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(guó)）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(lái)評(píng)價(jià)各種用途的消毒劑對(duì)微生物的殺滅效果。不能只對(duì)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(duì)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(duì)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难挎摺５窃诖嬖谝话愕募?xì)菌、病毒的場(chǎng)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(lái)進(jìn)行。

該文主要是對(duì)一般空間中使用靜電過濾器的消毒程度以及對(duì)人體影響進(jìn)行全面的評(píng)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(duì)市場(chǎng)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。《消毒技術(shù)規(guī)范》衛(wèi)生部（2002年）。《醫(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(zhǎng)紫外線（280nm～100nm）通過破壞核酸并破壞其DNA來(lái)殺死或降低微生物活性。它主要用于醫(yī)療衛(wèi)生和無(wú)菌工作場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生的對(duì)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(duì)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(duì)病毒的RNA亦有破壞作用；對(duì)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(cè)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(cè)試儀器參照表1。

表1 各項(xiàng)檢測(cè)對(duì)象的發(fā)生方法、儀器及測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)，對(duì)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(duì)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(jiǎn)稱靜電B）

平板靜電除塵技術(shù)是利用高壓直流電場(chǎng)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(chǎng)上采購(gòu)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(chǎng)上采購(gòu)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(chǎng)上采購(gòu)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(chǎng)上采購(gòu)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)容量太小；所以這次使用2臺(tái)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(cè)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(cè)裝置10后得到結(jié)果，進(jìn)行對(duì)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(píng)價(jià)方式如下。

式中：Nt為空氣中被測(cè)污染物的自然衰減率；V0與Vt分別為對(duì)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(cè)污染物（微生物）的數(shù)量；Kt為凈化（消毒）處理對(duì)空氣中被測(cè)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(cè)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。空氣消毒試驗(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(cè)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(cè)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(lái)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(duì)空氣中被測(cè)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(duì)空氣中被測(cè)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(cè)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(duì)PM1.0和PM2.5的除塵效率達(dá)到＞99.98%之外，其他樣機(jī)對(duì)除塵基本上沒有效果。除了等離子以外各項(xiàng)無(wú)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(cè)試是經(jīng)過分光光度儀（723PC）采樣分析；甲苯的濃度測(cè)試是VOC在線檢測(cè)儀（PMG-7340）檢測(cè)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)這些附加產(chǎn)生的臭氧和負(fù)離子的產(chǎn)生對(duì)顆粒、污染物以及微生物的影響。臭氧的測(cè)試是在試驗(yàn)艙里采用臭氧儀檢測(cè)儀（205）檢測(cè)抽樣濃度；每隔10分鐘測(cè)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(zhǎng)的累積曲線，近似直線增長(zhǎng)。

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(chǎng)上經(jīng)常有這樣的宣傳：負(fù)離子不僅對(duì)人體健康有助，而且有消毒作用。所以這次筆者對(duì)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(cè)試儀（AIC-1000）測(cè)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(duì)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(lái)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(chǎng)所，因此該實(shí)驗(yàn)所測(cè)的靜電過濾器臭氧增加量不代表普通應(yīng)用場(chǎng)所中的臭氧增加量水平。同樣，等離子對(duì)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(lái)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(wú)人狀態(tài)進(jìn)行操作，所以，更適合于高要求的滅菌，無(wú)菌消毒使用。0.1ppm濃度的臭氧雖然對(duì)人體無(wú)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(duì)負(fù)離子有不同的看法；通過這次實(shí)驗(yàn)可以推測(cè)：對(duì)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(duì)人體無(wú)傷害。在家庭，辦公室，交通工具以及公共場(chǎng)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(duì)空氣消毒的關(guān)注度更高了。這次實(shí)驗(yàn)雖然無(wú)法對(duì)SARS-CoV-2做消毒，但是病毒無(wú)法單獨(dú)存在，只能依附于塵埃或細(xì)菌，因此具備除塵和滅菌性能，就對(duì)殺滅新冠肺炎具備有效性。