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2023年10月4日发(作者：郭东坡)
光催化空气净化器的设计及
甲醛降解的实验研究
重庆大学硕士学位论文
（学术学位）
学生姓名：王小艳
指导教师：郑 洁 教 授
专 业：供热、供燃气、通风及空调工程
学科门类：工 学
重庆大学城市建设与环境工程学院
二O一四年五月
The Design of A Photocatalytic Air Purifier
and Experimental Study of Formaldehyde
Degradation
A Thesis Submitted to ChongqingUniversity
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’ Degree of Engineering
By
Wang Xiaoyan
Supervised by Prof. Zheng Jie
Specialty: Heating, Gassing, Ventilating and
Air-Conditioning Engineering
中文摘要
摘 要
甲醛广泛存在于环境中，是室内空气主要污染物之一，长期接触会对人体健
康产生诸多不利的影响。因此，甲醛的去除是目前亟待解决的问题之一。近年来，
光催化氧化技术以其反应速率快、反应彻底等优点成为室内空气净化的研究热点。
针对现有的研究，如何将光催化氧化技术更好的应用到实际中，实现光催化空气
净化器的小型化、实用化、廉价化具有重要的理论与实践意义。
本文首先根据光催化反应原理设计了一种结构简单的壁挂式光催化空气净化
器并与厂家合作制作出一台样机，理论上可以提高光催化的反应速率；其次通过
搭建实验平台、设计实验方案、制备实验材料，研究本实验装置对甲醛的降解效
果，并与传统的平板式反应器进行对比分析；然后通过选择几个可控的影响因素
设计了正交实验，并利用数理统计的知识对实验结果进行直观分析与方差分析，
以确定本实验装置的最佳配比条件；最后在最佳配比条件下进行实验，确定本实
验装置的最理想净化效果。主要研究成果如下：
① 在相同的实验条件下，将本装置与传统的平板式反应器对比分析，可得到
本装置较平板式反应器降解效果更好，降解效率提高了14%。
② 通过设计正交实验可得，在实验条件范围内自行设计的光催化空气净化器
的最佳配比条件为：初始浓度为0.7 mg/m，环境温度为25℃，P25TiO的负载量
3
2
为1.0mg/cm。
2
③ 通过方差分析可知，在环境温度、污染物初始浓度及负载量等几个可控因
素下，其各自对光催化空气净化器的影响存在显著性差异，显著性水平为：环境
温度＞甲醛初始浓度＞P25TiO的负载量。
2
④ 在最佳配比条件下的总衰减实验中甲醛的降解效率在120min内可达到
89%，总衰减系数达到0.02，降解效果较好，将环境测试舱体积转换为标准体积可
得本装置的净化效能属于C级范围。
关键词：光催化氧化技术，空气净化器，甲醛，净化效果
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
Formaldehyde is widely present in the environment, as one of the main pollutants
in the air will produced many adverse impact on human health if long-term exposure.
Therefore, the removal of formaldehyde has been a serious problem to be solved at
present. In recent years, photocatalytic oxidation technology with its advantages such as
the fast reaction rate, the complete reaction, etc. has becomed a study focus in indoor air
purification. For the current studies, it has important theoretical and practical
significance to study how to apply photocatalytic oxidation technology to practice
preferably and how to achieve the photocatalytic air purifier with small, practical and
low-cost technology.
Firstly, a simple structure wall-mounted photocatalytic air purifier was designed
according to the principle of photocatalytic reactions and maded into a model machine
with a manufacturer, which can improve the reaction rate of photocatalytic in theory;
Secondly, a experimental platform was builded, program was designed and materials
were prepared to study the degradation effect of formaldehyde and compretive analysis
with traditional flat- type reactor; Then, a orthogonal experiment was designed through
the setting of several controllable factors and the experimental results were analysis
with intuitive and variance method by using mathematical statistics knowledge to
determine the best matching conditions of the experimental device; Finally, made
experiment under the best matching conditions to determine the best purification effect
of the experimental device. Main research results are as follows:
① Compaired with the traditional flat- type reactor under the same experimental
conditions, the result says that this device was better than the flat-type reactor on
degradation and the degradation efficiency increased by 14%.
② The results by the orthogonal experiment showed that, the best operating
conditions of self-made photocatalytic air purifier were initial concentration of
formaldehyde 0.7mg/m, environmental temperature 25℃ and P25TiO capacity
3
2
1mg/cm in the range of experimental conditions.
2
③ By analysis of variance, the several controllable factors such as environmental
temperature, initial concentration of pollutant and capacity of photocatalyst existed
significant differences impact on air purifier, the influence of the level of significance as
follows: environmental temperature > initial concentration of formaldehyde > P25TiO
2
III
重庆大学硕士学位论文
capacity.
④ Under the best matching conditions, the rate of degradation of formaldehyde
can be achieved 89% within 120min in the total attenuation experiment and the
coefficient of total attenuation reached 0.02, the degradation is better and it follows that
the purification efficiency of this device belongs to Class C range by converting the
environmental test chamber volume to the purification standard volume.
Keywords: Photocatalytic Oxidation Technology, Air Purifier, Formaldehyde,
Purification Effect
IV
目 录
目 录
中文摘要
.......................................................................................................................................... I
英文摘要
....................................................................................................................................... III
1 绪 论
......................................................................................................................................... 1
1.1 课题的研究背景及意义 ........................................................................................................ 1
1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................... 3
1.2.1 光催化氧化技术的应用 ................................................................................................ 3
1.2.2 光催化反应速率的影响因素研究 ................................................................................ 4
1.2.3 光催化空气净化器的研究进展 .................................................................................... 6
1.3 课题来源及主要研究工作 .................................................................................................... 7
1.3.1 课题主要来源 ................................................................................................................ 7
1.3.2 课题主要研究内容 ........................................................................................................ 7
1.3.3 技术路线 ........................................................................................................................ 8
1.4 本章小结 ................................................................................................................................ 8
2 光催化空气净化器的设计
.............................................................................................. 9
2.1 光催化氧化技术 .................................................................................................................... 9
2.1.1 半导体光催化反应机理研究 ........................................................................................ 9
2.1.2 光催化作用特点 .......................................................................................................... 11
2.2 光催化反应器的类型 .......................................................................................................... 11
2.3 壁挂式光催化空气净化器的设计 ...................................................................................... 14
2.3.1 壁挂式光催化空气净化器的设计方案 ...................................................................... 14
2.3.2 壁挂式光催化空气净化器的工作历程 ...................................................................... 16
2.3.3 壁挂式光催化空气净化器的样机制作 ...................................................................... 17
2.4 本章小结 .............................................................................................................................. 18
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
............................................................ 19
3.1 实验目的 .............................................................................................................................. 19
