李正杰，江 涵，范 麗，王義剛

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料部，北京100019)

一、背景

隨著近些年來(lái)國(guó)內(nèi)大中型城市霧霾天氣的加重，空氣質(zhì)量日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)話題。由于在城市中人們的大部分工作、生活時(shí)間都在室內(nèi)，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)于人們身體健康的影響尤為重要。目前室內(nèi)空氣質(zhì)量的總體情況卻不容樂(lè)觀，其中污染物主要包括甲醛、灰塵、細(xì)菌、PM2.5、異味等，其污染物濃度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境中的污染物濃度。隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的日益重視，空氣凈化技術(shù)成為了熱點(diǎn)話題。我國(guó)空氣凈化技術(shù)起步晚，市場(chǎng)需求大，技術(shù)研發(fā)時(shí)間緊迫，這在一定程度上造成了空氣凈化領(lǐng)域的諸多問(wèn)題。

目前常見(jiàn)的空氣凈化技術(shù)有很多種，傳統(tǒng)的方法包括機(jī)械過(guò)濾、活性炭吸附等，傳統(tǒng)的空氣凈化技術(shù)雖然性能穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)成本較低，但是凈化功能單一;隨著人們對(duì)空氣凈化效果與效率的不斷追求，等離子體空氣凈化技術(shù)作為一種可以同時(shí)去除多種污染的新型的空氣凈化技術(shù)，已經(jīng)成為了空氣凈化領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

二、等離子體的空氣凈化作用

等離子體的產(chǎn)生方法有多種，包括電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法、射頻放電法、微波放電法、電暈放電法等。等離子體法屬于一種廣譜型的空氣凈化技術(shù)，能夠同時(shí)起到多種凈化作用。

(一)除塵

等離子中包含大量的電子和正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下與空氣中的顆粒污染物發(fā)生碰撞并附著在其上，從而使顆粒污染物成為帶電粒子，在外加電場(chǎng)的作用下，帶電粒子可以被集塵極收集。

(二)殺菌

等離子體具有顯著的殺菌作用，其殺菌的機(jī)理目前還沒(méi)有完善的解釋，普遍認(rèn)為的幾種原理包括:(1)高速粒子對(duì)微生物細(xì)胞的穿透破壞作用;(2)等離子在產(chǎn)生過(guò)程中放出大量的紫外線能夠破壞細(xì)菌的DNA;(3)高能粒子和活性自由基與細(xì)菌的蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生反應(yīng)從而將其破壞。

(三)去除VOC

等離子體中包含大量高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強(qiáng)氧化性的自由基，這些活性粒子與有害氣體分子發(fā)生頻繁碰撞，從而打開(kāi)氣體分子的化學(xué)鍵，產(chǎn)生大量的自由基和氧化性很強(qiáng)的臭氧，與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2和H2O等無(wú)害產(chǎn)物。

三、等離子空氣凈化領(lǐng)域的專利申請(qǐng)狀況

(一)檢索方法

等離子空氣凈化主要涉及的IPC國(guó)際分類號(hào)為A61L9/22、F24F3/16。為了盡可能地避免漏檢，檢索中將分類號(hào)擴(kuò)展至 A61L9/00、F24F3/00、B01D50/00。檢索數(shù)據(jù)庫(kù)選用中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(CNABS)和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(SIPOABS)，檢索截止日期為2014年4月1日。

(二)國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)情況

首先需要說(shuō)明的是，由于專利申請(qǐng)通常自其申請(qǐng)日起18個(gè)月后公開(kāi)，因此，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中2013年及之后的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定偏差，因此，圖1中僅列出了2012年以及以前的數(shù)據(jù)。

