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光触媒反応による室内汚染物質濃度低減性能の数理モデル化と数値予測 第1報: 小形チャンバーを用いた濃度低減性能試験と濃度依存性を考慮した光触媒反応モデルの提案

机译:通过光催化反应降低室内污染物浓度的数学模型和数值预测第一份报告:使用小室的浓度降低性能试验和考虑浓度依赖性的光催化反应模型的建议

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摘要

Indoor air quality affects occupants' health and comfort. Poor indoor environmental conditions and gas-phase/aerosol-phase contaminants in indoors are also identified as one of the causes of illnesses such as asthma and allergy, and known to result in significant loss of productivity because of its adverse effect on health. In recent years, photocatalytic oxidation (PCO) process have attracted attention because they are effective in purification of indoor air polluted with volatile organic compounds (VOCs), especially at low concentration levels. Thus far, TiO_2, one of the photocatalyst bound building materials, has been extensively studied for the oxidation of indoor air pollutants. The purpose of this research is to establish of Numerical Prediction of Concentration Reduction Performance of VOCs indoors. In this study, kinetic studies were carried out on photocatalytic oxidation (PCO) of toluene as VOCs in the gas phase over TiO_2-bound building materials in a 20 L test chamber and computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using the same boundary conditions as the experiments to identify model parameters of the PCO process. A performance test for evaluating the reduction of toluene concentration was carried out according to the ISO 16000-24 procedure (ISO, 2009) using a rectangular test chamber and a TiO_2-coated building material through a thermal spraying technique. TiO_2 powder was retained on the the surface of a material in the absence of any specific binder. Toluene concentration-controlled air was supplied into the chamber via an inlet located at the bottom of the chamber using a precise gas generator. The concentrations of toluene and products in the gas phase were determined using gas chromatography (GC/FID) by collecting samples from the outlet located on the ceiling of the test chamber. In this paper, we show the experimental results of photocatalytic degradation on toluene concentration and the identification result of the kinetic model parameters of the Langmuir-Hinshelwood model on the PCO process in combination with CFD simulations. The Langmuir- Hin-shelwood model was applied to the first control volume from the building material surface as a source term (sink term). The error of the reaction rate constant obtained in the experiment was corrected and adjusted through CFD analysis. The reaction rate constant k and Langmuir adsorption constant K were 1.78 × 10~(-10) kg/m~2/s,1.16×10~6 m~3/kg, respectively.%サステナブル建築への移行に社会的関心が高まっている中,エネルギーコストを増大させずに室内空気質制御を行う技術の開発は,その要素技術として必須である。本研究では,室内環境中のガス状汚染物質濃度をパッシブに濃度制御する技術として光触媒反応に着目し,酸化チタン(TiO_2)を担持させた建築材料の性能評価法を確立すると共に,室内汚染物質濃度の低減性能を数値的に精度良く定量評価するための数理モデル開発に取り組む。本報(第1報)では数値流体力学CFDによる室内濃度予測に組み込み可能なLangmuir- Hinshel-wood型の光触媒反応モデルを提案した上で,代表的な室内ガス状汚染物質としてトルエンに着目し,独自開発した20L小形チャンバーを用いて濃度低滅性能試験ならびにモデルパラメータ同定を行った。その上で,実験条件に対応するCFD解析を併せて実施することで,小形チャンバー内の速度場·濃度場の不均一性を考慮した上で精度良くモデルパラメータ同定する方法を提案した。
机译:室内空气质量影响乘员的健康和舒适度。室内恶劣的环境条件和室内的气相/气溶胶污染物也被认为是引起哮喘和过敏等疾病的原因之一,并且由于其对健康的不利影响而导致生产力显着下降。近年来,光催化氧化(PCO)工艺吸引了人们的注意,因为它们可有效净化被挥发性有机化合物(VOC)污染的室内空气,尤其是在低浓度时。迄今为止,已经广泛研究了光合作用结合的建筑材料之一TiO_2对室内空气污染物的氧化作用。本研究的目的是建立室内VOC浓度降低性能的数值预测。在这项研究中,进行了动力学研究,研究了甲苯在20 L试验箱中在与TiO_2结合的建筑材料上作为气相中的VOC的甲苯的光催化氧化(PCO),并在相同的边界条件下进行了计算流体动力学(CFD)模拟。作为确定PCO工艺模型参数的实验。根据ISO 16000-24程序(ISO,2009),使用矩形测试室和通过TiO 2涂层的建筑材料通过热喷涂技术进行了评估甲苯浓度降低的性能测试。在没有任何特定粘合剂的情况下,TiO_2粉末保留在材料表面。使用精确的气体发生器,通过位于腔室底部的入口将甲苯浓度受控的空气供应到腔室中。使用气相色谱仪(GC / FID)通过从位于测试室顶棚的出口收集样品来确定气相中甲苯和产物的浓度。在本文中,结合CFD模拟,我们展示了光催化降解甲苯浓度的实验结果以及Langmuir-Hinshelwood模型在PCO过程中动力学模型参数的鉴定结果。将Langmuir-Hin-shelwood模型应用于建筑材料表面的第一个控制体积,作为源项(下沉项)。通过CFD分析校正和调整实验中获得的反应速率常数的误差。反应速率常数k和Langmuir吸附常数K分别为1.78×10〜(-10)kg / m〜2 / s,1.16×10〜6 m〜3 / kg。本研究では,室内环境中のガス状污染物质浓度をパッシブに浓度制御する技术として光触媒反応に着目し,酸化チタン(TiO_2)を担持させた建筑材料の性能评価法を校正すると共に,室内污染物质浓度の低减性能を数値的に精度良く定量评価するための数理とデル开発报取り组报。本报(第1报)では数値流体力学CFDによる室内浓度予测に组み込み可能な着目し,独自开発した20L小形チャンバーを用いて浓度低灭性能试験ならびにモデルパラパーメ同定を行った。 ·浓度场の不均一性を考虑した上で精度良くモデルパラパーメ同定する方法を实施した。

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