超表面水净化技术在动车上的应用

唐燕青，齐一衡，包秀远，姜佳磊，仇鹏

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 266580

一、引言

动车在长期运行中，车内尤其是司机室空气质量得不到保障。空气中的污染物会造成头痛、焦虑（SO₂）,损伤中枢神经系统（PM_2.5）,刺激眼、耳、鼻、喉，造成呼吸困难（O₃、PM_2.5、SO₂、NO_x）,引发心血管疾病（PM_2.5、O₃、SO₂），损伤肝、脾、血液（NO_x），刺激呼吸道引起包括肺癌在内的多种呼吸道疾病（PM_2.5）。这些污染物会影响司机和乘客的身体健康。

水媒介空气净化系统清洁环保、美观、便于自动控制、占地面积小，在动车中应用最为合适。

常见的用于空气净化的水介质包括水瀑（常见于公园）、水雾（洒水车等）、水膜等。其中，水膜既可以吸收氨气等溶于水的气体，也可以通过分子间作用力吸收PM2.5等不溶于水的微粒。相比传统净化技术，水膜空气净化技术具有简单、成本低、便于自动控制、可净化污染物全面、不引入新的污染物等优点。如果水膜的技术参数满足一定的要求，称为超表面水技术^[1]。

二、超表面水技术特征

超表面水为表面能、水膜厚度、蒸发和气化速率、吸附性能达到一定技术标准的水膜，超表面水净化空气技术包括以下特点：1、具有超低表面能的水表面比较稳定，水表面蒸发和汽化速率很低；2、超表面水的表面水分子与其内部水分子有一定的相对运动交换，可以把其表面吸附的气体中污染物转移到表面以内；3、超表面水的表面水分子一直保持新鲜表面状态，能够高粘性和高效的吸附和攫取接触到的空气中污染物分子和雾霾颗粒等；4、超表面水内可以容纳的空气中污染物浓度比空气中大接近1000倍，人；5、部分被超表面水攫取的空气中污染物进入超表面水内后可以直接消解（如NO，SO2，甲醛，无机物等）。6、部分被超表面水攫取的空气中污染物进入超表面水内后可以被沉淀成为泥与固体物质，容易被收集处理。

恒定总流连续性方程为“单位时间内从初始位置到某一截面M为止补充的总水量L=单位时间流过这一截面的流量vrh”。公式中，v代表水的流速，r代表积水的厚度，h代表河道的宽度。如果只有在最顶端有补水，即单位时间内从初始位置到某一截面M为止补充的总水量L不随流水长度改变，L取决于水4泵功率或自来水出水速率。

超表面水蒸发和气化速率的测试方法有两种：一种是测定长时间循环条件下水的减少量，这种方法实验周期较长，不够精确，但是简单易行；另一种方法是通过室内的湿度变化计算超表面水蒸发和气化速率，对仪器要求较高。

吸附性能的测定一般为密闭空间内用空气质量检测仪检测PM2.5、甲醛、氨气等污染物的变化曲线。污染物浓度超过1200mg/m³以上条件下的吸附性能主要由水的饱和量，即单位体积超表面水能容纳的污染物含量决定。

三、产生超表面水的装置

超表面水净化空气技术可以和静电除尘技术、多孔材料吸附等技术相结合，如在水膜上方的静电网和水膜之间形成静电吸附场、用活性多孔材料作为水膜形成的衬底、在水中加入表面活性剂等方式，进一步加强吸附效率。实验证明，水膜吸附技术可以将空气中的甲醛、氨气和PM2.5颗粒等有害物质攫取和沉降到水中,去除率均能达到90%以上^[2]。

超表面水空气净化系统为了实现自动换水，节省高龄用户体力，同时防止水清洁程度过低影响吸收效率和滋生细菌，经常带有自动控制电路。基于表面黏附作用的新型空气净化系统的控制电路包括检测装置、控制装置、被控装置。控制装置为三菱PLC工控板，三菱PLC工控板具有编程功能，能收集来自光敏传感器和水位传感器的电平高低作为输入信号，通过输入的控制逻辑，在光敏传感器和水位传感器的检测结果满足一定条件时向被控对象输出高低电平，从而开通或者关断执行器。

