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物理学 > 流体动力学

arXiv:2506.00603 (physics)
[提交于 2025年5月31日 ]

标题: 模拟集成催化技术的V形滤池中的层流以去除大气污染物

标题: Modelling laminar flow in V-shaped filters integrated with catalyst technologies for atmospheric pollutant removal

Authors:Samuel D. Tomlinson, Aliki M. Tsopelakou, Tzia M. Onn, Steven R. H. Barrett, Adam M. Boies, Shaun D. Fitzgerald
摘要: 大气中的颗粒物、挥发性有机化合物和温室气体污染是重要的环境与公共健康问题,会导致呼吸系统疾病和气候变化。 一种潜在的缓解策略是利用通风系统,这些系统处理大量室内外空气并通过过滤去除颗粒污染物。 然而,尽管催化技术与通风系统中滤网的结合有潜力同时去除颗粒物和气体(如烟气处理和汽车尾气系统所示),这一领域的研究仍较为有限。 本研究开发了一种用于 V 形滤网(带或不带隔板)的预测性长波模型。 该模型经过实验和数值数据验证,为通过增加纤维直径和孔隙率、减少纵横比和滤网厚度来提高流速提供了框架。 这些变化提高了渗透性,从而降低了能耗。 但它们也降低了污染物去除效率,凸显了流量、过滤性能和运营成本之间的权衡关系。 利用长波模型结合实验结果,我们估算了如果部署十亿个集成催化增强技术的V形过滤器,所能达到的最大潜在去除率(每年$2\times10^{-4}$GtPM$_{2.5}$,$2\times10^{-3}$GtNO$_{\text{x}}$,$9\times10^{-3}$GtCH$_{4}$)以及最低成本(每吨NO$_{\text{x}}$需要 \$$7\times10^{4}$,每吨CH$_{4}$需要 \$$2\times10^{4}$)。 这些发现突显了催化过滤器作为一种可扩展、高效率的解决方案,用于改善空气质量与缓解大气污染的可行性。
摘要: Atmospheric pollution from particulate matter, volatile organic compounds and greenhouse gases is a critical environmental and public health issue, leading to respiratory diseases and climate change. A potential mitigation strategy involves utilising ventilation systems, which process large volumes of indoor and outdoor air and remove particulate pollutants through filtration. However, the integration of catalytic technologies with filters in ventilation systems remains underexplored, despite their potential to simultaneously remove particulate matter and gases, as seen in flue gas treatment and automotive exhaust systems. In this study, we develop a predictive, long-wave model for V-shaped filters, with and without separators. The model, validated against experimental and numerical data, provides a framework for enhancing flow rates by increasing fibre diameter and porosity while reducing aspect ratio and filter thickness. These changes lead to increased permeability, which lowers energy requirements. However, they also reduce the pollutant removal efficiency, highlighting the trade-off between flow, filtration performance and operational costs. Leveraging the long-wave model alongside experimental results, we estimate the maximum potential removal rate ($2\times10^{-4}$ GtPM$_{2.5}$, $2\times10^{-3}$ GtNO$_{\text{x}}$, $9\times10^{-3}$ GtCH$_{4}$ per year) and minimum cost (\$$7\times10^{4}$ per tNO$_{\text{x}}$, \$$2\times10^{4}$ per tCH$_{4}$) if a billion V-shaped filters integrated with catalytic enhancements were deployed in operation. These findings highlight the feasibility of catalytic filters as a scalable, high-efficiency solution for improving air quality and mitigating atmospheric pollution.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2506.00603 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2506.00603v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.00603
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Samuel Tomlinson [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 5 月 31 日 15:29:27 UTC (3,012 KB)
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