吸入室内可吸入颗粒物净化器的研究进展

林灵杰，金卫冕，何佳琳，胡 炜

(宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315000)

吸入室内可吸入颗粒物净化器的研究进展

林灵杰，金卫冕，何佳琳，胡 炜

(宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315000)

摘要：阐述了可吸入颗粒物的基本特征、来源以及对人体的危害。介绍了过滤式、静电式和水介质式三类可吸入颗粒物净化技术的原理和特点，对比了三类净化技术的优缺点。对现有空气净化器进行了市场调查，分析了空气净化器的价格分布以及各品牌的市场定位。结合可吸入颗粒物的净化技术和当前空气净化器市场状况，总结了空气净化技术和空气净化器的发展趋势。

关键词：可吸入颗粒物；净化；空气净化器；PM2.5

1引言

近年来，“雾霾”已经成为严重危害人们健康和生活质量的重要因素。与此对应，与大气污染相关的问题已成为当今社会关注的热点。为了抵抗“雾霾”的危害，空气净化器成为了人们去除可吸入颗粒物的重要手段。空气净化器常采用多种不同的技术和介质滤除和杀灭空气污染物，有效提高空气清洁度。目前已有许多学者对空气净化器所使用的技术进行了分类对比研究，如李辉[1]等人对室内空气净化技术的探讨。但随着科技的进步以及市场的发展，当下空气净化器市场以及净化技术已有了很大变化，且鲜有学者针对室内可吸入颗粒物的净化技术进行对比分析并对其市场状况进行探究。本文分析了市场上常见的可吸入颗粒物净化技术以及不同空气净化器的市场状况，并展望了可吸入颗粒物净化技术、净化器的发展趋势。

2可吸入颗粒物

可吸入颗粒物是指空气动力学当量直径小于10μm的大气悬浮颗粒物，用PM10来表示。PM10可以分为粗颗粒部分(直径超过2.5μm，PM10)和细颗粒部分(直径小于2.5μm，即PM2.5)[2]，其中，PM2.5被命名为细颗粒物。PM10和 PM2.5对人体健康影响极大，10μm以下的颗粒物可以进入鼻腔,7μm以下的颗粒物可以进入咽喉,小于2.5μm的颗粒物则可以深达肺泡并沉积,进而进入血液循环中[3]。同时，由于小颗粒具有更大的比表面积,其吸附性也更强，更容易成为空气中各种毒害物质的载体，特别是容易吸附空气中的多环芳烃、多环苯类等[4]，并会富集许多重金属[5]，对人体健康造成极大威胁。吴国平等人的调查显示，当空气中PM10(包括PM2.5)浓度每增加100μg/m3时，成年男性感冒时的咳嗽发生率增加4.81%，成年女性为4.48%；成年男性患支气管炎的发生率会同时增加约5.13%[6]。国外学者发现，当PM10或者PM2.5的浓度每增加10μg/m3时，美国6个城市人群的死亡率会增加10%和14%。表明了PM2.5、PM10的存在对人类群体死亡率的影响[7]。可吸入颗粒物对机体的健康极具危害，不针对可吸入颗粒物采取相应措施，将威胁到人们的身体健康。

据环境保护部发布的2014年重点区域和74个城市空气质量状况显示：我国珠三角区域PM2.5年均浓度为42μg/m3，PM10年均浓度为61μg/m3；长三角区域PM2.5年均浓度为60μg/m3，PM10年均浓度为92μg/m3；京津冀区域PM2.5年均浓度为93μg/m3，PM10年均浓度为158μg/m3[8]。我国大气可吸入颗粒物污染形势依然严峻，京津冀地区是我国受PM2.5危害最为严重的地区，其平均浓度已经远远超过《环境空气质量标准》中35μg/m3的优秀标准，且在干燥的冬季，空气质量更不容乐观。此外，加拿大研究者Donkelaar等人通过气溶胶遥感技术发布了全球PM2.5状况[9]，数据表明中国的华北、华东、华中交界地已经成全球范围内PM2.5污染最为严重的地区。

