康瑞鑫 劉國華*

安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

0 引言

近年來，隨著國民經濟的持續(xù)發(fā)展，大氣污染問題日益嚴重，空氣質量每況愈下。根據美國耶魯大學發(fā)布報告（Environmental Performance Index:2016 report）顯示，中國空氣質量在180個統(tǒng)計國家中，位于179位[1]，屬空氣污染重災區(qū)。在空氣污染物當中，顆粒物因其獨特的特性，對人體健康危害顯著。美國環(huán)保部開展的人類活動模式調查顯示，人在室內度過的時間高達87%，另有6%的時間花在交通中，只有7%的時間在室外度過[2]。研究表明，室內顆粒物濃度比室外顆粒物濃度要高6倍左右[3]。隨著近年來人們對空氣質量的關注，越來越多的個人及單位選擇民用空氣凈化器，來改善室內空氣質量，消除室內環(huán)境的顆粒污染物[4]。雖然我國已于2015年頒布實施新空氣凈化器國家標準[5]，并于2017年實施空氣凈化器中國環(huán)境標志標準，但家用空氣凈化器質量依舊良莠不齊。美國、英國、日本等國家進行了許多關于室內空氣凈化器凈化顆粒物的研究，其中部分研究成果已用于生活生產實際，考慮到國家之間不同的空氣凈化要求[6]，需要探索出適合我國當前空氣狀況的凈化器。

目前空氣凈化器對顆粒物的凈化方法很多，但多數研究者對其機理及技術手段還缺乏全面認識，本文針對國內外空氣凈化器凈化顆粒物的研究現狀進行綜述，按照空氣凈化顆粒物的原理，技術手段及其性能與優(yōu)缺點進行分析，比較與討論，并對其運行情況進行評估。

1 原理介紹分析

1.1 活性炭技術

1.1.1 活性炭技術凈化原理

活性炭是利用木屑，橄欖石，椰子殼等果殼及煤炭，石油焦等為原料，經高溫炭化，并通過物理或化學活化制備成的黑色粉末狀或顆粒狀碳質材料[7]。因其比表面積大、孔隙結構豐富、吸附作用強、價格較低等特性，被家用空氣凈化器廣泛采用。

活性炭凈化空氣主要機理為吸附作用，其經過活化處理后，1 g活性炭的有效接觸面積可高達1000 m2[8]，因此具有很強的吸附能力。其中活性炭吸附主要按照吸附作用力的不同進行區(qū)分，可分為物理吸附和化學吸附。一般物理吸附為可逆過程，其主要通過分子間的范德華力將吸附質吸附于吸附劑表面。而化學吸附多為不可逆過程，主要通過固體表面與吸附氣體分子間的化學鍵力來達到吸附作用。秦恒飛等人的研究表明[9]，同一物質在較低溫度下可能發(fā)生物理吸附，而在較高溫度下一般發(fā)生化學吸附，也可能兩種吸附方式同時發(fā)生。

活性炭凈化室內空氣顆粒物主要通過物理吸附，凈化機理主要包含四種情況[10]：1）位阻效應，即分子尺寸大于孔直徑，分子無法進入孔內，主要通過阻擋來達到凈化要求，活性炭不起吸附作用。2）捕捉力作用，主要適用于極低濃度下的吸附，即當分子直徑與孔直徑相當，分子尺寸約等于孔直徑時，吸附劑的捕捉力非常強，通過吸附劑的捕捉作用達到吸附要求。3）毛細凝聚作用，即分子尺寸小于孔直徑，孔內發(fā)生毛細凝聚使吸附質被吸附，其特點是吸附量大。4）脫附平衡，即分子尺寸遠小于孔直徑時，吸附的分子易發(fā)生脫附，脫附速率增加。當吸附速率與脫附速率相同時，達到吸附平衡，吸附劑的吸附過程停止，吸附劑喪失了繼續(xù)吸附的能力。而活性炭的化學吸附主要通過活性炭表面的官能團，通過化學反應來達到凈化的效果。對于現階段的空氣凈化而言，因其空氣含量的復雜性，多采用添加其他化學催化劑，如光催化劑TiO2，形成復合材料增加其空氣凈化效率[11]。

1.1.2 活性炭技術優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）結構緊湊，結構比較穩(wěn)定，且具有發(fā)達的微孔結構，內表面積有很好的吸熱和耐熱性。2）較高的比表面積，可以吸附更多的有機分子。3）應用范圍廣，可以吸收包括固體顆粒、有害氣體等污染物，且活性炭本身具有一定的抑菌、抗菌作用，可以消除空氣中的致病微生物。4）活性炭和載持物之間存在大量的絡合物，使催化劑活性得到很大的提升。

缺點：1）吸附量小，物理吸附存在飽和的問題，隨著吸附雜質的增多，吸附能力減弱，需要更換。2）對吸附具有專一性，主要表現在對混合氣體存在吸附性能減弱的情況。3）可能會帶來二次污染，因為其主要是將有毒有害物質轉移，并沒有完全分解有害物質。

