負(fù)離子和等離子在主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的應(yīng)用

王志濤　鄭海洋

摘要：本文從專利申請(qǐng)的角度分析了自離子和等離子在主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的應(yīng)用。并詳細(xì)梳理了負(fù)離子和等離子在空氣凈化器中應(yīng)用技術(shù)的整體發(fā)展脈絡(luò)，主要經(jīng)歷了從單一功能模塊到與其他技術(shù)相復(fù)合的多功能模塊。今后，采用多種技術(shù)復(fù)合來設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣凈化器依舊是研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：負(fù)離子；等離子；室內(nèi)空氣凈化器；主動(dòng)凈化

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，人口不斷增加，空氣污染日益加重。人們大部分時(shí)間生活、工作在室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境的好壞直接影響人們的身體健康。相關(guān)研究證明，室內(nèi)空氣中含有大量的污染物，來源基本上是化學(xué)性污染物，主要包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨氣、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、總揮發(fā)性有機(jī)物TVOC、可吸入式顆粒物、臭氧等。由于日用家電的增多，室內(nèi)綠化不足，室內(nèi)空氣污染引起了人們的廣泛關(guān)注，同時(shí)推動(dòng)了室內(nèi)空氣凈化器的發(fā)展?？諝鈨艋靼凑詹煌膬艋碇饕譃椋海?）被動(dòng)凈化式（濾網(wǎng)凈化類）：風(fēng)機(jī)將空氣抽入機(jī)器內(nèi)，污染物被內(nèi)置的濾網(wǎng)隔離，起到凈化的效果；（2）主動(dòng)凈化式（無濾網(wǎng)型）：根據(jù)產(chǎn)品的主動(dòng)殺菌原理可分為銀離子凈化、負(fù)離子凈化、等離子凈化、光觸媒凈化和凈離子群凈化。因此，負(fù)離子凈化和等離子凈化屬于主動(dòng)凈化式的重要凈化技術(shù)。負(fù)離子不僅可以殺滅空氣中的煙霧、灰塵、細(xì)菌，更可中和空氣中的正離子，活化空氣，改善心肺功能，改善睡眠，增強(qiáng)人體抗病能力。而等離子是氣、液、固三態(tài)以外，物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是在高壓作用下形成的由原子、離子、電子、自由基粒子等組成的混合體，等離子不僅有良好的殺菌、殺病毒的作用，還可有效處理像細(xì)菌毒素及其他產(chǎn)物的制熱物質(zhì)?；谪?fù)離子和等離子良好的凈化能力，人們將負(fù)離子和等離子技術(shù)應(yīng)用到了室內(nèi)空氣凈化器中。

1、負(fù)離子和等離子在主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的專利申請(qǐng)情況

圖1所示為不同年份負(fù)離子和等離子應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的國(guó)際專利申請(qǐng)量，由圖1可以看出，負(fù)離子在1985年便應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中，整體來看，從1985年到2014年，專利申請(qǐng)量呈上升趨勢(shì)，于2014年達(dá)到申請(qǐng)量的最高點(diǎn)，2014年后申請(qǐng)量開始下降；而等離子從1999年開始才應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中，整體來看，從1999年到2008年，專利申請(qǐng)量呈上升趨勢(shì)，于2008年達(dá)到申請(qǐng)量的最高點(diǎn)，2008年后申請(qǐng)量開始下降；專利申請(qǐng)量上升說明人們意識(shí)到室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性，對(duì)負(fù)離子和等離子應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的研究逐步增多，達(dá)到申請(qǐng)量的最高點(diǎn)說明負(fù)離子和等離子應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中是當(dāng)時(shí)人們的研究熱點(diǎn)；達(dá)到申請(qǐng)量的最高點(diǎn)后專利申請(qǐng)量下降說明人們對(duì)負(fù)離子和等離子應(yīng)用到主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的研究趨于成熟。（2016年和2017年的部分申請(qǐng)還未滿18個(gè)月，沒有被公開，因此，預(yù)計(jì)2016年和2017年的實(shí)際申請(qǐng)量應(yīng)高于圖1中所示數(shù)量）

2、負(fù)離子在主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的應(yīng)用

負(fù)離子可以移除花粉、絨毛、煙霧、灰塵以及化學(xué)纖維等污染源，采用負(fù)離子凈化技術(shù)可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，創(chuàng)造清新舒適的工作和生活環(huán)境，起到負(fù)離子的生理和治療作用。圖2列出了負(fù)離子凈化的技術(shù)路線演進(jìn)圖。

