靜電過濾器與其他空氣消毒性能比較

陳 玲 周 樂 王書田 沈 聰

（美埃（中國）環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 南京 211111）

0 前言

新冠疫情的突然爆發(fā)，使人們開始高度重視空氣消毒。改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的下一個(gè)目標(biāo)是生物性污染[1]。日常生活中根據(jù)不同的使用環(huán)境與條件，來評價(jià)各種用途的消毒劑對微生物的殺滅效果。不能只對消毒劑的殺菌能力的重要功能方面進(jìn)行驗(yàn)證，而且要考慮到對周圍環(huán)境的影響以及人體的傷害。根據(jù)消毒劑濃度或強(qiáng)度和作用時(shí)間對微生物的殺滅能力，可將其分為滅菌、高水平、中水平、低水平共四種作用水平的消毒方法。再生醫(yī)療、生物制藥等行業(yè)則需要?dú)缢形⑸锇ň难挎?。但是在存在一般的?xì)菌、病毒的場合下，像家庭、辦公室、交通工具以及醫(yī)院等通常采用高中水平的消毒方法來進(jìn)行。

該文主要是對一般空間中使用靜電過濾器的消毒程度以及對人體影響進(jìn)行全面的評價(jià)，包括去除顆粒狀，氣態(tài)污染物（包括VOC）以及微生物的效果。同時(shí)，也對市場上常用的消毒器（紫外線，臭氧，等離子、過氧化氫（本公司自制））做了比較實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是參照下列規(guī)范實(shí)施：《空氣凈化器》GB/T 18801-2015。 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18883。《家用和類似用途電器的抗菌，除菌凈化功能空氣凈化器的特殊要求》GB 21551.3-2010?！断炯夹g(shù)規(guī)范》衛(wèi)生部（2002年）?！夺t(yī)療機(jī)構(gòu)消毒技術(shù)規(guī)范》WS/T 367-2012。

1 各種消毒方法

消毒主要應(yīng)用物理及化學(xué)方法[2]。

1.1 物理法

采用非藥劑方法，通過機(jī)械手段進(jìn)行消毒，像高溫、電磁波等。如介質(zhì)過濾器，紫外線高壓放電等；其中紫外線是使用短波長紫外線（280nm～100nm）通過破壞核酸并破壞其DNA來殺死或降低微生物活性。它主要用于醫(yī)療衛(wèi)生和無菌工作場所。

靜電過濾技術(shù)是利用其發(fā)出的正負(fù)電荷互相吸引，捕捉空氣中的粒子，把粒子吸收到收集板，并將其從空中清除，這被稱之為靜電集塵。同時(shí)靜電集塵使用的高電磁場捕獲附帶細(xì)菌顆粒，瞬間導(dǎo)電擊穿由蛋白質(zhì)組成的細(xì)胞壁，達(dá)到殺滅細(xì)菌吸附除塵的作用；也多少有除臭及分解有機(jī)氣體的效果。

等離子消毒也是利用等離子體的高電磁場產(chǎn)生的對等正離子、負(fù)離子附著在微生物等的表面，變成OH自由基，從微生物表面的蛋白質(zhì)中抽出氫分解成水。但對負(fù)離子消毒目前尚未有科學(xué)證據(jù)足以證明。且有學(xué)者認(rèn)為其為偽科學(xué)。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)法主要是過氧化氫、臭氧等消毒過程，屬生物化學(xué)氧化反應(yīng)。能直接氧化細(xì)菌的細(xì)胞體，即破壞其DNA而達(dá)到抑制的效果，對病毒的RNA亦有破壞作用；對各種毒素具有一定的氧化作用，降低其毒性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 檢測項(xiàng)目

顆粒污染物如PM1.0，PM2.5；氣態(tài)污染物如甲醛、甲苯及臭氧；微生物則采用白色葡萄球菌代表空氣中的微生物。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生方法與測試儀器參照表1。

表1 各項(xiàng)檢測對象的發(fā)生方法、儀器及測試方法、儀器

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

2.2.1 靜電過濾器

2.2.1.1 微靜電凈化技術(shù)（以下簡稱靜電A）

微靜電凈化技術(shù)被稱為第三代靜電凈化技術(shù)，特有的電介質(zhì)材料形成1mm左右交叉微孔可形成微靜電矩陣強(qiáng)電場，對空氣中的帶電微粒有巨大的吸引力，只要很小的電流即可吸附空中浮游微粒，對PM2.5等顆粒污染物去除效果尤為顯著，臭氧產(chǎn)生量極小。

