高效滤芯油烟净化器的研发①

餐饮业是现代人生活不可缺少的重要部分，而厨房产生的油烟污染对环境和人体造成巨大的伤害。目前市场上抽油烟机主要采用技术有静电吸收、UV光解、活性炭吸附等，产品普遍能耗强，价格高，产生二次污染等弊病，并且静电处理需要频繁清洗，及其耗费人力物力，UV光解过程产生高能臭氧。油烟净化技术已经突破了“可自然沉降大颗粒”和“稳定部分气溶胶颗粒”的净化技术难关，但并未能真正的去除污染物如PM2.5、VOCs。因此目前整个行业面临的技术突破点是寻找造价和使用费用低廉的、可长时间持续工作、低二次污染的高效除油烟技术，并能够从源头真正吸收吸附PM2.5、VOCs等油烟小颗粒物质[1]。大量挥发性油脂以及PM2.5会被排放到外界大气环境中，这在某种程度上是造成大气污染的主要因素之一[2]。在国家生态文明理念指导下，结合理论实验及实际应用，本团队研发出一种能完全吸收污染气体的滤芯，此滤芯费用低、来源广。同时结合人机工程学及空气动力学设计出多叶离心风机，运用阿基米德螺旋线定理成功开发出具有收烟除霾功能的高洁净油烟净化器。

1 设计部分

1.1 滤芯制作

滤芯是以植物纤维为基础，并在其关键节点上担载一定量的多孔矿物或矿物纤维材料作为吸附活性中心，同时采用多种环保材料及试剂设计制作成具有处理油烟功能的高效吸附滤芯。主要材料植物纤维取材广泛，木材、芦苇、荻苇中含有40%～50%的纤维素。本项目研发的目的在于提供一种具有固定形状，在使用过程中不易坍塌的植物纤维硬包装。参考类似滤芯实验[3]得到当纤维质量比为4∶1、单位面积质量100g/m2、紧度为0.27g/cm3、透气量为220L/（m2·s）时，样品可将大气中PM2.5含量由269μg/m3（六级重度污染），一次吸附过滤后降至10.7μg/m3（一级优），去除率为96%。在此基础上进行预实验，并进一步详细展开[4]，研究出对A纤维质量比、B样品单位面积质量，C紧度（紧度 = 单位面积质量/厚度）、D透气孔直径对PM2.5，及VOCs的吸收效率。既对油烟有较高的吸收效果，又能够较好满足透气量的要求。每个因素取三个水平，采用L9（37）正交表安排试验（见表1），实验结果和分析如下表1所示。

实验表明当纤维质量比为4.2∶1、单位面积质量110.4g/m2、紧度为0.28g/cm3、气孔直径为9.0mm是达到最有效果，对PM2.5吸收效率均可高达97%以上。在此基础上设计出滤芯对VOCs吸收的正交实验设计，结果如表2所示。

综合上述两次正交实验，表明当纤维质量比为4.2∶1、单位面积质量110.4g/m2、紧度为0.28g/cm3、气孔直径为9.0mm是达到最有效果，对PM2.5、VOCs吸收效率均可高达97%以上。本产品是以植物纤维上的亲油基团对油分子产生结合力，将油分子牢固在附着于植物纤维，滤芯上的催化材料则会将大部分油烟分解，未分解的油烟将会附着在滤芯上，在环境的温度和湿度变化时，油分子不会再次挥发，不会造成二次污染，且植物纤维易分解，环境友好度高，方便后续的回收和处理。

在实验数据的基础上，本团队研发了植物纤维硬包装，包括固定边框、植物纤维瓦楞板和植物纤维平板。其中植物纤维瓦楞板和植物纤维平板均设置为多块，多块植物纤维瓦楞板和多块植物纤维平板交替并列排列并固定成一体，其中固定边框环绕于植物纤维瓦楞板和植物纤维平板外并与植物纤维瓦楞板和植物纤维平板固定连接。由此，通过固定边框将交替层叠的植物纤维瓦楞板和植物纤维平板固定成一体，可形成一个完整的净化单元。

参照图1和图2，植物纤维硬包装，包括固定边框1、植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3。植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3均设置为多块，多块植物纤维瓦楞板2和多块植物纤维平板3交替排列并固定成一体。固定边框1环绕于植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3外并与植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3固定连接。

表1 滤芯对PM2.5吸收的正交实验设计和结果

表2 滤芯对VOCs吸收的正交实验设计和结果

图1 为植物纤维硬包装的结构示意图

图2 为图1所示的植物纤维硬包装的A部放大图

植物纤维瓦楞板2之间可采用粘接连接，固定边框1与植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3之间可采用粘接连接。固定边框1将植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3包裹成一长方体，长方体具有前后贯通的过气通道可供污染气体通过。污染气体可以是油烟气体也可以是工业生产中的有机物污染气体。在污染气体通过的过程中，污染气体中的油份和有机物甚至一些粉尘被植物纤维吸附，可起到净化污染气体的作用。

图3 为图1所示的植物纤维硬包装的固定边框的结构示意图

图4 为图3所示的固定边框的展开结构示意图

图5 蜗壳多叶离心环保专用风机组成说明(侧换接收器式)

