室內(nèi)空氣凈化技術(shù)及產(chǎn)品綜述

石芳芳邱利民于川張林宋佳嚴仁遠

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027；2中程節(jié)能技術(shù)有限公司 杭州 310013；3浙江大學生物工程研究所 杭州 310027；4浙江大學能源工程學系 杭州 310027)

室內(nèi)空氣凈化技術(shù)及產(chǎn)品綜述

石芳芳1邱利民1于川2張林3宋佳4嚴仁遠4

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027；2中程節(jié)能技術(shù)有限公司 杭州 310013；3浙江大學生物工程研究所 杭州 310027；4浙江大學能源工程學系 杭州 310027)

如何在加快治理大氣環(huán)境的同時，營造潔凈健康的室內(nèi)空氣環(huán)境，是當前乃至今后相當長的一段時期國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)熱點。本文系統(tǒng)介紹了目前室內(nèi)空氣凈化主要技術(shù)的原理及特點，指出現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問題。通過對當前主流室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品中應用的凈化技術(shù)進行梳理，總結(jié)了空氣凈化技術(shù)的組合原則，即主要根據(jù)室內(nèi)污染物類型進行針對性地選擇，并利用凈化技術(shù)間的協(xié)同效應，以使室內(nèi)空氣得到全面凈化。本文還對未來的研發(fā)方向進行了展望，指出利用凈化技術(shù)間的協(xié)同效應，研究更為有效的綜合凈化技術(shù)將成為未來重要的研究方向之一。

室內(nèi)空氣凈化；空氣凈化技術(shù)；空氣凈化器；協(xié)同效應

近兩年全國大范圍霧霾頻發(fā)，多地PM2.5爆表，大氣環(huán)境污染已然成為威脅人類生存的重大問題，引起研究人員和公眾普遍關(guān)注。但整個大氣環(huán)境污染問題非一朝一夕可以解決，其治理需要長期的努力。相對而言，小空間環(huán)境的控制和治理則更容易實現(xiàn)，且短期內(nèi)即可見效。而現(xiàn)代人80%～90%以上的時間是在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣中的污染物對人體健康產(chǎn)生很大影響[1]，因此，對室內(nèi)空氣污染進行控制和治理是目前改善人類生存環(huán)境的有效途徑。除室外空氣污染的影響外，室內(nèi)空氣惡化的主要起因有大量使用化學建筑材料、裝飾裝修材料、人造板材復合家具等散發(fā)有毒有害氣體，還與建筑因節(jié)能要求密閉性提高、空調(diào)系統(tǒng)新風量減少等因素密切相關(guān)[2]。室內(nèi)污染物主要分為三大類:PM10和PM2.5等懸浮顆粒物、揮發(fā)性有機污染物、細菌病毒等微生物。對室內(nèi)各種污染物進行凈化是控制室內(nèi)空氣品質(zhì)的有效途徑。

2012年全球空氣凈化器市場容量達1500萬臺。其中，美國市場容量為500萬臺，日本為350萬臺，歐洲市場為250萬臺，中國市場為150萬臺，韓國市場為100萬臺。目前美國空氣凈化器的市場普及率約為27%，其中60%為靜電吸附型產(chǎn)品，40%為HEPA過濾型產(chǎn)品(High Efficiency Particulate Air Filter，高效率空氣微粒濾芯)；日本市場空氣凈化器普及率約為34.7%，歐洲市場容量在穩(wěn)步增長，日本和歐洲均以HEPA過濾產(chǎn)品為主[3]。

本文從凈化方法的角度，系統(tǒng)介紹了室內(nèi)空氣凈化的主要技術(shù)及其優(yōu)缺點，總結(jié)了室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品中空氣凈化技術(shù)的組合原則，并對未來的研發(fā)方向進行了展望。

1 空氣凈化技術(shù)介紹

室內(nèi)空氣的凈化方法主要可分為機械、物理和化學方法三大類，主要的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)如圖1所示。

1.1 機械方法

1.1.1 過濾技術(shù)

過濾技術(shù)是目前最為主流的凈化手段，主要凈化對象為空氣中的顆粒物。市場上大多數(shù)空氣凈化器都采用HEPA進行過濾。HEPA是一種國際公認的高效濾材，一般采用多組分玻璃纖維制成，孔徑微小，吸附容量大，凈化效率高。HEPA材料對微粒的捕捉能力較強，可有效濾除0.3μm以上的可吸入顆粒物、煙霧、細菌等，過濾效率達99.97%以上[4]，在空氣凈化器中得到了廣泛的使用。它的缺點是濾網(wǎng)需頻繁更換，維護成本較高。

1.1.2 活性炭吸附技術(shù)