2.2.1.2 平板靜電除塵技術(shù)（以下簡稱靜電B）

平板靜電除塵技術(shù)是利用高壓直流電場使空氣中的氣體分子電離，產(chǎn)生大量電子和離子。但是，這種靜電在使用過程中釋放臭氧。

2.2.2 等離子發(fā)生器

采用市場上采購的空氣凈化高性能納米銀離子等離子管3根共90W，自制組裝成的消毒箱。

2.2.3 過氧化氫發(fā)生器

采用專業(yè)過氧化氫發(fā)生器，使用30%的過氧化氫溶液，讓其蒸發(fā)成氣體可產(chǎn)生濃度50ppm～350ppm。按照WS/T 367-2012規(guī)范在30m3試驗(yàn)艙不少于1.4ppm，但是該發(fā)生器最低設(shè)定濃度只能為50ppm。

2.2.4 臭氧發(fā)生器

采用市場上采購的臭氧發(fā)生器《QJ-8001K-2G》，濃度可以從0.1ppm～5ppm調(diào)整。按照WS/T 367-2012規(guī)范應(yīng)不少于10ppm，但是該發(fā)生器最高設(shè)定濃度只能為5ppm。所以，本次實(shí)驗(yàn)選擇在低濃度0.1ppm（人體安全）和高濃度5ppm兩種濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2.5 紫外線消毒箱

按照WS/T 367-2012規(guī)范每立方米不少于 1.5W，照射時(shí)間不少于30min；采用市場上采購的紫外線燈管15W，3根共45W，自制組裝成的3個(gè)消毒箱，均等安放在試驗(yàn)艙內(nèi)。

2.2.6 負(fù)離子發(fā)生器

采用市場上采購的車載空氣凈化器《IG-BC2S-B》，可產(chǎn)生25000個(gè)/cm3負(fù)離子；考慮到每個(gè)空氣凈化器僅滿足1.5m3左右，在30m3試驗(yàn)艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)容量太??；所以這次使用2臺車載空氣凈化器放入3m3試驗(yàn)艙內(nèi)與上述同等的條件下實(shí)驗(yàn)。

各實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除了車載空氣凈化器的實(shí)驗(yàn)在3m3試驗(yàn)艙以外，其他實(shí)驗(yàn)都安排在如圖2的30m3恒溫恒濕試驗(yàn)艙里進(jìn)行，溫濕度控制在20℃～22℃、50%～70%，風(fēng)機(jī)3的風(fēng)量為2000CMH，試驗(yàn)樣機(jī)2安放在試驗(yàn)艙中央部；風(fēng)機(jī)3放在它的下方[3]；另外安裝攪拌風(fēng)扇1以加快室內(nèi)空氣循環(huán)。

圖2 30m3試驗(yàn)艙示意圖

各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的被測污染物都通過安置在艙外的發(fā)生裝置11，通過管道向艙內(nèi)噴射，然后采樣后經(jīng)過安置在艙外的污染物檢測裝置10后得到結(jié)果，進(jìn)行對比分析后得出結(jié)果。由于空氣中的實(shí)驗(yàn)，就要考慮自然衰減，其評價(jià)方式如下。

式中：Nt為空氣中被測污染物的自然衰減率；V0與Vt分別為對照組試驗(yàn)開始前和試驗(yàn)過程中不同時(shí)間的空氣含被測污染物（微生物）的數(shù)量；Kt為凈化（消毒）處理對空氣中被測污染物（微生物）的總衰減率；V0'與Vt'分別為試驗(yàn)組凈化（消毒）處理前、和凈化（消毒）過程中不同時(shí)間的空氣被測污染物（微生物）的數(shù)量。

2.3.1 微生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)條件不僅按照《空氣凈化器》GB/T 18801-2015的要求在3m3或30m3試驗(yàn)艙進(jìn)行的，而且還參照了《醫(yī)療機(jī)構(gòu)消毒技術(shù)規(guī)范》WS/T 367-2012的要求?？諝庀驹囼?yàn)菌為白色葡萄球菌 8032，其菌懸液調(diào)制成濃度約106cfu/lm（cfu， colony forming units，細(xì)菌菌落個(gè)數(shù)）。使空氣中含菌量達(dá)到5×104cfu/m3～5×105cfu/m3。每個(gè)消毒實(shí)驗(yàn)之前，先做自然衰減實(shí)驗(yàn)。自然衰減實(shí)驗(yàn)和消毒實(shí)驗(yàn)一樣，盡量控制相同的溫濕度，保持相近的大氣壓，溶膠噴霧器噴霧氣流壓力及流量，使菌氣溶膠微粒的直徑90%以上應(yīng)在 1μm～10μm。

