空氣凈化技術現狀及其發展展望

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，人們對生活環境的要求越來越高，環境成為繼能源、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，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境，避免大氣污染的危害。空氣凈化器雖然一定程度上緩解了空氣污染問題，但與此同時也引發了新的問題，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

我國霧霾天氣頻發引發了社會的廣泛關注，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。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，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，當霧霾進入人體支氣管后，會干擾肺部的氣體交換，引發哮喘、支氣管炎和心血管等方面的疾病。頻發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境愈發的渴求。

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，最初用于消防。二戰期間，高效空氣過濾器（HEPA）誕生，用于核能研究防護，確保科學家的呼吸安全，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，出現肺氣腫及肺部組織損傷，如果人在這樣的濃度中持續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。空氣中的臭氧會破壞人體血液循環組織功能。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的臭氧環境中停留2小時左右，人體血管即可出現炎癥，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，且孔的目數分布較廣，所以常被當做吸附材料使用。活性炭吸附能力強，對粉塵、固態顆粒、氣態污染物等[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，用活性炭優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，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。濾網的使用壽命一般是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。由于具備以上的優點，所以靜電吸附式空氣凈化使用較為廣泛，如在醫藥領域的應用，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，現在已有相關的專利被申請[18， 19]，相信以后還會有更多的發明出現。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；負離子還具有鎮靜、催眠、鎮痛、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定的半導體光催化劑，成本低，不存在吸附飽和現象，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（揮發性有機化合物），能夠殺菌和清除病毒。

4 發展展望

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合是解決空氣質量問題的必由之路，但是多種技術的聯合應用也會引發新問題，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展分析[J]. 科技創新與品牌， 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.