圖1中顯示了自1988-2012年世界范圍內(nèi)和中國(guó)范圍內(nèi)與等離子空氣凈化相關(guān)的專利申請(qǐng)情況。在世界范圍內(nèi)，等離子體空氣凈化首先在日本興起，隨后與之相關(guān)的研究在全世界范圍內(nèi)展開(kāi)，1988年至1998年這一時(shí)期，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量較少并呈現(xiàn)平穩(wěn)的發(fā)展趨勢(shì)。自1998年起至2005年，該領(lǐng)域的申請(qǐng)量呈現(xiàn)出了較迅速的增長(zhǎng)，這主要是由于汽車時(shí)代的到來(lái)加重了空氣的污染以及全世界范圍內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)健康的影響日益受到關(guān)注。這一期間，中國(guó)國(guó)內(nèi)的相關(guān)專利申請(qǐng)則起步較晚并且申請(qǐng)量增長(zhǎng)緩慢。隨后，2005年至2007年間，世界范圍內(nèi)的申請(qǐng)量呈現(xiàn)了下滑現(xiàn)象，而之后申請(qǐng)量又持續(xù)升溫，至2009年達(dá)到申請(qǐng)量的歷史最高點(diǎn)。從圖中可以看出，2007年之后，該領(lǐng)域的中國(guó)專利申請(qǐng)量先是呈現(xiàn)了迅猛的增長(zhǎng)，在2009年達(dá)到最大申請(qǐng)量。這一時(shí)期，中國(guó)的粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的霧霾現(xiàn)象越來(lái)越顯著，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平以及人們健康觀念的提升，空氣凈化領(lǐng)域呈現(xiàn)異常的火熱的狀態(tài)。這一階段中，中國(guó)國(guó)內(nèi)的相關(guān)專利申請(qǐng)量構(gòu)成了世界申請(qǐng)量的主要組成部分，從而使世界范圍內(nèi)的申請(qǐng)量隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量而出現(xiàn)出波動(dòng)。這也從一定程度上反映出，中國(guó)正逐漸成為世界上空氣凈化領(lǐng)域主要的技術(shù)需求市場(chǎng)以及具有巨大潛力的消費(fèi)市場(chǎng)，并且受到了世界各國(guó)家和地區(qū)申請(qǐng)人的重視。對(duì)于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人來(lái)說(shuō)，這一時(shí)期內(nèi)涌現(xiàn)出了大量的國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校和個(gè)人的申請(qǐng)，然而由于基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展步伐過(guò)大，導(dǎo)致了一大批質(zhì)量相對(duì)較低的申請(qǐng)。在經(jīng)歷了發(fā)展迅猛期之后，這一領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)出了下滑趨勢(shì)，預(yù)期這一申請(qǐng)量將會(huì)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖1 申請(qǐng)量的時(shí)間分布

(三)世界范圍內(nèi)主要申請(qǐng)人

從表1中可以看出，在世界范圍內(nèi)，等離子體空氣凈化技術(shù)的專利申請(qǐng)中，最活躍的申請(qǐng)人集中在中、日、韓三個(gè)國(guó)家，中國(guó)的公司及個(gè)人申請(qǐng)人尤為活躍。這說(shuō)明國(guó)內(nèi)的研究人員已經(jīng)意識(shí)到空氣凈化領(lǐng)域的重要性，在傳統(tǒng)空氣凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷探索新的空氣凈化技術(shù)，并嘗試著對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行專利布局。

然而，對(duì)于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人來(lái)說(shuō)，在申請(qǐng)量大的同時(shí)存在著諸多問(wèn)題:

1.重復(fù)性申請(qǐng)，將同一個(gè)發(fā)明構(gòu)思改變某些技術(shù)特征提交多份專利申請(qǐng)，導(dǎo)致技術(shù)覆蓋面窄，難以形成網(wǎng)狀布局;

2.專利申請(qǐng)質(zhì)量偏低，發(fā)明構(gòu)思多為將現(xiàn)有技術(shù)中的等離子體技術(shù)以及機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合;

(3)市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率低，從主要申請(qǐng)人的在華專利狀態(tài)來(lái)看，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域有效專利大多數(shù)被國(guó)內(nèi)的企業(yè)和個(gè)人所持有，然而，目前等離子空氣凈化產(chǎn)品市場(chǎng)絕大部分份額被韓、日兩國(guó)的企業(yè)所占據(jù)，國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)大多沒(méi)有完成市場(chǎng)轉(zhuǎn)化。

