吸入室內可吸入顆粒物凈化器的研究進展

林靈杰，金衛冕，何佳琳，胡 煒

(寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315000)

吸入室內可吸入顆粒物凈化器的研究進展

林靈杰，金衛冕，何佳琳，胡 煒

(寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315000)

摘要：闡述了可吸入顆粒物的基本特征、來源以及對人體的危害。介紹了過濾式、靜電式和水介質式三類可吸入顆粒物凈化技術的原理和特點，對比了三類凈化技術的優缺點。對現有空氣凈化器進行了市場調查，分析了空氣凈化器的價格分布以及各品牌的市場定位。結合可吸入顆粒物的凈化技術和當前空氣凈化器市場狀況，總結了空氣凈化技術和空氣凈化器的發展趨勢。

關鍵詞：可吸入顆粒物；凈化；空氣凈化器；PM2.5

1引言

近年來，“霧霾”已經成為嚴重危害人們健康和生活質量的重要因素。與此對應，與大氣污染相關的問題已成為當今社會關注的熱點。為了抵抗“霧霾”的危害，空氣凈化器成為了人們去除可吸入顆粒物的重要手段。空氣凈化器常采用多種不同的技術和介質濾除和殺滅空氣污染物，有效提高空氣清潔度。目前已有許多學者對空氣凈化器所使用的技術進行了分類對比研究，如李輝[1]等人對室內空氣凈化技術的探討。但隨著科技的進步以及市場的發展，當下空氣凈化器市場以及凈化技術已有了很大變化，且鮮有學者針對室內可吸入顆粒物的凈化技術進行對比分析并對其市場狀況進行探究。本文分析了市場上常見的可吸入顆粒物凈化技術以及不同空氣凈化器的市場狀況，并展望了可吸入顆粒物凈化技術、凈化器的發展趨勢。

2可吸入顆粒物

可吸入顆粒物是指空氣動力學當量直徑小于10μm的大氣懸浮顆粒物，用PM10來表示。PM10可以分為粗顆粒部分(直徑超過2.5μm，PM10)和細顆粒部分(直徑小于2.5μm，即PM2.5)[2]，其中，PM2.5被命名為細顆粒物。PM10和 PM2.5對人體健康影響極大，10μm以下的顆粒物可以進入鼻腔,7μm以下的顆粒物可以進入咽喉,小于2.5μm的顆粒物則可以深達肺泡并沉積,進而進入血液循環中[3]。同時，由于小顆粒具有更大的比表面積,其吸附性也更強，更容易成為空氣中各種毒害物質的載體，特別是容易吸附空氣中的多環芳烴、多環苯類等[4]，并會富集許多重金屬[5]，對人體健康造成極大威脅。吳國平等人的調查顯示，當空氣中PM10(包括PM2.5)濃度每增加100μg/m3時，成年男性感冒時的咳嗽發生率增加4.81%，成年女性為4.48%；成年男性患支氣管炎的發生率會同時增加約5.13%[6]。國外學者發現，當PM10或者PM2.5的濃度每增加10μg/m3時，美國6個城市人群的死亡率會增加10%和14%。表明了PM2.5、PM10的存在對人類群體死亡率的影響[7]。可吸入顆粒物對機體的健康極具危害，不針對可吸入顆粒物采取相應措施，將威脅到人們的身體健康。

據環境保護部發布的2014年重點區域和74個城市空氣質量狀況顯示：我國珠三角區域PM2.5年均濃度為42μg/m3，PM10年均濃度為61μg/m3；長三角區域PM2.5年均濃度為60μg/m3，PM10年均濃度為92μg/m3；京津冀區域PM2.5年均濃度為93μg/m3，PM10年均濃度為158μg/m3[8]。我國大氣可吸入顆粒物污染形勢依然嚴峻，京津冀地區是我國受PM2.5危害最為嚴重的地區，其平均濃度已經遠遠超過《環境空氣質量標準》中35μg/m3的優秀標準，且在干燥的冬季，空氣質量更不容樂觀。此外，加拿大研究者Donkelaar等人通過氣溶膠遙感技術發布了全球PM2.5狀況[9]，數據表明中國的華北、華東、華中交界地已經成全球范圍內PM2.5污染最為嚴重的地區。

室內可吸入顆粒物主要由“室外顆粒物”和“室內發生源”兩部分組成。室外顆粒物質通過人類活動或者空氣流動進入室內從而成為了室內可吸入顆粒物的組成部分；室內發生源主要有抽煙、烹調、吸塵和打掃等[10]。顯然，加強環境保護，改善室內空氣質量，保護人體健康，變得刻不容緩。

