，而乙醇在機(jī)艙中非常常見，主要由濕紙巾、酒精飲料散發(fā)以及人體呼出。綜合考慮，吸附技術(shù)比光催化技術(shù)在整體上效果更好，但是作者同時(shí)也指出，該研究沒有考慮長(zhǎng)期效果，比如較低的相對(duì)濕度對(duì)有機(jī)污染物在光催化材料上積聚的影響，以及吸附劑達(dá)到吸附飽和與飽和后污染物再散發(fā)的影響［25］。在機(jī)艙凈化產(chǎn)品方面，光催化技術(shù)還沒有得到實(shí)際應(yīng)用。圖3為美國(guó)某公司處于開發(fā)階段的光催化可再生吸附裝置模型。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得其對(duì)VOC的去除效率可達(dá)90％以上。該裝置將光催化技術(shù)和吸附技術(shù)結(jié)合起來，既發(fā)揮了光催化效率高、阻力小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，也通過吸附組件消除了光催化可能帶來副產(chǎn)物的問題。但是這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吸附組件同樣存在對(duì)副產(chǎn)物吸附飽和的問題，實(shí)際效果也有待驗(yàn)證。光催化裝置的優(yōu)勢(shì)在于：1）可以在常溫下工作；2）可以處理多種污染物；3）質(zhì)量輕、阻力小；4）效率穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。但也存在很多問題：1）需要消耗電能；2）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜；3）易產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。

2．2．3低溫等離子技術(shù)低溫等離子技術(shù)是利用等離子反應(yīng)器內(nèi)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(dá)到凈化空氣目的的技術(shù)［26］。低溫等離子技術(shù)可以有效去除顆粒物，去除效率在76％～99％之間［27－28］，對(duì)氣態(tài)污染物的去除效果并不理想，但當(dāng)其與熱催化技術(shù)［27］、紫外光催化技術(shù)［28］結(jié)合時(shí)，去除VOC的效果會(huì)明顯提高。VanDurme等人通過實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于等離子技術(shù)，相對(duì)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(jī)艙環(huán)境。低溫等離子裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：1）有較長(zhǎng)的壽命；2）在整個(gè)壽命周期內(nèi)都能維持穩(wěn)定的效率；3）可以同時(shí)去除顆粒物和氣態(tài)污染物。其最大的問題在于容易產(chǎn)生副產(chǎn)物（如臭氧），且需要較高的電壓，若應(yīng)用于飛機(jī)上，則可能存在較大的安全隱患。

2．2．4熱催化技術(shù)熱催化技術(shù)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(shù)。Muggli等人對(duì)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(duì)VOC（以正己烷、苯與乙酸乙酯三種不同性質(zhì)的有機(jī)物為代表）的去除效果，在反應(yīng)溫度達(dá)到200℃或更高時(shí)，兩種材料對(duì)VOC的去除效率均能達(dá)到90％以上［30］。通常條件下，反應(yīng)溫度需要達(dá)到100℃或更高，對(duì)VOC的催化分解才會(huì)有明顯效果［31］。因此，催化反應(yīng)所需的高溫環(huán)境嚴(yán)重限制了熱催化技術(shù)在機(jī)艙環(huán)境的應(yīng)用。目前熱催化技術(shù)已有應(yīng)用，美國(guó)某公司將VOC的催化分解與臭氧的催化分解相結(jié)合制備催化轉(zhuǎn)化器，用于處理新風(fēng)中的VOC，但其主要作用是處理臭氧［32］。

3新風(fēng)中的臭氧及其處理技術(shù)