將配制好的白色葡萄球菌懸液，通過細(xì)菌噴射槍噴到試驗(yàn)艙中，噴菌懸液完畢后，開啟攪拌風(fēng)扇10min，然后靜置15min后，分別開啟被測樣機(jī)，分別在樣機(jī)運(yùn)行至0h、1h、2h后進(jìn)行采樣，每次采樣時(shí)關(guān)閉被測試樣機(jī)；使用撞擊式空氣微生物采樣器（FA-1）（28.3L/min）進(jìn)行1min～5min采樣頭朝上采樣；將采集后的樣本放置到37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h（圖3）；菌數(shù)采用菌落計(jì)數(shù)儀（J-2）來計(jì)數(shù)。

圖3 開始時(shí)的103 cfu（左）消毒2小時(shí)后的10 cfu（右）

將自然衰減實(shí)驗(yàn)的菌落數(shù)代入式（1）得到自然衰減率，再將凈化（消毒）前后空氣中的菌落數(shù)代入式（2）后，得到各項(xiàng)消毒處理對空氣中被測微生物的總衰減率。

以靜電A為例：消毒前空氣中的平均含菌量為1230 cfu；1個(gè)小時(shí)、2個(gè)小時(shí)采樣時(shí)空氣中平均含菌量分別為500cfu、142cfu；代入式（1）后其自然衰減率分別為59%、88%；同樣，消毒開始時(shí)空氣中的平均含菌量為1408cfu；靜電A方式消毒1個(gè)小時(shí)和2個(gè)小時(shí)后采樣時(shí)空氣中平均含菌量分別為5cfu和2cfu；代入式（2）后其總衰減率分別為99.13%和98.77%（圖4和圖5）；其他凈化樣機(jī)所得到各項(xiàng)消毒處理對空氣中被測微生物的總衰減率如表2所示，靜電過濾方式·濃度50ppm過氧化氫氣體和5ppm的高濃度臭氧的削減率都有98%以上，等離子有90%左右而車載負(fù)離子也有近80%，得到了較高的消毒效率。紫外線未能達(dá)到預(yù)期值。

圖4 靜電A的空氣中的平均含菌量

圖5 靜電A的總衰減率

表2 各項(xiàng)凈化樣機(jī)除微生物的總衰減率

2.3.2 顆粒物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)條件都是按照《空氣凈化器》GB/T 18801-2015的要求在試驗(yàn)艙進(jìn)行的。采用煙霧發(fā)生器（SPG-C）經(jīng)過點(diǎn)香煙方法，產(chǎn)生大約0.3μm～3μm的顆粒，經(jīng)過30分鐘后由粉塵測定儀（8532）采樣，進(jìn)行顆粒采樣后，各項(xiàng)顆粒數(shù)代入公式（1）和公式（1）計(jì)算后的總衰減率，如表3所示，可以知道除了靜電方式對PM1.0和PM2.5的除塵效率達(dá)到＞99.98%之外，其他樣機(jī)對除塵基本上沒有效果。除了等離子以外各項(xiàng)無除塵效果是可以理解的；但是等離子具有排斥負(fù)電荷，吸引正電荷的功能，這次實(shí)驗(yàn)未能達(dá)到理想的效果；可能是容量不足所致。

表3 各項(xiàng)凈化樣機(jī)除塵（顆粒物）性的總衰減率

2.3.3 氣態(tài)污染物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與前項(xiàng)相同各項(xiàng)條件在試驗(yàn)艙中進(jìn)行。使用定量的甲醛或甲苯溶液通過發(fā)生器（SPG-AT01）進(jìn)行蒸發(fā)，然后通入試驗(yàn)艙中，打開循環(huán)風(fēng)扇攪拌均勻。使甲醛和甲苯的初始濃度保持在600ppb～1000ppb和400ppb～800ppb，然后每隔10分鐘采樣一次，采樣過程為1小時(shí)。甲醛的濃度測試是經(jīng)過分光光度儀（723PC）采樣分析；甲苯的濃度測試是VOC在線檢測儀（PMG-7340）檢測得出。各項(xiàng)氣態(tài)數(shù)代入式（1）和式（2）的計(jì)算后得到甲醛·甲苯的總衰減率如表4所示，可以知道相比之下，等離子、過氧化氫和臭氧有較高的除去效果。這很可能是因?yàn)檫^氧化氫和臭氧等對有機(jī)物起氧化分解作用，同樣等離子是因?yàn)樗母碑a(chǎn)物臭氧所起的氧化分解作用。

