張 輝 ，賈 穎，石 彤，張海萍，祝京旭

(1.天津大學化工學院，天津 300072；2.加拿大西安大略大學粉體技術研究中心，倫敦 N6A 5B9)

空氣中的細顆粒污染物(PM)對人們的生活質量、氣候和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重威脅[1-4].其中 PM2.5指的是顆粒粒徑小于 2.5μm的細顆粒污染物[5].PM2.5表面會附著細菌、病毒等生物物質并隨著呼吸進入人體支氣管和肺部[6]，長期處于高濃度 PM2.5的環(huán)境中會導致呼吸和心血管疾病，嚴重危害人體健康[7].根據美國環(huán)境保護局近期報告，全世界每年有210萬人的死亡與高濃度PM2.5有關[6,8].

空氣凈化器可有效降低 PM2.5濃度，提高室內的空氣質量[9].最常見的針對 PM2.5的凈化技術有纖維過濾技術和靜電吸附技術[10].纖維過濾技術的原理是當空氣通過纖維過濾器時，細顆粒污染物會被結構致密的纖維攔截，空氣與細顆粒污染物分離，從而達到凈化空氣的效果[11]，其凈化效率與空氣凈化器的結構、過濾介質的性質和風機的功率有關.其中，過濾介質起到了至關重要的作用.目前，很多學者對纖維過濾技術進行研究.結果表明，纖維是一種高效的過濾介質，因其具有網狀的支撐結構和曲折的孔道，在捕獲顆粒的同時能夠使空氣有效通過[12].纖維過濾技術具有凈化效率高、成本低、結構簡單等優(yōu)點，但隨著細顆粒污染物在過濾介質表面的沉積，阻力會呈指數增長，壓降明顯增大，能耗大大增加[13-14].靜電吸附技術的原理是高壓靜電場使空氣中微粒荷電后被集塵板捕集.其優(yōu)點是阻力小、壓降低、使用壽命長.其缺點是在運行過程中的靜電場會產生臭氧和其他污染物，不利于人體健康[10].

本文所設計的空氣凈化器彌補了現有空氣凈化器的不足，其流道結構為切向流吸附式而非過濾式.空氣被吸入褶皺式流道后會形成漩渦，利用物理吸附原理減低 PM2.5濃度，這種凈化方式不僅可以減小空氣凈化器的阻力，從而降低能耗，而且在空氣凈化器運行過程中避免臭氧等二次污染物的產生，更加節(jié)能環(huán)保.筆者為研究此種新型空氣凈化器的凈化性能，根據國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》搭建了 2.94m3的密閉實驗艙[15].實驗研究了吸附材料、PM2.5初始濃度和處理風量對新型空氣凈化器凈化性能的影響，并分析了這些參數影響空氣凈化器凈化性能的原因，此外，還對不同處理風量下新型空氣凈化器的壓降和凈化能效進行了對比.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗平臺

實驗艙是一個長 1.5m、寬 1.4 m、高 1.4m，容積為 2.94m3的封閉實驗空間，其框架的材料為鋁合金，6個面均為厚度 8 mm 的平板玻璃，玻璃框架四周用玻璃密封膠密封[16].圖 1為實驗艙的結構示意圖.

圖1 實驗艙結構示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental cabin structure

實驗艙頂部設有攪拌風扇(額定頻率 50Hz，額定電壓 220V，額定功率 250W，直徑 400 mm，轉速4800r/min)，目的是使實驗艙內的空氣混合均勻.實驗艙內放置除濕劑，采用 meacon溫濕度記錄儀記錄實驗艙內的溫濕度(測量精度：溫度±0.5℃，濕度±5%RH)，使艙內濕度保持 50%以下，以防止細顆粒由于空氣的濕度過大而發(fā)生凝聚，影響實驗結果[16].根據國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》，空氣凈化器的進出口距實驗艙下表面高度大于0.4 m，采樣點與實驗艙側壁距離大于 0.5 m，相對實驗艙下表面高度大于 0.5 m.利用氣溶膠檢測儀(TSI，DustTrak 8533)測量實驗艙內PM2.5濃度.