1-风机叶轮；2-叶轮、叶片加强筋板三块；3-蜗壳内衬(接收器筛网固定网)；4-由1∶1以上植物纤维与油水吸附比的植物纤维组成的油烟水气粉尘颗粒物 PM2.5等复杂混合物接收器；5-风机蜗壳外壁；6-风机支撑及进出风箱体；7-出风口与排风管连接；8-出风口接收器(减震消音器)；9-集油观查孔；10-出风口与箱体联接法兰，接收器顶点

图6 三块筋板D、C、E在叶轮上的位置

参照图3和图4，固定边框1采用植物纤维材料制作。固定边框1包括第一边板11、第二边板12、第三边板13和第四边板14、第一边条15、第二边条16、第三边条17和第四边条18，第一边板11、第二边板12、第三边板13和第四边板14依次连接成环。第一边板11与植物纤维瓦楞板2或植物纤维平板3的板面连接，第三边板13与植物纤维瓦楞板2或植物纤维平板3的板面连接，第二边板12与植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3的边缘连接，第四边板14与植物纤维瓦楞板2和植物纤维平板3的边缘连接。

使用时，可将多个本此研发的植物纤维硬包装并列在一起形成植物纤维净化器，再放入到油烟机或除油烟系统中使用。使用一段时间后，可将集满油份的植物纤维硬包装分别取出并更换，可确保在使用过程中植物纤维的整体硬度，使用和更换方便。

1.2 多叶离心风机设计

普通多叶离心风机的风叶为60片，环保专用风机叶片设计为72片，360°的圆周每度安装2片，与污染物接触面积增大20%，以每钞钟1740切向飞出面的污染物速度抛向风机蜗壳壁，为后续接收90%以上污染物创造条件。在叶轮轴垂直方向上每0.618处安装一同心圆筋板共三块，如图6，D、C、E，B为电机方向端头，A为进气口端头，目的(1)是增加叶轮强度，减少震动。(2)是控制油水切面飞出方向，即在离心力作用下定向飞向接收器，以利接收器对污染物的接收能力更强，吸附深度更深，防风力作用下的脱逃[5-6]。接收器由植物纤维组成，固定在风机铁蜗壳与金属筛网之间，接收器内壳几何形状与离心多叶风机蜗壳几何形状相同，风机工作时，叶片上汇聚的油水PM2.5污染复杂混合物在筋板的护卫下，定向切面方向飞向蜗壳。而被固定在蜗壳上的接收器植物纤维接收，该接收器防止了油水污染物的反弹扩散，工作结束后余温将水蒸发，而其他物质则留于植物纤为中。接收器由植物纤维与油水吸咐比1∶1以上的植物纤维组成，具有较强的吸附油烟水气PM2.5及其它颗粒物的能力。植物纤维接收器增加了蜗壳的强度减小了震动，有一定的吸音消音效果(见图5)。在出风口安装锥度油烟水气污染混合物植物纤维接收器，相当于在出风口增加安装了消音器[7]。只要烹饪或工业生产、焚烧油脂类要产生油烟水蒸气及PM2.5复杂混合污染物的场所都适宜安装使用该风机，该风机与厨房PM2.5及污染气体净化机联合使用效果会更好。

1.3 整套油烟净化器

此高洁净厨房油烟净化机包括外壳和均设于外壳内的风机和植物纤维过滤器，外壳的下端设有主进风口，外壳的上端设有出风口，风机位于外壳的上部，风机的出风口与外壳的出风口连接，植物纤维过滤器为多个并依次填充于外壳的主进风口和风机的进风口之间，外壳包括后挡板、侧挡板、前挡板、人孔密封门和主进风口防火挡板，侧挡板为两块并分别固定于后挡板的两侧和前挡板的两侧，后挡板的下端低于前挡板的下端，主进风口位于后挡板的下端，人孔密封门的一侧边与前挡板的下端相接，人孔密封门的另一侧边与主进风口防火挡板的一侧边相接，主进风口防火挡板的另一侧边与后挡板下端相接[8]。采用多个植物纤维过滤器可牢固地吸附油烟，在抽取污染气体的同时对污染气体进行吸收净化，排出干净无烟的气体，植物纤维净化器使用一段时间后，可回收利用，不会造成二次污染。设备结构简单、使用方便且吸收效率高。

2 结语

本次研发的高洁净厨房油烟净化机通过采用植物纤维制作的植物纤维过滤器以及合理的整体内部及外形结构设计，经过检测验证，此油烟机对于PM2.5以及VOCs等的吸收效率可达97%。具有低耗能的特点，只需使用功率150W左右的电机就可完成家庭厨房净化机的工作。而市售抽油烟机功率在180W～300W不等。平均节电功率在90W，全国使用年家庭节电50亿度左右。生产1度电需要0.4kg标煤或1KG原煤，排放污染物：0.272kg碳粉尘、0.997kg二氧化碳CO2、0.03kg二氧化硫SO2以及0.015kg氮氧化物NOX。由此，每年节约50亿度电则可年减排污染量如下：碳粉尘136万t、二氧化碳498.5万t、二氧化硫15万t、氮氧化物7.5万t。每年可节省200万t标煤或500万t原煤。具有节能环保特点，当滤芯用过之后需要进行一次更换。此时滤芯中含有大量生物油，对生物油进行提取后，可用作锅炉、涡轮机、柴油机等的燃料。净化吸收器的余渣可用做饲料，有机肥料，建材，生产再生纸等。这样做不会对环境造成二次污染，而且能使资源充分利用。