3．1新風(fēng)中的臭氧機(jī)艙內(nèi)的臭氧來自外部大氣。中高緯度地區(qū)大氣對(duì)流層的高度約為8000～12000m，因此，很多商業(yè)飛機(jī)，特別是飛行高度較高的越洋飛機(jī)以及在高緯度地區(qū)飛行的飛機(jī)會(huì)在臭氧濃度較高的對(duì)流層頂及平流層內(nèi)飛行。以美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的報(bào)告為例，在北緯50°、海拔10700m處，春季臭氧體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到0．5×10－6；在北緯80°處，甚至高達(dá)1．0×10－6［2］。機(jī)艙內(nèi)的臭氧會(huì)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(zhǎng)期接觸會(huì)引起嚴(yán)重的呼吸道疾病并損害免疫系統(tǒng)。同時(shí)臭氧會(huì)與機(jī)艙內(nèi)的VOC、人體皮膚、頭發(fā)及衣服等多種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生多種副產(chǎn)物及超細(xì)顆粒物［33］。美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）操作要求CFR－title14－part121．578［34］、適航標(biāo)準(zhǔn)CFR－title14－part25．832［35］，ASHRAE的商用客艙空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（ASHRAEStandard161－2007［8］）均對(duì)客艙中的臭氧濃度作出了規(guī)定：飛行高度高于9754m（32000ft）時(shí)，臭氧體積分?jǐn)?shù)任何時(shí)刻均不允許超過0．25×10－6，且飛行高度高于8230m（27000ft）時(shí)，任意連續(xù)3h的平均值不得超過0．1×10－6。這些標(biāo)準(zhǔn)適用于任何航班。FAA的顧問委員會(huì)（AC120－38）及ASHRAEStandard161－2007建議在有可能出現(xiàn)臭氧超標(biāo)的航班中，應(yīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)臭氧濃度，且應(yīng)安裝并運(yùn)行臭氧轉(zhuǎn)換器。可見，控制飛機(jī)客艙中的臭氧濃度對(duì)于保護(hù)乘客及機(jī)務(wù)人員的健康是非常必要的，而且在某些機(jī)型中是強(qiáng)制性的。因此，對(duì)于新風(fēng)中污染物處理的一個(gè)主要任務(wù)就是去除其中的臭氧。Spengler等人實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，被檢航班機(jī)艙內(nèi)臭氧平均體積分?jǐn)?shù)為0．08×10－6，并且檢測(cè)到有20％的航班機(jī)艙內(nèi)臭氧體積分?jǐn)?shù)超過了0．10×10－6，有11％的航班機(jī)艙內(nèi)臭氧體積分?jǐn)?shù)超過了0．12×10－6［4］。2006—2007年，Bhangar等人對(duì)北美境內(nèi)的航班和跨洋航線的航班機(jī)艙內(nèi)的臭氧濃度進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，結(jié)果顯示，在沒有安裝臭氧轉(zhuǎn)化器的飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)，臭氧濃度的平均值是裝有臭氧轉(zhuǎn)化器的7倍；裝有臭氧轉(zhuǎn)化器的飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)臭氧濃度較高時(shí)，仍滿足美國(guó)聯(lián)邦航空局的標(biāo)準(zhǔn)［36］。美國(guó)客機(jī)機(jī)艙環(huán)境研究中心在2010年的報(bào)告中指出，沒有安裝臭氧轉(zhuǎn)化器的飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)臭氧濃度明顯較高，且在調(diào)查的46架未安裝臭氧轉(zhuǎn)化器的飛機(jī)中，8架飛機(jī)的機(jī)艙內(nèi)臭氧體積分?jǐn)?shù)超過了0．10×10－6，1架超過了0．25×10－6［33］。綜合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際調(diào)查結(jié)果，飛機(jī)有必要安裝去除臭氧的裝置，并予以定期的維護(hù)與更換。

3．2新風(fēng)中臭氧的處理技術(shù)通常對(duì)氣態(tài)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(shù)1977年，在美國(guó)聯(lián)邦航空局確認(rèn)臭氧是造成機(jī)艙內(nèi)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(yīng)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(yán)重的問題：過濾器壽命短，需要頻繁更換；質(zhì)量大，對(duì)于飛機(jī)是一個(gè)非常大的負(fù)擔(dān)；防火性差，由于臭氧的強(qiáng)氧化性，活性炭吸附臭氧后，容易自燃甚至發(fā)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(yīng)用。

