空氣凈化技術現(xiàn)狀及其發(fā)展展望

張大慶++渠陸陸++包丹丹++王娜++朱根++楊國海++孟慶華++曹昌盛++++李海濤

【摘要】： 隨著經濟水平的提高，人們對生活環(huán)境的要求越來越高，環(huán)境成為繼能源、水、食物之后二十一世紀人類面臨的第四大問題。而與之相對的是我國各地霧霾天氣頻發(fā)，大氣污染嚴重，于是各種室內空氣凈化器應運而生，其目的是為居民提供一個良好的微環(huán)境，避免大氣污染的危害?？諝鈨艋麟m然一定程度上緩解了空氣污染問題，但與此同時也引發(fā)了新的問題，其中空氣凈化器在運行過程中產生大量臭氧問題尤其引人關注。本文將介紹目前主要的空氣凈化技術，包括活性炭吸附技術、HEPA高效過濾技術、靜電集塵技術、負離子技術、及光催化技術等，并對這些技術的優(yōu)缺點進行分析，討論可行的改進其缺點的方法，最后將展望其發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】： 霧霾； PM2.5； 空氣凈化技術； 臭氧

1 引言

我國霧霾天氣頻發(fā)引發(fā)了社會的廣泛關注，霧霾對人體健康的危害越來越廣泛的被人們所熟知。霧霾包括霧和霾兩個部分，霧是由于水汽在空氣中凝結形成的，其除了會阻礙人們視線外對人體并無直接傷害，而霾是空氣中塵粒等細微顆粒的集合體，其通常會吸附空氣中有毒有害氣體，水汽也會附著其上，所以霧與霾通常同時出現(xiàn)。霧霾形成的原因是空氣中PM2.5細微顆粒（粒徑小于或等于2.5 nm的顆粒物）的濃度過高。

《2015年中國氣候公報》顯示僅2015年，我國大范圍、持續(xù)性的霾天氣就有11起，對交通運輸和人身健康安全產生嚴重影響。2015年11月上旬霾天氣降臨在東北地區(qū)，濃度超過250 μg/m3，哈爾濱的PM2.5小時峰值濃度接近10000 μg/m3，長春和沈陽等地的PM2.5小時峰值甚至超過10000 μg/m3。11月末到12月初，霾又出現(xiàn)在華北大部及河南北部、山東西北部等地，PM2.5濃度超過150 μg/m3且能見度3公里以下的區(qū)域面積達到41.7萬平方公里。12月末，華北中南部、黃淮大部、江淮東部及陜西關中等地也出現(xiàn)中到重度霾，重度霾面積達到19.1萬平方公里。北京南部與河北中南部部分地區(qū)PM2.5峰值濃度均超過500 μg/m3，河北北部局部超過1000 μg/m3。這些霾中的細微顆粒會隨著人的呼吸進入上呼吸道，刺激人體的上呼吸系統(tǒng)，當霧霾進入人體支氣管后，會干擾肺部的氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管等方面的疾病。頻發(fā)的霧霾天氣和嚴重的霧霾危害使人們對新鮮空氣和良好的生活環(huán)境愈發(fā)的渴求。

為了遠離霧霾的危害，空氣凈化器進入人們的視野，對空氣凈化技術的研究也越來越多。19世紀空氣凈化器才真正出現(xiàn)，最初用于消防。二戰(zhàn)期間，高效空氣過濾器（HEPA）誕生，用于核能研究防護，確?？茖W家的呼吸安全，之后被廣泛的用于空氣凈化器。20世紀80年代空氣凈化器開始應用于家庭，之后由于空氣污染的加劇，人們對空氣質量要求的提高，各種高效的空氣凈化技術應運而生，尤其是進入21世紀以來，各種空氣凈化技術蓬勃發(fā)展，使其更加完善。目前市場上，以活性炭吸附為凈化機理的空氣凈化器仍占主流，不過可以預期的是各種新的、更加高效節(jié)能的空氣凈化器將逐漸占領市場。