1.2 高效空氣過濾器技術

1.2.1 技術凈化原理

高效空氣過濾器（HEPA），是一種廣泛應用于醫(yī)療設備，汽車，飛機以及家居領域的過濾介質。根據美國能源部制定的高效過濾器濾網標準，其對粒徑在0.3 μm的粒子，采用DOP法測試過濾效果達到99.97%以上[12]，現階段所采用的HEPA濾網可達到99.99%的攔截效率。其中根據MPPS（Most PeratingParticle Size，最輕易穿透粒徑）[13]的概念，因 0.3 μm的粒子不易受氣旋和范德華力的影響，為最易穿透粒子，故采用0.3 μm的粒子對HEPA進行標準制定。

圖2 HEPA結構及凈化機理示意圖

HEPA的過濾機制主要分為四種：1）攔截機制，該機制主要是對大粒徑粒子起作用，利用HEPA之間微小間隙，對大顆粒物進行攔截。2）重力影響，其對體積小密度大的顆粒起主要作用，該粒子在經過HEPA濾網時，因濾網的阻力作用，會造成運動速度降低，進而自然沉降到濾網上。3）氣流影響，主要對超小顆粒物起過濾作用。由于HEPA的濾網編織不均勻，空氣在風機的驅動下，會形成大量的空氣旋渦，超小顆粒物受此渦旋的影響吸附在HEPA濾網上被過濾。4）范德華力的影響，主要對超微顆粒物起作用。其中超微顆粒物做布朗運動，撞擊HEPA纖維層，受濾網的范德華力作用實現過濾?；谝陨线^濾機理，HEPA對多種粒子都具有過濾作用，并且具有較高的過濾效率，故廣泛應用于室內空氣過濾器之中。

1.2.2 高效空氣過濾器技術優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）技術成熟，采用物理過濾方式，不會形成二次污染。2）根據實驗室測試數據，濾網的單次凈化效率高，可除去的粒徑范圍大。3）HEPA濾網的凈化率隨風量、使用時間下降較緩慢。4）因其范德華力的過濾機理原因，高效HEPA可以對部分病毒體實現過濾攔截。

缺點：1）HEPA濾網的風阻較大，對風機的要求高。尤其是高等級的HEPA濾網，對風機的要求較高。2）維護成本高，由于HEPA的過濾效率較高，在北京等空氣質量較差的城市，HEPA濾網的使用壽命僅能維持半年左右，其更換的費用較高。3）在潮濕的環(huán)境中，濾網易滋生霉菌，同時不能對病原體實現滅活，容易造成病毒吸附。4）我國沒有相關的回收機制，容易對環(huán)境造成污染。

1.3 駐極體技術

1.3.1 駐極體技術凈化原理

駐極體是具有在無外電場的條件下能自身產生靜電作用力特性的一種長期存儲電荷功能的電解質材料[14]。其生產材料要求具有高體電阻和表面電阻，高介電擊穿強度，以及低吸濕性等性能。按照現有的生產原材料可將駐極體分為無機駐極體，聚合物駐極體和生物駐極體。一般空氣過濾器主要采用的駐極體材料為高聚物駐極體。

駐極體空氣過濾材料的除塵原理與一般機械型空氣過濾器的過濾機理不同。機械型空氣過濾器主要過濾機理為機械攔截，即通過纖維之間的阻擋效應對顆粒物來進行過濾，而駐極體濾料的過濾機理主要依賴于濾料纖維本身的帶電特性[15]，通過荷電纖維所帶電荷之間的庫侖力對灰塵來進行捕獲。其中駐極體空氣過濾材料纖維間隙為微米數量級，而極化纖維之間通常存在有幾百甚至上千伏的電壓，從而形成無數個電場可以達到每米幾十兆伏甚至更高的無源集塵電極。由于高電場集塵電極的存在，當氣流通過駐極體過濾器時，電場產生的庫侖力可以使氣流中的帶電粉塵被有效的吸附，而且未帶電的中性顆粒也能被強電場極化，從而被過濾纖維捕獲[16]。并且駐極體纖維由于靜電力的排斥作用擴散成網狀，形成開放式結構，當灰塵經過時，通過靜電力吸引粒子，在傳統(tǒng)機械型空氣過濾器過濾效率下，具有較小的阻力。同時由于駐極體存在的強靜電場和微電流，擁有刺激細菌病毒使蛋白質和核酸變異的性能，損傷細菌的細胞質及細胞膜，從而破壞其表面結構，導致細菌死亡失活[17]。根據臨床試驗，駐極體空氣過濾器濾菌效率高達95%，并可以殺死90%的細菌[18]。

圖3 駐極體過濾材料對顆粒的靜電庫侖力示意圖

1.3.2 駐極體技術優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）駐極體過濾材料，基于其獨特的過濾機理，具有高效性與低阻性，且能過濾一般機械型過濾器無法過濾的小粒徑粒子。2）因為駐極體材料靜電場與微電流，對微生物以及病毒具有抑制和殺滅作用。3）由于近年來對駐極體材料的研究深入，現有駐極體濾料表現出突出的疏水性，熱穩(wěn)定性和在較高溫度下的電荷儲存能力。