3.2 实验材料制备与仪器设备 .................................................................................................. 19
3.2.1 TiO光催化剂膜的制备 ............................................................................................... 19
2
3.2.2 甲醛挥发液的制备 ...................................................................................................... 22
3.2.3 实验装置与仪器设备 .................................................................................................. 23
3.3 实验方案设计 ...................................................................................................................... 25
3.3.1 实验系统 ...................................................................................................................... 25
V
重庆大学硕士学位论文
3.3.2 对比实验 ...................................................................................................................... 27
3.3.3 影响因素实验 .............................................................................................................. 27
3.3.4 性能评价实验 .............................................................................................................. 29
3.4 实验步骤 .............................................................................................................................. 29
3.4.1 环境测试舱气密性检测 .............................................................................................. 29
3.4.2 对比实验 ...................................................................................................................... 30
3.4.3 影响因素实验 .............................................................................................................. 31
3.4.5 性能评价实验 .............................................................................................................. 33
3.5 计算方法 ......................................................................................................................... 33
[67]
3.5.1 实验数据点取舍规则 .................................................................................................. 33
3.5.2 衰减常数的计算 .......................................................................................................... 33
3.5.3 性能指标的计算 .......................................................................................................... 34
3.6 本章小结 .............................................................................................................................. 35
4 实验数据处理及结果分析
............................................................................................ 37
4.1 气密性实验 .......................................................................................................................... 37
4.2 对比实验 .............................................................................................................................. 38
4.3 影响因素的实验 .................................................................................................................. 39
4.3.1 实验结果计算及分析 .................................................................................................. 40
4.3.2 正交实验结果分析 ...................................................................................................... 53
4.4 空气净化器的性能评价 ...................................................................................................... 57
4.5 本章小结 .............................................................................................................................. 59
5 结论与展望
............................................................................................................................ 61
5.1 主要结论 .............................................................................................................................. 61
5.2 创新点 .................................................................................................................................. 61
5.3 展望 ...................................................................................................................................... 61
致 谢
...................................................................................................................................... 63
参考文献
...................................................................................................................................... 65
A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录： ................................................................... 71
B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录： ................................................................... 71
C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况 ............................................................... 71
VI
1 绪 论
1 绪 论
1.1 课题的研究背景及意义
随着社会经济的高速发展及人们生活水平的提高，人们对室内环境的舒适、
健康、高效提出了更高的要求，在带动了室内装修和现代化浪潮兴起的同时，室
内空气品质也越来越受关注。研究结果表明室内大量的挥发性有机化合物(Volatile
Organic Compounds，简称 VOCs)是导致室内空气品质下降的直接原因。人们的
[1]
居住及工作场所中常见的装饰品、日用品及大量的石油产品均能释放挥发性有机
化合物，尤其是室内装修所使用的油漆、涂料及各种建筑材料等是主要的污染来
源。如果长期生活和工作在空气品质恶劣的环境中，人们将会表现出一系列如头
[2]
痛、恶心、困倦等病态反应，医学上将其称之为―病态建筑综合症，特别是室内
[3]
空气中挥发性有机化合物对人体的神经系统、呼吸系统及心血管系统均能产生不
良影响，情况严重时还会致癌。在这些有机污染物中，甲醛易溶于水，且室内
[4][5]
来源广泛、释放浓度较高，经调查研究分析甲醛的污染最为严重，因此受到人们
[6]
的普遍关注。
事实上，早在上个世纪70年代末，人类就已经认识到室内空气质量问题，许
多国家的政府机构和学者纷纷开展了对室内空气污染的防治研究工作。美国于
1990年提出的《清洁空气法》中列举了 189 种污染气体，其中绝大部分是挥发性
有机化合物。对于挥发性有机化合物的定义，不同的机构有其不同的侧重点，例
[7]
如美国联邦环保署（EPA）注重强调含碳化合物以及参与光化学反应而世界卫生
[4]
组织（WHO，1989）则对物质的沸点有所界定。
[8]
在我国由于新建建筑多，装修量大，室内VOCs污染问题相对于发达国家要
严重的多。2003 年 6 月，闫斌等在石家庄市选择了220 户装修时间在两年之
[9]
内的家庭进行了调查，检测结果显示：氨、苯、甲醛、甲苯等的超标率分别为42.13%，
5.39%，51.63%和7.46%。2010年，朱迪迪等将我国按气候特征划分为东北、华
[10]
北、华东等地，总结了各地对室内空气检测的结果，从其统计的数据可以看出，
在众多污染物中依然是甲醛的超标率最高，能达到85%，因此对于甲醛的治理势
在必行。
以上所述均显示，无论在国内还是国外，室内空气污染问题已严重危害到人
类健康，因此，许多研究机构及学者致力于研究室内空气品质的改善措施，具体
可归纳为以下三个方面：
① 污染源控制：室内空气污染物主要来源于建筑材料的散发，因此，日本、
美国等发达国家已经开始研究室内建筑材料中VOCs的散发机理与特性并制定了
1
重庆大学硕士学位论文
相关标准，对建筑材料的使用进行了限制，一定程度上抑制了污染物的散发。
[11]
然而，污染源控制涉及到众多学科综合治理的问题且受限于科技和经济水平，在
实际应用中存在一定的局限性，对于已建建筑物的作用并不明显，因此，目前从
污染源控制入手改善室内环境是一个较困难且长期的过程。
② 通风稀释：利用新风稀释是改善室内空气品质比较有效的方法之一，但自
70年代以来，由于节能意识的提高，建筑物的封闭性加强，空调的入室新风量减
少，使得通风稀释受到了一定的限制。另外，随着大气污染问题的日益严重，往
往新风本身所含的污染物浓度就很高，这就加大了空调能耗。因此，通风稀释受
到了一定的地域、气象条件及大环境空气质量的限制，合理的通风方式与气流组
织关系到能否利用通风稀释改善室内空气质量。对于这方面的研究已得到不少
[12]
结论， 2000年，马仁民便在其论文中分析了通风效率与污染物浓度的关系，并
[13]
提出增加通风效率的策略。
③ 空气净化：采用空气净化器去除室内空气污染物是一种行之有效的方法之
一，特别是在新风量受到限制的条件下。随着室内空气品质呈现逐渐恶劣的趋势，
促使空气净化器的市场逐渐活跃。利用静电技术、光催化等技术的新型净化器
[14]
更是取代了传统的仅能消除颗粒物的空气净化器。
通过上述三种方法的比较，不难看出空气净化技术已成为改善室内空气品质
最具前景的方法，而空气净化技术目前可分为以下几种方法，具体方法及特点如
表1.1所示：
[15][16][17]
表1.1 几种室内空气净化技术的特点
Table 1.1 The main technology of indoor air purification
空气净化技术 适用污染物类型 主要特点
物理吸附 颗粒、化学 去除效率低、需定时更换
植物净化 化学、颗粒 效率低、所需时间久、性能不稳定
臭氧氧化 生物、化学 去除效果不明显，O有害健康
空气负离子技术 颗粒、生物、化学 产生的离子有害健康
光催化氧化技术 化学、生物 能净化几乎所有化学污染物
3
根据上表可知，光催化氧化技术以其对污染物的无选择性及使用寿命长等优
点在众多的室内空气净化方法中脱颖而出。目前已有许多专家及学者对光催化氧
化技术从机理、材料、应用等各方面进行了研究，均取得了一定的成效，为光催
化在环境领域方面的发展奠定了重要的基础。
[18][19]
本课题在这个背景下提出，并以甲醛作为目标污染物，研究光催化氧化技术
2
1 绪 论
在空气净化领域的应用。甲醛主要来源于建筑材料、塑料、涂料、家私等，是广
泛存在于室内且浓度严重超标的污染物之一，能够利用较好的净化技术去除甲醛
是目前研究的热点问题。本论文根据已有的研究，自行设计了光催化空气净化器，
将光催化氧化技术应用到去除甲醛的实践中，并研究了其降解甲醛的影响因素，
对其净化效果进行了分析。为光催化氧化技术在空气净化领域的进一步产业化奠
定实验基础，为光催化空气净化器的发展提供更多的依据，对改善室内空气品质
具有重要的实践意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 光催化氧化技术的应用
1972 年日本人Fujishima和Honda 发表在《Nature》杂志上以水分解为研
[20]
究内容的论文被称为光催化研究领域的开端，论文中的实验条件为水在紫外光照
下，并以TiO为光阳极，最终可分解为H与O。此后，光催化被应用于化工、
222
能源等多个领域，在环境污染治理方面有很广泛的研究与应用前景。