空氣凈化器可以有效的緩解PM2.5濃度過高的問題，但同時也引發(fā)了一個不可忽視的問題?——臭氧污染[3]。低濃度的臭氧具有殺菌、消毒的作用，而隨著臭氧濃度的升高，將會對人體產生危害。臭氧濃度過高，會刺激、損害人體鼻粘膜及呼吸道，當臭氧在空氣中的濃度達到1 mg/L，就會導致人體呼吸加快，并出現(xiàn)胸悶、心悸等癥狀；當在空氣中的濃度達到2.5-5.5 mg/L，就能引起人體脈搏跳動加速，咳嗽頭痛，嚴重的則會導致肺功能受損，出現(xiàn)肺氣腫及肺部組織損傷，如果人在這樣的濃度中持續(xù)停留時間超過一小時，有可能因呼吸加快而死亡。臭氧濃度過高還會刺激眼睛，導致視力下降，甚至是失明?？諝庵械某粞鯐茐娜梭w血液循環(huán)組織功能。臭氧在空氣中濃度的增加，會使人體組織缺氧，輕則會導致甲狀腺功能受損，導致人體骨骼軟化；嚴重時會破壞人體免疫機能，誘發(fā)淋巴細胞染色體畸變。由于臭氧具有極強的氧化性，會損害人體心血管及心臟功能，當人在642 μg/m3的臭氧環(huán)境中停留2小時左右，人體血管即可出現(xiàn)炎癥，心臟有問題的人可能會猝死。

臭氧污染已繼霧霾污染成為首要的大氣污染，其造成的危害比霧霾更甚，且其更具隱蔽性，不易被人們察覺，無聲無息中對人體造成損傷，所以人們出門前要留意空氣污染狀況，避免臭氧危害[4]。在降低PM2.5濃度時，如何避免臭氧濃度過高的問題已成為空氣凈化行業(yè)面臨的主要問題。

本文將介紹幾種目前主要的空氣凈化技術原理[5-7]，包括活性炭吸附技術、HEPA高效過濾技術、靜電集塵技術、負離子技術、光催化技術等，并分析其在應用過程中存在的優(yōu)缺點和可能的改進措施。

2 常見的空氣凈化技術

2.1 活性炭吸附技術

正文活性炭因為其比表面積大，具有豐富的微孔結構，且孔的目數(shù)分布較廣，所以常被當做吸附材料使用?；钚蕴课侥芰姡瑢Ψ蹓m、固態(tài)顆粒、氣態(tài)污染物等[8]都具有良好的吸附效果，是目前使用量最多的吸附材料，其應用范圍也非常廣泛[9， 10]。以活性炭良好的吸附性作為技術核心的專利技術也是叢出不窮[11， 12]，可以說活性炭吸附技術是一種比較完善的可用的空氣凈化技術。但其也存在固有的缺點，如活性炭具有吸附飽和性，當溫度、風速等外界條件發(fā)生變化時，活性炭吸附的有害物質可能會重新回到空氣中。然而就算外界條件不發(fā)生變化，當活性炭吸附一定量的污染物后，其吸附能力也會下降，最終失去吸附的功能，所以活性炭吸附式空氣凈化機要定期更換過濾材料，這樣就造成成本增加，成為其更加廣泛使用的阻力。

活性炭吸附性能優(yōu)異且豐富廉價，將之棄之不用是不明智的，所以許多專家學者們對其進行改進。古政榮[13]等人將活性炭與納米二氧化鈦進行復合制得一種光催化空氣凈化網(wǎng)，用活性炭優(yōu)異的吸附性來捕捉富集微粒和有害氣體等，然后用納米二氧化鈦進行催化降解，這樣既解決了活性炭吸附飽和性的問題，使活性炭活性位點再生，又解決了納米二氧化鈦對低濃度有機氣體催化效率低的問題，可謂是一箭雙雕。