3．2．2熱催化技術(shù)對(duì)于臭氧的凈化，熱催化技術(shù)是利用催化材料，將臭氧催化分解為氧氣的技術(shù)。1978年，JohnsonMatthey公司以貴金屬為活性涂層，金屬蜂窩結(jié)構(gòu)為基底，套裝在金屬罐體中，研發(fā)了臭氧催化裝置，隨后進(jìn)行商業(yè)化并應(yīng)用于飛機(jī)上。目前，臭氧轉(zhuǎn)化器是飛機(jī)上主流的去除臭氧的裝置。臭氧轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，無論是在無污染的理想環(huán)境下，還是在實(shí)際飛行環(huán)境中檢測(cè)，鈀對(duì)臭氧的催化效率比鉑更高［37］。除鈀、鉑等貴金屬外，Hao等人發(fā)現(xiàn)金對(duì)催化分解臭氧也有很大的潛力，在高濃度（體積分?jǐn)?shù)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(duì)臭氧的催化分解效率，發(fā)現(xiàn)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(dá)到很好的催化效果［41］。顧玉林比較了MnO2，Co3O4，NiO，F(xiàn)e2O3，CuO的催化活性，并進(jìn)行了復(fù)合金屬氧化物實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(fā)現(xiàn)錳－銅系金屬氧化物的活性最高，穩(wěn)定性最好［42］。Lester等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中，鈀與鎳組合，在臭氧體積分?jǐn)?shù)為1×10－6、溫度為95～175℃的條件下，臭氧的轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)錳含量為80％～90％時(shí)催化活性最高［45］。實(shí)際應(yīng)用于飛機(jī)上的催化劑主要以貴金屬為主，1％Pd／γ－Al2O3是目前飛機(jī)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(shí)提高抗鈍化能力［47］。臭氧轉(zhuǎn)化器一般由金屬外殼和內(nèi)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(nèi)的徑向流動(dòng)，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(jié)構(gòu)，如交叉流道的蜂窩結(jié)構(gòu)［49］（如圖6所示）；或者采用膜結(jié)構(gòu)［50－51］，膜結(jié)構(gòu)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(jīng)得到廣泛應(yīng)用的蜂窩狀結(jié)構(gòu)整體式催化轉(zhuǎn)化器外，也有學(xué)者對(duì)其他結(jié)構(gòu)形式的熱催化分解臭氧轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了研究。Kalluri等人利用直徑為4，8，12μm的鎳?yán)w維，采用濕法造紙技術(shù)，將負(fù)載鈀、銀的氧化鋁粉末均勻分布其中，燒結(jié)制備了金屬纖維氈（如圖8所示），再成型為W型過濾器，其對(duì)體積分?jǐn)?shù)為10×10－6的臭氧的催化分解效果很好，臭氧的停留時(shí)間非常短（67～200μs），且降很小，與現(xiàn)有的整體式臭氧催化轉(zhuǎn)化器的壓降接近［52］。這種采用金屬纖維氈的過濾器與現(xiàn)在很多顆粒物過濾器類似，其最終成型的結(jié)構(gòu)形式多樣，便于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高效率與壽命，減小壓降。同時(shí)，負(fù)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(shí)現(xiàn)去除機(jī)艙內(nèi)VOC等多種污染物，以及實(shí)現(xiàn)同時(shí)去除臭氧與VOC的目的。因此，這是一種很有潛力的可應(yīng)用于機(jī)艙內(nèi)臭氧與VOC去除的技術(shù)。熱催化分解去除臭氧技術(shù)在航空工業(yè)的研究和應(yīng)用已有30多年的歷史，其主要優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟，可以滿足機(jī)艙內(nèi)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(huán)境，在200℃以上能更好地保證對(duì)多種污染物的有效去除，如果工作環(huán)境溫度低于150℃，催化氧化效果就會(huì)顯著下降［30］；2）根據(jù)航空工業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)，臭氧轉(zhuǎn)化器也會(huì)不斷積聚污染物，效率逐漸降低；3）偶然發(fā)生的煙霧或高濃度燃油污染物在很短的時(shí)間內(nèi)便會(huì)使催化劑中毒。

4總結(jié)與展望

目前機(jī)艙內(nèi)空氣質(zhì)量與一般建筑環(huán)境接近，除臭氧以外的其他氣態(tài)污染物的控制主要是通過新風(fēng)的稀釋作用。而隨著全球性的能源危機(jī)，客機(jī)的新風(fēng)量很可能進(jìn)一步減小，這就要求對(duì)機(jī)艙內(nèi)的VOC及氣味等污染物采取更主動(dòng)、更有效的控制方式。對(duì)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(shù)中，應(yīng)用較多的是吸附技術(shù)。吸附裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合低溫環(huán)境，對(duì)多種污染物都可有效去除，幾乎不產(chǎn)生二次污染物，但是吸附容量有限，壽命短。除吸附技術(shù)外，熱催化技術(shù)在機(jī)艙環(huán)境中的應(yīng)用也有一定潛力。催化材料會(huì)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(nèi)的多數(shù)催化材料的催化活性都不高，且一種催化材料往往只對(duì)特定的某幾種污染物有較高的催化效果，而實(shí)際條件下污染物的種類都是很復(fù)雜的。另外，由于反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜、停留時(shí)間過長(zhǎng)及安全與穩(wěn)定性等原因，雖已有將光催化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)艙中去除VOC的相關(guān)研究，但并無應(yīng)用實(shí)例；尚沒有將低溫等離子技術(shù)應(yīng)用到機(jī)艙環(huán)境中的研究。而對(duì)于新風(fēng)中必須去除的臭氧，熱催化技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)商業(yè)化，且趨于成熟。但我國(guó)在該領(lǐng)域仍處于起步階段，目前筆者正進(jìn)行低溫下催化分解臭氧的相關(guān)研究。綜合考慮臭氧與VOC的去除，筆者認(rèn)為熱催化技術(shù)是最有應(yīng)用潛力的。其關(guān)鍵在于開發(fā)常溫或中低溫條件下，針對(duì)機(jī)艙內(nèi)氣態(tài)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(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢(shì)更大。對(duì)于熱催化材料應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，傳統(tǒng)的填充床結(jié)構(gòu)阻力較大，但效率較高，仍有一定的應(yīng)用價(jià)值；也可參考現(xiàn)有的顆粒物過濾器，將催化材料與濾紙結(jié)合，制成氣態(tài)污染物過濾器；整體式蜂窩催化轉(zhuǎn)化器的阻力較小，在能耗方面有較大優(yōu)勢(shì)，合適的催化材料與負(fù)載方式將成為其應(yīng)用的關(guān)鍵。

作者：陸義裴晶晶韓旭劉魯萌劉俊杰單位：天津大學(xué)