室内可吸入颗粒物主要由“室外颗粒物”和“室内发生源”两部分组成。室外颗粒物质通过人类活动或者空气流动进入室内从而成为了室内可吸入颗粒物的组成部分；室内发生源主要有抽烟、烹调、吸尘和打扫等[10]。显然，加强环境保护，改善室内空气质量，保护人体健康，变得刻不容缓。

3可吸入颗粒物净化技术

目前，针对可吸入颗粒物运用的净化技术主要有过滤式净化技术、静电式净化技术、水介质式净化技术三类。

3.1　过滤式净化技术

过滤式净化技术是指通过滤网、滤芯、滤袋等多孔介质捕集、分离、过滤气体中细微颗粒物的空气净化技术[11]。高效空气过滤器( HEPA)由玻璃纤维制成，是国际上公认的高效过滤材料，它对直径0.3μm 以上微粒的去除效率达到 99%以上，是目前室内去除可吸入颗粒物最为有效的技术。净化流程如图1所示。

图1　可吸入颗粒物过滤流程示意图

HEPA滤网具有极高的过滤效率，除此之外，HEPA滤网轻便的体积、简单的过滤原理等优势让其深受欢迎。因此，室内应用的空气净化器基本上使用了HEPA滤网。但是，由于玻璃纤维捕集颗粒物后其空隙会被堵塞导致无法重复使用，所以净化器需要定期更换滤网；其次，HEPA滤网价格较高，因此在实际生产使用中提高了成本；再者，HEPA滤网较大的风阻以及使用的大功率风机产生的噪音会影响到使用者的正常休息。

3.2　静电式净化技术

室内空气净化器中静电净化技术的应用主要分为静电式除尘技术与负离子式净化技术，其净化原理基本相同，即通过在电极两端施加高压产生“电晕放电”现象，使空气电离产生电子，通过电子的吸附沉降或者库仑力作用实现空气的净化。

3.2.1负离子净化技术

负离子净化技术不需要风机，电晕放电使空气电离产生的大量负电子能扩散到室内各个位置吸附空气中的小颗粒物并聚合成为大颗粒进行沉降去除。负离子净化技术并非产生大量“负离子”来实现净化，实际使用中电离产生的是大量“正离子”与 “电子”，其中，带负电的“电子”起到了吸附尘粒并沉降的净化作用。

负离子净化技术不会产生噪音影响使用者的日常休息,且具有一定的杀菌作用[12]。但负离子净化技术的作用只是吸附灰尘，并不能实现真正意义上的去除污染物，尘埃附着在室内，而人的活动又很容易使其产生二次污染[13]。此外，负离子发生器的使用会产生臭氧危害人们健康。

3.2.2静电式除尘技术

与负离子净化技术不同，静电除尘技术则需要风机将受污染的空气吹入两个相反电极之间产生的强电场，空气电离产生的电子与颗粒物接触而使颗粒物带上负电，在库仑力的作用下带电颗粒物移动至“集尘段”实现颗粒物的收集去除。这种方式在室内应用相对较少。

3.3　水介质净化技术

水介质净化技术包含采用“水膜”、“水浴”、“水雾”等物理方式对空气中的微粒进行阻挡、包裹、粘附实现去除。

3.3.1水膜净化原理

水膜净化是指当水与“纱网”或“支架”等载体接触时，水通过自身张力附着在“纱网”或“支架”上，进而形成一层水膜，随后使受污染的空气以一定速度冲击水膜，通过空气与水膜的接触、碰撞实现对颗粒物的去除。如图2水膜式净化原理图所示。受污染的空气从装置的左端进入，装置内置一个水膜网转轮，装置的中下部盛有水。受污染空气推动转轮转动，转轮的转动使轮叶的水膜网浸入水中并在轮叶网面上覆盖一层水膜，而后这层水膜与受污染的空气相互接触实现净化。如此循环，洁净的空气从装置的右侧吹出。