1995年Hoffmann等人在研究中发现，利用半导体光催化技术将成为最有
[21]
前景的环境治理手段，无论在空气净化、污水治理还是有毒或危险污染物治理方
面都能发挥很大的作用。TiO、ZnO、FeO、ZnS、CdS及PbS等均为常用的光催
223
化剂。其中 TiO以其化学性质稳定、抗光腐蚀、无毒及廉价易得等优点而最具实
2
用意义, 尤其是纳米级TiO更是广大学者研究的焦点。
2
[22]
2006年Paul C等人通过建立了一种新型的旋转蜂窝状并涂有吸附剂的光催
[23]
化反应器模型研究光催化剂降解甲醛的效率及影响因素，结果表明光催化剂降解
甲醛的速率在合适的温度下符合一级速率常数，他所建立的模型与其他文献中报
道的计算吻合良好。
2003年北京工业大学的尹雪云在其论文中主要研究了纳米TiO涂料的光催
[24]
2
化性能以及目前销售的几种光催化空气净化器的性能。测试结果表明：其自制的
TiO颗粒对二氧化氮、二氧化硫及甲醛等室内空气污染物均有较好的降解效果并
2
列举了几种光催化空气净化器所存在的一些技术问题，如纳米材料负载的不够牢
固或几乎没有起到作用等，其研究为今后光催化空气净化器的研制开发奠定了技
术基础。
2004年王琨等对新住户及现有住户重新装修后的住宅进行检测，重点考察
[25]
了甲醛等室内空气污染较严重的气体，并通过采用通风、臭氧氧化、光催化等技
术对室内污染气体的降解效果进行了实验研究。实验结果表明，光催化氧化技术
在降解甲醛的实验中去除效果明显，但存在限制条件，即净化器的最佳开启时间
需在30min左右。
3
重庆大学硕士学位论文
上海交通大学的杨莉萍的论文中采用光催化氧化技术的方法并以甲醛为目
[26]
标污染物，通过与中央空调相结合等特点，分别从光催化反应速率的影响因素、
光催化空气净化器的性能研究等方面进行了较为系统的研究。并得出以下结论：
通过建立能够预测光催化剂最佳厚度的模型，得出光催化剂的膜厚对于反应速率
存在最佳的范围，而对于光强的使用情况，则得出能够激发电子的最大光强的范
围是很大的，在实际应用中均能满足要求。
1.2.2 光催化反应速率的影响因素研究
在对光催化技术理论研究的基础上，很多学者致力于研究光催化技术降解室
内VOCs的影响因素，以求得到其与光催化降解速率的关系，找到关键影响因素。
在这些研究结果中得出光催化降解 VOCs 技术的主要环境影响因素比较多，主要
包括污染物初始浓度、空气温度、空气湿度、光强、氧气浓度、停留时间等。下
面分别对几种影响因素的研究进行介绍：
1) 污染物初始浓度的影响：根据化学反应的知识可知初始浓度对反应生成物
及反应速率有一定的影响，因此也是反应过程中一个重要的影响因素。杨瑞等
[27]
使用吸附材料丝光沸石与一种常用光催化剂材料TiO的混合材料研究其降解甲醛
2
的情况，实验得出，当甲醛的初始浓度在2.29mg/m以下时，其转化率与初始浓度
3
没有直接关系；当初始浓度达到4.11mg/m时，甲醛的转化率会随着初始浓度的升
3
高而呈现下降趋势。齐虹采用连续流光催化反应器研究光催化氧化技术处理甲
[28]
醛气体，并研究了影响反应速率的因素。论文所研究的甲醛初始浓度范围为 400～
2500mg/m，实验得出：甲醛的降解效率与甲醛初始浓度呈现负相关关系。
3
2) 空气温度的影响：空气温度对光催化反应产生一定的影响，从微观上来分
析，温度会影响光催化剂表面反应，即吸附、化学和脱附反应，早在1999年，便
有学者对这方面进行了研究，其认为温度对光催化反应的影响是多方面的，既影
响了反应速率及表面的吸附作用，同时还会对光催化剂表面的活化分子数以及反
应生成物有影响，因此对于温度的影响应综合考虑。Obee和 Brown研究了在
[29][30]
使用蜂窝型光催化反应器降解低浓度（100ppb）甲苯、甲醛的污染气体的测试中
空气温度对反应速率的影响。研究中反应的温度范围为 13～60℃，均发现随着反
应温度的升高，光催化反应速率呈现上升趋势。齐虹采用气-固相光催化反应器，
[28]
在相对湿度为30%时，设定了甲醛初始浓度为 2512mg/m，分别研究了三种不同
3
实验温度（27.8℃、24.4℃、19.9℃）对甲醛降解效率的影响，并通过实验得出了
以下结论：在常温下，甲醛的降解效率会随着温度的升高而呈现上升的趋势；不
同温度条件下，甲醛随时间变化的浓度值与初始浓度的自然对数与反应时间呈线
性关系，即浓度值与时间呈现指数关系。
3) 空气湿度的影响：空气中的水蒸气会影响光催化反应，这与其反应机理有
4
1 绪 论
关，主要影响光催化剂反应中烃基自由基的生成。早在1992年，Dibble 和Raupp
[31]
便进行了湿度对反应影响的研究，结果发现较低浓度的水蒸气对反应速率没有直
接影响，较高浓度的水蒸气可能会抑制反应的进行。因此，光催化反应中水蒸气
的含量对反应的影响存在最佳值，反应中既不能没有水蒸气参与，还需要控制好
水蒸气的浓度。蒋贞贞等的研究中也得到了相同的结论，认为纳米TiO对水分
[32]
2
子存在吸附饱和现象。沈文浩等利用自制的光催化反应系统，采用纳米级TiO
[33]
2
光催化剂并以甲醛作为研究对象，主要考察了环境相对湿度对光催化降解甲醛的
反应是否存在明显影响。研究结果表明：纳米TiO光催化降解甲醛存在最佳的相
2
对湿度值，并检测出这个值为50%，这与其他学者的研究结果一致。
4) 光强的影响：在了解光催化反应的过程中，可知道反应必不可少的条件即
光源，也就是反应所需的能量，因此，光强在光催化氧化反应过程中起到重要作
用。Jeong等在研究TiO光催化剂降解甲醛的实验中，考虑了三种光源对反应
[34]
2
的影响，这三种光源的波长分别为365.0 nm、253.7nm及253.7nm与185.0nm的混
合光源，实验结果表明，在不同光源的激发下，甲醛的降解效率会随着紫外光波
长的减小逐渐升高，与光强的关系也是如此。Obee等认为光强对光催化反应的
[30]
影响存在分界线，其实验结果表明，当光强在1353 mw/m以上时，光强的平方根
2
与反应速率呈现正比关系，在1353 mw/m以下时，光强与反应速率呈现正比关系。
2
戴智铭等系统的研究了光强对反应的影响，并建立了简单的动力学模型，其研
[35]
究结果与上述研究结果一致，均得出在较小的光强下，光强与反应速率呈现正比
关系，光强较大时，光强的平方根与反应速率呈现正比关系，而光强极大时，光
强与反应速率反而没有直接关系。
5) 氧气浓度的影响：氧气对光催化反应的影响可从其反应机理来解释，与水
蒸气一样，氧气在光催化反应过程中是良好的氧化剂，其与反应速率的关系也与
水蒸气类似，存在一个最佳值，当在催化剂表面达到饱和吸附时，再继续增大
[36]
氧气浓度已不再对反应速率产生影响。杨建军等采用程序升温脱附等物理方法
[37]
对甲醛的光催化降解进行了研究，分析了实验过程中甲醛的吸附状态、反应过程
等，最终得出了以下结论：吸附在催化剂表面的氧气，被光催化剂经紫外光激发
产生的光生电子还原为超氧负离子，甲醛在最终降解为二氧化碳时的中间产物为
甲酸。
6) 停留时间的影响：发生光催化反应的条件之一即污染气体需与光催化剂表
面进行接触，而气体污染物与光催化剂的接触时间取决于其在反应器内的停留时
间。因此，研究停留时间对反应的影响对反应器的改进具有重大意义。有关停留
时间与反应速率的关系在现有研究中的结论比较一致，即光催化反应速率会随着
污染物与光催化剂接触时间的加长而增大。
[38][39]
5
重庆大学硕士学位论文
7) 光催化剂负载量的影响：在制备光催化剂薄膜的过程中，选择合适的负载
量对反应系统有很大的影响，负载量过多会使反应不充分，当紫外光强不发生变
化的情况下，所能激发的光催化剂的比例将减少，还会导致催化剂浪费等，负载
量过少会使紫外光直接穿透光催化剂涂层，导致催化剂表面得到的紫外光强减弱，
从而使光催化降解效果降低，净化器达不到最佳的效果，选择合适的负载量对研
究光催化反应有重要的作用。2010年，丁春生等研究TiO光催化剂的制备中发
[40]
2
现，TiO光催化剂的用量对反应效率有一定的影响，并在实验测试中得出当TiO
22
质量浓度为2.5%-5%时，其光催化氧化效率最高，而不在这个浓度范围的光催化
氧化效率都有所降低。浙江大学的王韶显在制备溶胶的过程中，通过掺杂不同
[41]
质量的p25TiO粉末来分析最佳的光催化反应条件，结果显示p25的添加量在50%
2
以下时，对光催化反应速率没有很大的影响，添加量在50%以上时，可显著提高
光催化反应速率，待添加量达到100%时，效果与50%的情况差别不大。
1.2.3 光催化空气净化器的研究进展
采用空气净化器已成为目前应用最为广泛的技术，尤其是在冬季供暖及夏季
使用空调等特殊期间，效果更为显著。经研究人员总结空气净化器发展到现在
[42]
大致经历了三个不同时期：第一个时期主要以过滤、吸附等物理方法设计的产品
为主；第二个时期主要以增加了静电除尘、臭氧氧化等技术的产品为主；第三个
时期则以采用了先进的技术手段，增加了高效光催化氧化技术的产品为主。
[43]
哈尔滨工业大学的李玉华 设计了填充式光催化反应器，其实验过程选取了
[2]
纳米TiO光催化剂并以玻璃珠作为其载体，通过实验研究考察了其降解低浓度甲
2
醛的性能以及各种反应操作条件对降解甲醛的影响。结合实验数据，进行了动力
学分析得出适合其反应器的甲醛光催化反应速率方程。
浙江大学的王韶显 在其论文中主要研究适用于室内净化的光催化设备，制
[41]
备了光催化组件并探讨了其降解低浓度甲苯的光催化性能。实验过程中采用3m
3
的环境舱模拟实际工况，研究了甲苯的初始浓度、气体流速以及光照强度等对光
催化的影响，通过对实验数据的分析研发了空气净化器样机，并对其进行了测试，
为光催化氧化技术应用于室内空气净化领域提供了实验依据。
2007年Riffate等人设计了一种新型的纤维束式空气净化装置（mop-fan air
[44]
cleaning system）。其外壳类似离心式风机，紫外光源置于轴心，柔软而有韧性的聚
合纤维固定在中心轴上并呈放射状散开。每一根纤维的表面上都涂有 TiO光催化
2
剂，当马达带动中心轴转动时，固定在轴上的聚合纤维束随之旋转。由旋转过程
形成的负压不断引导受污染空气从轴向进气口进入反应器，并通过负载有光催化
剂的聚合纤维束。其中所含的污染物，经过光催化氧化反应降解，洁净的空气从
出口排除。通过试验，确定了反应器在最佳工作状态下纤维的直径、数量、光源
6
1 绪 论
强度和空气流量等。
David Minzae Lee等人通过控制气流速度研究了几种不同形式的光催化反
[45]
应器，研究结果表明单切线入口的反应器相对于其他形式如双切线入口及径向入
口的反应器有更好的降解效果，这是由于气流在反应器内有更长的流动距离，增
加了污染气体与光催化剂的反应时间，从而提高了光催化剂的净化效率。
刘韦汝设计的光催化空气净化设备，主要设备有旋转驱动装置、紫外线照
[46]
射器以及扇叶等，在其壳体处设置有开口。扇叶表面附有光触媒层，随驱动装置
转动时，可使净化后的空气迅速流通，从而提高室内或区域空间内的空气净化效
率。
大连理工大学的赵桂芳以甲醛作为目标污染物，对净化器的结构进行了对
[47]
比研究，通过比较几种反应器类型的降解效果，如内部结构为圆筒状与层片状等，
最终得出将内部结构设计成齿轮状，有更好的降解效果。其研究结果，对空气净
化器的结构的优化设计提供了依据。
1.3 课题来源及主要研究工作
1.3.1 课题主要来源
本课题来源于重庆市建设科技计划项目—子课题―改善室内环境技术应用、产
业化及工程示范-改善室内空气质量技术与工程示范‖，项目号：城科字2013第
（1-5-2）号。
1.3.2 课题主要研究内容
近年来，光催化氧化技术在环境净化方面取得了许多研究成果，通过对上述
国内外研究现状的总结可知，光催化氧化技术得到了很好的发展。但能够将理论
知识应用到实践中，真正实现光催化空气净化器的市场化还需要进一步的研究工
作。本课题的主要目的是设计一种小型的壁挂式光催化空气净化器，研究一些可
控的环境参数对光催化氧化技术降解甲醛的影响，并通过分析实验数据，得出本
实验装置降解甲醛的最优条件。同时分析本装置的净化性能，为最终实现产业化
提供实验依据。具体研究内容如下：
① 通过分析光催化氧化技术的理论基础与反应条件，设计一种小型、结构简
单、紫外光利用效率高的壁挂式光催化空气净化器并制作出样机。
② 制备光催化剂薄膜及甲醛挥发液，建立一反应环境测试舱，通过搭建实验
平台，制定实验方案，研究光催化空气净化器的性能，并与传统的平板式反应器
进行对比分析。
③ 设计正交实验研究本空气净化器在甲醛初始浓度、环境温度、光催化剂负
载量等影响因素的最佳配比条件。
7
重庆大学硕士学位论文
④ 确定本实验装置降解甲醛的最佳配比条件后，在此条件下分析光催化空气
净化器的最佳降解效果。
1.3.3 技术路线
为完成上述研究内容，本论文的具体技术路线如下图所示：
图1.1 技术路线示意图
Figure 1.1 The schematic view of technology roadmap
1.4 本章小结
随着室内空气质量问题的日益恶劣以及人们环境意识的不断加强，室内空气
质量问题成为了世界各国的政府机构及广大专家、学者关注的热点问题。如何利
用光催化等高新技术，设计出一种结构简单、净化效率高的空气净化器，是实现
光催化净化器产业化中急需解决的难点之一。本章对国内外光催化技术的应用及
其影响因素的的研究现状进行了总结和分析，并在此基础上提出了本文的主要研
究内容及具体的技术路线，探讨了在该领域的研究意义。
8
2 光催化空气净化器的设计
2 光催化空气净化器的设计
光催化氧化技术以其反应速率高、无二次污染等优点广泛应用于污水治理、
洁净空气等领域。目前已有大量研究采用光催化氧化技术去除室内污染物，也有
不少关于光催化空气净化器的专利应运而生，但实际应用到市场中的却并不多，
因此，本文通过对光催化理论基础的分析，考虑一些能够增大光催化净化效率的
改进，设计了一种结构简单、净化效率高的光催化空气净化器。
2.1 光催化氧化技术
2.1.1 半导体光催化反应机理研究
理想晶体的电子能谱是由能量间隙组成的，这些间隙都是被能级（即允许能
带）所填满，并被一些没有电子能级的带隙所分开。当温度处于绝对零度时，电
子将填满较低能级。按照电子的数目，填满较低的允许能带后，留下的是较高能
带，而这些较高能带是空的。被填满的允许能带中最高的能带称为价带，没被填
满的允许能带中的最低能带称为导带。对于半导体来说，其一些基本特性如电学、
电化学、光学等性质主要取决于半导体的能带结构。
由于TiO的研究较多，因此以TiO为例，介绍半导体的能带结构。经研究知，
22
TiO是一种n型半导体，其内部主要由如上所述的导带及价带构成，而导带与价
2
带之间的空隙被称之为禁带，表示能量间隙，当用能量大于或等于禁带能量的光
照射半导体时，就会产生电子的跃迁。TiO拥有广阔的禁带宽度，在3.0~3.2eV之
2
间，有研究证明，锐钛矿相TiO的能量为387.5 nm，即当它被波长小于或
[48][49][50]
2
等于 387.5 nm的光照射时，伴随着电子的跃迁，会形成光生电子（e）与光生空
-
穴（h）。在光氧化反应过程中，光生空穴可以从电子供体上得到电子，而光生电
+
子就可以转移到电子受体上，最终将产生氧化供体与还原受体等参与反应。例如
空穴（h）可以使HO氧化，电子（e）可以使O还原，还可以直接与污染物质
+-
22
发生反应，因此也是光催化作用的主要基础。经研究，TiO上的光催化基本原理
2
如图2.1所示：
[51]
9
重庆大学硕士学位论文
图2.1 TiO上的光催化基本原理示意图
2
Fig. 2.1 The basic schematic diagram of Photocatalytic on titanium dioxide
图中，TiO粒子经过紫外光（hv表示）的激发产生了电子／空穴对（electron
2
/ hole pair），二者分别向粒子表面迁移，迁移过程中根据条件可能存在四种路线。
路线A与B表示光生电子与空穴又重新复合的过程，这是由于在二者迁移过程中，
始终存在着被表面物质俘获及相互复合的竞争。路线C表示吸附在催化剂表面
[52]
的氧（A）得到了已迁移到表面的光生电子，被还原生成超氧负离子（A）。路线
–
D表示吸附在催化剂表面的水或羟基（D）将迁移到表面的光生空穴俘获，被氧化
成了烃基自由基（D）。
+
通过对半导体理论基础的了解可知TiO光催化反应是化学物质在催化剂表面
2
发生了光化学作用的过程，实质上，TiO光催化反应的机理很复杂，在空间有限
2
的反应区域内同时进行着大量的氧化还原反应。杨世迎认为TiO的价带空
[53][54][54]
2
穴是很强的氧化剂，对反应物几乎没有选择性，因此，本文在研究光催化降解甲
醛的反应中选择TiO作为光催化剂。研究表明，TiO光催化反应降解微量甲醛的
22
反应可能机理如下所示：
[55][56][57]
hv
TiOhe
2
（2.1）
hOHOH
ads
（2.2）
（2.3）
10
hHOOHH
2ads
2 光催化空气净化器的设计
eOO
2ads2
（2.4）
