負離子和等離子在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用

王志濤　鄭海洋

摘要：本文從專利申請的角度分析了自離子和等離子在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用。并詳細梳理了負離子和等離子在空氣凈化器中應用技術的整體發展脈絡，主要經歷了從單一功能模塊到與其他技術相復合的多功能模塊。今后，采用多種技術復合來設計室內空氣凈化器依舊是研究重點。

關鍵詞：負離子；等離子；室內空氣凈化器；主動凈化

隨著工業現代化的不斷發展，人口不斷增加，空氣污染日益加重。人們大部分時間生活、工作在室內，室內環境的好壞直接影響人們的身體健康。相關研究證明，室內空氣中含有大量的污染物，來源基本上是化學性污染物，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、總揮發性有機物TVOC、可吸入式顆粒物、臭氧等。由于日用家電的增多，室內綠化不足，室內空氣污染引起了人們的廣泛關注，同時推動了室內空氣凈化器的發展。空氣凈化器按照不同的凈化原理主要分為：（1）被動凈化式（濾網凈化類）：風機將空氣抽入機器內，污染物被內置的濾網隔離，起到凈化的效果；（2）主動凈化式（無濾網型）：根據產品的主動殺菌原理可分為銀離子凈化、負離子凈化、等離子凈化、光觸媒凈化和凈離子群凈化。因此，負離子凈化和等離子凈化屬于主動凈化式的重要凈化技術。負離子不僅可以殺滅空氣中的煙霧、灰塵、細菌，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，增強人體抗病能力。而等離子是氣、液、固三態以外，物質存在的第四態，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，還可有效處理像細菌毒素及其他產物的制熱物質。基于負離子和等離子良好的凈化能力，人們將負離子和等離子技術應用到了室內空氣凈化器中。

1、負離子和等離子在主動凈化式室內空氣凈化器中的專利申請情況

圖1所示為不同年份負離子和等離子應用到主動凈化式室內空氣凈化器中的國際專利申請量，由圖1可以看出，負離子在1985年便應用到主動凈化式室內空氣凈化器中，整體來看，從1985年到2014年，專利申請量呈上升趨勢，于2014年達到申請量的最高點，2014年后申請量開始下降；而等離子從1999年開始才應用到主動凈化式室內空氣凈化器中，整體來看，從1999年到2008年，專利申請量呈上升趨勢，于2008年達到申請量的最高點，2008年后申請量開始下降；專利申請量上升說明人們意識到室內空氣質量的重要性，對負離子和等離子應用到主動凈化式室內空氣凈化器中的研究逐步增多，達到申請量的最高點說明負離子和等離子應用到主動凈化式室內空氣凈化器中是當時人們的研究熱點；達到申請量的最高點后專利申請量下降說明人們對負離子和等離子應用到主動凈化式室內空氣凈化器中的研究趨于成熟。（2016年和2017年的部分申請還未滿18個月，沒有被公開，因此，預計2016年和2017年的實際申請量應高于圖1中所示數量）

2、負離子在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用

負離子可以移除花粉、絨毛、煙霧、灰塵以及化學纖維等污染源，采用負離子凈化技術可以改善室內空氣質量，創造清新舒適的工作和生活環境，起到負離子的生理和治療作用。圖2列出了負離子凈化的技術路線演進圖。

80年代開始采用負離子技術對室內空氣進行凈化，通過負離子發生器和其他部件簡單復合或者單獨采用負離子發生器對室內空氣進行凈化，其結構相對簡單，作用較為單一。1985年，JP8902585A公開了通過負離子產生單元和活性炭單元來凈化室內空氣；同年，CN85205039公開了一種電子空氣凈化器，其在出風口處設置一個負離子發生器，高壓除塵器是以陰極為放電極，陽極為集塵極并接地，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，且在較低電壓下產生較高濃度負離子的負離子發生器，其結構簡單，用于室內空氣凈化中。

90年代開始，逐漸采用多級復合形式的空氣過濾器，通過多級凈化單元對空氣進行凈化。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，隨后進入高壓放電組件產生負離子；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、臭氧發生器、活性炭過濾器、臭氧還原裝置以及負離子發生器，最后經風機排出，其通過多種凈化方式對室內氣體進行凈化，達到凈化空氣、殺菌消毒的效果；1997年，CN97247728公開了一種室內空氣凈化消毒器，在外殼內自左向右依次是初級過濾器、等離子發生器、紫外分解器、電熱分解器、負離子發生器和軸流風機，集凈化、消毒和空氣負離子化于一體，凈化效率高，消毒效果好，能耗小。

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

值得注意的是，為了使室內空氣更加舒適，在與臭氧共存的問題上，人們也進行了一系列的研究。2000年，JP2000074240公開了用觸媒分解除去通過高壓放電與負離子同時產生的臭氧的空氣凈化器的例子，但未觸及低濃度負離子和臭氧共存的問題；2004年，CN200480027545利用負離子，并進一步與臭氧共存，滅菌，殺菌，形成良好的室內環境；2006年，KR20060062762公開了一種室內負離子空氣過濾器，通過負離子發生器產生的負離子可以降低并壓制臭氧、揮發性有機化合物和微生物等物質。