3可吸入顆粒物凈化技術

目前，針對可吸入顆粒物運用的凈化技術主要有過濾式凈化技術、靜電式凈化技術、水介質式凈化技術三類。

3.1　過濾式凈化技術

過濾式凈化技術是指通過濾網、濾芯、濾袋等多孔介質捕集、分離、過濾氣體中細微顆粒物的空氣凈化技術[11]。高效空氣過濾器( HEPA)由玻璃纖維制成，是國際上公認的高效過濾材料，它對直徑0.3μm 以上微粒的去除效率達到 99%以上，是目前室內去除可吸入顆粒物最為有效的技術。凈化流程如圖1所示。

圖1　可吸入顆粒物過濾流程示意圖

HEPA濾網具有極高的過濾效率，除此之外，HEPA濾網輕便的體積、簡單的過濾原理等優勢讓其深受歡迎。因此，室內應用的空氣凈化器基本上使用了HEPA濾網。但是，由于玻璃纖維捕集顆粒物后其空隙會被堵塞導致無法重復使用，所以凈化器需要定期更換濾網；其次，HEPA濾網價格較高，因此在實際生產使用中提高了成本；再者，HEPA濾網較大的風阻以及使用的大功率風機產生的噪音會影響到使用者的正常休息。

3.2　靜電式凈化技術

室內空氣凈化器中靜電凈化技術的應用主要分為靜電式除塵技術與負離子式凈化技術，其凈化原理基本相同，即通過在電極兩端施加高壓產生“電暈放電”現象，使空氣電離產生電子，通過電子的吸附沉降或者庫侖力作用實現空氣的凈化。

3.2.1負離子凈化技術

負離子凈化技術不需要風機，電暈放電使空氣電離產生的大量負電子能擴散到室內各個位置吸附空氣中的小顆粒物并聚合成為大顆粒進行沉降去除。負離子凈化技術并非產生大量“負離子”來實現凈化，實際使用中電離產生的是大量“正離子”與 “電子”，其中，帶負電的“電子”起到了吸附塵粒并沉降的凈化作用。

負離子凈化技術不會產生噪音影響使用者的日常休息,且具有一定的殺菌作用[12]。但負離子凈化技術的作用只是吸附灰塵，并不能實現真正意義上的去除污染物，塵埃附著在室內，而人的活動又很容易使其產生二次污染[13]。此外，負離子發生器的使用會產生臭氧危害人們健康。

3.2.2靜電式除塵技術

與負離子凈化技術不同，靜電除塵技術則需要風機將受污染的空氣吹入兩個相反電極之間產生的強電場，空氣電離產生的電子與顆粒物接觸而使顆粒物帶上負電，在庫侖力的作用下帶電顆粒物移動至“集塵段”實現顆粒物的收集去除。這種方式在室內應用相對較少。

3.3　水介質凈化技術

水介質凈化技術包含采用“水膜”、“水浴”、“水霧”等物理方式對空氣中的微粒進行阻擋、包裹、粘附實現去除。

3.3.1水膜凈化原理

水膜凈化是指當水與“紗網”或“支架”等載體接觸時，水通過自身張力附著在“紗網”或“支架”上，進而形成一層水膜，隨后使受污染的空氣以一定速度沖擊水膜，通過空氣與水膜的接觸、碰撞實現對顆粒物的去除。如圖2水膜式凈化原理圖所示。受污染的空氣從裝置的左端進入，裝置內置一個水膜網轉輪，裝置的中下部盛有水。受污染空氣推動轉輪轉動，轉輪的轉動使輪葉的水膜網浸入水中并在輪葉網面上覆蓋一層水膜，而后這層水膜與受污染的空氣相互接觸實現凈化。如此循環，潔凈的空氣從裝置的右側吹出。

圖2　水膜式凈化原理

“水膜凈化”具有綠色環保、原理簡單的特點，并且造價低廉，應用場所限制小，群眾接受度高。但會持續增加空氣濕度，并且水膜的凈化效率與HEPA濾網仍有較大差距。

3.3.2水浴、水霧式凈化原理

“水浴”模擬了自然界雨水的洗滌作用將空氣與水進行對沖、噴淋或者將空氣通入到水中進行“洗浴”，從而實現凈化。水浴室中除塵的除塵作用主要有慣性碰撞、接觸阻留、布朗擴散及凝聚和沉降，可吸入顆粒物與水碰撞失去動能而被捕獲[14]。但其對風速、風壓要求較高。