2
HCHOOHCHOHO
TiO
2
（2.5）
（2.6）
（2.7）
CHOOHHCOOH
HCHOH
CHOOCHOHCOOOHHCOOH
23
HOH
HCOOHCHOOHOCO
22
（2.8）
h
CHOOHCO
2
或 （2.9）
（2.10）
COCO
22
O,OH,h
2
式中，ads下标表示吸附在表面的氧气、水蒸气及烃基自由基等，由上式可知，
甲醛在光催化反应过程中产生了中间产物甲酸（CHO），经过一系列氧化还原反
22
应最终被降解为无害的HO和CO。
22
2.1.2 光催化作用特点
光催化是一项很新的技术，其材料制备、研究等需要涉及多个学科领域且要
求精度较高，制剂的颗粒粒径必须达到10nm以下，可以制成各种成品。光催化作
用主要特点有：
[58]
① 作用范围广：在光催化反应过程中，不仅能破坏生物因子，也能破坏各种
有机化学物质，几乎能降解所有污染物，包括烷烃、芳香烃等；
② 反应温和：研究表明，光催化反应过程中参与反应的氧主要来源于空气中
的氧分子，相比臭氧或过氧化氢等物质要温和的多；
③ 反应易进行：反应条件简单，可在常温常压的环境下进行。
④ 无害：二氧化钛催化反应最终可将污染物降解为水及二氧化碳，且本身无
害，常被应用于化妆品、牙具等产品。
2.2 光催化反应器的类型
根据光催化剂的反应形态将反应器的种类分为3种：分别为流化床式反应器、
填充床式反应器及镀膜式反应器。
几种典型反应器的结构如图2.2所示：
11
重庆大学硕士学位论文
（a）
（b）
（c） （d）
图2.2 几种典型光催化反应器的结构示意图
Fig.2.2 The schematic of several kind of typical reactor
photocatalytic
流化床式光催化反应器是一种催化剂不固定于某一位置的反应器。将光催化
剂粉末直接放入反应器内部，反应器运行时，将与进入反应器内的气体一起运动，
即一种流动式的反应过程，光催化作用直接发生在流动过程中。图 2.2（a）所
[59]
示是一种早期设计的流化床式净化器，外壳材料采用硼硅酸盐玻璃，光源是功率
为4W的紫外灯，放置于玻璃的外部，其灯光垂直照射于玻璃的壁面上。
这种形式的净化器的优点在于传质阻力小，即在反应过程中，污染气体能够
直接与光催化剂接触。但在其他方面也存在不足，首先催化剂粉末可能还未参与
反应就被污染气体带出，浪费了光催化剂，同时也降低了反应效率。其次催化剂
在反应器内部不断流动会影响紫外光的穿透作用，使其表面的光强不稳定，降低
了光效率；由于这种反应器存在以上不足且在实际应用中反应条件比较难控制，
[60]
使得流化床式反应器在空气净化方面的应用受到了限制。
12
2 光催化空气净化器的设计
填充床式光催化反应器是一种将催化剂固定于一定载体上，再将这些载体填
充于反应器内，载体一般选择结构相对紧密、多孔的物质，例如玻璃珠及石英砂
等。POZZO 等将TiO涂覆于石英砂表面, 再将其填充于通道较窄的流化床中如
[61]
2
图2.2（b）所示，其中各数字表示：1-反应槽；2-玻璃珠；3-紫外灯；4-滑动
出口；5-附有TiO2的石英砂；6-特氟隆网，其设计的反应器依然将紫外灯管放置
于反应器的外部，污染气体流入反应槽内即可发生光催化反应。
与流化床式反应器相比，填充床式反应器很好的解决了内部光催化剂的固定
问题，即由于光催化剂均固定于载体上，因此气流通过时不会轻易将其带出，这
种反应器用于污水处理时，也是很好地解决了光催化剂与溶液的分离问题，但是,
当溶液浓度增加时, 溶液对光的吸收较强, 对光的利用率较低, 致使反应成本高而
限制了应用。
[62]
镀膜光催化反应器也是一种将催化剂固定于载体上的类型，但催化剂是用膜
的形式表现，通常是将光催化剂直接涂覆于适用于成膜的载体上，例如反应器壁
面、玻璃表面、灯管壁面、光导纤维等材料表面，紫外光直接照射于催化剂薄膜
上，这样便可降解吸附于催化剂薄膜表面的污染物。目前这种反应器的应用十分
普遍，主要有管状、环状、平板等各种形式。
图2.2（c）所示为一种平板式光催化反应器，其原理为：将光催化剂涂附
[30]
在平板表面，在平板的上方安装有紫外灯管，污染气体通过中间的夹层，光催化
剂在紫外灯的照射下发生作用，将污染气体氧化还原，即污染气体通过此平板反
应器后被净化，以此达到净化空气的目的。
图2.2（d）所示为一种管状光催化反应器，其原理与平板式光催化反应器
[63]
类似，仅在结构上有所差异。管状光催化反应器是将紫外灯管固定在一管状器具
的中心轴处，而在管内壁处涂有光催化剂涂层，气体在管内流动，流出的气体即
在光催化剂与紫外灯管的作用下得到净化。
这种反应器的特点在于其条件容易控制，且形式较多，容易掌握其反应特点，
对光催化反应的研究具备有利条件，但也存在不足之处，主要问题是其传质会受
到一定的限制。污染气体需扩散到催化剂薄膜表面才能发生反应，因此对这一问
题的解决还待进一步研究。
[64]
基于以上分析可知，各类反应器均存在各自的优缺点，并没有哪一种反应器
达到理想的形式。镀膜催化剂反应器以其广泛的应用受到广大学者的关注，目前
这方面已有的研究也比较多，为后续的研究奠定了深厚的理论与实践基础。本文
在这个基础上选用镀膜催化剂反应器的类型，结合本文的研究目的，设计一种结
构简单、反应效率高的镀膜式光催化空气净化器。
13
重庆大学硕士学位论文
2.3 壁挂式光催化空气净化器的设计
2.3.1 壁挂式光催化空气净化器的设计方案
根据本章第一节所述的光催化反应原理可知光催化反应的必要条件即光催化
剂、符合波长条件的光源以及光催化剂与污染物的接触等。因此，设计一种光催
化空气净化器需要考虑的问题如下：1）灯源的选择；2）光催化剂的活性条件；3）
光催化剂与污染物是否充分接触，有充分的反应时间；4）污染物的流速等。
下面通过介绍几种简单的光催化空气净化器，以作对比分析。
图2.3（a）所示是一种光触媒空气净化器的结构示意图，外壳是一个方形
[65]
的框架，框架下方安装有过滤网，上方安装有紫外灯管，过滤网上设有光触媒涂
层，分别由图中的数字1、2、3表示。这种净化器结构非常简单，只需空气在灯
管与光触媒涂层之间的空间流通，便可以有效降解空气中有毒有害气体，然而，
该发明未考虑对紫外光的高效利用，照在方形框架内壁处的紫外光未能充分利用，
以及气体与光催化剂的接触时间非常短，影响光催化空气净化器的一次净化量，
导致净化效率不高。
（a） （b）
图2.3 两种光催化空气净化器结构示意图
Fig.2.3 The schematic view of two kinds of photocatalyst air purifier
图2.3（b）是一种光催化空气净化器结构示意图，这是一种复合型光催化
[66]
空气净化器，主要是中间部分的光催化作用，而在其前后加载了臭氧及负离子等
其他功能联合净化空气，图中各数字表示如下：1-机壳；2-进风口；3-臭氧发生器；
4-涂覆有催化剂的隔板；5-紫外灯；6-石英套管；7-臭氧分解催化剂；8-风机；9-
负离子发生器；10-透气性遮光板。这种复合结构通过各种净化技术的组合增强了
此装置的净化效果，但存在以下缺点：
① 由于其结构复杂，内部阻力元件比较多，导致其内部的气流阻力较大，若
14
2 光催化空气净化器的设计
要保证单位时间的空气净化量，只能通过加大动力的措施，这样则加大了此装置
的动力损耗；
② 由于此装置采用复合功能净化空气，虽净化效果较佳，但同时增加了成本；
③ 紫外光的利用不够充分，照在壳壁的紫外光未能充分发挥作用，造成了能
源的浪费。
通过对大量资料的总结可知，空气净化器一般包括外壳、风机、净化系统及
配电系统等几部分。本研究利用光催化氧化技术在室内空气净化的应用并综合目
前市场的需求，自行设计了一种小型的壁挂式光催化空气净化器并申请了国家专
利（申请号为）。其主要包括箱体、分隔板及进出口等，分隔板利
2.X
用弧形缺口将箱体分为若干个气体通道。弧形缺口的设计符合流体动力学特征，
流动阻力较小。本装置的主要过程即污染气体经进气口进入，首先经过进气口处
的初效过滤网过滤掉粒径较大的颗粒，然后依次经过光催化反应通道与涂覆在通
道内壁的光催化剂进行反应，最终经过净化的空气由出气口排出。自行设计的壁
挂式光催化空气净化器的结构示意图如图2.4所示：
图2.4 一种壁挂式光催化空气净化器
Fig. 2.4 One kind of wall-mounted photocatalyst air purifier
1- 箱体；2-上盖；3-下盖；4-紫外灯管；5-进气口；6-分隔板；7-弧形缺口；8-出气口；
9-初效过滤网；10-排风扇；11-气体通道
15
重庆大学硕士学位论文
针对示意图对本装置作进一步说明：一种壁挂式光催化空气净化器，通过分
隔板将箱体分成若干条气体通道（数量可调），将纳米级TiO光催化剂负载在每
2
条气体通道的右侧内壁上，紫外灯管安装在其左侧通道上，背侧可采用可透射可
见光的玻璃材料等透明材料，将其挂于窗上时可充分利用可见光，其他内壁均匀
涂有反射涂层，使得紫外光能充分照射在光催化涂层上。此装置的进气口处设有
初效过滤网，出气口处安装有排风扇。室内空气通过进气口竖向进入气体通道内。
由于分隔板上弧形缺口的连通作用，室内空气将依次通过各条气体通道，在排风
扇的带动下流动，同时在紫外灯或可见光的照射下，室内空气中的挥发性有机化
合物与纳米级二氧化钛光催化剂发生光催化氧化反应，最终生成无害的二氧化碳
和水蒸气，净化后的气体经出气口进入室内。本装置安装于室内后，可循环净化
室内空气，且使用了光催化氧化技术，使用寿命长。
本装置主要有以下优点：
1）利用端部带有弧形缺口的分隔板的设计将箱体分隔形成若干条气体通道，
这样既延长了室内空气在净化器内的流动距离，增大了光催化反应的有效面积，
同时在时间上则增大了室内空气与光催化剂的接触时间，理论上提高了光催化反
应速率；
2）在气体通道的背侧采用可透射可见光的玻璃材料，将净化器挂于窗上时，
可充分利用可见光，其他内壁则涂有反射涂层，可以将分散的紫外光反射到涂有
光催化剂的表面上，增加了光催化剂表面的紫外光强，提高了紫外光源利用率；
3）本装置结构简单，尺寸小，因此耗用材料少，制作成本低，且不需要太大
的动力装置即可循环净化室内空气，将其放在室内不会占用太大空间，亦不影响
室内美观。
2.3.2 壁挂式光催化空气净化器的工作历程
结合图2.4所示的结构图以及图中箭头的指示方向，对本装置的具体工作历程
进行以下说明。
① 使用本装置时，可以将箱体挂于室内的墙上或窗上，此时打开排风扇和紫
2 光催化空气净化器的设计
③ 利用弧形缺口的连通作用，室内空气将根据气流方向依次通过各条气体通
道，也因此延长了室内空气在净化器内的流动距离。
④ 由于气体通道的背侧采用透明材料，将其挂于窗上时可充分利用可见光，
在其他内壁均匀涂有反射涂层，可使紫外光充分照射在光催化剂涂层上。
⑤ 在出气口处排风扇的带动下，经过充分净化的室内空气最终通过出气口进
入到室内，从而达到改善室内空气品质的目的。
以上步骤即本装置净化空气的主要工作历程，从理论上分析可知，本装置有
很高的应用价值，对其具体性能的研究将在后面的章节进行。
2.3.3 壁挂式光催化空气净化器样机的制作加工
由于本装置结构简单，预期的净化效果较好，具有很好的市场价值。因此在
导师与海丰钢铁厂厂家的合作下，制作出了一台本装置的样机，以便对其性能进
行实验研究，从而可对其结构进行优化并能使其真正应用于市场上，实现光催化
空气净化器的产业化。制作过程由海丰钢铁厂负责，需解决一些实际问题，尽量
按照专利的结构要求进行制作。
样品制作过程中，将净化器的箱体材料全部采用10mm厚的PVC（polyvinyl
chloride，聚氯乙烯）材料，由于实验的测试是在一可密闭的环境测试舱内进行，
实验过程中是将空气净化器置于舱内的操作平台上，故将专利中的背部材料可以
采用的透明材料也采用了同样的材料制作，样品最终的尺寸定为长×宽×高
=60cm×24cm×30cm，相对于专利中的尺寸要小，主要是将其上盖与下盖的尺寸去
掉，直接在箱体的对应部位安装有初效过滤网及排风扇，但其原理未变，实际中
的样机更加实用化。
本装置采用的紫外灯波长为254nm，经大量研究表明，此波长的紫外灯有很
好的降解效果，可以有效降解污染物且有杀菌的作用。灯管的主要参数如下：灯
管型号为SJL-T5-8，额定功率为8w，生产厂家为中山市横栏镇斯嘉丽照明电器厂，
灯身总长为31cm，故安装在箱体内时需将其倾斜。
本装置采用的排风扇的主要参数如下：型号为MQ11025HSL，电压为220V，
电流0.1A，功率为22W，生产厂家为闽泉电机，风扇直径为11cm，将排风扇直接
安装在空气净化器的出气口处，主要起到提供动力的作用，且已知功率较小，运
行成本较低。
由于箱体材料均采用PVC材料，故在箱体内除去安装紫外灯管的一侧内壁外
其他内壁均做为光催化剂涂层，实验过程中将光催化剂涂覆在普通玻璃表面上，
玻璃厚度为5mm，再将玻璃用透明胶、双面胶等固定在箱体内壁上，即将光催化
17
重庆大学硕士学位论文
剂涂覆于箱体内表面处，实验过程中，由于设定的实验条件不同，需要重新涂覆
光催化剂涂层，此时，只需更换涂覆好TiO光催化剂薄膜的玻璃即可。
2
箱体的四周边缘处设有橡胶圈，实验过程中，将箱体的上盖放下来，进行适
当的挤压可使得空气净化器处于密闭状态中，进出口处的风速可用风速仪进行测
定，确定空气在舱内的流动速度。
自行设计的光催化空气净化器的样机内部结构图如图2.5所示：
图2.5 光催化空气净化器样机内部结构图
Fig. 2.5 The internal structure of photocatalytic air purifier prototype
2.4 本章小结
针对目前环境污染问题，光催化氧化、等离子等高新技术不断进入人们的生
活中，并以其高效的反应速率得到了广泛的应用。本章主要介绍了光催化氧化技
术原理及目前常用的光催化反应器的结构形式，重点介绍了自行设计的光催化空
气净化器的设计思路及样机制作加工过程。
18
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
本文第二章主要介绍了光催化空气净化器的设计方案及样机制作加工过程，
但其降解污染物的实际性能需要进行实验验证，因此本文选取甲醛气体作为目标
污染物，研究空气净化器对甲醛的降解效果，从而分析其净化性能。通过搭建实
验平台，设计实验方案，根据测得的净化器降解甲醛的实验数据，计算洁净空气
量等指标分析此装置的净化效果。
3.1 实验目的
本文拟通过自行设计的光催化空气净化器降解甲醛的实验研究完成下列目
的：
① 搭建实验平台，设定相同的实验条件，与传统的平板式光催化反应器进行
对比分析，判断其降解效果是否有所提高以及提高的幅度。
② 通过比较不同实验条件如污染物初始浓度、温度等，测定在不同条件下空
气净化器降解甲醛的效果，研究其降解甲醛的最佳配比条件。
通过对国内外研究现状的分析可知，光催化降解气体污染物的影响因素有很
多，例如温湿度、初始浓度等，因此本文需要考虑自行设计的光催化空气净化器
在不同影响因素下的净化效果，最终得到其净化空气的最佳配比条件。
③ 根据上述实验中所得的最佳配比的实验条件设计实验，研究本装置在最佳
运行条件下的净化性能，参照国家标准中《空气净化器》的要求进行对比分析。
[67]
我国于2002年颁布了空气净化器的标准，并于2008年进行了修订，其中对
空气净化器的术语、检验方法等做了相关规定，因此在研究空气净化器的时候应
尽可能按照标准的要求进行。
3.2 实验材料制备与仪器设备
3.2.1 TiO光催化剂膜的制备
2
① TiO薄膜的制备方法
2
近年来，人们不断研究TiO材料的制备方法，目前已开发出多种方法，主要
2
有：1）溶胶-凝胶法；2）直接选用商业用TiO法；3）浸渍负载法4）气相
[68][69]
2
沉积法；5）液相沉积法；6）电泳沉积法：7）水解沉淀法；8）偶联法：9）分子
吸附沉积法；10）阳极氧化法；11）离子交换法等。其中比较常用的有溶胶-凝胶
法、直接选用商业用TiO法及气相沉积法。下面分别对这几种方法进行简单的
2
[2]
介绍：
19
重庆大学硕士学位论文
1) 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是直接采用含钛的药品（如：TiCl、TiCl），在特有的溶液条件
34
下发生水解反应，生成TiO凝胶，再通过煅烧、干燥等步骤得到粉体状催化剂。
2
[70][71]
目前多数的研究结果显示影响凝胶-溶胶法的制备因素较多。因此，利用此方法制
备TiO薄膜需掌握合适的条件，才能达到较为理想的实验效果。
2
2) 直接选用商业用TiO法
2
目前市场上所销售的二氧化钛粉体以德国 Degussa 公司生产的 P25 TiO最
2
为常见，其以使用方便、氧化活性高、性能稳定且廉价易得等优点备受欢迎。尤
其是在实验条件很难达到其他方法所需要的要求时，直接采用商业用TiO法来研
2
究光催化在空气净化方面的应用是一种非常有效的手段。通常将P25 TiO粉末与
2
其他有机或无机粘结剂混合均匀，涂抹在玻璃等载体上，经干燥后形成薄膜，由
