建筑室內(nèi)空氣凈化技術(shù)及其評(píng)價(jià)方法研究

胡秋明

摘 要：針對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境中的空氣污染現(xiàn)象，分析和比較了現(xiàn)有的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，并指出了各自存在的缺陷。結(jié)合國內(nèi)外的室內(nèi)空氣凈化的評(píng)價(jià)方法，對(duì)其加以補(bǔ)充和發(fā)展，為室內(nèi)空氣凈化器的性能評(píng)價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣凈化；室內(nèi)空氣品質(zhì)；凈化效果；評(píng)價(jià)方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.085

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)的視覺化的追求越來越高，室內(nèi)裝修也隨之升級(jí)。由于室內(nèi)裝修用的各種材料連續(xù)釋放甲醛等對(duì)人身體有害的化學(xué)物，一旦累積達(dá)到一定濃度，將導(dǎo)致室內(nèi)空氣的嚴(yán)重污染。據(jù)相關(guān)研究[1]，人們每天在室內(nèi)環(huán)境生活的時(shí)間超過80%，人們的健康、舒適和工作效率與建筑室內(nèi)的空氣環(huán)境狀態(tài)緊密相關(guān)。有關(guān)研究表明，室內(nèi)存在的大部分有害物質(zhì)都是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行傳播的，再經(jīng)由人的呼吸作用和表層皮膚進(jìn)入人體，從而達(dá)到危害身體健康的現(xiàn)象。據(jù)美國環(huán)保署（U.S.EPA）調(diào)查顯示，民用住宅和商業(yè)建筑室內(nèi)環(huán)境中的空氣污染程度是室外空氣的數(shù)倍至數(shù)十倍，更有甚者超過百倍。由此可見，建筑室內(nèi)中的空氣品質(zhì)對(duì)于人類身體和精神狀況來說極度關(guān)鍵。

為了改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量，很多學(xué)者致力于室內(nèi)空氣凈化方法的研究，由此也衍生了很多室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法。本文對(duì)比了現(xiàn)有的室內(nèi)空氣凈化及其評(píng)價(jià)方法，指出了其中的不足，為后期研究提供參考價(jià)值。

1 室內(nèi)空氣凈化方法

目前，室內(nèi)空氣的凈化各種技術(shù)只是針對(duì)室內(nèi)空氣中的一些特定污染物，主要有吸附、靜電、負(fù)離子、低溫等離子體、納米材料光催化氧化以及膜分離等，同時(shí)，生物凈化、綠色植物吸附等自然手段也不鮮見。下面介紹幾種常用的空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

1.1 吸附凈化技術(shù)

吸附凈化技術(shù)作為空氣凈化的一種有效方法而被廣泛采用。其原理是利用吸附能力較強(qiáng)的物質(zhì)將污染物從空氣中吸附出來，從而降低了空氣中污染物濃度，達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的效果。這些吸附物具有接觸面積大、孔洞多的特性，常用的有硅膠、氧化鋁及活性炭等。其中活性炭是建筑室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)中常用的一種空氣污染物吸附劑。

目前，吸附技術(shù)的研究主要集中在活性炭的吸附性能的改善。C. H. Ao等人對(duì)ACF與光催化結(jié)合凈化室內(nèi)空氣中的VOC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示有良好的凈化效果。P Navarri等人用炭纖維材料對(duì)二甲苯和乙酸乙酯進(jìn)行吸附處理，把重點(diǎn)放在研究不同炭纖維、纖維層數(shù)、不同氣體種類和氣體濃度關(guān)系，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)活性炭的生產(chǎn)應(yīng)用有很好的指導(dǎo)效果。

雖然活性炭的研究已取得了令人滿意的成就，但是它的凈化原理依舊是將室內(nèi)空氣中污染物從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另外一種狀態(tài)，并不是從根本上將之消除，這樣很容易給室內(nèi)空氣帶來二次污染，這不是一種一勞永逸解決問題的方法。

1.2 負(fù)離子凈化技術(shù)