隨著對負離子技術的研究日趨成熟，人們更加關注負離子與其他凈化技術如靜電、過濾、等離子等的結合。2012年，CN201210228156公開了一種高效多功能模塊化室內空氣凈化裝置，分為主功能模塊，動力控制模塊和附加功能模塊，主功能模塊包括防護罩、自由旋轉導流板、可沖洗預過濾玻璃纖維層、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散盒/負離子發生器/加濕器等功能模塊組成；同年，KR20120158098公開了一種空氣凈化器，通過等離子發生器、靜電集塵器、過濾器綜合作用對空氣進行凈化；2013年，CN201320612465公開了一種室內空氣凈化器，包括活性炭過濾層、紫外線滅菌燈、光觸媒板、進出風風扇、HEPA過濾層以及負離子發生器，可吸附空氣中的甲醛、苯酚、煙味、霉味、動物毛發，還可以除臭、消除PM2.5；2014年，KR20140114671公開了一種室內空氣凈化器，包括負離子發生器、靜電過濾器和旋流器，通過負離子和靜電效應以及氣體的旋流綜合作用來凈化室內空氣；2015年，CN201520980118公開了一種新型的家用空氣凈化器，進氣口下方設有聚酯纖維層、活性炭層、KDF層、納米陶瓷層、混合腔，還包括負離子發生器和臭氧發生器，通過多種凈化方式的協同作用，有效的除去空氣中的細菌、懸浮物、重金屬、灰塵等有害物，凈化效果好，凈化效率高，運行成本低，凈化器內部對空氣進行凈化的同時所產生的凈化后的混合體也能夠對外部空氣起到滅菌作用。

3、等離子在主動凈化式室內空氣凈化器中的應用

等離子凈化作為主動式凈化的一個重要發展方向，其具有除塵、殺菌、除去揮發性有機化合物等作用。圖3列出了等離子凈化的技術路線演進圖。

研究初期，將等離子凈化與過濾相結合來凈化室內空氣較為常見。例如KR19990064737A公開了一種低溫等離子型空氣凈化器，其借助風機將室內污染氣體吸入凈化器中，并通過進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公開了一種包括預過濾器、灰塵收集器、等離子單元、去味單元、風機的室內空氣凈化器，其可有效凈化室內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空氣受到人們關注。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，同時在預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機型空氣凈化器，其可以增加凈化器內部空間，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如吸附、催化、過濾等相結合來凈化室內空氣成為了人們研究的熱點。例如，CN200420077941公開了一種智能型太陽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，迅速殺菌并消除各種異味，同時吸收空氣中有害的帶電顆粒以及空氣中的灰塵，同時，其安裝了可拆卸的活性炭層，進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空氣凈化技術，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生的臭氧、NOx副產物；CN200620044354公開了一種高效復合型空氣凈化機，其是以雙區等離子電場、光觸媒反應腔、長效濾芯器多種凈化技術有機復合而成的空氣凈化裝置，可以起到去除灰尖、殺滅細菌、消除異味、并釋放負氧離子，可快速高效地改善和提高室內的空氣質量；JP2006209947A公開一種空氣凈化器，其采用預過濾器、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空氣質量；KR20080020331A公開了一種室內空氣凈化器，包括風機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、低溫等離子技術及活性碳吸附技術于一體的空氣凈化裝置，其可同時實現污染氣體的高效去除及病菌、病毒的殺滅目的，提高室內空氣品質，改善生活環境；CN201110400045公開了一種室內空氣凈化裝置，其結合了低溫等離子技術、紫外線、納米光觸媒技術、催化劑消除臭氧多種空氣凈化技術，能夠對污染嚴重的室內空氣進行凈化處理，對空氣中的各種異味物質進行分解，不產生二次污染，自身具有自動清潔能力；CN201210161107公開了一種室內空氣凈化裝置，其由駐極體纖維過濾器、低溫等離子電源、低溫等離子反應器、吸附催化床四部分組成，提高了對室內空氣中氣溶膠的過濾效率，降低了過濾材料的氣流阻力，提高了對氣態污染的凈化效率，有效控制了臭氧、酸性氣體等反應副產物的釋放，消除了低溫等離子反應產生的二次污染問題。

隨著研究趨于成熟，具有加濕、檢測等功能的多功能性室內空氣凈化器引起了人們的興趣。例如，CN200810113568公開了一種立式轉輪調濕的等離子室內空氣凈化裝置，其可以實現較高的凈化效果，同時可以調節室內空氣的濕度；CN200910023797公開了一種室內空氣中甲醛的凈化裝置，其采用低溫放電等離子技術實現空氣凈化，同時具有電壓分級可調、裝置可定時關斷、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，其可以平衡室內濕度，潔凈室內空氣，具有MP3播放功能，同時設置有小夜燈且具有遠程操控功能；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室內區域或10m³的室外周圍形成一個有效消毒清潔的空間，攜帶使用方便，消毒殺菌效果好；CN201520845006公開了一種帶室內空氣質量檢測功能的空氣凈化器，其兼具室內空氣監測和空氣凈化的雙重功能。

4、結語

隨著人們對室內空氣質量要求的提高，人們對室內空氣質量日益重視。隨著對各種空氣凈化技術研究的不斷深入，將多種凈化技術通過適當的方式相結合來凈化室內空氣已經成為人們的研究熱點，同時，人們也越來越關注室內空氣凈化器的多功能性，例如具有加濕、檢測等功能的室內空氣凈化器。相信將多種凈化技術相結合來凈化室內空氣以及設計多功能性的室內空氣凈化器依舊是今后的研究重點。