于纳米TiO的催化作用主要用于氧化有机物，为不影响反应过程载体常选用硅酸
2
类、活性炭等无机材料。
[72]
3) 气相沉积法
气相沉积法也是通过将含钛的药品发生化学反应的原理制备纳米材料的方
法。其过程是将含钛的药品先高温蒸发，再与水蒸气接触反应。此方法可以通
[73]
过选择环境条件如温度、流速等控制粉体粒径及晶型结构，这种方法的优点是步
骤简单能够通过将生成物质沉积于载体表面而直接形成薄膜。但这种方法需要精
密的仪器设备，前期耗材及运行费用较高，因此受到一定的限制。
② TiO薄膜的制备过程
2
由于本文主要研究的是光催化空气净化器的设计及其降解甲醛的性能研究，
对光催化材料的制备要求低，因此在光催化材料的制备方面直接选用上述第二种
方法介绍的 P25TiO粉体。下面简单介绍一下P25的特性，其部分化学物理特性如
2
表3.1所示：
表3.1 德固赛P25物理化学特性
Tab.3.1 Degussa P25 physical and chenical properties
德固赛P25性质 单位 典型值
比表面积 m/g 50±15
平均粒径 nm 21
压实密度 g/l 约130
2
根据上表可知，P25 TiO粉体具有很大的比表面积，因此每单位质量的P25
2
TiO粉体相对其他的TiO可以净化更多的空气。经研究知，P25 TiO属于混晶型，
222
20
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
通过对TiO晶型结构的了解可知道这种比例是有利于光催化反应的，且研究表明，
2
两种结构的混合亦增大了内部电子-空穴对的数量，表现出很好的催化性能。因此，
在光催化的研究领域，P25 TiO粉体的应用十分广泛。
2
本文制备的TiO光催化剂薄膜主要选用材料为P25TiO粉体、硅酸钠粉末（化
22
学式NaSiO·9HO）、纯净水以及普通玻璃等。根据化学知识可知，硅酸钠粉末易
232
溶于水，其水溶液称为水玻璃，是一种黏合剂，且粘合力强，因此可以将P25TiO
2
粉体很好的固定于载体上。
根据所设计的光催化空气净化器的结构，每次实验所需普通玻璃9块，其中
尺寸为24cm×19cm的3块，17cm×26cm的6块，纯净水12ml、NaSiO粉末7.5g、
23
P25TiO粉体依具体实验条件而定，根据实验条件有所变化。具体实验步骤为：
2
1）将24cm×19cm的普通玻璃1块，17cm×26cm的普通玻璃2块平铺在桌面
上，用绝缘胶布贴在玻璃的边缘处，防止涂覆过程中有部分溶液流出玻璃表面以
外；
2）用15ml的量筒每次称取4ml纯净水倒入烧杯中，共称取3次；
3）用精密电子天平称取粉体重量，使用步骤为：首先调零，使天平摆放位置
平稳，显示处于零状态；其次在天平上小心放入折好的滤纸，并去皮调零，在滤
纸上放入要称取的物质；
4）根据实验条件称取P25TiO粉体的质量，并根据现有玻璃的尺寸共分3次
2
称取，将称好的P25TiO粉体直接倒入每块玻璃上，这样可以保证每块玻璃上的
2
P25TiO粉体质量是精确的。
2
5）更换滤纸后，称取硅酸钠粉末，每次称取2.5g，共称取3次，这样做的目
的是保证电子天平称取的量全部有效，不会因为一次称取量过大而洒落出来。
图3.1 TiO光催化剂薄膜的制备过程图
2
Fig. 3.1 The preparation of photocatalyst thin film
21
重庆大学硕士学位论文
6）将称好的硅酸钠粉末倒入烧杯中，与水搅拌均匀，将溶液倒在玻璃上；用
刷子涂刷玻璃上的溶液，多次涂刷，使烧杯中的溶液最终均匀分布在玻璃表面。
这样的步骤共重复3次，最终将9块玻璃上都涂有溶液，涂覆均匀后将玻璃烘干。
图3.1所示为实验操作过程图：
④ TiO负载量的计算
2
通过上述实验步骤可以认为P25TiO粉体在玻璃表面上均匀分布，每次涂覆3
2
块玻璃时，玻璃表面的面积为玻璃的尺寸面积减去绝缘胶的面积，即附着有
P25TiO粉体的玻璃面积。已知绝缘胶的宽度为2cm，因此计算得出有效面积为
2
1082cm，TiO粉体的负载量为TiO粉体的质量与玻璃面积的比值，现以2.5gTiO
2
222
粉体的质量为例，则可得负载量为0.0023g/cm，即2.3 mg/cm，根据压实密度可
22
计算出TiO薄膜在玻璃上的厚度为0.018mm。实验操作过程中有部分p25TiO粉
22
体会粘附在刷子表面，因此计算量比实际量偏大，但误差不会很大。通过改变TiO
2
粉体的质量可以调节其在玻璃上的负载量，研究负载量对光催化反应的影响。
3.2.2 甲醛挥发液的制备
甲醛是最简单的醛类，分子式为CHO，通常情况下以气体形式存在但其易溶
2
于水、醇和醚，能与水以任何比例混合。甲醛在生活中的应用很广泛，人们接触
的机会较多，其对人体健康的影响不容忽视。经研究显示：当室内甲醛含量达到
0.1mg/m时，就会感到有异味，产生些微的不适感；当浓度达到0.5 mg/m时，眼
33
睛便感觉到刺激，引起流泪等现象；当浓度达到0.6 mg/m时，咽喉处便会感到疼
3
痛与不适感；浓度达到30 mg/m时，可引起恶心、呕吐、胸闷等症状；当浓度达
3
到100 mg/m时，会立即致人死亡。本文选用了浓度为36%的甲醛水溶液作
3[74][75]
为甲醛散发源，并在制备甲醛挥发液的过程中采取了有效的防护措施，实验人员
均戴有医用口罩且在实验过程中尽量减少测试与记录人员。
实验操作步骤如下：实验人员首先戴好口罩，并将实验材料及装置准备充分，
将实验所需的棉花固定在甲醛挥发箱内；其次慢慢打开甲醛溶液的瓶盖，用10ml
的注射器准确抽取少量的甲醛溶液，并迅速将其滴入到事先准备好的棉花团上（棉
花团放在挥发箱内的小纸杯内，而纸杯固定在挥发箱的底部），再快速将甲醛挥发
箱的盖子盖好，已知甲醛挥发箱采用水封的作用，因此密闭性良好；在甲醛挥发
箱的一侧底部安装有一根通气管与实验所用环境测试舱连通且管道上设有一个三
通阀，一端可以进空气、一端进甲醛气体，两端可同时开启，即可使气体混合进
入环境测试舱内，这样可以实现调节进入环境测试舱内甲醛气体浓度的目的，甲
醛溶液在甲醛挥发箱内很快挥发成气体，此时可开启密闭室内的小功率电磁式空
气压缩机将甲醛气体抽入到环境测试舱内，进行实验。
图3.2为实验操作过程图：
22
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
图3.2 甲醛挥发液的制备过程
Fig. 3.2 The volatile liquid preparation of formaldehyd
3.2.3 实验装置与仪器设备
① 完成本实验所需的实验装置有：
环境测试舱：实验所需测试空间，尺寸：长×宽×高：1m×0.5m×1m，材料采用
10mm厚的PVC材料制作，其正面采用透明材料，可作为可视窗口观察室内仪器
的读数，在环境测试舱的上端依然设有橡胶圈，这样可以在实验过程中通过挤压
作用使环境测试舱能够保持良好的密闭性。环境测试舱的底部通过双面胶固定有
一实验操作台，可以将要测试的空气净化器固定在上面，环境测试舱的进出口可
以将测试仪器的探头设在环境测试舱内，而测试仪器置于实验室内，方便读数。
这些材料经厂家验证，均不释放甲醛这种污染物，不会影响实验数据，因此在实
验过程中可以排除其释放甲醛气体的可能性。
光催化空气净化器：本文第二章所述装置，即自行设计的光催化空气净化器，
尺寸：长×宽×高=60cm×24cm×30cm，实验过程中，将其固定于环境测试舱内的实
验操作台上，其进出口皆暴露于舱内空气中，通过其自身的排风扇可实现气体的
循环流通。
甲醛挥发箱：将甲醛液体放置于箱体内，甲醛会在其空间内挥发成甲醛气体，
以备实验测试使用。甲醛挥发箱的尺寸为长×宽×高=30cm×30cm×30cm，其上盖采
23
重庆大学硕士学位论文
用水封作用来保证挥发箱的密闭性，其底部有一管道与环境测试舱连接，通入甲
醛气体。
② 完成本实验所需的仪器设备见下表所示：
表3.2 实验仪器一览表
Tab.3.2 The list of laboratory equipments
实验仪器名称 型号 生产厂家 设备参数
甲醛分析仪 INTERSCAN4160-2 北京天跃环保量程：0~19.99ppm
科技有限公司 精度：±2%Rd±0.01 ppm
精密电子天平 FA214 上海银铎称重量程：2×10~210g
设备有限公司 精度：0.0001
电磁式空气 海利ACO—308 广东海利集团功率：30W
压缩机 有限公司
电磁式空气 海利ACO—300A 广东海利集团功率：300W
压缩机 有限公司 电压：220V/50HZ
排气量：250L/min
专业二氧化碳SENTRY ST-303 光驰光电 量程：0~9999ppm
侦测仪 股份有限公司 解析度：1ppm
操作温度：0~50℃
水银温度计 盛通-30 武强县 量程：0~50℃
盛通仪表厂 精度：0.1
一氧化碳 8762—M—UK 威诺电子 量程：0~2000ppm
检测仪 有限公司 分辨率：0.1ppm
风速仪 KANOMAX 6531 深圳市时代之流速：0.1~30m/s
峰科技 温度：0~60℃
有限公司 湿度：2~98%
-3
③ 实验装置可以通过后面介绍的实验系统布置图看到，实验主要测试仪器如
下图所示：
24
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
（a） （b） （c）
（d）
（e） （f）
图3.3 实验测试仪器图
Fig. 3.3 The equipments of experimental test
图（a）所示仪器为甲醛分析仪，用于测试实验过程中甲醛气体的浓度值，置
于环境测试舱内，其进气口放置在空气净化器的进口处；图（b）表示精密电子天
平，用于称量实验材料的质量；图（c）为风速仪，主要测试净化器进出口处的风
速；图（d）为一氧化碳检测仪，是一种多功能检测仪，可测定一氧化碳、二氧化
碳、温度等；图（e）为电磁式空气压缩机，实验中共采用两种型号，控制甲醛气
体的流通；图（f）为二氧化碳侦测仪，可连续采集舱内的二氧化碳浓度、温湿度
等环境参数，设置时间步长为5min一次。
3.3 实验方案设计
3.3.1 实验系统
气体浓度的测试是一种流动性的测试过程，因此在测试之前需要设计好整个
测试系统，将气体的生成与后处理都考虑在内。本文根据气体的流动方向及现有
25
重庆大学硕士学位论文
实验条件设计了相应的测试系统，其原理如图3.4所示：
图3.4 实验系统示意图
Fig. 3.4 The schematic view of the experimental system
1-环境测试舱；2-甲醛挥发箱；3-光催化空气净化器；4-进气口；5-排气口；6-电磁式空气压
缩机；7-实验操作台；8-甲醛分析仪
针对实验系统原理图简单介绍一下本实验测试系统的过程：实验所使用测试
空间是一个1m×0.5m×1m的可密封的环境测试舱，其前端采用透明材料作为可视
窗口，通过此窗口可以观察到其内部情况。将所设计的光催化空气净化器固定于
环境测试舱内的实验操作台上，其进出口均暴露于舱内空气中。环境测试舱仅通
过两端的进气口与排气口与外界环境相通，实验过程中，通过对通风系统的控制
实现对舱内甲醛浓度及温湿度等条件的控制。
通风系统主要利用两个电磁式空气压缩机。小功率的电磁式空气压缩机连接
甲醛挥发箱并固定于环境测试舱内的底部，主要作用是将甲醛气体抽入到舱内，
并可以调节甲醛气体的浓度。甲醛挥发箱主要放置甲醛溶液，通过一根管道将挥
发箱内的甲醛气体送入环境测试舱内，且管道上设有一个三通阀，一端进甲醛气
体，一端进空气，可以实现调控室内甲醛浓度的作用。在环境测试舱内布置好测
试仪器的探头，如CO检测仪、温湿度计、甲醛气体检测仪等，其接线由排气口
2
处接出，方便记录数据。所有出口处均采用泡沫、胶布等将其密封。实验结束后，
26
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
利用大功率的电磁式空气压缩机将环境测试舱内的甲醛气体抽到准备好的水溶液
中，将其溶解，以免其扩散到空气中，对人体造成伤害。每次实验过程均需按照
实验步骤进行，并严格遵守。
根据测试系统的原理图，实验系统的实际布置图如图3.5所示：
图3.5 实验系统实际布置图
Fig. 3.5 The actual layout of the experimental system
3.3.2 对比实验设计
利用普通玻璃及紫外灯模拟出第二章中图2.2（c）所示的传统的平板式反应
器（反应原理不变），设计相同的实验条件，包括环境温度、紫外灯的数量、二氧
化钛负载量等，与自行设计的光催化空气净化器分别进行甲醛的降解实验，对所
得实验结果进行对比分析，研究本装置较传统的平板式反应器的降解效果是否有
所提高以及提高的幅度。
3.3.3 影响因素实验
① 实验需要考虑的因素
1）初始浓度：选取甲醛气体的几种不同初始浓度，测试光催化空气净化器降
解甲醛的效果。
2）环境温度：设定几种不同的环境温度，分别测定空气净化器降解甲醛的效
果，找出与其他因素的最佳配比条件。
3）P25 TiO负载量：经过大量研究表明，催化剂的负载量在催化反应中的影
2
响很大，负载量过多，导致反应物无法充分反应，负载量过低使得反应物反应不
完全，因此，合适的催化剂的负载量也是催化反应中一个重要的因素。
对于实验环境的其他条件，如光强、空气流速等，由于本装置在制作过程中，
已经将灯管的型号与排气扇的型号选定，因此可以认为在实验过程中这些量是不
变的。关于环境湿度的影响由于其可控性较差，水蒸气过多会吸附部分甲醛，影
27
重庆大学硕士学位论文
响实验数据，因此也未考虑在内，实验测试过程中环境湿度均在50%~70%范围内，
相对于其他因素可认为这个范围内的环境湿度的的影响程度变化不大。
② 实验设计方法
本实验主要考虑初始浓度、环境温度及P25 TiO负载量3个因素的影响，且
2
每个因素选择3个水平，考虑各组水平搭配需要安排3，即27次实验，这样安排
3
会使得实验周期较长、实验费用较大且本实验的前期准备比较繁琐，因此本实验
选择正交设计，正交设计理论主要根据所选择的因素数以及各因素对应的水平数，
确定合适的正交表进行实验，并应用数理统计的方法对实验数据进行处理，这样
可以在较少的实验次数下达到同样的实验目的。
根据正交设计的步骤首先选择正交表，由于每个因素选择了3个水平，因此
需要在3水平正交表中选取，且一般应尽量选择较小的表，故本实验选取L（3），
9
4
且不考虑交互作用，即此表有9行4列，表示最终安排9次实验，由于本实验考
虑了3个因素，而选用的正交表中有4列，则需选择一列为空列，空列在正交表
中的作用很大，其反应了随机因素引起的误差。正交表的设计如下：将初始浓度
设为A、环境温度设为B、P25 TiO负载量设为C，A、B、C均用1表示，即A、
2111
B、C的第一个水平，A、B、C均用2表示，A、B、C均用3表示，设计的
222333
实验方案表如表3.2所示：
表3.2 正交设计实验方案表
Tab.3.2 The plan table of orthogonal experimental design
实验次数
1 1（0.4mg/m） 1（16℃） 1（2.3mg/ cm） 1
2 1 2（20℃） 2（1.5mg/ cm） 2
3 1 3（25℃） 3（1mg/ cm） 3
4 2（0.7 mg/m） 1 2 3
5 2 2 3 1
6 2 3 1 2
7 3（1.0mg/m） 1 3 2
8 3 2 1 3
9 3 3 2 1
A B C 空列
1 2 3 4
32
3
3
2
2
28
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
通过设计正交实验，最终目的是得出自行设计的光催化空气净化器在基本几
个可控实验条件下的最佳配比。
3.3.4 性能评价实验
根据《空气净化器》所规定的条件设计实验，实验温度范围为（25±2）℃，
[67]
湿度范围为50%±10%，分别测定光催化空气净化器降解甲醛的自然衰减规律及总
衰减规律，通过分析对光催化空气净化器的性能进行评价，包括计算洁净空气量、
相关系数等参数。本文的性能评价实验是在上述正交实验的基础上进行测定，当
利用正交实验确定出本装置的最佳配比条件后，拟在最佳配比条件下进行一组实
验，实验条件中温湿度范围可能与标准要求的条件不同，如果条件有变化则再按
照标准的环境条件进行实验，并通过比较判断空气净化器在哪些条件下的降解效
果最好。并将环境测试舱的体积换算成标准中的条件计算净化效能等性能参数，
判断其属于哪种等级范围。本文实验中的每组实验均按照净化器的性能评价实验
进行，可在分析出最佳运行条件的同时，对每组实验条件下的净化性能有所掌握，
为后期的实验条件的设定提供了依据。
3.4 实验步骤
3.4.1 环境测试舱气密性检测
二氧化碳气体是空气中容易获得及掌握的气体，且检测手段已经相当成熟。
因此关于本实验所需环境测试舱的气密性检验，本文选用了二氧化碳示踪法。
[76]
通过测定不同时间的二氧化碳浓度值，分析二氧化碳浓度的变化来判断环境测试
舱的气密性是否符合标准要求。已知，蜡烛在燃烧过程中会产生水和二氧化碳，