負(fù)離子凈化技術(shù)的原理是空氣負(fù)離子能與有害物質(zhì)的表面聚集成大離子，通過凝結(jié)和吸附作用進(jìn)行沉降，從而消除空氣中的污染物。由于室內(nèi)空氣中的微小顆粒污染物本身帶有正電荷，通過與負(fù)離子中和，去除了其正電荷，使之沉落到地面上，從而達(dá)到降低了空氣中污染物濃度的目的，起到了良好的凈化效果。一般通過人工的方法在室內(nèi)釋放負(fù)離子，這些負(fù)離子隨氣流擴(kuò)散到空氣中，對(duì)人體有良好的生理作用。蔣耀庭等人研究了在人工負(fù)離子作用2h后室內(nèi)空氣中的懸浮微粒、細(xì)菌總數(shù)和甲醛濃度，結(jié)果表明負(fù)離子對(duì)這些污染物有很好的消除效果[2]。

但是，如果僅僅依靠發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)離子來去除空氣中的污染物是行不通的，這是由于空氣中微小塵埃粒子極易吸收負(fù)離子，成為具有一定極性污染的重離子。這些懸浮在空氣中的重離子落室內(nèi)家具等物品上，一旦受到外界刺激，就會(huì)再次飛揚(yáng)到空氣中。所以負(fù)離子并不能完全清除空氣中的污染物。另外，室內(nèi)負(fù)離子過高，還會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，如頭暈、惡心、心慌等。再次，長期使用過高的負(fù)離子還會(huì)導(dǎo)致墻壁、天花板等蒙上一層污垢。

1.3 低溫等離子凈化技術(shù)

近年來，利用低溫等離子體凈化空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物和殺滅細(xì)菌已成為研究熱點(diǎn)。研究表明，在低溫等離子體的輔助下低濃度的VOC的催化分解效果更加理想，此時(shí)低溫等離子體發(fā)生過程中生成的副產(chǎn)品（臭氧）將轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳。Yan等人用低溫等離子技術(shù)對(duì)室內(nèi)空氣中的污染物進(jìn)行了凈化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明低溫等離子體對(duì)苯、氨、硫化氫和二氧化硫有較好的去除效果。

但是低溫等離子體凈化過程往往伴有其他副產(chǎn)品生成，這些副產(chǎn)品將會(huì)再次產(chǎn)生污染，另外，這個(gè)過程所需的能耗大，需要進(jìn)一步完善。

1.4 納米材料光催化凈化技術(shù)

光催化技術(shù)是基于光催化劑暴露于紫外線中產(chǎn)生了極強(qiáng)的氧化還原特性，與空氣中的有害物發(fā)生作用來去除之。光催化是以光為能量激活催化劑，其反應(yīng)在常溫下就能進(jìn)行，并把有機(jī)污染物氧化成無害的二氧化碳和水，二次污染小，運(yùn)行成本低，是目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖覂?nèi)空氣凈化技術(shù)。

楊瑞、張寅平、肖勁松等人分別用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)以及納米TiO2涂料光催化降解甲醛的實(shí)驗(yàn)來研究納米光催化劑去除VOC的效果，結(jié)果取得了令人滿意的成果[3]。

1.5 膜分離凈化技術(shù)

膜分離凈化技術(shù)原理是利用空氣各組分在壓力推動(dòng)下透過膜的傳質(zhì)速率不同進(jìn)行分離的，它作為一種氣體分離的新技術(shù)，以其節(jié)能、高效和方便等優(yōu)勢(shì)迅速成為各位專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)方向。用于氣體凈化的膜主要有有機(jī)膜和無機(jī)膜，有機(jī)膜對(duì)污染空氣中的甲苯、甲醛等的回收率達(dá)97%。黃肖容等對(duì)無機(jī)膜在空氣凈化中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，無機(jī)膜對(duì)于直徑大于0.2μm的懸浮顆粒物的去除效率達(dá)100%，對(duì)細(xì)菌的總截留率也達(dá)99.99%.

無機(jī)膜具有熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗降解性高以及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其分離系數(shù)低、對(duì)空氣中的低濃度的VOCs消除效果不好。但是，由于有機(jī)膜具有通透率低、耐熱和耐腐蝕性差等缺點(diǎn)，限制了其使用和發(fā)展。故若能把兩者結(jié)合起來使用將是一個(gè)重大的突破。

2 室內(nèi)空氣凈化評(píng)價(jià)方法

每一種空氣凈化技術(shù)只是針對(duì)某些特定污染物，在實(shí)際生產(chǎn)中，往往會(huì)把兩種或兩種以上的空氣凈化技術(shù)結(jié)合起來運(yùn)用，這樣室內(nèi)空氣凈化器的功能和種類越來越多樣化。因此，需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，來衡量這些不同種類的空氣凈化器的性能。