缺點：駐極體材料的使用壽命較一般過濾材料而言較低，而且其過濾性能及過濾效率會隨周圍環(huán)境等因素的變化而降低，使其在嚴格要求過濾性能的場所下有一定的使用限制。

1.4 各類凈化方法比較

表1為各類凈化方法的原理，實現手段及優(yōu)缺點比較。

表1 各種凈化方法的比較

2 凈化器運行效率分析

目前，市售空氣凈化器在過濾形式和過濾材料的選用組合上，大多是借鑒潔凈室空氣凈化系統(tǒng)的設計思路和技術路線[19]。為保證家用凈化器的凈化效率以及滿足對多種污染物的凈化要求，一般所采用多種凈化濾材配合，形成整套過濾體系[20]。在研究了市場在售的十種品牌凈化器的凈化原理，CCM（顆粒物累計凈化量）及CADR（潔凈空氣量）后，現階段主要的設備凈化流程如圖4所示。

圖4 現有家用凈化器凈化流程圖

駐極體做為一種新型的低阻高效特性的過濾材料，在目前市場當中，還并未得到廣泛應用，主要的研究也大多存在于實驗室研究階段?，F階段空氣凈化器的主要標注測試參數主要以CADR為主[21]，但其中對于實際指導意義有限，本部分將對各凈化層及駐極體凈化濾料的主要實驗數據進行分析。

肖沅芷[22]等人根據Brown R.C.[23]提出的過濾品質因數對不同類型的濾料進行了測試，其中過濾品質因數主要考慮過濾過程中效率與阻力的相互平衡關系，其中過濾品質因數Q按下式計算：

式中：Q為過濾品質因數，1/Pa；η為過濾效率，%；Δp為壓降，Pa。

根據其計算結果，駐極體材料在5 cm/s的過濾風速下品質因數可達到0.57，在10 cm/s的過濾風速下只有0.35，而一般的玻纖濾紙的品質因數均位于0.05以下。故駐極體濾料在能夠維持較高過濾效率的基礎上，具有較低的過濾阻力，是一種具有低阻高效過濾特性的材料，因其具有較大的節(jié)能效益，故適用于家用空氣過濾器作為復合濾網的過濾材料。

水甜甜[24]等人的實驗測試了不同過濾層獨立運行以及聯(lián)合運行時的過濾效率。其中駐極體過濾效率隨過濾面積的增加而增加，最高為85.32%，HEPA過濾效率最高，達到88.01%，初效過濾層及活性炭層的凈化效率均低于3.00%，因為自然沉降以及顆粒物碰撞凝聚等因素，過濾效率基本可忽略。當多種濾料進行聯(lián)合運行時，除因過濾初期空氣流過活性炭層造成細小炭粒脫落，隨送風進入室內外，造成過濾效率較獨立運行時略有降低外，其他復合過濾層過濾效率均有所提升，但提高率小于3.80%。凈化器處理風量方面，HEPA處理風量最小，初效過濾網以及活性炭濾網都會降低處理風量。

一般空氣凈化器測試大多采用實驗室標準試驗條件，懸浮顆粒物來源按照國家標準[5]采用香煙煙霧，與實際使用場景存在一定差異，導致使用效果與測試結果存在差異。李兆堅[25]等人在北京嚴重霧霾條件下，進行了現場凈化測試，并分別對兩種價格差異較大的凈化器進行測試。其中兩種家用凈化器在實際使用條件下均能達到有效的空氣凈化要求，且凈化效果顯著。其中某國產低價凈化器的凈化水平高于進口空氣凈化器，猜測原因為國外空氣凈化要求與室內空氣污染物不同所導致，故凈化器的凈化效率與價格并無直接關系。所測兩種不同回風方式的凈化器表明，圓柱形回風空氣凈化器凈化效率以及濾芯使用壽命均優(yōu)于長方形回風空氣凈化器，主要原因為圓柱形高效過濾器的面積較大，容塵量較大。

3 結論

家用凈化器對顆粒物的凈化是空氣凈化的研究熱點，本文通過對家用空氣凈化器凈化顆粒物的原理以及技術實現進行分析，得出以下結論：

1）家用空氣凈化器凈化顆粒物主要有三種方式包括活性炭凈化、高效空氣過濾器凈化、駐極體凈化，其中HEPA凈化效率最高，駐極體凈化具有最高的過濾品質因數。

2）市售的家用空氣凈化器大多采用多種濾料復合過濾，增加了過濾效率，但使過濾阻力增大，對風機提出更高的要求。

3）活性炭層一般作為最后的吸附過濾層，對顆粒物的凈化效率較低，在使用初期甚至會增加顆粒物濃度，但附加了光催化劑之后，則對化合物的去除就較為有效。

4）駐極體過濾具有較高的過濾品質，且對風機的動力要求低，但現階段尚未應用到家用空氣過濾器中，在未來家用空氣過濾器中有望得到廣泛應用。

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