80年代開始采用負(fù)離子技術(shù)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，通過負(fù)離子發(fā)生器和其他部件簡(jiǎn)單復(fù)合或者單獨(dú)采用負(fù)離子發(fā)生器對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，作用較為單一。1985年，JP8902585A公開了通過負(fù)離子產(chǎn)生單元和活性炭單元來凈化室內(nèi)空氣；同年，CN85205039公開了一種電子空氣凈化器，其在出風(fēng)口處設(shè)置一個(gè)負(fù)離子發(fā)生器，高壓除塵器是以陰極為放電極，陽(yáng)極為集塵極并接地，工作主部和電氣控制部分分置，從而提高了空氣凈化效果和除塵效率，并且工作穩(wěn)定，操作維修安全方便；1988年，CN87209596公開了通過出口附近幾乎不存在靜電場(chǎng)，且在較低電壓下產(chǎn)生較高濃度負(fù)離子的負(fù)離子發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于室內(nèi)空氣凈化中。

90年代開始，逐漸采用多級(jí)復(fù)合形式的空氣過濾器，通過多級(jí)凈化單元對(duì)空氣進(jìn)行凈化。1993年，US19930021016公開了一種空氣凈化器，空氣首先通過多層過濾單元過濾，隨后進(jìn)入高壓放電組件產(chǎn)生負(fù)離子；1996年，KR19960049004公開了一種家用氣體凈化裝置，氣體依次通過粗濾板、集塵板、臭氧發(fā)生器、活性炭過濾器、臭氧還原裝置以及負(fù)離子發(fā)生器，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)排出，其通過多種凈化方式對(duì)室內(nèi)氣體進(jìn)行凈化，達(dá)到凈化空氣、殺菌消毒的效果；1997年，CN97247728公開了一種室內(nèi)空氣凈化消毒器，在外殼內(nèi)自左向右依次是初級(jí)過濾器、等離子發(fā)生器、紫外分解器、電熱分解器、負(fù)離子發(fā)生器和軸流風(fēng)機(jī)，集凈化、消毒和空氣負(fù)離子化于一體，凈化效率高，消毒效果好，能耗小。

進(jìn)入90年代末期，人們更加關(guān)注負(fù)離子空氣凈化器帶給人的舒適程度，通過加濕、調(diào)節(jié)負(fù)離子濃度等使得室內(nèi)空氣讓人更加舒適。1997年，JP24942797A公開了一種其中裝有負(fù)離子發(fā)生器的空調(diào)機(jī)，負(fù)離子直接、或連同已熱交換的空氣一起供給到室內(nèi)中去，但產(chǎn)生的負(fù)離子量較少，且只是簡(jiǎn)單的產(chǎn)生負(fù)離子并將它們供給到室內(nèi)會(huì)因漂浮在空氣中的污垢/灰塵微粒而給室內(nèi)居住者帶來不利影響；作為一種改進(jìn)，2000年，CN00811996公開了一種空調(diào)機(jī)室內(nèi)機(jī)組，將室內(nèi)空氣吸入到機(jī)組本體，通過熱交換器進(jìn)行熱交換，熱交換后被凈化的空氣不包含削弱負(fù)離子的污垢/灰塵微粒，這樣負(fù)離子發(fā)生器發(fā)射的負(fù)離子在不被削弱的情況下供給到室內(nèi)，以此有效對(duì)空氣進(jìn)行凈化、調(diào)節(jié)所需空氣以及供給對(duì)人體有利的負(fù)離子；同年，JP2000252572公開了一種負(fù)離子空氣凈化器，通過調(diào)節(jié)釋放氧和負(fù)離子的比例來對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化：2007年，WO200725853公開了一種負(fù)離子空氣凈化器，包括負(fù)離子單元與正離子單元，并通過控制單元控制交替釋放負(fù)離子與正離子，達(dá)到凈化空氣的目的；2008年，CN200810119036公開了一種高濃度負(fù)氧離子化環(huán)噴式空氣加濕凈化保健器，由環(huán)噴式加濕器和無臭氧高性能負(fù)氧離子發(fā)生器構(gòu)成，負(fù)氧離子發(fā)射單元安裝在加濕器機(jī)殼外直接向空氣中發(fā)射高濃度負(fù)氧離子，加入到加濕器氣流中發(fā)揮積極作用；2009年，CN200910155119公開了一種家用空氣凈化加濕器，設(shè)置有超聲波發(fā)生器和負(fù)離子發(fā)生器和活性炭包，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)空氣加濕、空氣凈化、空氣加香多種功能，從而模擬多種空氣環(huán)境。

值得注意的是，為了使室內(nèi)空氣更加舒適，在與臭氧共存的問題上，人們也進(jìn)行了一系列的研究。2000年，JP2000074240公開了用觸媒分解除去通過高壓放電與負(fù)離子同時(shí)產(chǎn)生的臭氧的空氣凈化器的例子，但未觸及低濃度負(fù)離子和臭氧共存的問題；2004年，CN200480027545利用負(fù)離子，并進(jìn)一步與臭氧共存，滅菌，殺菌，形成良好的室內(nèi)環(huán)境；2006年，KR20060062762公開了一種室內(nèi)負(fù)離子空氣過濾器，通過負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)離子可以降低并壓制臭氧、揮發(fā)性有機(jī)化合物和微生物等物質(zhì)。