2.2 HEPA高效過濾技術

HEPA即高效空氣過濾器，達到HEPA要求的過濾網(wǎng)，對0.1 μm的顆粒有效去除率達到99.7%，對于直徑為0.3 μm以上的微粒的去除率可達到99.97%以上。HEPA分為pp濾紙、玻璃纖維、復合PP PET濾紙、熔噴滌綸無紡布和熔噴玻璃纖維五種材質。其對煙霧、灰塵以及細菌等污染物均有很好的過濾效果，且風阻小、容塵量大、過濾精度高，可以根據(jù)需要加工成各種尺寸和形狀。缺點是隨著過濾的進行，吸附量逐漸達到飽和，過濾效果降低，需要及時更換濾網(wǎng)。濾網(wǎng)的使用壽命一般是8-12個月（家用）。

2.3 靜電吸附技術

靜電吸附達到凈化空氣的目的一般分為兩步[14]：一是讓進入凈化器的空氣里的塵埃帶上靜電，二是帶靜電的塵埃在電場力的作用下向電極移動，最終吸附在電極板上。當攜帶粉塵顆粒的空氣通過高壓電場時，由于電暈放電現(xiàn)象使氣體電離，產生離子，離子在靜電力作用下做定向運動，與塵埃碰撞使其荷電，或者離子擴散到塵埃上使其荷電。帶靜電的塵粒進入積塵區(qū)后，在電場力的作用下，分別向極性相反的電極運動，并沉積在電極上，如圖一所示。

靜電吸附式凈化器除塵效率高[15]，可以凈化大體積量的氣體，能去除的粒子粒徑范圍較寬，可凈化溫度較高含塵煙氣，并且結構簡單、氣流速度低，壓力損失小，可以微機控制，遠程操作。由于具備以上的優(yōu)點，所以靜電吸附式空氣凈化使用較為廣泛，如在醫(yī)藥領域的應用，張曉春[16]等人將靜電式空氣凈化器用于降低急診外科換藥室內空氣細菌數(shù)量，黃建[17]等人也做了類似的應用，都取得了良好的效果；其缺點是會產生臭氧和氮氧化物，形成二次污染，尤其是臭氧超標問題已成為阻礙其發(fā)展應用的主要問題。針對這一問題，低臭氧裝置的靜電式空氣凈化器成為解決問題的一個辦法，現(xiàn)在已有相關的專利被申請[18， 19]，相信以后還會有更多的發(fā)明出現(xiàn)。其次靜電式空氣凈化器一般設備龐大，耗電量大，制造、安裝和管理的技術水平要求較高，且濃度大于30 g/cm3的含塵氣體需預處理，清洗時比較容易造成室內空氣二次污染，不具備離線檢修功能，其高電壓運轉模式，易產生電流聲。雖然靜電吸附式空氣凈化器存在以上缺點，但其仍不失為解決空氣污染的一個好方法。

2.4 離子化技術

離子化技術就是以負離子為凈化因子，負離子主動出擊擴散至空間的各個角落，吸附沉降粉塵、顆粒物等固體污染物，使之凝聚成大顆粒并沉降地面，還可有效殺滅細菌病毒等微生物，分解甲醛、苯系物等裝修污染。同時負離子對人體的健康有極大的幫助，它可以通過呼吸系統(tǒng)進入人體，促進呼吸道內部纖毛的活動，有助于凈化呼吸道；負離子還具有鎮(zhèn)靜、催眠、鎮(zhèn)痛、增食欲、降血壓等功能[20]。

離子化空氣凈化器的核心是離子發(fā)生器，由其源源不斷的產生負離子，而在產生負離子的同時也會有臭氧生成，前文已經提及臭氧對人體的危害，所以低臭氧的負離子空氣凈化器成為人們研究的一個熱點。曹輝[21， 22]等人成功將負離子空氣凈化器釋放的臭氧濃度由439 μg/m3降低到41 μg/m3以內，一定程度上彌補了負離子空氣凈化器的不足。