表4 各項(xiàng)凈化樣機(jī)除氣態(tài)污染物的總衰減率

2.3.4 其他（臭氧的發(fā)生與負(fù)離子的增加）

除了對上述3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以外；由于凈化樣機(jī)中有采用高壓放電；很容易產(chǎn)生臭氧和正負(fù)離子。所以，需評價(jià)這些附加產(chǎn)生的臭氧和負(fù)離子的產(chǎn)生對顆粒、污染物以及微生物的影響。臭氧的測試是在試驗(yàn)艙里采用臭氧儀檢測儀（205）檢測抽樣濃度；每隔10分鐘測試一次至1小時(shí)結(jié)束。如圖6所示靜電B和等離子產(chǎn)生較高的臭氧濃度，最高達(dá)到653ppb（ppb：體積濃度十億分之一）；圖7顯示臭氧濃度隨時(shí)間增長的累積曲線，近似直線增長。

圖6 臭氧濃度的增加（1小時(shí)）

圖7 靜電B和等離子的臭氧濃度增加

市場上經(jīng)常有這樣的宣傳：負(fù)離子不僅對人體健康有助，而且有消毒作用。所以這次筆者對負(fù)離子也進(jìn)行了分析；當(dāng)凈化樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，在3m3試驗(yàn)艙里采用負(fù)離子測試儀（AIC-1000）測試；其結(jié)果如圖8所示。等離子和車載負(fù)離子產(chǎn)生較高的負(fù)離子。

表5 各種高中水平的凈化項(xiàng)目的比較（◎非常好，○好，△一般，╳差）

3 結(jié)論

根據(jù)上述一系列的實(shí)驗(yàn)可以知道靜電過濾器除了表4所示的除去氣態(tài)污染物（甲醛·甲苯）能力不足以外，其他性能都非常有效。靜電A的臭氧發(fā)生量只有靜電B的10%以下，對人體安全。靜電過濾器可以通過在其后端增加活性炭、觸媒等的模塊來提升除氣態(tài)污染物的能力。此外，該實(shí)驗(yàn)是在密封性能極高的專業(yè)實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行，臭氧的富集量會(huì)大大高于一般非密閉場所，因此該實(shí)驗(yàn)所測的靜電過濾器臭氧增加量不代表普通應(yīng)用場所中的臭氧增加量水平。同樣，等離子對消毒，氣態(tài)污染物有較高除去效率，但需要加介質(zhì)過濾器，來彌補(bǔ)除塵的不足。過氧化氫和高濃度臭氧有非常好的高消毒作用，但須在無人狀態(tài)進(jìn)行操作，所以，更適合于高要求的滅菌，無菌消毒使用。0.1ppm濃度的臭氧雖然對人體無害，但是，消毒效果很差；車載負(fù)離子產(chǎn)生較高的負(fù)離子，附帶臭氧值也很低，而且除塵、消毒（除微生物）可達(dá)到近80%的效率；雖然專家們對負(fù)離子有不同的看法；通過這次實(shí)驗(yàn)可以推測：對中低水平的凈化還是有一定的作用的。

圖8 負(fù)離子的產(chǎn)生量

理想的空氣凈化器應(yīng)該不僅能除塵，除氣態(tài)污染物，有消毒作用，而且對人體無傷害。在家庭，辦公室，交通工具以及公共場所等，根據(jù)高中等水平的除塵·消毒經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)通過綜合考察分析做出了表5。

2020年初暴發(fā)的新冠疫情，使人們對空氣消毒的關(guān)注度更高了。這次實(shí)驗(yàn)雖然無法對SARS-CoV-2做消毒，但是病毒無法單獨(dú)存在，只能依附于塵?；蚣?xì)菌，因此具備除塵和滅菌性能，就對殺滅新冠肺炎具備有效性。