隨著對(duì)負(fù)離子技術(shù)的研究日趨成熟，人們更加關(guān)注負(fù)離子與其他凈化技術(shù)如靜電、過濾、等離子等的結(jié)合。2012年，CN201210228156公開了一種高效多功能模塊化室內(nèi)空氣凈化裝置，分為主功能模塊，動(dòng)力控制模塊和附加功能模塊，主功能模塊包括防護(hù)罩、自由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流板、可沖洗預(yù)過濾玻璃纖維層、附著活性炭吸附層、附著納米活性炭吸附層、高效PTFE過濾層、負(fù)載納米TiO2多孔陶瓷，中間為UV燈，附加功能模塊包括固體精油擴(kuò)散盒/負(fù)離子發(fā)生器/加濕器等功能模塊組成；同年，KR20120158098公開了一種空氣凈化器，通過等離子發(fā)生器、靜電集塵器、過濾器綜合作用對(duì)空氣進(jìn)行凈化；2013年，CN201320612465公開了一種室內(nèi)空氣凈化器，包括活性炭過濾層、紫外線滅菌燈、光觸媒板、進(jìn)出風(fēng)風(fēng)扇、HEPA過濾層以及負(fù)離子發(fā)生器，可吸附空氣中的甲醛、苯酚、煙味、霉味、動(dòng)物毛發(fā)，還可以除臭、消除PM2.5；2014年，KR20140114671公開了一種室內(nèi)空氣凈化器，包括負(fù)離子發(fā)生器、靜電過濾器和旋流器，通過負(fù)離子和靜電效應(yīng)以及氣體的旋流綜合作用來凈化室內(nèi)空氣；2015年，CN201520980118公開了一種新型的家用空氣凈化器，進(jìn)氣口下方設(shè)有聚酯纖維層、活性炭層、KDF層、納米陶瓷層、混合腔，還包括負(fù)離子發(fā)生器和臭氧發(fā)生器，通過多種凈化方式的協(xié)同作用，有效的除去空氣中的細(xì)菌、懸浮物、重金屬、灰塵等有害物，凈化效果好，凈化效率高，運(yùn)行成本低，凈化器內(nèi)部對(duì)空氣進(jìn)行凈化的同時(shí)所產(chǎn)生的凈化后的混合體也能夠?qū)ν獠靠諝馄鸬綔缇饔谩?/p>

3、等離子在主動(dòng)凈化式室內(nèi)空氣凈化器中的應(yīng)用

等離子凈化作為主動(dòng)式凈化的一個(gè)重要發(fā)展方向，其具有除塵、殺菌、除去揮發(fā)性有機(jī)化合物等作用。圖3列出了等離子凈化的技術(shù)路線演進(jìn)圖。

研究初期，將等離子凈化與過濾相結(jié)合來凈化室內(nèi)空氣較為常見。例如KR19990064737A公開了一種低溫等離子型空氣凈化器，其借助風(fēng)機(jī)將室內(nèi)污染氣體吸入凈化器中，并通過進(jìn)口過濾器過濾大顆粒、等離子放電器除去小顆粒和臭氣、以MnO2作為催化劑的出口過濾器除去臭氧；JP2001170562A公開了一種包括預(yù)過濾器、灰塵收集器、等離子單元、去味單元、風(fēng)機(jī)的室內(nèi)空氣凈化器，其可有效凈化室內(nèi)空氣且減少凈化器的安裝空間。

接下來，采用等離子凈化來凈化室內(nèi)空氣受到人們關(guān)注。例如CN03121019公開了一種等離子空氣凈化器，其在放電極上安裝了針狀的碳纖維束，可顯著提高對(duì)含有大量的灰塵或有害氣體的空氣的凈化能力；CN200320109667公開了一種低溫等離子室內(nèi)空氣凈化器，其在低溫等離子放電電極間加入了永磁體，從而提高了去除有害氣體的效率，同時(shí)在預(yù)荷電集塵板間也加入永磁體，提高了去除懸浮顆粒物的效率；KR20040037427A公開了一種具有高壓等離子的無風(fēng)機(jī)型空氣凈化器，其可以增加凈化器內(nèi)部空間，減少噪音，降低電耗，并可以控制氣流方向。