活性炭是應用最早、用途較廣的一種優(yōu)良吸附劑，其特點是具有獨特的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積(5002000 m2/g)，具有較強的吸附能力。活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)非常復雜，孔徑分布范圍很寬，在室內(nèi)環(huán)境污染治理中，活性炭的多孔結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮與其相應的性能:微孔(直徑＜2 nm)呈現(xiàn)出很強的吸附性能；中孔(孔徑250 nm)，可作為負載化學改性劑的載體，可負載催化劑和脫臭劑，通過催化劑催化分解吸附到微孔中的污染物；大孔(孔徑＞50 nm)可吸附室內(nèi)環(huán)境中的微生物及菌類[4]?；钚蕴康奈阶饔梅譃槲锢砦胶突瘜W吸附。物理吸附吸附質(zhì)與吸附劑的結(jié)合較弱，溫度、風速升高到一定程度，所吸附的污染物就可能游離出來，造成二次污染。對室內(nèi)空氣中的有毒有害污染物，化學吸附更可靠。當活性炭吸附飽和后會失去吸附功能，需頻繁更換[5]。

1.1.3 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)凈化空氣的機理包括分子篩分和克努森擴散。根據(jù)分子篩分機理，分子大小不同的混合物與膜接觸后，大分子截留，而小分子則通過孔道，從而實現(xiàn)分離。根據(jù)克努森擴散理論，氣體透過膜孔的速度與其相對分子質(zhì)量的平方根成反比，因此，各組分在壓力推動下透過膜的傳質(zhì)速率不同而實現(xiàn)分離。用于氣體分離的膜分為有機膜和無機膜。有機膜應用于室內(nèi)空氣凈化的研究目前尚少，無機膜因具有熱穩(wěn)定性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、不被微生物降解、容易控制孔徑尺寸等特點，在室內(nèi)空氣凈化方面有很大應用潛力[6]?，F(xiàn)已有用無機陶瓷膜凈化空氣的報道。黃肖容等[7]進行了用濃度梯度氧化鋁凈化空氣的研究，實驗結(jié)果表明，該無機膜去除空氣中大于0.2 μm顆粒物的效率達100%，對細菌的總截留率也達99.99%。

1.1.4 水洗凈化技術(shù)

水洗凈化通過水與空氣的接觸，使空氣中的顆粒物以及水溶性物質(zhì)融入水中，水洗凈化不僅能去除空氣中的顆粒物和水溶性物質(zhì)，還能加濕空氣。我們總結(jié)了水洗凈化的相關(guān)專利和凈化產(chǎn)品[8-9]，其主要形式及優(yōu)缺點見表1。

1.2 物理方法

1.2.1 靜電集塵技術(shù)

利用高壓靜電場形成電暈，在電暈區(qū)里自由電子和離子碰撞附到塵埃顆粒上，使顆粒帶上電荷，荷電后的顆粒在電場力作用下被吸著到收集區(qū)并沉積下來，從而降低空氣中的顆粒物濃度，同時能殺滅細菌等微生物。彭繼[10]對單級靜電除塵凈化器進行了性能測試，結(jié)果表明:單級靜電除塵對直徑在2 μm以上顆粒物的去除效率達到92.78%，對直徑在5 μm以上顆粒物的去除效率達到94.5%；運行1 h，對室內(nèi)空氣中自然菌的平均消除效率達90.33%。但該方法對室內(nèi)空氣中的有害氣體沒有效果，且使用過程中會產(chǎn)生臭氧。

1.2.2 負離子技術(shù)

負離子技術(shù)是利用施加高電壓產(chǎn)生負離子，借助凝結(jié)和吸附作用，附著在固相或液相污染物微粒上，形成大粒子并沉降下來?？諝庵械呢撾x子不僅能使空氣格外新鮮，還可以殺菌和消除異味。但空氣中的負離子極易與空氣中的塵埃結(jié)合，成為“重離子”，而懸浮的重離子在降落過程中，依然附著在室內(nèi)家具、墻壁等物品上，不能清除污染物或?qū)⑵渑懦鍪彝狻?/p>

1.2.3 低溫非對稱等離子體技術(shù)

通過高壓、高頻脈沖放電形成非對稱等離子體電場，等離子體中包含大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，產(chǎn)生雪崩效應式的一系列物理、化學反應，對有毒有害氣體及病毒、細菌等進行快速分解。在化學反應的過程中，添加適當?shù)拇呋瘎芙档头肿拥幕罨軓亩铀倩瘜W反應。韓冰雁[11]開展了3 m3密封艙內(nèi)的甲醛降解實驗，結(jié)果顯示:采用等離子體單獨降解甲醛，90 min后降解效率達到峰值50%；而等離子體耦合催化降解甲醛，20 min時甲醛的降解率達到78%，并在100 min時實現(xiàn)83%的甲醛降解率。

