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关于城市空气净化系统的初步研究 杨靖延 钟凯来 广州市培正中学（指导老师：江帆） 摘要 广州城市空气污染日益严重，解决空气污染问题势在必行。地下式广泛分布的空气清洁系统恰好迎合了广州丰富多彩的已有地下空间，善用排气、排水管道等，惜土如金，把这些空隙利用起来，加装一些独特的空气净化装置，便可以在有限的土地上最大程度地净化空气，改善人们的生活环境。根据实际情况和实地考察结果，研究小组精心设计好模型图，积极组装模型并进行模拟实验，完成了初步研究计划，并对未来做出了设想。 1.引言 随着经济的快速发展，城市规模不断扩大，城市人口、城市工业和机动车辆也不断增加，城市大气环境问题也日显突出并引起人们的普遍关注和政府的高度重视。 广州地处南亚热带，气候属南亚热带典型的季风海洋性气候。由于背山面海，海洋性气候特征特别显著，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。由于水热同期，极利于作物的生长，但自然灾害威胁也较大，台风、暴雨、寒潮、雷电、雾霾等灾害性天气常给工农业生产、交通运输等带来不利的影响。秋冬季由于气温低、地面气压场较弱；近地面风力小，如果没有冷空气活动，大气层结就会比较稳定，近地面存在逆温层，不利于污染物稀释和扩散，此时如果湿度较大，就容易形成雾霾天气。 综上所述，广州的空气状况不甚理想，以PM2.5与PM10为首的污染物们正毫无忌惮地肆虐我们的城市。 图1 广州城区空气污染严重 大气的自净能力是有限的，作为城市的小主人，我们决定为改善环境并维护人们身体健康而做出点滴贡献，由此引出了我们设计和研究的对象——城市空气净化系统。 图2 城市空气净化系统宣传图 2.模型设计图 图3 初步设计图 根据广州城市结构及其现状，我们设计了如图2的初步图。照箭头所示方向，空气在抽风机（FAN）的作用下会形成循环流动模式，即被污染的空气从管道流入，流经夹层中布置好的多层滤网（含活性炭）后便可过滤去大颗粒物、异臭和微小物质。条件允许的情况下，还可在空气出口处增添绿色植物，使过滤后的空气中有更多负离子，更加新鲜而清新。 然而，经分析得，滤网在长期过滤污染物质后，会造成堵塞现象，对于过滤起不利作用，因此可在每几张滤网之间设置一个用于抖落此类物质的超声波发声仪，利用超声波对尘埃的震动作用而避免粘附。 3．模型材料的准备 有了设计图，下一步则是筹备材料。我们需要的材料有收纳箱、管道、透明隔板、滤网（含活性炭）、风扇（抽风机）、超声波发声仪等等，要落实则需大量资金，然而，我们团队的经济状况却并不足以支持，指导老师想到可以通过大力宣传我们的研究工作而发动捐款，可我们小队却又由于吸引力不够等各方面因素收到的捐款屈指可数，另外，部分材料亦难以筹得。然而这丝毫不会打消我们的研究积极性，我们仍利用现有资源，废物利用，改透明隔板为废弃纸箱，超声波震动仪则暂不购买。 做好准备工作后，我们需要考虑的是模型与实际之间的关联，如夹层与城市位置的关系、污染物沉淀在夹层中后如何发现并及时处理干净、管道吸风口的开口个数、开口间距和开口大小等等。通过大量讨论及实地考察我们觉得可以充分利用地下通道、地铁通道等地下位置作为夹层，并设计电路，做到在污染物积聚过多时发出提醒信号。 至于管道的开口，我们发现，冬天早晨由于太阳的照射，地面上几百米的空中温度要高于地面（地面由于辐射，昨天积下的热量已经很快辐射到空中），这就形成了逆温层。根据权威资料，我们知道接地逆温是恶化广州市区大气污染的主要气象因素之一，二氧化硫，氮的氧化物、TSP的浓度往往随着逆温强度及逆温频率的增大而不断增加。由于接地逆温平均高度仅有200米左右，近地层污染物不易向上扩散，极易形成局地堆积污染，由此我们决定在管道中下部开长度约为管道五分之一长的开口，更易处理由于逆温层导致的积聚污染物。 图4 材料之一：管道 4. 拼装模型及实验过程 组装模型的过程中，我们发现大功率抽风机抽出的风并不如想象中强劲，且风向有些偏，便利用“控制变量法”的科学研究方法，控制隔板倾斜度相同，看风扇的问题，或是用同一风扇实验，看隔板的倾斜度是否造成影响等等。后经指导老师分析才知是风在箱子中反射导致，对于实验无大碍。 图5 组员正用心固定隔板 然而问题接踵而来，滤网过大过软怎样剪、怎样固定才合适？隔板似乎并不能密封，会有怎样的后果？另外，更重要的是，我们该用怎样的方式验证模型的作用？难道要买空气质量检测仪来测试吗？我们的队员与老师一起开动脑筋，想到了探究实验的重要方法之一——“转换法”。实验室中，我们将可用肉眼观察到的“蚊香”作为污染物，为考察是否形成空气循环模式则利用激光灯观察漂浮的烟尘，还可通过试验后滤网的有无烟灰吸附来判断模型是否成功。