且在日常生活中比较常见，因此本文选用蜡烛作为二氧化碳气体发生源。实验具
体步骤为：首先选用两支蜡烛，将其固定于环境测试舱的实验操作台上。待实验
装置摆放好，实验仪器准备就绪后，迅速将蜡烛点燃并将环境测试舱密封好，用
二氧化碳检测仪观察舱内浓度，待浓度值达到一定值后，开始记录数据。
本实验为观察环境测试舱内的气体均匀情况，布置了两个测点，位置分别为
距舱底30cm处及60cm处。待二氧化碳浓度上升至可以满足实验要求的一定范围
内，将蜡烛熄灭并开启小功率电磁式空气压缩机对舱内空气进行搅拌，10min之后，
关闭电磁式空气压缩机，再稳定10 min，待二氧化碳浓度值相对稳定后开始记录，
并将稳定后的浓度值作为二氧化碳初始浓度值，即t=0时刻的浓度值。之后每隔5
分钟记录一次数据, 待浓度值不再发生变化或变化不明显的情况下，不再继续实
验，计算其泄漏率，判断气密性是否达到国家标准的要求。
图3.6为气密性实验操作过程图：
29
重庆大学硕士学位论文
图3.6 气密性实验操作图
Fig. 3.6 Chart of airtight experimental operation
3.4.2 对比实验
对比实验的实验步骤与上述气密性检测步骤类似，这里需将二氧化碳发生源
换做制备甲醛挥发液，对于甲醛初始浓度值的设定，根据《室内空气质量标准》
[77]
可知，与实验相关的各项环境参数的标准值如表3.2所示：
表3.3 室内空气质量标准
Table 3.3 Indoor Air Quality Standard
参 数 单位 标准值 备注
温度 ℃ 16~24 冬季采暖
22~28 夏季空调
相对湿度 % 30~60 冬季采暖
40~80 夏季空调
空气流速 m/s 0.2 冬季采暖
0.3 夏季空调
甲醛CHO mg/m 0.10 1小时均值
2
3
因此，本实验在实际操作过程中，实验环境参数值均控制在标准要求的范围
内。而对于甲醛初始浓度的控制，则根据《室内空气质量标准》规定的方法进
[77]
行，测定污染物浓度的实验中，发生污染物的浓度应控制在相应气体污染物限值
的2~10倍的范围内，由上表可知，甲醛的限值为0.1mg/m，因此甲醛初始浓度应
3
30
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
控制在0.2-1mg/m的范围内。
3
实验过程首先将实验条件设定好，即需要将实验条件如甲醛的初始浓度以及
环境温湿度控制在一定范围内，且二氧化钛的负载量等也保持一致，利用紫外灯
与普通玻璃的条件简单制作出传统的平板式反应器，而空气净化器的条件也与其
相同。分别测定传统的平板式反应器及光催化空气净化器的降解效果，实验测定
时间相同，实验过程中需要记录不同时刻甲醛浓度值的变化。
3.4.3 影响因素实验
对于自行设计的光催化空气净化器在怎样的条件下能够达到最佳的净化性能
需要进行影响因素实验，设定不同的反应条件，因此本文采用正交实验设计，共
安排9组实验来确定光催化反应器在几个实验可控的条件下的最佳搭配，为光催
化空气净化器进一步实用化提供可靠的实验依据。实验步骤如上所述，每组实验
均需进行自然衰减实验、总衰减实验等步骤，分别记录实验数据，并通过分析实
验数据确定本装置的显著性影响因素及最佳配比条件。
自然衰减及总衰减的实验步骤如下：
① 自然衰减实验
根据国家标准《空气净化器》所规定的定义，自然衰减是指在试验室内，
[67]
由于沉降、附聚及表面沉积等自然现象，导致空气中污染物浓度的降低。因此，
在检测空气净化器的净化效能之前，首先应考虑甲醛气体在实验环境中的自然衰
减。
实验具体操作步骤如下：
1）将所设计的光催化空气净化器固定于实验操作台上，检验运转是否正常，
然后关闭空气净化器。
2）布置好设在密闭室内的温湿度等测点，以及甲醛分析仪的位置，方便记录
数据，并与密闭室外的测量仪器连接好。
3）将环境测试舱外所有可能漏气的地方，采取密闭措施，保证其密闭性能良
好。
4）准备好实验的记录文件以及计时装置，开启温湿度等测试装置以及空调进
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阀通入空气的一端，从而可以调节浓度。当浓度值偏高于实验设定的初始浓度值
时，关闭三通阀，并开启空气净化器本身自带的排风扇，可对环境测试舱内的空
气进行搅拌，使其浓度分布均匀。
7）稳定20min后，观测到甲醛浓度值的变化不大时，可认为此时环境测试舱
内甲醛浓度的分布比较均匀且浓度值相对稳定。将此刻的浓度值作为本次试验甲
醛气体的初始浓度值即t=0时的浓度值，其值应该控制在3.4.2所述的范围内。
8）在最初记录实验数据时，由于刚开始甲醛浓度变化较快，因此每5min记
录一次数据，记录60min，之后每10min记录一次，再记录60min，一次实验共用
时120min。同时记录实验过程中室内温度及相对湿度的值。
9）实验结束后同时开启小功率及大功率的电磁式空气压缩机，连接小功率的
电磁式空气压缩机上的三通阀开启到只通入空气的位置，将环境测试舱内的气体
抽入到事先准备好的水溶液内，直至舱内的甲醛浓度值低于0.1mg/m时，将其关
3
闭，并将实验所用的用电开关关闭。
10）整理数据，对实验数据进行分析。
② 总衰减实验
与自然衰减相对应，总衰减在标准《空气净化器》中是指在试验时，试验
[67]
室内空气中的颗粒物或气体污染物的自然衰减和被运行中的空气净化器去除的总
浓度的降低，实验具体操作步骤如下：
1）按自然衰减实验中1）~ 6）项的步骤进行实验。
2）稳定20min后，待甲醛浓度相对稳定时将小功率的电磁式空气压缩机关闭，
并将此刻的浓度值作为本次实验甲醛气体的初始浓度值即t=0时的浓度值。
3）t=0时刻同时开启光催化空气净化器，并保证其正常运行，实验过程中与
自然衰减相对应，依然是开始每5min记录一次数据，记录60min，接下来每10min
记录一次数据，记录60min，实验总计时间120min。
4）实验结束后操作步骤按自然衰减实验中第9）项进行，并关闭光催化空气
净化器。
5）整理数据，实验数据记录与自然衰减实验相对应，方便后期的数据分析。
图3.7所示为总衰减实验操作过程图。确认实验过程中，光催化空气净化器的
运行是否正常。
32
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
图3.7 总衰减实验操作过程图
Fig. 3.7 The operation process chart of tatal attenuation experiment
3.4.5 性能评价实验
通过上述实验已确定本实验装置的最佳运行条件，若此条件与标准规定的实
验条件不一致，可多进行一组实验，分别在此条件下及标准中规定的实验条件下，
设计实验，实验步骤依然按照自然衰减实验、总衰减实验的步骤，计算出最佳条
件下及标准条件下光催化空气净化器的洁净空气量、相关系数、净化效能等评价
指标，并通过实验结果进行有相关分析。
3.5 计算方法
[67]
本实验中，空气净化器的性能指标的计算方法均来源于国家标准《空气净化
器》中所作的规定，以下为具体实施规则及计算方法。
3.5.1 实验数据点取舍规则
根据标准《空气净化器》的有关规定，针对实验数据的取舍有两条规则。应
将下列两种数据舍去：
① 记录不正确的数据。由于操作或仪器引起的误差，例如计时误差而导致出
现记录错位的数据。
② 超出规定范围的数据。
3.5.2 衰减常数的计算
气体污染物的衰减常数k按下式（3.1）求出：
c=ce
t0
kt
（3.1）
式中：
—实验过程中任意时间t时刻的浓度，气体单位(mg/m
3
)，固体单位为(个/L)；
33
重庆大学硕士学位论文
—t=0时的初始浓度，气体单位(mg/m
3
)，固体单位为(个/L)；
k—衰减常数，min；
-1
t—时间，min。
衰减常数k可对和t作线性回归求得，也可按式（3.2）计算：
nnn
1
lnctc
iii
tit
ii
n
k
2
nn
2
1
ii
tt
ii
n
（3.2）
式中：
t—时间，min；
—在t时的浓度自然对数。
自然衰减实验中，k值称为自然衰减常数，表示空气中污染物的自然衰减的回
归直线的斜率，用表示。总衰减实验中，k值称为总衰减常数，表示污染物的
k
n
自然衰减及被空气净化器去除效果的总和的回归直线的斜率，用表示。
k
t
数据处理过程中也可直接利用excel等具有统计功能的软件直接模拟出上述指
数方程或浓度值与时间的线性方程，得到衰减常数。
3.5.3 性能指标的计算
① 洁净空气量
根据标准的定义，洁净空气量是一种能够表征空气净化器净化能力的参数，
[67]
用单位时间能够提供的空气的量值表示，用字母Q表示，单位是m/h。计算洁净
3
空气量数值可以比较客观的评价空气净化器的净化效率。其计算公式如下：
Q60Vkk
tn
式中：
Q—洁净空气量，m/h；
3
V—测试箱容积，m；
3
（3.3）
k
t
—总衰减常数，min
-1
；
k
n
—自然衰减常数，min
-1
。
②相关系数
相关系数表示自变量与因变量之间的离散程度，用来说明回归的相关关系的
显著程度，按式（3.4）计算：
2
（xy）
i
ii
nn
22
ii
ii
n
R
2
yx
（3.4）
式中：
34
3 光催化空气净化器降解甲醛的实验研究
R
2
—相关系数的平方；
—时间（自变量）；
—浓度值的自然对数；
N—数据对的数目。
其中：
nnn
1
n
22
xytlncxy
iiitii
i
n
i
iii
（3.5）
2
2
1
nnn
xtt
iii
n
iii
（3.6）
22
2
1
nnn
22
ylnclnc
itt
ii
n
iii
（3.7）
2
③ 净化效能
空气净化器的效能按下式（3.8）计算：
ηQ/W
（3.8）
式中：
η—净化效能，m
3
/（h.w）；
Q—洁净空气量实测值，m/h；
3
W—功率实测值，w。
上述公式为第四章的计算分析提供了方法，也为公式的合理性提供了依据。
3.6 本章小结
通过了解我国颁布的空气净化器的标准，本章主要针对自行设计的光催化空
气净化器进行了实验方案的设计，介绍了本实验拟达到的实验目的，并根据实验
条件对实验材料TiO薄膜等的制备过程，衰减实验等具体步骤以及所得数据的计
2
算方法进行了详细说明。
35
重庆大学硕士学位论文
4 实验数据处理及结果分析
4 实验数据处理及结果分析
本文第三章主要介绍了对光催化空气净化器的实验研究方法、实验步骤及计
算方法，本章主要通过excel计算及绘制拟合曲线的功能以及数理统计的知识对实
验数据结果进行统计分析并得出结论。
4.1 气密性实验
由第三章的设计方法可知，本文采用二氧化碳示踪法测试环境测试舱的气密
性，测试步骤已在第三章进行描述，实际操作中在环境测试舱内选取了两个测点，
分别距离环境测试舱底部30cm处及60cm处，这样大致能够反映环境测试舱内的
浓度分布情况及平均水平，通过两个测试仪器记录30cm处的初始浓度为1505ppm，
60cm处为1340ppm，实验数据每5min记录一次，实验结果如下图4.1所示：
图4.1 CO气密性实验结果
2
Fig. 4.1 The results of tightness test by CO
2
通过上图可以看出，CO浓度变化比较平缓，仅在前10min内变化较快，在
2
80min以后浓度值随时间基本不变，为了精确计算，继续记录几组数据，在CO
2
浓度值不再变化的时候停止实验，此时浓度值分别为30cm处1458ppm，60cm处
为1311ppm，时间共持续120min。根据国家标准《空气净化器》的要求，环境
[67]
测试舱气密性实验的泄露率应小于0.05。泄露率可按下式（4.1）计算：
37
重庆大学硕士学位论文
ζ/
CCC
0t0
（4.1）
式中：
ζ—泄漏率；
C
0
—气体的初始浓度值，ppm；
C
t
—气体的最终浓度值，ppm。
根据上式进行计算，可得30cm处CO浓度的泄露率为0.031，60cm处为0.022，
2
平均之后的泄露率为0.026，三个值均小于0.05，故认为环境测试舱的气密性符合
标准的要求。因此在今后安排的实验中均按照操作标准来完成，即使会存在一些
误差，但是气密性都应能得到保证。
4.2 对比实验
设定实验条件为：甲醛初始浓度1mg/m，温度16±2℃，环境湿度：60%±10%，
3
P25TiO的负载量2.3 mg/cm。（其中光催化空气净化器仅在紫外灯管的对面布置
2
2
有光催化剂涂层，平板式反应器则将三组玻璃及灯管并排放置。）
实验结果如图4.2所示：
图4.2 对比实验结果图
Fig. 4.2 The results of contrastive experiments
通过图4.2，可以直观的看出在相同的实验条件下，自行设计的光催化空气净
化器降解甲醛的效果要优于传统的平板式光催化反应器，这是由于净化器的设计
在理论上增大了污染气体的停留时间，即增大了光催化剂与反应污染物的接触面
积，从而提高了光催化的降解效率。通过计算可知，传统的平板式反应器在120min
38
4 实验数据处理及结果分析
内甲醛的降解效率为53%（降解效率公式按（4.1）计算，这里C表示任意t时间
t
的甲醛浓度值，计算结果以百分数表示），而空气净化器的降解效率为67%，相对
于传统的平板式反应器提高了14%。
4.3 影响因素的实验
本文在现有的实验条件下，选择了影响光催化反应的三个可控因素，分别是
环境温度（可通过室内空调进行控制）、甲醛气体初始浓度及P25TiO的负载量，
2
并进行了正交设计实验。环境温度根据《空气净化器》所规定的温度25±2℃，
[67]
选择了16℃、20℃及25℃，气体的初始浓度则根据《室内空气质量标准》规定
[77]
的范围进行选择，发生气体污染物的初始浓度应为相应气体污染物限值的2~10倍，
鉴于甲醛的限值为0.1mg/m，故本文的实验中选取的甲醛初始浓度值分别为0.4
3
mg/m、0.7 mg/m及1.0 mg/m， TiO的负载量则选择了三个水平的值，分别为
333
2
2.3mg/cm、1.5mg/cm及1.0mg/cm，研究其对光催化反应的影响。通过设计正交
222
实验，得出这三个可控因素的最佳搭配。
根据《空气净化器》所规定的计算方法，污染物浓度与时间呈指数关系，
[67]
通过两边取对数，得到污染物浓度的自然对数值与时间呈线性关系。针对光催化
反应动力学的研究已有大量文献可作为参考依据。廖东亮等分别对甲醛光催化
[78]
降解速率与时间的关系做了零级及一级反应拟合，结果表明甲醛光催化降解速率
可用一级反应动力学模型来描述。燕山大学的于浩分别研究了TiO薄膜光催化
[79]
2
降解甲醛、氨气和苯三种典型空气污染物的动力学反应，实验结果均表明一级动
力学拟合效果优于零级动力学。一级反应动力学模型符合Langmuir-Hinshelwood
模型，简称L-H模型，常被应用于描述气固相光催化氧化中的表面催化反应，反
应物浓度较低时，模型的简化公式即为式（3.1）中两边同时求自然对数的公式，
因此，此模型与标准中的气体污染物衰减常数的计算公式相一致。
按照第三章所设计的正交设计实验方案表进行实验，实验过程中，实验顺序
随机选择，不完全按方案表中的顺序进行，每次实验均可重复操作，最终得出9
组实验结果。本实验只考虑甲醛初始浓度、环境温度及P25TiO的负载量三个因素，
2
实验其他条件认为不变，实验过程中，环境湿度基本上在60%±10%范围内，光催
化空气净化器的进口处风速为0.25m/s，出口处风速为0.55m/s。
甲醛分析仪所示的甲醛浓度单位为ppm，在与标准中浓度限值对比时需转换
单位，转换公式如下所示：
XMC/22.4
（4.2）
39
重庆大学硕士学位论文
式中：
X—污染物以mg/m表示的浓度值；
3
C—以ppm表示的浓度值；
M—污染物的分子量。
已知甲醛的分子量M=30，故甲醛的浓度转换关系为1ppm=1.34 mg/m。此式
3
中的22.4是表示标准状态下（0℃、101.325kpa）的气体摩尔体积，因此计算出的
浓度转换公式有一定的误差，在后续处理数据时应对其进行修正。由于条件所限
且不影响数据的趋势变化，本文是直接采用上述公式进行转换。
4.3.1 实验结果计算及分析
根据上述实验方法，进行了9组实验，实验条件均按正交设计方案表进行并
控制在误差范围内（温度±2℃，初始浓度±0.01 mg/m），实验结果如下所示：
3
1）实验条件：甲醛初始浓度0.4 mg/m，环境温度16℃，P25TiO的负载量
3
2
2.3 mg/cm。
2
在此条件下，甲醛的自然衰减实验结果及总衰减实验结果如图4.3及4.4所示：
图4.3 第一组自然衰减实验结果图
Fig. 4.3 The first group of results of natural attenuation experiment
在第三章已经介绍了自然衰减的定义，即污染物的吸附、沉降等作用引起的
浓度下降。由上图4.3中的散点图可知，在前20min内甲醛浓度下降较快，主要是
环境测试舱及空气净化器壁面的吸附作用，随后甲醛浓度变化比较缓慢，吸附逐
渐达到饱和，甲醛浓度最终达到稳定状态，到100min左右浓度值基本不再变化。