接下來，將等離子凈化與其他凈化技術(shù)如吸附、催化、過濾等相結(jié)合來凈化室內(nèi)空氣成為了人們研究的熱點(diǎn)。例如，CN200420077941公開了一種智能型太陽(yáng)能等離子空氣凈化器，其利用等離子凈化裝置氧化空氣中的有害物質(zhì)，迅速殺菌并消除各種異味，同時(shí)吸收空氣中有害的帶電顆粒以及空氣中的灰塵，同時(shí)，其安裝了可拆卸的活性炭層，進(jìn)一步吸收了氣體中的有害成分；CN200510100980公開一種微波輔助的等離子催化空氣凈化方法及凈化裝置，其采用微波輔助的等離子催化室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，既能有效降解空氣中的有害氣體，又能有效消除等離子催化作用產(chǎn)生的臭氧、NOx副產(chǎn)物；CN200620044354公開了一種高效復(fù)合型空氣凈化機(jī)，其是以雙區(qū)等離子電場(chǎng)、光觸媒反應(yīng)腔、長(zhǎng)效濾芯器多種凈化技術(shù)有機(jī)復(fù)合而成的空氣凈化裝置，可以起到去除灰尖、殺滅細(xì)菌、消除異味、并釋放負(fù)氧離子，可快速高效地改善和提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量；JP2006209947A公開一種空氣凈化器，其采用預(yù)過濾器、光催化過濾器、等離子催化過濾器和除臭催化濾芯來提高室內(nèi)空氣質(zhì)量；KR20080020331A公開了一種室內(nèi)空氣凈化器，包括風(fēng)機(jī)和等離子吸附催化單元，可有效降低能耗、壓力損失，抑制臭氧產(chǎn)生，具有除臭消毒作用；CN200920105135公開了一種空氣凈化裝置，一種集納米光催化技術(shù)、低溫等離子技術(shù)及活性碳吸附技術(shù)于一體的空氣凈化裝置，其可同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染氣體的高效去除及病菌、病毒的殺滅目的，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善生活環(huán)境；CN201110400045公開了一種室內(nèi)空氣凈化裝置，其結(jié)合了低溫等離子技術(shù)、紫外線、納米光觸媒技術(shù)、催化劑消除臭氧多種空氣凈化技術(shù)，能夠?qū)ξ廴緡?yán)重的室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化處理，對(duì)空氣中的各種異味物質(zhì)進(jìn)行分解，不產(chǎn)生二次污染，自身具有自動(dòng)清潔能力；CN201210161107公開了一種室內(nèi)空氣凈化裝置，其由駐極體纖維過濾器、低溫等離子電源、低溫等離子反應(yīng)器、吸附催化床四部分組成，提高了對(duì)室內(nèi)空氣中氣溶膠的過濾效率，降低了過濾材料的氣流阻力，提高了對(duì)氣態(tài)污染的凈化效率，有效控制了臭氧、酸性氣體等反應(yīng)副產(chǎn)物的釋放，消除了低溫等離子反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染問題。

隨著研究趨于成熟，具有加濕、檢測(cè)等功能的多功能性室內(nèi)空氣凈化器引起了人們的興趣。例如，CN200810113568公開了一種立式轉(zhuǎn)輪調(diào)濕的等離子室內(nèi)空氣凈化裝置，其可以實(shí)現(xiàn)較高的凈化效果，同時(shí)可以調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的濕度；CN200910023797公開了一種室內(nèi)空氣中甲醛的凈化裝置，其采用低溫放電等離子技術(shù)實(shí)現(xiàn)空氣凈化，同時(shí)具有電壓分級(jí)可調(diào)、裝置可定時(shí)關(guān)斷、溫濕度可顯示等功能；CN201310105835公開了一種多功能等離子空氣凈化機(jī)，其可以平衡室內(nèi)濕度，潔凈室內(nèi)空氣，具有MP3播放功能，同時(shí)設(shè)置有小夜燈且具有遠(yuǎn)程操控功能；CN201420045179公開了一種便攜式低溫等離子空氣消毒清潔器，其可在40m室內(nèi)區(qū)域或10m³的室外周圍形成一個(gè)有效消毒清潔的空間，攜帶使用方便，消毒殺菌效果好；CN201520845006公開了一種帶室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)功能的空氣凈化器，其兼具室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)和空氣凈化的雙重功能。

4、結(jié)語

隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的提高，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量日益重視。隨著對(duì)各種空氣凈化技術(shù)研究的不斷深入，將多種凈化技術(shù)通過適當(dāng)?shù)姆绞较嘟Y(jié)合來凈化室內(nèi)空氣已經(jīng)成為人們的研究熱點(diǎn)，同時(shí)，人們也越來越關(guān)注室內(nèi)空氣凈化器的多功能性，例如具有加濕、檢測(cè)等功能的室內(nèi)空氣凈化器。相信將多種凈化技術(shù)相結(jié)合來凈化室內(nèi)空氣以及設(shè)計(jì)多功能性的室內(nèi)空氣凈化器依舊是今后的研究重點(diǎn)。