“水霧”指的是將污染空氣通入充滿霧氣的凈化器通道與霧珠混合、接觸，進而實現凈化。霧珠本身對細菌和灰塵有一定的粘附能力，同時霧珠也能在一定程度上對顆粒物進行阻擋，隨后霧珠之間能夠相互凝結成水滴落下，實現對顆粒物的捕集去除，但此技術一般充當輔助凈化作用。

三類可吸入顆粒物凈化技術的對比匯總如表1所示。

表1　三類凈化技術工作原理及優缺點匯總

4市場分析

奧維咨詢(AVC)電商渠道監測數據顯示，國產品牌通過“低價高配”的方法在較低價位(400~1099元)擁有較大優勢。中等價位(1100~3999元)是空氣凈化器市場的主流價位，約占市場銷量的63%，如表2所示。此價位各外資品牌針鋒相對，擁有較大的產銷優勢的同時，各空氣凈化器型號也層出不窮。在高端價位(4000元以上)空氣凈化器的銷售中，布魯雅爾、奧斯汀等高端品牌則占據絕對的市場優勢[15]。空氣凈化器市場雖未確立絕對的領導品牌，但在這一領域，外資品牌優勢明顯，歐美品牌和日韓品牌占據了中國空氣凈化器市場主要份額，

表2　空氣凈化器市場價格分布

外資品牌以 “原裝進口”和“高端品質”作為競爭優勢，各品牌以特色的凈化技術為依托，在中高端市場成為主流。而國內品牌的則以“高性價比”作為競爭優勢，通過不斷的學習借鑒來減少研發成本。在相同凈化面積的空氣凈化器對比中，國內品牌的價格遠低于國外品牌。由于中國空氣凈化器市場近些年才逐漸被人們關注，國內品牌起步也相對較晚，在效率、技術等方面與國外品牌仍有差距。通過統計各品牌在不同價位推出的產品款數，可以對各中外品牌進行市場定位分析，統計結果如表3所示。

表3　各品牌在相應價格區間推出的產品個數　單位：個

從表2中我們可以看出，國內品牌定位中低端市場，主打經濟實惠的低價“標配”型產品。國外品牌則定位高端市場。值得一提的是，部分國外品牌為適應中國市場需要，開始調整營銷戰略，搶占低價市場份額。此外，可以看出中端市場不論在產品銷量上還是在推出的產品款數上都占據巨大比例，是各品牌相互角逐的重要市場。

5發展趨勢

隨著時代的發展，空氣凈化器行業將會不斷發展壯大，人們對空氣凈化器的需求會逐漸增多。行業的發展會伴隨著空氣凈化器的凈化技術、造型、功能設定等方面的更加合理。通過對目前市場上的三大凈化技術的分析，考慮到適應飛速發展的消費需求，我們認為空氣凈化技術的發展趨勢有以下4個方面。

(1)高效率。衡量凈化技術的核心標準始終不變，即凈化速度和凈化效果。如何實現快速凈化，并且使凈化效果良好、可靠，應為凈化技術發展的重中之重。

(2)復合化。單一的凈化技術將會被市場所淘汰，當前各項技術優缺點并存，PM2.5作為危害極大的空氣污染物，僅靠一種凈化技術無法在既保證使用者體驗的同時兼顧凈化效果。由此可見，集各技術之長，開發綜合型凈化技術也會為發展的方向。

(3)人機協調。凈化技術最終應用到空氣凈化器中，雖然目前的凈化技術已能滿足人們對潔凈空氣的需求，但人機關系的協調處理要求凈化技術能給予更好的舒適性、健康性。復合化的發展能實現相互取長補短，提高凈化效率。但噪音、臭氧、清洗等減少舒適性、健康性的缺陷卻需要凈化技術自身的進步，不斷改進技術，努力實現人機關系的協調則是其另一個發展方向。

(4)綠色環保。綠色、環保是21世紀的時代主題，是未來所有產品技術共同努力的方向。舊式空氣凈化設備使用年限短，儀器、濾網更新更換頻繁，廢棄后回收利用率低。作為環保手段，新凈化技術應使產品滿足可拆卸分解，零部件可以翻新、重復使用等綠色設計要求，并應當利用壽命長、可循環、無污染、低成本的過濾設備以減少資源浪費，減少垃圾數量。