由此图可直观的看出吸附作用对甲醛的浓度变化的影响，因此在做甲醛的降解实
40
4 实验数据处理及结果分析
验中应该排除自然衰减引起的浓度值下降。
利用excel软件将实验数据进行处理，目标是求出自然衰减系数，通过对自变
量时间及因变量甲醛浓度进行曲线拟合，拟合结果表明甲醛浓度与时间呈现指数
关系。由上图可知，在甲醛初始浓度为0.4 mg/m，环境温度15℃，P25TiO的负
3
2
载量2.3 mg/cm的实验条件下，甲醛的浓度值与时间基本上符合指数分布，根据
2
第三章所介绍的计算方法可得到在此条件下甲醛的自然衰减系数k为0.005，拟合
n
曲线的相关系数R等于0.9503，这里考虑仪器的精确度及实验装置的可靠度，可
2
能存在多方面的误差，且曲线拟合中，指数拟合的相关系数最高，因此认为甲醛
的浓度变化与时间呈指数关系。
图4.4 第一组总衰减实验结果图
Fig. 4.4 The first group of results of total attenuation experiment
结束了自然衰减实验后，将环境测试舱内的气体抽空，进行了同样条件下的
总衰减实验，并得到了如图4.4所示的实验结果。由图可知，与自然衰减实验对比，
甲醛浓度的变化比较明显，即光催化作用比较显著，且在实验前20min内甲醛浓
度变化较快，经计算，甲醛的降解效率达到40%，120min时，甲醛的降解效率达
到80%，认为光催化作用比较显著。
对实验数据进行曲线拟合，得到如图中所示的趋势线及拟合公式，同样认为
甲醛浓度与时间呈现很好的指数关系，相关系数达到0.95，因此甲醛的光催化降
解符合一级动力学反应，可得出在此条件下甲醛的总衰减系数k为0.012。通过对
t
光催化反应的动力学研究可知，衰减常数的大小表示反应速率的快慢，衰减常数
越大，反应速率越快。
41
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将k与k值代入公式（3.3）中可得到空气净化器洁净空气量的值。已知公式
nt
中的V表示环境测试舱的体积，在本文中即环境测试舱的体积，在第三章已有介
绍，V=0.5m，代入数值可得Q=0.21 m/h。
33
1
2）实验条件：甲醛初始浓度0.4mg/m，环境温度20℃，P25TiO的负载量1.5
3
2
mg/cm。
2
图4.5 第二组自然衰减实验结果图
Fig. 4.5 The second group of results of natural attenuation experiment
图4.6 第二组总衰减实验结果图
Fig. 4.6 The second group of results of total attenuation experiment
由图4.5可得，甲醛的自然衰减在40min内变化比较明显，相对于第一组实验
42
4 实验数据处理及结果分析
条件，吸附作用有所减弱，但最终吸附达到饱和的甲醛浓度值变化不大。即壁面
材料的吸附作用与温度有一定的关系，温度升高，吸附作用有所降低。通过对图
中的散点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于0.9327，
2
通过拟合所得的公式可知自然衰减系数k等于0.005。
n
图4.6表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空气
净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降解
效率达到77%，120min时达到87%，因此可认为这组实验比第一组实验的降解效
果好，但具体哪些因素起到主要作用，需待进一步分析。通过excel曲线拟合，可
得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其近似呈现指数关系，相关系数R等
2
于0.9481，总衰减系数k等于0.017。
t
将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件
nt
下，洁净空气量的值Q=0.36 m/h。
2
3
3）实验条件：甲醛初始浓度0.4 mg/m，环境温度25℃，P25TiO的负载量1
3
2
mg/cm。
2
图4.7 第三组自然衰减实验结果图
Fig. 4.7 The third group of results of natural attenuation experiment
由图4.7可得，甲醛的自然衰减在60min内变化比较明显，相对于前两组实验
条件，吸附比较缓慢，但最终吸附达到饱和的甲醛浓度值变化不大。通过对图中
的散点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于0.9523，
2
通过拟合所得的公式可知自然衰减系数k等于0.005，发现在初始浓度为0.4mg/m
n
3
的条件下，自然衰减系数随温度的变化不明显，温度仅在实验开始一段时间影响
43
重庆大学硕士学位论文
了吸附的快慢。
图4.8 第三组总衰减实验结果图
Fig. 4.8 The third group of results of total attenuation experiment
图4.8表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空气
净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降解
效率达到77%，120min时达到87%，这组实验与第二组实验结果类似，均比第一
组实验的降解效果好。通过excel曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲
线，发现其近似呈现指数关系，相关系数R等于0.9522，总衰减系数k等于0.018。
2
t
将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件
nt
下，洁净空气量的值Q=0.39 m/h。
3
3
4）实验条件：甲醛初始浓度0.7 mg/m，环境温度16℃，P25TiO的负载量
3
2
1.5 mg/cm。
2
由图4.9可得，甲醛的自然衰减在20min内变化比较明显，即吸附作用比较显
著，之后的时间内变化缓慢，并逐渐达到饱和状态。通过对图中的散点图进行拟
合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于0.9242，相关系数不高，
2
但在拟合曲线中最高，考虑到装置本身以及仪器本身的误差，认为这样的条件下
拟合曲线基本符合要求，通过拟合所得的公式可知自然衰减系数k等于0.004。
n
图4.10表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到66%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到81%，甲醛的降
解效果比较显著。
44
4 实验数据处理及结果分析
图4.9 第四组自然衰减实验结果图
Fig. 4.9 The fourth group of results of natural attenuation experiment
图4.10 第四组总衰减实验结果图
Fig.4.10 The fourth group of results of total attenuation experiment
通过excel曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其呈现指
数关系，相关系数R等于0.9824，拟合效果非常好，符合标准的要求，由拟合公
2
式可得总衰减系数k等于0.014。将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）
tnt
中，可得到在这组实验条件下，光催化空气净化器的洁净空气量Q=0.3 m/h。
4
3
5）实验条件：甲醛初始浓度0.7 mg/m，环境温度20℃，P25TiO的负载量1
3
2
45
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mg/cm。
2
图4.11 第五组自然衰减实验结果图
Fig. 4.11 The fifth group of results of natural attenuation experiment
4 实验数据处理及结果分析
最终达到饱和，甲醛浓度不再变化。通过对图中的散点图进行拟合，发现甲醛浓
度与时间呈指数关系，相关系数R等于0.9593，拟合度较高，能够符合要求，通
2
过拟合所得的公式可知自然衰减系数k等于0.003。
n
图4.12表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到70%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到85%，甲醛的降
解效果比较显著，较上一组实验可知在这组实验条件下，甲醛降解效果有所提高，
具体哪些是主要的影响因素将通过后面的分析得出。通过excel曲线拟合，可得到
甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其近似呈现指数关系，相关系数R等于
2
0.9790，拟合效果很好，符合标准的要求，由拟合公式可得总衰减系数k等于0.016。
t
将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件
nt
下，光催化空气净化器的洁净空气量Q=0.39 m/h。
5
3
6）实验条件：甲醛初始浓度0.7 mg/m，环境温度25℃，P25TiO的负载量
3
2
2.3 mg/cm。
2
图4.13 第六组自然衰减实验结果图
Fig. 4.13 The sixth group of results of natural attenuation experiment
由图4.13可得，甲醛的自然衰减在40min内变化比较明显，即吸附作用比较
显著，但较上一组实验变化缓慢，尤其是在相同的甲醛初始浓度的条件下，因此
具有可比性，可以看出不同温度下吸附作用的显著程度，温度越高，吸附作用越
弱，随着时间的变化，吸附最终达到饱和，甲醛浓度不再变化。通过对图中的散
点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于0.9256，拟合
2
47
重庆大学硕士学位论文
度不高，排除一些误差的因素，基本符合要求，通过拟合所得的公式可知自然衰
减系数k等于0.003。
n
图4.14 第六组总衰减实验结果图
Fig. 4.14 The sixth group of results of total attenuation experiment
图4.14表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到62%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到81%，甲醛的降
解效果较上两组实验差，具体哪些是主要的影响因素将通过后面的分析得出。通
过excel曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其呈现指数关系，
相关系数R等于0.9947，拟合效果非常好，符合标准的要求，由拟合公式可得总
2
衰减系数k等于0.015。
t
将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件
nt
下，光催化空气净化器的洁净空气量Q=0.36m/h。
6
3
7）实验条件：甲醛初始浓度1 mg/m，环境温度16℃，P25TiO的负载量
3
2
1mg/cm。
2
由图4.15可得，甲醛的自然衰减在20min内变化比较明显，即吸附作用比较
显著，之后的时间内变化比较缓慢，最终达到饱和，浓度值基本不发生变化。通
过对图中的散点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于
2
0.9208，拟合度不高，排除一些误差的因素，基本符合要求，通过拟合所得的公式
可知自然衰减系数k等于0.003。
n
48
4 实验数据处理及结果分析
图4.15 第七组自然衰减实验结果图
Fig. 4.15 The seventh group of results of natural attenuation experiment
图4.16表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到53%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到71%，甲醛的降
解效果略差，具体有哪些因素起到主要作用，将在后面的小节进行分析。通过excel
曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其呈现指数关系，相关
系数R等于0.9864，拟合效果非常好，符合标准的要求，由拟合公式可得总衰减
2
系数k等于0.01。
t
图4.16 第七组总衰减实验结果图
Fig.4.16 The seventh group of results of total attenuation experiment
49
重庆大学硕士学位论文
将图4.15及4.16得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条
nt
件下，光催化空气净化器的洁净空气量Q=0.21m/h。
7
3
8）实验条件：甲醛初始浓度1 mg/m，环境温度20℃，P25TiO的负载量2.3 mg/cm。
32
2
图4.17 第八组自然衰减实验结果图
Fig.4.17 The eighth group of results of natural attenuation experiment
图4.18 第八组总衰减实验结果图
Fig. 4.18 The eighth group of results of total attenuation experiment
50
4 实验数据处理及结果分析
由图4.17可得，甲醛的自然衰减在20min内变化比较明显，即吸附作用比较
显著，之后的时间内变化比较缓慢，较上一组实验可知其降解效率有所下降，即
温度对吸附作用有一定得影响，最终达到饱和状态，浓度值基本不发生变化。通
过对图中的散点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，相关系数R等于
2
0.9306，拟合度不高，排除一些误差的因素，基本符合要求，通过拟合所得的公式
可知自然衰减系数k等于0.003。
n
图4.18表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到51%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到73%，甲醛的降
解效果略差，与上一组实验结果相近，具体有哪些因素起到主要作用，将在后面
的小节进行分析。通过excel曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，
发现其近似呈现指数关系，相关系数R等于0.9969，拟合效果非常好，符合标准
2
的要求，由拟合公式可得总衰减系数k等于0.011。
t
将k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件下，光催化空气净化
nt
器的洁净空气量Q=0.24m/h。
8
3
9） 实验条件：甲醛初始浓度1 mg/m，环境温度25℃，P25TiO的负载量1.5
3
2
mg/cm。
2
图4.19 第九组自然衰减实验结果图
Fig. 4.19 The ninth group of results of natural attenuation experiment
51
重庆大学硕士学位论文
图4.20 第九组总衰减实验结果图
Fig. 4.20 The ninth group of results of total attenuation experiment
由图4.19可得，甲醛的自然衰减变化比较缓慢，较上两组实验可知其降解效
率有所下降，即温度对吸附作用有一定的影响，最终达到饱和状态，浓度值基本
不发生变化。通过对图中的散点图进行拟合，发现甲醛浓度与时间呈指数关系，
相关系数R等于0.9441，拟合度不高，排除一些误差的因素，基本符合要求，通
2
过拟合所得的公式可知自然衰减系数k等于0.002。
n
图4.20表示相同条件下的总衰减实验结果图，从图中可以看出开启光催化空
气净化器以后，甲醛的降解效果比较显著，尤其是在前60min内降解速率快，降