發(fā)塵裝置的結構示意如圖 2所示.為了保證實驗過程中顆粒污染物來源的一致性，實驗統(tǒng)一采用紅塔山經典 100系列香煙作為顆粒污染物來源.圖中的氣泵為電磁式增氧泵(森森集團股份有限公司，功率 120W，流量 90L/min)，香煙插口位于艙外，通過橡膠管連接.

圖2 發(fā)塵裝置示意Fig.2 Schematic diagram of the dust generation system

1.2 空氣凈化器結構

空氣凈化器主要由外殼、風機和吸附材料框架組成，其結構示意如圖3所示.

圖3 空氣凈化器結構示意Fig.3 Schematic diagram of the air purifier structure

整個殼體和吸附材料框架用不銹鋼材料制成，空氣凈化器的外殼尺寸為500 mm×250 mm×250 mm，主要由 3個區(qū)域構成.1區(qū)主要由出風口、渦流離心風機(臺灣三巨SW175HA2，額定電壓220V，額定電流 0.25A，頻率 50Hz，輸入功率 50W，轉速2650r/min)、用于改變風機頻率的單相變頻器(DFL公司，200S1系列)和測量風機功率的測試儀(華佰，PZ9901)構成.2區(qū)為除塵區(qū)域，褶皺式吸附材料平行排布，每兩個為一組，構成一個吸附通道.吸附材料框架的尺寸為 250mm×243 mm×20 mm，褶皺的頂角度數為 64°.吸附材料緊密纏繞在框架上，吸附材料的表觀吸附總面積是 510 mm×243 mm×6.3區(qū)主要是入風口.在空氣凈化器的入風口處測量風速(?，?AR866熱敏式手持風速儀)，從而計算空氣凈化器的處理風量.

1.3 實驗材料

實驗選用了 6種吸附材料，分別是初效過濾棉(上海聯(lián)兵環(huán)保科技有限公司，厚 3mm)、HEPA(high efficiency particulate air filter，臻美凈化器濾網，厚 0.5mm)、耐高溫玻璃纖維(南京安爾圣電子科技有限公司，厚 3 mm)、防霧霾納米紗窗(麥森建材有限公司，厚 1 mm)、不銹鋼篩網(上海經藝貿易有限公司，300目，絲徑 0.04mm，孔徑 48μm，厚1 mm)和靜電棉(上海聯(lián)兵環(huán)保科技有限公司，厚3 mm).實驗選用的初效過濾棉、HEPA、防霧霾納米紗窗和靜電棉已應用于空氣凈化領域中，并通過過濾作用可以達到較好的凈化空氣的效果，耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網具有良好的可清洗性，可實現吸附材料的循環(huán)使用.實驗采用三目透反射偏光顯微鏡(上海光學儀器六廠，60XC)觀察不同材料的微觀結構.

1.4 實驗方法

1.4.1 自然衰減實驗方法

自然衰減指的是在規(guī)定空間及條件下，由于沉降、聚附、表面沉積、化學反應和空氣交換等非人為因素，導致空氣中的目標污染物濃度降低[15].

顆粒物自然衰減實驗方法如下.

步驟 1 將空氣凈化器和氣溶膠檢測儀放置于圖1所示的實驗艙內，將空氣凈化器調節(jié)至實驗的工作狀態(tài)，用熱敏式風速儀測量進出口風速，確?？諝鈨艋鬟\行正常后將其關閉，將實驗艙密封，記錄實驗艙的溫濕度.

步驟 2 用氣溶膠檢測儀檢測實驗艙內的背景濃度，開啟空氣凈化器，直到PM2.5濃度小于0.02 mg/m3，關閉空氣凈化器.

步驟 3 將香煙插入發(fā)塵裝置的香煙插口中，排出的煙霧被吸入實驗艙中，并通過攪拌風扇均勻分布在實驗艙內，待 PM2.5濃度達到一定量(本實驗濃度均高于 1 mg/m3)，關閉發(fā)塵裝置，維持攪拌風扇運行10 min后關閉，目的是使顆粒污染物混合均勻.

步驟 4 攪拌風扇停止轉動后，利用氣溶膠檢測儀檢測 PM2.5的初始濃度c0，對應時刻t＝0min.實驗艙內的 PM2.5初始濃度測定后，每 2 min測定并記錄一次 PM2.5濃度，連續(xù)測定 20 min，計算自然衰減常數.整個過程在封閉的實驗艙內進行.