图2　水膜式净化原理

“水膜净化”具有绿色环保、原理简单的特点，并且造价低廉，应用场所限制小，群众接受度高。但会持续增加空气湿度，并且水膜的净化效率与HEPA滤网仍有较大差距。

3.3.2水浴、水雾式净化原理

“水浴”模拟了自然界雨水的洗涤作用将空气与水进行对冲、喷淋或者将空气通入到水中进行“洗浴”，从而实现净化。水浴室中除尘的除尘作用主要有惯性碰撞、接触阻留、布朗扩散及凝聚和沉降，可吸入颗粒物与水碰撞失去动能而被捕获[14]。但其对风速、风压要求较高。

“水雾”指的是将污染空气通入充满雾气的净化器通道与雾珠混合、接触，进而实现净化。雾珠本身对细菌和灰尘有一定的粘附能力，同时雾珠也能在一定程度上对颗粒物进行阻挡，随后雾珠之间能够相互凝结成水滴落下，实现对颗粒物的捕集去除，但此技术一般充当辅助净化作用。

三类可吸入颗粒物净化技术的对比汇总如表1所示。

表1　三类净化技术工作原理及优缺点汇总

4市场分析

奥维咨询(AVC)电商渠道监测数据显示，国产品牌通过“低价高配”的方法在较低价位(400~1099元)拥有较大优势。中等价位(1100~3999元)是空气净化器市场的主流价位，约占市场销量的63%，如表2所示。此价位各外资品牌针锋相对，拥有较大的产销优势的同时，各空气净化器型号也层出不穷。在高端价位(4000元以上)空气净化器的销售中，布鲁雅尔、奥斯汀等高端品牌则占据绝对的市场优势[15]。空气净化器市场虽未确立绝对的领导品牌，但在这一领域，外资品牌优势明显，欧美品牌和日韩品牌占据了中国空气净化器市场主要份额，

表2　空气净化器市场价格分布

外资品牌以 “原装进口”和“高端品质”作为竞争优势，各品牌以特色的净化技术为依托，在中高端市场成为主流。而国内品牌的则以“高性价比”作为竞争优势，通过不断的学习借鉴来减少研发成本。在相同净化面积的空气净化器对比中，国内品牌的价格远低于国外品牌。由于中国空气净化器市场近些年才逐渐被人们关注，国内品牌起步也相对较晚，在效率、技术等方面与国外品牌仍有差距。通过统计各品牌在不同价位推出的产品款数，可以对各中外品牌进行市场定位分析，统计结果如表3所示。

表3　各品牌在相应价格区间推出的产品个数　单位：个

从表2中我们可以看出，国内品牌定位中低端市场，主打经济实惠的低价“标配”型产品。国外品牌则定位高端市场。值得一提的是，部分国外品牌为适应中国市场需要，开始调整营销战略，抢占低价市场份额。此外，可以看出中端市场不论在产品销量上还是在推出的产品款数上都占据巨大比例，是各品牌相互角逐的重要市场。

5发展趋势

随着时代的发展，空气净化器行业将会不断发展壮大，人们对空气净化器的需求会逐渐增多。行业的发展会伴随着空气净化器的净化技术、造型、功能设定等方面的更加合理。通过对目前市场上的三大净化技术的分析，考虑到适应飞速发展的消费需求，我们认为空气净化技术的发展趋势有以下4个方面。

(1)高效率。衡量净化技术的核心标准始终不变，即净化速度和净化效果。如何实现快速净化，并且使净化效果良好、可靠，应为净化技术发展的重中之重。

(2)复合化。单一的净化技术将会被市场所淘汰，当前各项技术优缺点并存，PM2.5作为危害极大的空气污染物，仅靠一种净化技术无法在既保证使用者体验的同时兼顾净化效果。由此可见，集各技术之长，开发综合型净化技术也会为发展的方向。