室外超表面水净化空气系统是一套通过在幕布上形成带有特殊性质的水膜来净化空气的装置，该系统由三部分组成。

（1）幕布：特殊材料编织而成的布，用小铁板条固定在墙壁上，水膜在幕布上形成。

（2）布水器：布水器通过前后盖的结合，固定在幕布上端，布水器内部包括水箱、水管、阀门等，实现把水（来自布水器上接的进水管）和药剂（来自进水管旁边的细管）混合并均匀涂布在幕布上的功能。

（3）收集导水槽：用两块大铁板条固定，用于收集从幕布上流下的水并将这些含有污染物的水导入排水管。

超表面水技术经常与表面处理技术结合使用，通过以下步骤对衬底表面进行预处理，增强表面亲水性：

（1）表面预处理：物理打磨；

（2）亲水性试剂配置：将PVA溶液、APTES溶液、SDBS溶液混合均匀，得到约500mL溶液，放到离心搅拌器上搅拌3h得到亲水性试剂；

（3）涂膜：将亲水性试剂用浸泡法、喷涂法或刷膜法均匀涂覆于表面；

（4）烘干：涂膜的表面放入烘箱90℃烘干3h。

四、实际应用问题

超表面水技术在实际应用中根据具体设计方案不同，或多或少面临以下问题：

（1）带水问题

超表面水空气净化系统出气口带水是严重影响风机运行的重大问题，为了尽可能减少带水问题，因此我们在设计时必须遵循以下原则：出气口中空气中水滴的最大直径严格对标气流上升速度，并安装脱水装置。

2. 结垢问题

衬底和排水口以上的位置由于水流的长期冲刷，不存在结垢问题。超表面水能吸附包括PM0.3在内的低半径污染物颗粒，位于水槽排水口以下的狭窄死角，沉积了水膜吸收的污染物，造成生锈、结块、细菌滋生等问题。因此，可以采取在水槽底部排水口上方安装一层过滤网的措施。H13级过滤网可以过滤掉百分之99.98%的PM0.3，有效抑制污染物沉积造成的生锈、结块、细菌滋生等问题。安装了过滤网可以提高超表面水除尘装置水槽的寿命3-5倍。使用防锈涂层、排水口安装在水槽底部、采用大口径排水管等措施也能一定程度上防止结垢问题。

2. 防结露问题

超表面水净化空气系统具有接触面积大的特点，很容易结露。防结露问题在传统空气净化系统中一直是难以解决的问题，可以从动车实际结构入手，排气管道安装在动车的散热装置附近，防止达到露点。

（4）出水不均匀问题

布水管是固定在布水器里的，不方便经常调整。实践中，如果由于施工者人眼误差或者遇到台风等恶劣天气导致布水器以肉眼不可见的角度倾斜向一边，布水管中的水就会集中向一边，这一部分水量较大，在幕布上沿着这一边成股流下，而不是在幕布上形成均匀水膜。为了解决这个问题，让水从水箱中分三段进入布水器，并且可以通过三个球阀控制每一段的水量大小。即使布水器略有倾斜，水也能均匀地分配到布水器的每一个孔，最终在幕布上形成了理想的超表面水水膜。

五、结论

超表面水为表面能、水膜厚度、蒸发和气化速率、吸附性能达到一定技术标准的水膜，克服智能化程度低、可净化污染物的范围窄、二次污染严重等缺点。超表面水净化空气系统作为一种新型家电，智能化程度高、无任何二次污染，净化范围广泛。超表面水净化空气系统的机理是水分子表面的范德华力。在长期的工程实践中，国内超表面水技术已经趋于成熟，带水、结垢、结露等难题都已迎刃而解，超表面水技术在动车上应用前景广阔。

参考文献：

[1]张文静,朱磊,陈以国.空气净化器的研究进展[J].医疗装备,2016,29(24):195-196.

[2]齐一衡,俞健,张亚非.基于水表面粘附作用的新型空气净化系统[J].山东农业大学学报(自然科学版),2019,50(05):828-830.