1.4.2 總衰減實驗方法

總衰減是指在規(guī)定空間及條件下，由于自然衰減和空氣凈化器的共同作用，導致空氣中的目標污染物濃度的降低[15].顆粒物總衰減實驗方法與自然衰減實驗方法類似，不同的是在測量實驗艙的初始濃度后開啟凈化器.具體操作步驟如下.

步驟 1～3按第 1.4.1節(jié)中步驟 1～步驟3進行實驗.

步驟 4 待攪拌風扇停止轉動后，記錄實驗艙內的PM2.5濃度，即為初始濃度，并開啟空氣凈化器，此時t＝0 min，每2 min測量并記錄一次PM2.5濃度，連續(xù)測試 20 min，關閉空氣凈化器，根據測定數據計算顆粒污染物的總衰減常數.整個過程在封閉的實驗艙內進行.

1.4.3 衰減常數和相關系數的計算

顆粒污染物隨時間的變化符合指數函數的變化趨勢，表達式為

式中：ct為t時刻的顆粒物濃度，mg/m3；c0為初始顆粒物濃度，mg/m3；k為衰減常數，min-1；t為實驗時間，min.

按照式(2)做 lnct和t的線性回歸，可求得衰減常數k.

式中：ti為第i個取樣點對應的時間，min；lnitc為第i個取樣點對應的顆粒污染物濃度的自然對數；n為采樣次數.

相關系數R表示自變量與因變量之間的離散程度，說明線性回歸的相關關系的顯著程度，R2應當不小于0.98，計算式為

分別用式(1)、(2)和(3)進行計算即可獲得自然衰減常數kn、總衰減常數ke和相關系數的平方R2，也可使用EXCEL擬合出k值和R2.

1.4.4 處理風量的測量方法

為了準確計算空氣凈化器的處理風量，實驗將進風口截面(87.5cm2)進行如圖4所示的分割處理.

圖4 入風口截面分割圖(單位：mm)Fig.4 Entrance section segmentation(unit：mm)

將截面分割成m個1cm×1cm的正方形，實驗測量每個單元格內的線速度vm，并根據式(4)計算空氣凈化器的處理風量Q.

分割后，不足一個正方形的部分按照其面積占完整方格的比例進行計算.

1.4.5 空氣凈化器凈化性能參數計算

1)潔凈空氣量和凈化能效

潔凈空氣量指的是空氣凈化器在上述規(guī)定的實驗條件下，針對目標污染物凈化能力的參數，表示空氣凈化器提供潔凈空氣的速率.凈化能效指的是空氣凈化器在上述實驗條件下單位功耗所產生的潔凈空氣量，計算方法如下：

式中：CADR為潔凈空氣量，m3/h；ke為總衰減常數，min-1；kn為自然衰減常數，min-1；ηc為凈化能效，m3/(h·W)；V為實驗艙容積，m3.

國標中的凈化能效η＝CADR/P，其中，P(W)指的是空氣凈化器整體輸入功率實測值，它包含了空氣凈化器的實際功耗和風機與電機的能量損失，本研究中只集中考察凈化組件本身的實際功耗Pc(W)，Pc的計算式為

式中pΔ為空氣凈化器流道進出口壓降，Pa.

2)有效凈化效率和去除率

有效凈化效率(α)指的是空氣凈化器所能提供的潔凈空氣輸送量CADR與處理風量Q的比值，去除率(β)指的是空氣凈化器開啟 20min后顆粒污染物減少量與初始顆粒污染物濃度的比值，計算式分別為

式中：ci為空氣凈化器開啟 20min后顆粒污染物濃度，mg/m3；c0為初始顆粒污染物濃度，mg/m3.

2 結果與討論

2.1 空氣凈化器結構分析

圖5 吸附原理示意Fig.5 Schematic diagram of the adsorption principle

空氣凈化器內部顆粒吸附情況如圖5所示，當帶有顆粒污染物的流體流過褶皺狀流道時，流體呈湍流狀態(tài)，在褶皺處形成漩渦，分散在流體中的細顆粒污染物隨著流體旋轉運動.當這些流體漩渦與固體壁面相撞時，顆粒污染物就被吸附在固體壁面上，從而達到氣固分離的效果.