解效率达到53%，之后甲醛浓度的变化比较缓慢，120min时达到76%，甲醛的降
解效果略差，即最后三组实验甲醛的降解效果都不是很显著，但光催化也能够起
到一
定的作用，具体有哪些因素起到主要作用，将在后面的小节进行分析。通过excel
曲线拟合，可得到甲醛浓度与时间关系的拟合曲线，发现其呈现良好的指数关系，
相关系数R等于0.9988，拟合效果非常好，符合标准的要求，由拟合公式可得总
2
衰减系数k等于0.012。
t
将由以上两个图得出的k与k值代入公式（3.3）中，可得到在这组实验条件
nt
下，光催化空气净化器的洁净空气量Q=0.3m/h。
9
3
通过上述9组实验可以直观的看出总衰减实验中，时间达到120min时，甲醛
的降解效率在71%到87%的范围内，总衰减常数在0.01到0.018之间，因此可认
为光催化氧化技术可以很好地降解甲醛。
52
4 实验数据处理及结果分析
4.3.2 正交实验结果分析
① 正交实验数据结果处理表
通过上述9组实验，得出所要比较的空气净化器的指标洁净空气量的值，即
设计正交实验方案表所要比较的指标，将9组实验所得的结果列入表（3.2）中，
并对实验结果进行直观及方差分析。根据数理统计的知识，首先计算各个统计量
的观测值，将计算结果列入表中，最终得到计算表4.1，如下所示：
已知此正交表，考虑了初始浓度、环境温度及负载量三个因素，且每个因素
分别有三个水平，总的实验次数为n，每个水平进行的实验次数为m，表中K表
jt
示第j列中相应于水平t（t=1,2，…r）的m次实验结果之和，根据实验设计方案
可知r=3，m=3，n=9，例如K= y +y +y。
11123
表4.1 正交实验结果计算表
Tab.4.1 The results statement of orthogonal experiment
实验次数
1 1 1 1 1 0.21
2 1 2 2 2 0.36
3 1 3 3 3 0.39
4 2 1 2 3 0.30
5 2 2 3 1 0.39
6 2 3 1 2 0.36
7 3 1 3 2 0.21
8 3 2 1 3 0.24
9 3 3 2 1 0.30
K 0.96 0.72 0.81 0.90
j1
K 1.05 0.99 0.96 0.93
j2
K 0.75 1.05 0.99 0.93
j3
Q 0.8622 0.8670 0.8526 0.8466
j
S 0.0158 0.0206 0.0062 0.0002 S=0.0428
jT
22
A B C 空列 指标
1 2 3 4 y
i
K=2.76
P=0.8464
Q=0.8892
53
重庆大学硕士学位论文
表中各个观测值的计算公式如下：
r
Kk
jt
（4.3）
t1
，因此K与j无关。 由此可知K等于所有实验结果之和，即
PK
1
2
n
（4.4）
1
r
2
Qk
jjt
m
t1
（4.5）
（4.6）
SQP
2
jj
Qy
i
2
i1
n
（4.7）
（4.8）
1
KY
。 可以证明其中，其中
n
SQP
T
2
222
（YY）SS
ijT
i1j
n
从此表中通过比较的值，可以看出因素B的影响最大，其次是因素A。也
S
j
2
可通过比较极差来判断，极差R表示每一个因素（每一列）各个水平对应的指标
的平均值中的最大值与最小值之差，经计算每个因素的极差值R、R、R分别等
ABC
于0.1、0.11、0.06，得出的结果与上述结论一致。而通过比较的值可认为正交
K
jt
实验的最佳组合水平为ABC。
233
② 因素趋势分析图
表4.2 均值计算表
Tab.4.2 The table of mean calculation
因素
水平
K 0.32 0.24 0.27
1
K 0.35 0.33 0.32
2
K 0.25 0.35 0.33
3
A B C
54
4 实验数据处理及结果分析
通过表4.1中的值绘制因素趋势分析图，即将每个因素的各个水平的实验
K
jl
结果值平均分配，由正交表的设计可知，每个因素下每个水平均有3次实验，因
此可知平均值K=/3，计算结果如表4.2所示。
t
K
jt
根据此表中的数据绘制因素趋势分析图，如图4.21所示：
图4.21 因素趋势分析图
Fig. 4.21 The analysis figure of the factors trend
从图中可以直观的看到，ABC组合是各因素组合的最优方案，与计算表中
233
的结果一致。且能够看出，在所选定的初始浓度范围内（0.4~1.0mg/m），随着初
3
始浓度的增加，光催化空气净化器的降解效果出现先增后减的趋势，这是由于初
始浓度较低的情况下，能够与光催化剂反应的甲醛气体分子数较少，而浓度较高
的情况下反应生成物也较高，会与甲醛气体竞争光催化剂表面的吸附位，因此在
光催化降解甲醛的过程中存在较佳的初始浓度值；在所选定的温度范围内（16℃
~25℃），随着温度的增加，光催化降解甲醛的效率逐渐增加，这是由于随着温度
的升高，光催化剂表面的活化分子数增加，甲醛与光催化剂能够较充分的发生化
学反应，导致在较高的温度下有更好的降解效果；在所选定的负载量范围内
（1.0~2.3mg/cm），随着负载量的增多，光催化降解甲醛的效果随之减弱，这是由
2
于在光强不变的条件下，负载量越多会使得紫外光强所激发的比例减少，因此在
实验条件范围内，负载量1.0mg/cm已达到了很好的降解效果。
2
③ 方差分析
对所得数据进行方差分析，即从观测变量的方差入手，研究诸多因素对指标
的影响在各个水平下的效应是否显著，即需分别检验：
55
重庆大学硕士学位论文
H：0
0A123
（4.9）
H：0
0B123
（4.10）
H：0
0C123
（4.11）
要满足下列条件：
其中，α、β、ζ分别表示因子A、B、C在第j个水平下的效应，这些效应需
jjj
333
j1j1j1
jjj
0,0,0
（4.12）
方差分析表中数据的计算与正交实验表中计算的结果有对应关系。首先要计
算各个因素的平方和，而这个值刚好是计算表中的值，而每个因素的自由度则
S
j
2
等于其水平数减1，这里误差平方和的自由度通过计算总离差平方和的自由度，均
方差则等于每个因素的离差平方和与其自由度的比值，因此可以得到如下对应关
系：
S S，S S，S S，S S
A1B2C3E4
22222222
各因素的离差平方和的自由度均为2即水平数减1，总离差平方和的自由
S
T
2
度是8，即实验次数减1，因此误差平方和的自由度为2，即总离差平方和的自
S
T
2
由度减去各因素离差平方和的自由度之和。为判断每个因素的显著性水平，选择
了F值检验法，即通过计算F值，得出显著性水平，F值等于每个因素的均方差与
误差均方差的比值。
通过上述计算，将计算结果列入表格中可得到方差分析表，如下表所示：
表4.3 方差分析表
Tab. 4.3 The table of variance analysis
方差来源 平方和 自由度 均方差 F值 显著性
因子A 0.0158 2 0.0079 79 *
因子B 0.0206 2 0.0103 103 **
因子C 0.0062 2 0.0031 31 *
误差 0.0002 2 0.0001
总和 0.0428 8
56
4 实验数据处理及结果分析
方差分析表显著性一列中符号―（*）‖、―*‖、―**‖分别表示在显著水平
0.10,0.05,0.01
下检验结果是拒绝原假设。已知临界值为：
F（2,2）9.00，F（2,2）19.00，F（2,2）99.00
0.90.950.99
。
由方差分析表中可以得出各个因子的作用都表现出了显著性，因素B在α=0.01
的显著水平上影响显著，因素A与C均在α=0.05的显著水平上影响显著。因而所
选择的三个因子对光催化降解甲醛的效果都有很大的影响，这也验证了选择三个
因素的实验目的。已知因子A代表污染物初始浓度、B代表环境温度、C代表
P25TiO的负载量，此结果说明在不考虑其他因素及设定的实验条件下，环境温度
2
的影响最为显著，这是由于在16~25℃的温度范围内，随着温度的增大，光催化剂
表面的活化分子数增大，光催化剂与污染物的化学反应速率增大，因此环境温度
体现了较好的显著性，在使用本净化器的过程中温度是其最主要的影响因素。污
染物初始浓度对净化效果也有显著性影响，对净化器的使用存在一定的选择性，
据调查显示，室内甲醛污染的状况与室内家具的使用及装修时间等有关，一
[80][81]
般来说卧室的甲醛超标率最高，最高浓度可达到0.89 mg/m，因此在使用净化器的
3
时候，可以根据室内甲醛的浓度水平选择降解效率较高的净化器。
通过计算表可知：
K＞K＞K，K＞K＞K，K＞K＞K
121113232221333231
因此可以得出较优的水平搭配为，即初始浓度为0.7 mg/m，环境
A，B，C
233
3
温度为25℃，P25TiO的负载量为1.0mg/cm的时候，自行设计的光催化空气净化
2
2
器的对甲醛的降解效果最佳。可以看出此搭配并不在所设计的实验中，这也体现
了正交实验设计的整齐可比性，即可以通过比较K的值来找出较优的水平。
jt
4.4 空气净化器的性能评价
通过上一节的正交实验设计我们得出了光催化空气净化器的最佳配比，以及
在三个可控因素下，温度的影响是最显著的，其次是甲醛的初始浓度，这是因为
温度不但影响了光催化反应的进行，温度升高，光催化反应表面的活化因子增多
加速了反应速率，同时在自然衰减过程中，温度也有起到一定的作用，随着温度
的升高，吸附作用相对减弱。对于自行设计的光催化空气净化器选择其最优水平
搭配进行一组实验，测定其洁净空气量等性能参数。
测试结果如下：
图4.22表示自然衰减实验结果图，甲醛浓度值得下降在前40min内较快，随
后变化比较平缓，吸附作用达到饱和，这与前面几组实验结果一致。图4.23中，
57
重庆大学硕士学位论文
甲醛的衰减过程比较明显，前60min内，甲醛降解速率较快，降解效率已达到74%，
120min时降解效率达到89%，且总衰减常数达到0.02，从数字上可以看出，本组
实验结果较优于其他组实验结果，故认为自行设计的光催化空气净化器的降解效
果较好，在实际应用中，可按照由实验得出的最佳配比条件进行制作，为本装置
的实际应用提供了实验依据。
图4.22 自然衰减实验结果图
Fig. 4.22 The results of natural attenuation experiment
图4.23 总衰减实验结果图
Fig. 4.23 The results of total attenuation experiment
通过对图4.22及4.23的散点图进行曲线拟合，可以得出，在光催化空气净化
58
4 实验数据处理及结果分析
器的最佳配比条件下，自然衰减系数k等于0.003，总衰减系数k等于0.02，代入
nt
公式（3.3）可得洁净空气量Q等于0.51 m/h。
3
若采用标准的环境测试舱的尺寸，即V等于30m，将本装置得出的洁净空
[67]3
气量近似转化为标准的尺寸，则可计算出的洁净空气量的值为30.6 m/h，此值仅
3
作为参考值，实际值还需进行实验验证。已知本空气净化器所用排风扇的功率为
22w，因此可以计算其净化效能，将所计算的洁净空气量的值代入第三章中所述公
式（3.8）中可得净化效能等于1.4 m/（h.w），在标准的净化效能等级中属于C
3[67]
级范围，在1.0~1.5 m/（h.w）之间。因此，本文设计的光催化空气净化器有一定
3
的应用价值。
4.5 本章小结
本章主要对实验数据结果进行了统计分析，包括对环境测试舱的气密性检验、
对比实验等，并通过正交实验方法得出在甲醛初始浓度、环境温度及P25TiO的负
2
载量这三个可控条件下的光催化空气净化器的最佳配比条件，并在该条件下进行
实验，对自行设计的光催化空气净化器的性能进行了研究，最终得出其降解效果
较好。
59
重庆大学硕士学位论文
5 结论与展望
5 结论与展望
5.1 主要结论
本文的主要研究结论如下：
① 通过设计0.5 m的环境测试舱测试甲醛的降解效率，经检测环境测试舱的
3
气密性符合国家标准的要求。
② 在相同的实验条件下，自行设计的光催化空气净化器与传统的平板式反应
器对比，甲醛的降解效率提高了14%。
③ 通过分析9组实验的结果可以得出，总衰减实验中，时间在120min时，
甲醛的降解效率在71%到87%的范围内，衰减常数在0.01到0.018之间，因此可
认为光催化氧化技术可以很好地降解甲醛。
④ 通过设计正交实验及利用数理统计的知识对实验结果进行分析可得自行
设计的光催化空气净化器的最佳配比条件为：初始浓度为0.7 mg/m，环境温度为
3
25℃，P25TiO的负载量为1.0mg/cm。
2
2
⑤ 通过影响因素的趋势分析图可以看出在实验条件范围内，随着甲醛初始浓
度的升高，光催化的降解效果先增后减，而随着温度的升高，降解效果逐渐升高，
随着光催化剂负载量的升高，降解效果逐渐降低。
⑥ 通过方差分析可知，在可控的几个因素下，即环境温度、污染物初始浓度
及负载量，其对光催化空气净化器的影响存在显著性差异，显著性水平为：环境
温度＞甲醛气体初始浓度＞P25TiO的负载量。
2
⑦ 在最佳配比条件下进行的总衰减实验中，甲醛的降解效率在120min内可
达到89%，总衰减系数达到0.02，将其比对标准计算净化效能，结果表明自行设
计的光催化空气净化器的净化效能属于C级。
上述结论为光催化空气净化器进一步实现产业化提供了实验依据。
5.2 创新点
基于光催化氧化技术的机理，设计了一种结构简单的壁挂式光催化空气净化
器，具备以下优点：通过弧形缺口及分隔板的设计，延长了污染气体在净化器内
的流动距离即增加了污染气体与光催化剂的接触面积；结构简单，可充分利用光
源。
5.3 展望
本文由于时间与实验条件的限制，特提出以下展望：
61
重庆大学硕士学位论文
① 环境测试舱可以建成标准要求的30m的空间，几乎与室内环境相似，其
3
他环境条件如温湿度、光强等可以实现可控操作。
② 可利用软件对实验装置进行模拟研究，并提出其改进措施，继续研究光催
化空气净化器的结构优化。
③ 设计多种形式的光催化空气净化器，在与其他技术结合使用方面有待进一
步研究。
致 谢
致 谢
时光荏苒，岁月如梭，在重大三年的研究生生活即将结束，我的论文也终于
画上了句点。从论文的选题、资料的收集以及论文撰写过程中，我得到了许多人
的关怀与帮助，心中充满了无限的感激，在此谨向他们表示衷心的感谢。
首先我要深深地感谢导师郑洁教授，您学识渊博、治学严谨、师德高尚、平
易近人对我的影响深远。您不仅在学业及专业领域授予我很大的启发及帮助，而
且在做人方面更是教会我许多道理，虽历时三载，却能令我终生受益。本论文从
选题到完成过程中，每一步都得到了您的细心指导。在此，我要向我的导师致以
最衷心的感谢和最崇高的敬意。
其次感谢卢军教授及高小龙博士在课题及实验中的帮助，感谢海丰钢铁厂对
实验装置的精心制作以及提出的建议与帮助，使我的实验得以顺利进行；感谢城
环实验室刘巍老师为我提供了实验仪器；感谢刘鹏博士对我实验上的帮助及论文
思路的建议；感谢张颜梅、冯薪谕、孙训江三年来对我生活及学习上的帮助与支
持；感谢师弟张东凯、徐皓、陈佳佳、李俊，师妹何鸣、宋雪瑞对我实验的付出
及生活上的帮助；感谢重庆大学为我提供了良好的学习、生活环境及严谨的科研
氛围。
特别要感谢我的家人和朋友，感谢他们在我攻读硕士期间对我生活及精神上
的支持与鼓励。
最后，由衷的感谢本文借鉴引用著作的作者及百忙之中抽出时间评阅论文及
参加论文答辩的各位专家、教授。
王小艳
重庆大学硕士学位论文
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附 录
附 录
A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
[1] 王小艳, 郑洁. 百叶外遮阳特性研究[J]. 建筑学期刊, 2012, 38-44.
[2] 王小艳, 郑洁, 刘鹏. 一种光催化空气净化器降解甲醛的实验研究, 中国科技论文在线,
2014.
B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录
[1] 发明专利: 一种壁挂式光催化空气净化器（2.X.已公示）, 排名第2.
[2] 发明专利: 一种新风节能控制方法（2.3. 已公示）, 排名第2.
C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况
[1] 参与了国家十二五科技支撑计划重大项目―建筑用能系统监测与优化控制技术研究及示
范‖（项目编号2011BAJ03B13）部分资料的整理工作.
[2] 参与了重庆市建设科技计划项目―改善室内环境技术应用、产业化及工程示范-改善室内空
气质量技术应用于工程示范‖（项目编号：城科字2013第1-5-2）的部分研究工作（采用
光催化技术的新型空气净化器优化开发）.
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重庆大学硕士学位论文
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