2.5光媒觸分解技術

光媒觸分解技術即光催化技術[23-25]，用以二氧化鈦為代表的半導體材料作為催化劑，在光電轉換中進行氧化還原反應。以二氧化鈦為例，因為二氧化鈦具有不連續(xù)的能帶結構，包括填滿電子的低能價帶和空的高能導帶，價帶和導帶之間稱為禁帶。當用一定強度的光照射二氧化鈦時，其部分價帶電子吸收能量發(fā)生躍遷，電子躍遷到導帶上，相應的在價帶上留下空穴，于是形成電子—空穴對。當電子—空穴長期存在時，就可以與二氧化鈦表面吸附的污染物發(fā)生氧化還原反應。此方法可以有效的降解甲醛、苯系物等有機污染物。圖二[26]為納米二氧化鈦催化分解甲醛示意圖。

光媒觸分解技術的優(yōu)點是可以直接用空氣中的氧氣作氧化劑，反應條件溫和，可以將有機污染物分解為二氧化碳和水等無機小分子，凈化效果好，而且選用化學性質穩(wěn)定的半導體光催化劑，成本低，不存在吸附飽和現(xiàn)象，使用壽命長。但當凈化較低濃度的污染物時，光催化降解速率慢，并會生成許多有害的中間產物，影響凈化效果。室內空氣中污染物的濃度一般較低，針對這一問題，王韶昱[27]對催化劑等進行一系列的改進，將光催化技術應用于室內空氣凈化器并取得了良好的效果；還有其他的方法也可以解決這一問題，如前文提到的與活性炭復合等。

3 復合型空氣凈化器

由于各種空氣凈化技術各有優(yōu)劣，使用單一的空氣凈化技術很難解決復雜的空氣凈化問題，所以各種空氣凈化技術聯(lián)動使用成為一種趨勢，并取得了良好的效果。例如荊游等[28]將HEPA、活性炭、活性碳纖維、光觸媒、UV-C和負離子技術聯(lián)用設計了一種新型空氣凈化器。實驗結果表明該新型空氣凈化器可以有效去除粉塵、煙霧、VOCs（揮發(fā)性有機化合物），能夠殺菌和清除病毒。

4 發(fā)展展望

由于空氣質量問題的復雜性，空氣污染物多種多樣如固體顆粒、細菌病毒、揮發(fā)性有機化合物、煙霧等，所以很難用單一的技術解決空氣污染問題。多種空氣凈化技術的聯(lián)合是解決空氣質量問題的必由之路，但是多種技術的聯(lián)合應用也會引發(fā)新問題，如設備復雜、耗材增加、能耗增大、操作復雜等。所以選取有效、簡便的空氣凈化技術是非常重要的，同時我們也要勇于探索，大膽嘗試新的空氣凈化技術，研發(fā)出更加高效、小體積、低臭氧排放、低能耗的空氣凈化器，為改善我們的生活環(huán)境而努力。

通訊作者簡介

李海濤教授，男.1999年瑞典林雪平大學化學物理專業(yè)獲工學博士學位.2002-2010年，先后任英國劍橋大學化學系專職研究員（PI），英國劍橋大學化學系生物物理化學實驗室副主任，英國利茲大學化學系外聘專家.2012年回國在江蘇師范大學任職江蘇省特聘教授.目前主要從事單分子熒光技術與癌癥的早期檢測工作.

參考文獻

[1] 鄭莉. 淺談霧霾危害及預防措施[J]. 華夏地理， 2016， （4）.

[2] 李海洋， 趙新軍. 基于TRIZ理論的空氣凈化器發(fā)展分析[J]. 科技創(chuàng)新與品牌， 2016， （3）： 50-52.

[3] 劉嘉璐. 臭氧：PM2.5的“接班人”[J]. 地理教育， 2015， （12）： 58-58.

基金項目：Project supported by the Natural Science Foundation of China （Nos. 21375051， 21505057， 21005036）.

項目受國家自然科學基金（Nos. 21375051， 21505057， 21005036）資助.