2.1 去除效率評(píng)價(jià)法

去除效率評(píng)價(jià)法是針對(duì)空氣凈化器在一段時(shí)間內(nèi)捕捉空氣中污染物能力而做出的評(píng)價(jià)。其中，去除效率定義為：經(jīng)過空氣凈化器處理

前后空氣中污染物濃度之差與未處理之前空氣中污染物濃度之比。即：

式中，C1、C2分別是經(jīng)過空氣凈化器處理前后空氣污染物濃度。

從去除效率的定義式中可以看出，它其實(shí)只是一個(gè)相對(duì)值，在理想環(huán)境中，它只是時(shí)間的函數(shù)。僅限于幾種空氣凈化器處于同一環(huán)境條件中，這樣才可以比較它們的去除效率，除此之外，還要把該環(huán)境中有害物的自然衰減和通風(fēng)量等因素考慮進(jìn)去。因此，利用去除率來評(píng)價(jià)空氣凈化器的性能具有片面性。

2.2 潔凈空氣量CADR評(píng)價(jià)法

CADR（Clean Air Deliver Rate，縮寫為CADR）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)AHAM AC-1-2000提出的綜合指標(biāo)，對(duì)于空間一定的房間，選擇凈化能力合適的空氣凈化器才能有效地去除室內(nèi)空氣污染物，從而達(dá)到房間舒適性要求，這時(shí)候需要用到潔凈空氣量（CADR），它實(shí)際上是指空氣凈化器處理空氣中某種污染物后排出清潔空氣的量。它既涉及到空氣凈化器的本身特征，又能反映其凈化能力。

CADR評(píng)價(jià)法適合于評(píng)價(jià)市場(chǎng)現(xiàn)有的不同種類的空氣凈化器性能，但是并不能全面地反映一臺(tái)空氣凈化器的性能好壞。例如一臺(tái)空氣凈化器的風(fēng)量足夠大，但是過濾效率很低，同樣也可以計(jì)算得到較大的CADR值。再次，CADR評(píng)價(jià)法也沒涉及到空氣凈化器使用時(shí)房間的氣流組織形式，所以它并不全面，需要其他評(píng)價(jià)法協(xié)助。

2.3 有效凈化效率評(píng)價(jià)法

有效凈化率評(píng)價(jià)法是我國GB/T 18801-2002《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)CADR評(píng)價(jià)法的不足而提出來的一種指標(biāo)。它定義為使用潔凈空氣量CADR與額定風(fēng)量的比值，即：

式中，為有效凈化效率，%；CADR為潔凈空氣量，m3/min；Q為額定風(fēng)量，m3/min。

有效凈化效率反映了空氣凈化器在額定風(fēng)量下去除空氣中污染物效率的高低，它是為了評(píng)價(jià)過濾材料的過濾性能而提出的，在CADR評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)上加入了風(fēng)量這一因素，它涉及到了空氣凈化器的除污效果和凈化器結(jié)構(gòu)，這一評(píng)價(jià)方法較全面地反映了空氣凈化器的性能。

3 結(jié)論

本文闡述了五種空氣凈化技術(shù)的原理及其研究進(jìn)展。由于單一空氣凈化技術(shù)存在局限性，在實(shí)際運(yùn)用中，往往把幾種凈化技術(shù)結(jié)合起來運(yùn)用，由此產(chǎn)生了光催化氧化-低溫等離子體凈化技術(shù)、活性炭-光催化氧化凈化技術(shù)等，這樣的空氣凈化技術(shù)結(jié)合，使得空氣凈化達(dá)到了很好的效果。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的空氣凈化器的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)，通過比較分析得出了有效凈化效率為目前較為合理的室內(nèi)空氣凈化效果評(píng)價(jià)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]周中平，趙壽堂，朱立等.室內(nèi)污染檢測(cè)與控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]蔣耀庭，潘麗娜，金德林等.人工負(fù)離子凈化艦艇艙內(nèi)空氣的效果研究[J].環(huán)境與健康雜志，1999，16（05）：277-279.

[3]楊瑞，張寅平，趙榮義.TiO2/絲光沸石光催化降解甲苯特性研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（03）：74-76.