2.2 吸附材料對凈化性能的影響

在上述實驗艙內進行實驗，將6種材料安裝在基于物理吸附原理而設計的新型框架結構中.對比 6種材料的凈化性能并探究初始濃度(7.5～8.0mg/m3)和風機頻率(50Hz)基本相同的情況下，新型空氣凈化器的潔凈空氣量、有效凈化效率和去除率的差異，并通過電子顯微鏡觀察6種材料的微觀結構，分析6種材料凈化性能存在差異的根本原因.

2.2.1 不同材料的凈化性能

從圖6可以看出，HEPA和靜電棉的凈化性能明顯比其他 4種材料好，其中凈化性能最好的是HEPA.耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網的有效凈化效率均為4.4%，明顯低于其他材料，其中耐高溫玻璃纖維的 CADR和去除率均是 6種材料中最低的.使用6種材料凈化空氣時，風機功率基本保持不變.由于6種材料的結構差異，安裝不同材料的空氣凈化器的處理風量有一定差別，HEPA的有效凈化效率最大.去除率和有效凈化效率的值相差較大，因為有效凈化效率的物理意義為單次凈化性能，而去除率的物理意義是總凈化性能.實驗中，空氣凈化器在密閉的環(huán)境中會進行多次循環(huán)凈化，達到去除 PM2.5的目的.綜上，6種材料凈化性能排序為：HEPA＞靜電棉＞防霧霾納米紗窗＞初效過濾棉＞不銹鋼篩網＞耐高溫玻璃纖維.

圖6 6種材料凈化性能對比Fig.6 Comparison of the purification performance of six materials

2.2.2 不同材料的微觀結構分析

圖 7為 6種材料在光學顯微鏡下所呈現的微觀結構.從圖中可以看出，HEPA、初效過濾棉和靜電棉均為多層玻璃纖維結構，吸附表面積大，顆粒污染物會被吸附到多層纖維結構中.但是，初效過濾棉和靜電棉的纖維之間縫隙較大，部分細顆粒污染物會隨著空氣從纖維的縫隙中穿過，而沒有與纖維接觸，使吸附效率降低；HEPA纖維分布密集，網孔小，顆粒污染物可通過慣性被吸附到材料表面，因此HEPA的凈化性能高于兩種過濾棉.此外，與初效過濾棉相比，靜電棉的纖維更細小，吸附面積更大，同時靜電棉是帶靜電的駐極體材料，由于靜電作用，顆粒污染物穿過此種材料時可被吸附在材料表面，因此靜電棉的凈化性能明顯高于初效過濾棉，與HEPA相近.

圖7 6種材料的微觀結構Fig.7 Microstructure of the six materials

耐高溫玻璃纖維、不銹鋼篩網和防霧霾納米紗窗均為單層結構.由于耐高溫玻璃纖維內部無多孔結構，顆粒污染物只能吸附在其表面，吸附面積遠小于多層纖維材料，不利于顆粒污染物的吸附，因此其凈化性能最差.單層不銹鋼篩網孔徑較大，可達48μm，使得其吸附面積小，此外該材料表面光滑，與顆粒作用力弱，不易吸附顆粒，同時已被吸附的顆粒污染物在氣流作用下也可能從材料上脫附下來，降低其凈化性能.同為單層結構的防霧霾納米紗窗的骨架孔徑更大，可達 1 mm，但防霧霾納米紗窗表面修飾有一層非常薄且不規(guī)則的納米纖維層，使其孔徑減小到納米級別，遠小于 PM2.5顆粒大小，能夠很好地吸附污染物顆粒，因此其凈化性能明顯高于耐高溫玻璃纖維和不銹鋼篩網.

綜上，通過多層致密的纖維結構或由材料修飾得到的超微孔道對于顆粒具有很好的吸附作用，利于顆粒的吸附；同時駐極體材料的帶電性可以大幅提升吸附效果.

2.3 PM2.5的初始濃度對凈化性能的影響

為了探究 PM2.5初始濃度對 6種材料吸附效果的影響，對6種材料分別在3種不同的PM2.5初始濃度下進行空氣凈化實驗.其中風機頻率相同，對比不同PM2.5初始濃度下6種材料的CADR、有效凈化效率α和去除率β.實驗結果如圖 8所示，從圖中可以看出，在 PM2.5初始濃度不同時，3個表征參數的值基本保持不變，這說明 PM2.5的初始濃度不會影響空氣凈化器的凈化性能.