表1 世界范圍內(nèi)等離子體空氣凈化技術(shù)主要專利申請(qǐng)人

(四)中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人類型分布

圖2顯示了等離子空氣凈化技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人類型分布情況，從圖中可以看出，國(guó)內(nèi)企業(yè)的申請(qǐng)量占到了45%，這反映了國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)非常重視空氣凈化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)的研發(fā)與市場(chǎng)投入，然而從另一方面來(lái)看，盡管申請(qǐng)量上占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是申請(qǐng)質(zhì)量整體偏低，并且技術(shù)分散在許多不同的企業(yè)中，系統(tǒng)性不強(qiáng)，難以將其在專利技術(shù)上的申請(qǐng)量?jī)?yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)占有份額。其次，個(gè)人申請(qǐng)量也占到了33%之多，這一比例甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)的總體申請(qǐng)量。對(duì)于個(gè)人申請(qǐng)人來(lái)說(shuō)，其申請(qǐng)保護(hù)的技術(shù)點(diǎn)往往更加分散，申請(qǐng)的質(zhì)量以及市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率都低于企業(yè)和科研單位的申請(qǐng)，這在一定程度上反映了國(guó)內(nèi)等離子體空氣凈化領(lǐng)域體系性差、技術(shù)分散的現(xiàn)狀。

圖2 中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人類型分布

四、等離子體空氣凈化的研究趨勢(shì)

雖然等離子體技術(shù)可以將大部分的有機(jī)污染物分解為CO2和H2O，但是在反應(yīng)不完全的情況下會(huì)產(chǎn)生CO等不完全分解產(chǎn)物，同時(shí)高壓電場(chǎng)也不可避免地產(chǎn)生O3和NOx等二次污染物。因此單一地采用低溫等離子體的空氣凈化技術(shù)難以實(shí)際推廣應(yīng)用，因此，研究人員已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向了等離子體技術(shù)與其他空氣凈化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。目前較為受關(guān)注的聯(lián)合技術(shù)分別為光催化、吸附與等離子體的聯(lián)合技術(shù)。

(一)等離子體與光催化耦合技術(shù)

光催化技術(shù)作為一種性能優(yōu)越的前沿空氣處理方法也越來(lái)越受到研究者的關(guān)注，光催化劑通常需要在大量的活化能條件下才能被激活，而等離子體放電區(qū)域會(huì)伴隨產(chǎn)生豐富的紫外線，這些紫外線可以用來(lái)激活光催化劑，從而實(shí)現(xiàn)光催化分解與等離子方法的協(xié)同作用。

例如:大金工業(yè)株式會(huì)社的專利申請(qǐng)JP2005300111A中，將預(yù)過(guò)濾后的氣體依次通過(guò)光催化劑過(guò)濾器和等離子體催化劑過(guò)濾器，以對(duì)空氣中的塵埃、臭氣分子、細(xì)菌病毒進(jìn)行凈化。開(kāi)利公司的專利申請(qǐng)WO2006065491 A2中，等離子裝置選擇性開(kāi)啟并將釋放的化學(xué)污染物轉(zhuǎn)化成固態(tài)污染物產(chǎn)品，從而避免了含硅VOC或SVOC在光催化劑表面上形成硅基玻璃，進(jìn)而避免了特定污染物對(duì)光催化劑的鈍化作用。華南理工大學(xué)的專利申請(qǐng)CN103432616 A，利用等離子體與光催化的協(xié)同作用對(duì)空氣進(jìn)行殺菌，然后采用吸附劑對(duì)形成的各種固體小顆粒和殘留的各種活性粒子以及等離子體產(chǎn)生的副產(chǎn)物臭氧進(jìn)行吸附，進(jìn)一步保證了排出氣體的質(zhì)量。法國(guó)高等理工學(xué)院的專利申請(qǐng)WO2009007588 A1中，將等離子體供應(yīng)電極形成在光催化劑薄層上，從而在光催化劑表面形成等離子體，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光催化劑和等離子體的相互作用，可以提高污染物控制、氣味消除或滅菌的效率。

(二)等離子體聯(lián)合吸附技術(shù)

在傳統(tǒng)的吸附凈化空氣方法例如活性炭吸附中，吸附劑通常需要定期進(jìn)行再生，再生步驟通常會(huì)大大增加吸附法的成本，將等離子體與吸附法結(jié)合后的優(yōu)點(diǎn)在于:一是吸附法可以對(duì)等離子處理產(chǎn)生的二次污染物進(jìn)行吸附，消除等離子體法的缺點(diǎn);二是由于等離子體的在先處理，使得在后的吸附劑的負(fù)荷大大降低，延長(zhǎng)了再生周期。