綜上，HEPA濾網以其高效的凈化效率與特有的優勢，依然會在凈化技術的應用中占據最重要的位置。在多元化的市場需求中，單一凈化技術的壟斷已無可能，研發新的凈化技術入不敷出，我們認為負離子式凈化技術以及水介質式將會逐步突破自身劣勢的桎梏，揚長避短，在未來凈化技術的斗爭中得到自身快步地發展。

結合凈化技術的發展趨勢和凈化器的市場分析，對未來市內可吸入如顆粒物空氣凈化器的發展方向做出展望：凈化器將會朝著凈化效果可靠良好、成本低廉、結構緊湊空間小、可拆洗、少更換的方向發展。在滿足產品高品質的條件下，降低商家生產成本和用戶使用成本，為凈化器的第二級發展目標。第三級發展目標則為人機關系的協調處理，即用戶體驗感的增值，比如空氣凈化器所占的體積以及凈化器的噪音、清洗等問題的優化。隨著空氣凈化器市場的穩步成熟以及政府對凈化標準的制定完善，凈化器的價格將會走向下坡，市場會逐漸走向平衡。

參考文獻：

[1]李輝,孔慶媛,萬毅,等.室內空氣凈化技術的研究與探討[J].林業機械與木工設備,2010,38(5):30～33.

[2]吳國平,胡偉,滕恩江,等.室外空氣污染對成人呼吸系統健康的影響[J].中國環境監測,2001(17):33～38.

[3]劉澤常,王志強,李敏,等.大氣可吸入顆粒物研究進展[J].山東科技大學學報：自然科學版,2004,23(4):97～100.

[4]朱先磊,遠航,曾立民,等.北京市大氣細顆粒物PM2.5的來源研究[J].環境科學研究,2005,18(5):1～5.

[5]蘇領彥,郭新彪,王明良,等.北京市某區餐廳室內空氣細顆粒物濃度水平現況研究[J]．中國預防醫學雜志,2010,11(10):983～987.

[6]劉陽生,沈興興,毛小苓.北京市冬季公共場所室內空氣中TSP,PM10,PM10和PM1污染研究[J].環境科學學報,2004,(24):190～196.

[7]Dockery DW,Pope CA III,Xu X,et al.An association between air pollution and mortality in six U.S.cities[J].N Engl J Med,1993,329(24):1753~1759.

[8]佚名.環境保護部發布2014年重點區域和74個城市空氣質量狀況[EB/OL].2015-02-02.http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/qt/201502/t20150202_295333.htm.

[9]Aaron van Donkelaar,Randall V.Martin,Michael Brauer,et al.Global Estimates of Ambient Fine Particulate Matter Concentrations from Satellite-Based Aerosol Optical Depth: Development and Application[J].Environ Health Perspect,2010,118(6):847~855.

[10]王玉婕,強天偉.室內可吸入顆粒物的來源及其防治措施探討[J].潔凈與空調技術CC&AC,2011(4):70~77.[11]劉道清.空氣過濾技術研究綜述[J].環境科學與管理,2007,32(5):109~113.

[12]沈雪峰.空氣過濾器在改善室內空氣品質中的應用[D].上海：同濟大學，2000.

[13]劉育婷.室內空氣污染及凈化技術研究[J].綠色科技,2011(11):113~115.

[14]楊洋,黃翔,顏蘇芊.流體動力式噴水室凈化可吸入顆粒物的研究[J].西安工程大學學報,2008(22):96~99.

[15]蘇亮,耿明華.電商渠道助理，銷量快速增長[J].電器,2014(3):28~29.

Research Progress of Indoor Inhalable Particle Purifiers

Lin Lingjie, Jin Weimian, He Jialin, Hu Wei

(FacultyofMechanicalEngineeringandMechanics,NingboUniversity,Ningbo315000,China)

Abstract:The article summarizes the characteristics, sources and harmful effects on person of inhalable particles. Then, the article introduces the theories and features of three purification technologies of inhalable particle, including filtration technology, electrostatic technology and aqueous medium technology. Through the comparison of the merit and demerit of the three purification technologies as well as the market research of the existing air purifiers, the article analyzes the price distribution of air purifier and the market orientations of different brands. Based on the current of purification technologies and air purifier's market, the article concludes the development tendency of purification technologies and air purifier.

Key words:inhalable particles; purification; air purifier; PM2.5

中圖分類號：X132

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0183-04

作者簡介：林靈杰(1994—)，男，浙江臺州人，寧波大學機械工程與力學學院大學生。 黃闊(1983—)，男，遼寧阜新人，工程師，碩士，主要從事環境管理工作。

基金項目：浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)(編號：2014R405032)資助

收稿日期：2015-03-04 2015-03-04