2.4 處理風量對凈化性能的影響

實驗通過變頻器來調節(jié)風機頻率進而改變空氣凈化器的處理風量，風機頻率分別設置為 30、40、50Hz，PM2.5的初始濃度保持穩(wěn)定，實驗結果如圖 9所示，5種材料的CADR值和去除率均隨處理風量的增大而增大，在相同時間內可以產生更多的潔凈空氣.其中，HEPA和靜電棉的增加幅度較大，初效過濾棉、不銹鋼篩網和防霧霾納米紗窗由于本身吸附性能較差，處理風量的變化對其吸附性能的影響相對較小.CADR值的增加，使 PM2.5的整體去除率β也隨之增加.

圖8 6種材料的凈化性能與PM2.5初始濃度的關系Fig.8 Relationship between purification performance of six materials and PM2.5initial concentration

從圖 9(b)可以看到，有效凈化效率隨著處理風量的增大而減小，這主要是因為隨著處理風量的增大，流體通過吸附材料的速度增大，PM2.5顆粒與吸附材料的接觸時間減少，進入褶皺內部的 PM2.5顆粒減少，大部分的 PM2.5只接觸了褶皺突出的部分，使整個材料的利用率降低，造成有效凈化效率降低.

2.5 凈化器壓降與凈化能效分析

實驗中使用的新型空氣凈化器的流道是切向流式，其壓降主要來源于褶皺狀流道，實驗中將凈化性能最好的HEPA安裝在新型空氣凈化器中，測量了不同處理風量下空氣凈化器的壓降，并對比了44.1 m3/h、67.6m3/h和 86.0 m3/h這 3種處理風量下新型空氣凈化器的凈化能效.如圖 10所示，凈化器的壓降隨處理風量的增大而增大，在處理風量為44.1 m3/h時，空氣凈化器的壓降僅為 54Pa.從圖 11可以看出，本實驗中的空氣凈化器凈化能效隨著處理風量的增大而減小，在處理風量為 44.1m3/h時凈化能效最大，高達42 m3/(h·W).

圖9 5種材料的凈化性能與處理風量的關系Fig.9 Relationship between purification performance of five materials and airflow rate

圖10 壓降與處理風量的關系Fig.10 Relationship between pressure drop and airflow rate

圖11 凈化能效與處理風量的關系Fig.11 Relationship between cleaning energy efficiency and airflow rate

本實驗還測試了市場上某品牌空氣凈化器正常運行時過濾介質兩側的壓降，并計算得到了其凈化能效為 27.3 m3/(h·W)，實驗表明，本實驗的空氣凈化器在低風速運行時具有較高的凈化能效，適合低風速長時間運行.由于本實驗中的空氣凈化器采用吸附方式而非過濾方式處理空氣，凈化器的壓降不會隨顆粒污染物在材料表面的沉積而增大.

3 結 語

本文設計了一種以物理吸附為主要凈化原理的新型空氣凈化器，根據國家標準 GB/T 18801—2015《空氣凈化器》搭建了 2.94 m3的密閉實驗艙，并參照國標方法做了自然衰減和總衰減實驗.實驗結果表明HEPA和靜電棉的凈化性能較好，說明多層纖維結構吸附材料的凈化性能優(yōu)于單層纖維結構的吸附材料，纖維之間的縫隙越小，吸附面積越大，凈化性能越好.此外，駐極體吸附材料的帶電性可大幅度提高凈化器的凈化性能；PM2.5的初始濃度不會影響新型空氣凈化器的凈化性能；CADR和去除率隨著處理風量的增大而增大，有效凈化效率和凈化能效均隨處理風量的增大而降低.凈化器的壓降隨處理風量的增大而增大，在處理風量為44.1m3/h時，凈化器壓降僅為 54Pa，凈化能效高達 42m3/(h·W)，高于市場上的空氣凈化器.因此，本實驗設計的空氣凈化器適合在低風速下長時間運行，并且壓降不會隨顆粒污染物在材料表面的沉積而增大，具有良好的應用前景.