(3)人机协调。净化技术最终应用到空气净化器中，虽然目前的净化技术已能满足人们对洁净空气的需求，但人机关系的协调处理要求净化技术能给予更好的舒适性、健康性。复合化的发展能实现相互取长补短，提高净化效率。但噪音、臭氧、清洗等减少舒适性、健康性的缺陷却需要净化技术自身的进步，不断改进技术，努力实现人机关系的协调则是其另一个发展方向。

(4)绿色环保。绿色、环保是21世纪的时代主题，是未来所有产品技术共同努力的方向。旧式空气净化设备使用年限短，仪器、滤网更新更换频繁，废弃后回收利用率低。作为环保手段，新净化技术应使产品满足可拆卸分解，零部件可以翻新、重复使用等绿色设计要求，并应当利用寿命长、可循环、无污染、低成本的过滤设备以减少资源浪费，减少垃圾数量。

综上，HEPA滤网以其高效的净化效率与特有的优势，依然会在净化技术的应用中占据最重要的位置。在多元化的市场需求中，单一净化技术的垄断已无可能，研发新的净化技术入不敷出，我们认为负离子式净化技术以及水介质式将会逐步突破自身劣势的桎梏，扬长避短，在未来净化技术的斗争中得到自身快步地发展。

结合净化技术的发展趋势和净化器的市场分析，对未来市内可吸入如颗粒物空气净化器的发展方向做出展望：净化器将会朝着净化效果可靠良好、成本低廉、结构紧凑空间小、可拆洗、少更换的方向发展。在满足产品高品质的条件下，降低商家生产成本和用户使用成本，为净化器的第二级发展目标。第三级发展目标则为人机关系的协调处理，即用户体验感的增值，比如空气净化器所占的体积以及净化器的噪音、清洗等问题的优化。随着空气净化器市场的稳步成熟以及政府对净化标准的制定完善，净化器的价格将会走向下坡，市场会逐渐走向平衡。

参考文献：

[1]李辉,孔庆媛,万毅,等.室内空气净化技术的研究与探讨[J].林业机械与木工设备,2010,38(5):30～33.

[2]吴国平,胡伟,滕恩江,等.室外空气污染对成人呼吸系统健康的影响[J].中国环境监测,2001(17):33～38.

[3]刘泽常,王志强,李敏,等.大气可吸入颗粒物研究进展[J].山东科技大学学报：自然科学版,2004,23(4):97～100.

[4]朱先磊,远航,曾立民,等.北京市大气细颗粒物PM2.5的来源研究[J].环境科学研究,2005,18(5):1～5.

[5]苏领彦,郭新彪,王明良,等.北京市某区餐厅室内空气细颗粒物浓度水平现况研究[J]．中国预防医学杂志,2010,11(10):983～987.

[6]刘阳生,沈兴兴,毛小苓.北京市冬季公共场所室内空气中TSP,PM10,PM10和PM1污染研究[J].环境科学学报,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.环境保护部发布2014年重点区域和74个城市空气质量状况[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,强天伟.室内可吸入颗粒物的来源及其防治措施探讨[J].洁净与空调技术CC&AC,2011(4):70~77.[11]刘道清.空气过滤技术研究综述[J].环境科学与管理,2007,32(5):109~113.

[12]沈雪峰.空气过滤器在改善室内空气品质中的应用[D].上海：同济大学，2000.

[13]刘育婷.室内空气污染及净化技术研究[J].绿色科技,2011(11):113~115.

[14]杨洋,黄翔,颜苏芊.流体动力式喷水室净化可吸入颗粒物的研究[J].西安工程大学学报,2008(22):96~99.

[15]苏亮,耿明华.电商渠道助理，销量快速增长[J].电器,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

中图分类号：X132

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2015)04-0183-04

作者简介：林灵杰(1994—)，男，浙江台州人，宁波大学机械工程与力学学院大学生。 黄阔(1983—)，男，辽宁阜新人，工程师，硕士，主要从事环境管理工作。

基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)(编号：2014R405032)资助

收稿日期：2015-03-04 2015-03-04