表1 水洗凈化的主要形式及特點Tab.1 Main types and characteristics of purification by water

該技術(shù)分解污染物的同時，往往伴有臭氧等副產(chǎn)物的產(chǎn)生，引起二次污染；而且不能很好地除去空氣中的細顆粒物。應用到家用空氣凈化器中，需要做人體安全測試以及相應的二次污染處理。

1.2.4 光催化凈化技術(shù)

半導體在紫外線照射下，價帶電子受光的激發(fā)，躍遷到導帶上，從而形成光生電子和光生空穴，并與空氣中水分和氧氣反生成多種活性基團，能把空氣中的有機污染物和細菌氧化。石峰等[12]對GT501光觸媒空氣凈化器在28 m3的實驗艙內(nèi)進行了性能測試，凈化器運行90 min后，對空氣中細菌的去除率達84.8%，甲醛的去除率達73.9%，氨的去除率達61%。

該技術(shù)在室溫條件下就能將許多有機污染物氧化成二氧化碳和水，是很具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)。但它不能解決室內(nèi)空氣中的懸浮物及細顆粒物問題，同時催化劑微孔容易被灰塵和顆粒物等堵塞而致使催化劑失活。近年來的研究發(fā)現(xiàn)[13－14]，光催化凈化過程發(fā)生的反應并不完全，氧化過程可能會產(chǎn)生有毒或者有刺激性的醛、酮或有機酸；而且，這些中間產(chǎn)物的產(chǎn)生是導致催化劑失活的主要原因之一。

1.3 化學方法

利用生物工程技術(shù)，根據(jù)某些植物吸收甲醛的原理制成，能主動捕捉游離甲醛并形成穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)，包曳游離的甲醛分子，封閉污染物分子的釋放。但甲醛等裝修污染具有持續(xù)性，通常會持續(xù)10～15年。這種試劑只是在污染源外層形成一層保護膜，暫時封閉污染源，甲醛揮發(fā)的源頭并沒有得到解決，這層保護膜失效后，甲醛仍會大量釋放出來。有些甲醛清除劑稱能與甲醛發(fā)生化學反應，但如果甲醛清除劑與甲醛發(fā)生不完全反應，則有可能生成其他有害物質(zhì)造成二次污染。

2 空氣凈化技術(shù)組合

2.1 單一凈化技術(shù)對主要污染物的凈化效果

空氣中的污染物主要分為三類:懸浮顆粒物、揮發(fā)性有機污染物和微生物。表2列出了單一凈化技術(shù)對三種主要空氣污染物的凈化效果[15－16]。針對懸浮顆粒物，主要的凈化技術(shù)是過濾、靜電、負離子和水洗凈化，過濾法是目前普遍采用的顆粒物凈化手段；針對有害氣體最有效也是目前最常用的方法是吸附，活性炭因其簡單、有效、成本低而成為廣泛使用的吸附材料，其次是光觸媒和等離子體凈化方法較為有效；針對微生物最高效的凈化方法是紫外線照射，其次是光觸媒和等離子體凈化，過濾網(wǎng)對直徑較大的細菌有效，但對病毒無效。

從各種凈化技術(shù)的原理和特點不難發(fā)現(xiàn)，目前單一的技術(shù)不可能處理空氣中的所有污染物種類。為了使空氣得到全面的凈化，要針對各種不同污染物類型選擇相應的凈化方法進行組合，優(yōu)勢互補，使凈化功能更為完善。但是多種凈化技術(shù)的組合也可能會集中幾種技術(shù)的缺點，因此在選擇組合技術(shù)時應充分考慮各技術(shù)的特點，有針對性地選擇。

表2 單一凈化技術(shù)對主要污染物的凈化效果Tab.2 Effect of single purification technique to main types of pollutants

2.2 凈化技術(shù)間的協(xié)同效應

利用凈化技術(shù)間的協(xié)同效應能避免上述組合技術(shù)可能集中不同技術(shù)弱點的不利后果。所謂“協(xié)同效應”是指兩種或多種技術(shù)聯(lián)合使用的效果比每種技術(shù)單獨作用的效果之和大的現(xiàn)象，凈化技術(shù)間的耦合有利于將各自的性能優(yōu)勢更有效地發(fā)揮出來，或能克服各自在凈化過程中的不利因素。如吸附-光催化技術(shù)、低溫等離子體-光催化技術(shù)等。