例如:通達(dá)商業(yè)集團(tuán)國(guó)際公司的專利申請(qǐng)WO2004014439A2中，采用沸石等吸附劑對(duì)污染物進(jìn)行吸附，利用等離子體產(chǎn)生的熱量使吸附劑解吸，解吸后的廢氣在凈化裝置內(nèi)循環(huán)，在等離子的作用下分解。西安交通大學(xué)的專利申請(qǐng)CN1931377A中，先通過(guò)吸附劑富集污染氣體和懸浮顆粒，在吸附接近飽和的時(shí)候啟動(dòng)低溫等離子體一段時(shí)間，依靠等離子體的電磁場(chǎng)作用、電子碰撞作用解吸和再生吸附劑，并分解釋放出來(lái)的氮氧化物、硫氧化物、有機(jī)污染物等，如此循環(huán)以實(shí)現(xiàn)空氣凈化。等離子體溶膠公司和史蒂文斯技術(shù)學(xué)院的專利申請(qǐng)WO03063914A2中，將等離子體放電裝置設(shè)置于過(guò)濾器或碳床的上游，首先利用等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)使污染物滅活或減少，此外，產(chǎn)生的活性物質(zhì)被氣流攜帶至過(guò)濾器或碳床，因此，收集在過(guò)濾器或碳床上的污染物也被滅活。三菱電機(jī)株式會(huì)社的專利申請(qǐng)WO2011152016 A1中，采用了負(fù)載了催化劑的蜂窩吸附劑，在等離子體產(chǎn)生的電子、自由基、離子對(duì)病毒進(jìn)行滅活的同時(shí)，還可以使負(fù)載的催化劑活化，從而縮短了微生物的滅活時(shí)間。

圖3顯示了1994年至2012年間國(guó)內(nèi)光催化、吸附與等離子體聯(lián)合技術(shù)的專利申請(qǐng)情況，從圖中可以看出，與年度申請(qǐng)總量的變化趨勢(shì)相似，光催化、吸附與等離子體聯(lián)合技術(shù)的專利申請(qǐng)量也經(jīng)歷了迅速增長(zhǎng)期與穩(wěn)定發(fā)展期，兩種聯(lián)合方法的申請(qǐng)總量約占到了國(guó)內(nèi)等離子體空氣凈化領(lǐng)域申請(qǐng)總量的50%?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，將等離子法與其他一種方法或者多種方法耦合以消除單一方法存在的缺陷并強(qiáng)化凈化效果的技術(shù)，將成為等離子空氣凈化的重要發(fā)展方向。

圖3 技術(shù)熱點(diǎn)的時(shí)間分布圖

五、結(jié)論與建議

隨著空氣污染的加重，等離子體空氣處理領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量在過(guò)去的10年之間經(jīng)歷了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展;然而目前，等離子體空氣凈化技術(shù)在商品化的道路中尚處于起步階段。針對(duì)該領(lǐng)域目前的狀況，提出了以下幾點(diǎn)建議:

一是等離子體空氣凈化技術(shù)是一種廣普型的空氣凈化技術(shù)，能夠?qū)︻w粒物、VOC、細(xì)菌等多種室內(nèi)空氣污染起到去除作用，具有廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)的研究人員應(yīng)當(dāng)充分關(guān)注這一領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，把握研究的發(fā)展方向。

二是國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)技術(shù)研究的系統(tǒng)性，避免在相似的技術(shù)點(diǎn)上付出重復(fù)性的勞動(dòng)，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)重視成果轉(zhuǎn)化，只有形成市場(chǎng)化的產(chǎn)品才能為進(jìn)一步研發(fā)的提供動(dòng)力，形成良性循環(huán)。

三是單一地采用等離子體技術(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的二次污染，因此將等離子體技術(shù)與其他一種或多種空氣凈化技術(shù)進(jìn)行耦合，以消除單一技術(shù)的缺點(diǎn)并強(qiáng)化凈化效果，是等離子體凈化技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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