汽车乘务舱模拟环境纳米光净化效应与建模研究

论文摘要

汽车已经成为人类除住宅外的“第二个生活空间”,乘务舱的空气质量直接关系到舱内司乘人员的健康。汽车乘务舱相对独立、狭小的空间为污染物的聚集创造了优越的条件,恶化了舱内的空气品质。本文通过对汽车乘务舱空气污染现状、污染物组分、污染物生成机理以及乘务舱空气污染物净化措施发展的研究发现,在现代技术中纳米TiO2光净化是最合理的空气污染物净化措施之一。笔者研制并开发了汽车乘务舱空气污染物模拟降解测试系统及其测控系统。此测试系统中HCHO传感器的测试精度达到0.01×10-6级,能够实现对测试室内空气污染物的连续监测和试验数据的采集与分析。本研究涉及的光催化剂是呈偏碱性的纳米TiO2光触媒液,液体中TiO2的含量小于2.89%,平均粒径4～12nm,呈近球形,且其XRD检测图谱具有明显的锐钛矿结构的特征衍射峰,适合用作汽车乘务舱空气污染物的净化。本文对喷涂载体表面进行了反应动力学分析,提出了系统理想状态下的光净化速率方程。认为单独充入HCHO,且在反应界面为理想表面等假设条件下,试验属于单分子无临时反应物质的光净化系统。本文认为采用遗传算法（GA）更适用于复杂环境数学建模的参数估计。由此,应用遗传算法建立的模拟降解测试系统在低浓度污染物范围、不同条件下的数学模型,数学表达通式为cA=cA（0）e-akt,理论符合程度较高,可以指导工程应用。在本研究范围内,通过对不同条件下的数学模型进行的反应动力学分析认为,光净化反应符合Langmuir-Hinshelwood动力学方程,反应级数一级。同时,本文研究和建立的光照面积与光净化速率的数学模型,呈良好的线性关系。本文对HFJ7110型车的同质内饰材料的进行了光净化效应研究。结果表明,针纺织品对HCHO的光净化效果明显好于其它载体,是汽车乘务舱中光净化材料的理想载体。本文进行的汽车乘务舱模拟环境在多种条件下光净化效应研究表明,HCHO的净化效率达到了90%以上。为汽车乘务舱空气污染物光净化技术的进一步研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 汽车乘务舱空气污染状况
• 1.1.1 汽车乘务舱空气污染物来源
• 1.1.2 汽车乘务舱空气污染现状
• 1.1.3 汽车乘务舱空气污染物的治理对策及进展
• 1.2 汽车乘务舱空气净化措施的进展
• 1.2.1 加热（冷却）通风阶段
• 1.2.2 污染颗粒吸附过滤阶段
• 1.2.3 消毒杀菌阶段
• 1.2.4 光净化阶段
• 1.3 汽车乘务舱空气污染物纳米光净化技术的发展
• 1.3.1 光净化技术的产生
• 1.3.2 光净化技术的原理
• 1.3.3 光净化技术的应用
• 1.3.4 汽车乘务舱空气污染物纳米光净化技术的应用
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 2 光净化效应机理研究
• 2.1 光净化材料
• 2的能带结构'>2.1.1 TiO₂的能带结构
• 2晶型结构'>2.1.2 TiO₂晶型结构
• 2.1.3 半导体纳米粒子的光催化作用
• 2.2 光净化过程及机理
• 2.2.1 光净化过程
• 2.2.2 光净化机理
• 2.3 本章小结
• 3 空气污染物净化表面反应动力学
• 3.1 反应动力学方程
• 3.2 表面反应动力学
• 3.2.1 表面反应与光净化反应
• 3.2.2 表面反应动力学
• 3.3 光净化速率方程
• 3.3.1 光净化吸附速率方程
• 3.3.2 光净化脱附速率方程
• 3.3.3 光净化速率方程
• 3.4 Langmuir—Hinshelwood 动力学方程
• 3.4.1 单分子 L—H 光净化速率方程
• 3.4.2 双分子 L—H 光净化速率方程
• 3.5 汽车乘务舱模拟环境空气污染物的光净化模型
• 3.6 本章小结
• 4 汽车乘务舱模拟环境系统与试验方案设计
• 4.1 汽车乘务舱模拟环境系统设计
• 4.1.1 设计原则
• 4.1.2 设计要求
• 4.1.3 设计方案
• 4.2 乘务舱环境模拟
• 4.2.1 基本组成
• 4.2.2 工作原理
• 4.2.3 总体结构
• 4.2.4 数据通信系统
• 4.2.5 电源与光源
• 4.3 系统测控软件设计
• 4.3.1 测试系统设计原则
• 4.3.2 测试系统功能
• 4.3.3 系统测控软件可视化设计
• 4.3.4 测试系统软件工程流程
• 4.4 测试系统试验方案设计
• 4.4.1 玻璃载体试验
• 4.4.2 其他载体试验
• 4.5 本章小结
• 5 汽车乘务舱空气污染物净化的数学建模
• 5.1 建模方法
• 5.1.1 进化算法
• 5.1.2 遗传算法的优势
• 5.2 遗传算法
• 5.2.1 基本原理
• 5.2.2 遗传算法的模式理论
• 5.2.3 隐并行机理
• 5.3 遗传算法的实施技术
• 5.3.1 编码
• 5.3.2 适应度
• 5.3.3 复制和选择
• 5.3.4 交换
• 5.3.5 突变
• 5.3.6 群体规模
• 5.4 应用遗传算法的 MATLAB 建模
• 5.5 本章小结
• 6 HFJ7110汽车乘务舱内饰品实验室光争化应用研究
• 6.1 材料检测
• 6.2 MATLAB 的遗传算法建模
• 6.2.1 试验数据的分析与处理
• 6.2.2 不同初始浓度光净化建模
• 6.2.3 不同光照面积的光净化建模
• 6.3 光净化反应动力学分析
• 6.3.1 t=0时刻动力学分析
• 6.3.2 t≠0时刻动力学分析
• 6.3.3 不同光照面积动力学分析
• 6.4 模拟乘务舱 HCHO 的光净化效应
• 6.4.1 不同初始浓度光净化效应
• 6.4.2 不同光照面积光净化效应
• 6.4.3 不同材质载体光净化效应
• 6.4.4 光净化效应的综合评价与分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文和完成的科研项目
• 致谢