通常情況下，室內(nèi)污染物濃度較低，光催化反應速率較低。將多孔吸附劑與光催化劑聯(lián)合使用，通過多孔吸附劑的吸附作用可以為光催化提供較高濃度的污染環(huán)境，提高催化反應速率；而光催化作用將吸附劑富集的污染物降解，實現(xiàn)吸附劑的原位再生[17-21]。如被廣泛關(guān)注和研究的 ACF(活性炭纖維)-TiO2光催化技術(shù)，活性炭吸附與光催化聯(lián)合使用，可形成吸附-催化-吸附-催化的良性循環(huán)，從而實現(xiàn)對室內(nèi)VOCs等污染物的高效凈化。

低溫等離子體-光催化協(xié)同作用原理是[22－24]:等離子體放電過程中，高能激發(fā)粒子向下躍遷會產(chǎn)生紫外光，可作為光催化所需的紫外光源，在半導體內(nèi)形成電子-空穴對，誘發(fā)一系列氧化還原反應，光生空穴還可使催化劑表面產(chǎn)生OH自由基，氧化分解污染物；催化劑可以選擇性地與等離子體產(chǎn)生的中間副產(chǎn)物反應，降低了二次污染的可能，因此，低溫等離子體-光催化協(xié)同技術(shù)能更加快速有效地去除污染物，并減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，降低反應能耗。

2.3 室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品及其采用的凈化技術(shù)

表3列舉了國內(nèi)外主要空氣凈化器品牌及其所采用的凈化技術(shù)。市場上的產(chǎn)品普遍采用多種凈化技術(shù)的組合，相互補充以彌補單一技術(shù)的不足，使凈化器的功能更加完善；利用凈化技術(shù)間的協(xié)同作用，各盡所長，互補其短，達到較好的凈化效果。

表3 主要空氣凈化器品牌及其采用的凈化技術(shù)Tab.3 Main air purifier brands and the purification techniques applied

3 總結(jié)和展望

目前室內(nèi)空氣凈化技術(shù)主要存在以下問題:凈化不徹底，不能將污染物徹底清除；凈化過程中會產(chǎn)生對人體有害的中間副產(chǎn)物；凈化材料需頻繁更換等。同時，各種凈化技術(shù)都存在一定的缺陷，單一的技術(shù)不可能處理空氣中所有的污染物種類，在這種情況下，集合多種凈化技術(shù)的復合式空氣凈化裝置成為重要的研究方向之一?？諝鈨艋鲀艋夹g(shù)的組合應根據(jù)室內(nèi)空氣中的污染物類型進行針對性地選擇，完善空氣凈化器功能，使室內(nèi)空氣得到全面的凈化。

利用凈化技術(shù)間的協(xié)同效應研究更為有效的綜合凈化技術(shù)，是今后的另一個重要研究方向。如目前國內(nèi)外研究較多的吸附-光催化技術(shù)和低溫等離子體-光催化技術(shù)。具有協(xié)同效應的凈化技術(shù)間能相互促進和補充，提高能源利用率和污染物凈化效率，但技術(shù)間的協(xié)同作用凈化機理和過程較為復雜，仍待進一步探究。相信隨著物理、化學、工程等學科的不斷進步，在不久的將來一定會開發(fā)出新型、高效的空氣凈化技術(shù)和裝置。

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Techniques and Products for Air Purification

Shi Fangfang1Qiu Limin1Yu Chuan2Zhang Lin3Song Jia4Yan Renyuan4

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Huangzhou，310027，China；2.Sinostride Technology Co.，Ltd.，Hangzhou，310013，China；3.Institute of Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China；4.Department of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China)

Principles and characteristics of the indoor air purification techniques are introduced in this paper.The main challenges of current techniques are outlined.The combination principles of the air purification techniques are proposed by summarizing and analyzing the techniques applied in sorts of air purifiershe combination principles are:choosing the purification methods mainly based on the types of pollutants indoor and exploiting the synergistic effect between indoor air purification techniques to get the optimal and comprehensive purification.his paper points out that studies on integrated purification technology exploiting synergistic effect purification techniques will be one of the most important researches in future.

indoor air purification；air purification technique；air purifier；synergistic effect

TU834.8

A

0253－4339(2014)05－0014－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.014

邱利民(1969－)，男，教授，博士生導師，浙江大學制冷與低溫研究所，(0571)87952793，E-mail:limin.Qiu＠zju.edu.cn。研究方向:低溫制冷機及其應用；大規(guī)模氣體液化分離與LNG冷能回收；大功率電子設(shè)備高效冷卻技術(shù)。

2013年12月18日

About the corresponding author

Qiu Limin(1969－)，male，Professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，(0571)87952793，E-mail: limin.Qiu＠zju.edu.cn.Research fields:cryocoolers and their application arge-scale liquefied gas separation and the cold energy recovery of LNG igh efficiency cooling of high-power electronic equipment.