负离子和等离子在主动净化式室内空气净化器中的应用

王志涛　郑海洋

摘要：本文从专利申请的角度分析了自离子和等离子在主动净化式室内空气净化器中的应用。并详细梳理了负离子和等离子在空气净化器中应用技术的整体发展脉络，主要经历了从单一功能模块到与其他技术相复合的多功能模块。今后，采用多种技术复合来设计室内空气净化器依旧是研究重点。

关键词：负离子；等离子；室内空气净化器；主动净化

随着工业现代化的不断发展，人口不断增加，空气污染日益加重。人们大部分时间生活、工作在室内，室内环境的好坏直接影响人们的身体健康。相关研究证明，室内空气中含有大量的污染物，来源基本上是化学性污染物，主要包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨气、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、总挥发性有机物TVOC、可吸入式颗粒物、臭氧等。由于日用家电的增多，室内绿化不足，室内空气污染引起了人们的广泛关注，同时推动了室内空气净化器的发展。空气净化器按照不同的净化原理主要分为：（1）被动净化式（滤网净化类）：风机将空气抽入机器内，污染物被内置的滤网隔离，起到净化的效果；（2）主动净化式（无滤网型）：根据产品的主动杀菌原理可分为银离子净化、负离子净化、等离子净化、光触媒净化和净离子群净化。因此，负离子净化和等离子净化属于主动净化式的重要净化技术。负离子不仅可以杀灭空气中的烟雾、灰尘、细菌，更可中和空气中的正离子，活化空气，改善心肺功能，改善睡眠，增强人体抗病能力。而等离子是气、液、固三态以外，物质存在的第四态，它是在高压作用下形成的由原子、离子、电子、自由基粒子等组成的混合体，等离子不仅有良好的杀菌、杀病毒的作用，还可有效处理像细菌毒素及其他产物的制热物质。基于负离子和等离子良好的净化能力，人们将负离子和等离子技术应用到了室内空气净化器中。

1、负离子和等离子在主动净化式室内空气净化器中的专利申请情况

图1所示为不同年份负离子和等离子应用到主动净化式室内空气净化器中的国际专利申请量，由图1可以看出，负离子在1985年便应用到主动净化式室内空气净化器中，整体来看，从1985年到2014年，专利申请量呈上升趋势，于2014年达到申请量的最高点，2014年后申请量开始下降；而等离子从1999年开始才应用到主动净化式室内空气净化器中，整体来看，从1999年到2008年，专利申请量呈上升趋势，于2008年达到申请量的最高点，2008年后申请量开始下降；专利申请量上升说明人们意识到室内空气质量的重要性，对负离子和等离子应用到主动净化式室内空气净化器中的研究逐步增多，达到申请量的最高点说明负离子和等离子应用到主动净化式室内空气净化器中是当时人们的研究热点；达到申请量的最高点后专利申请量下降说明人们对负离子和等离子应用到主动净化式室内空气净化器中的研究趋于成熟。（2016年和2017年的部分申请还未满18个月，没有被公开，因此，预计2016年和2017年的实际申请量应高于图1中所示数量）

2、负离子在主动净化式室内空气净化器中的应用

負离子可以移除花粉、绒毛、烟雾、灰尘以及化学纤维等污染源，采用负离子净化技术可以改善室内空气质量，创造清新舒适的工作和生活环境，起到负离子的生理和治疗作用。图2列出了负离子净化的技术路线演进图。

80年代开始采用负离子技术对室内空气进行净化，通过负离子发生器和其他部件简单复合或者单独采用负离子发生器对室内空气进行净化，其结构相对简单，作用较为单一。1985年，JP8902585A公开了通过负离子产生单元和活性炭单元来净化室内空气；同年，CN85205039公开了一种电子空气净化器，其在出风口处设置一个负离子发生器，高压除尘器是以阴极为放电极，阳极为集尘极并接地，工作主部和电气控制部分分置，从而提高了空气净化效果和除尘效率，并且工作稳定，操作维修安全方便；1988年，CN87209596公开了通过出口附近几乎不存在静电场，且在较低电压下产生较高浓度负离子的负离子发生器，其结构简单，用于室内空气净化中。

90年代开始，逐渐采用多级复合形式的空气过滤器，通过多级净化单元对空气进行净化。1993年，US19930021016公开了一种空气净化器，空气首先通过多层过滤单元过滤，随后进入高压放电组件产生负离子；1996年，KR19960049004公开了一种家用气体净化装置，气体依次通过粗滤板、集尘板、臭氧发生器、活性炭过滤器、臭氧还原装置以及负离子发生器，最后经风机排出，其通过多种净化方式对室内气体进行净化，达到净化空气、杀菌消毒的效果；1997年，CN97247728公开了一种室内空气净化消毒器，在外壳内自左向右依次是初级过滤器、等离子发生器、紫外分解器、电热分解器、负离子发生器和轴流风机，集净化、消毒和空气负离子化于一体，净化效率高，消毒效果好，能耗小。

进入90年代末期，人们更加关注负离子空气净化器带给人的舒适程度，通过加湿、调节负离子浓度等使得室内空气让人更加舒适。1997年，JP24942797A公开了一种其中装有负离子发生器的空调机，负离子直接、或连同已热交换的空气一起供给到室内中去，但产生的负离子量较少，且只是简单的产生负离子并将它们供给到室内会因漂浮在空气中的污垢/灰尘微粒而给室内居住者带来不利影响；作为一种改进，2000年，CN00811996公开了一种空调机室内机组，将室内空气吸入到机组本体，通过热交换器进行热交换，热交换后被净化的空气不包含削弱负离子的污垢/灰尘微粒，这样负离子发生器发射的负离子在不被削弱的情况下供给到室内，以此有效对空气进行净化、调节所需空气以及供给对人体有利的负离子；同年，JP2000252572公开了一种负离子空气净化器，通过调节释放氧和负离子的比例来对室内空气进行净化：2007年，WO200725853公开了一种负离子空气净化器，包括负离子单元与正离子单元，并通过控制单元控制交替释放负离子与正离子，达到净化空气的目的；2008年，CN200810119036公开了一种高浓度负氧离子化环喷式空气加湿净化保健器，由环喷式加湿器和无臭氧高性能负氧离子发生器构成，负氧离子发射单元安装在加湿器机壳外直接向空气中发射高浓度负氧离子，加入到加湿器气流中发挥积极作用；2009年，CN200910155119公开了一种家用空气净化加湿器，设置有超声波发生器和负离子发生器和活性炭包，能够同时实现空气加湿、空气净化、空气加香多种功能，从而模拟多种空气环境。

值得注意的是，为了使室内空气更加舒适，在与臭氧共存的问题上，人们也进行了一系列的研究。2000年，JP2000074240公开了用触媒分解除去通过高压放电与负离子同时产生的臭氧的空气净化器的例子，但未触及低浓度负离子和臭氧共存的问题；2004年，CN200480027545利用负离子，并进一步与臭氧共存，灭菌，杀菌，形成良好的室内环境；2006年，KR20060062762公开了一种室内负离子空气过滤器，通过负离子发生器产生的负离子可以降低并压制臭氧、挥发性有机化合物和微生物等物质。

随着对负离子技术的研究日趋成熟，人们更加关注负离子与其他净化技术如静电、过滤、等离子等的结合。2012年，CN201210228156公开了一种高效多功能模块化室内空气净化装置，分为主功能模块，动力控制模块和附加功能模块，主功能模块包括防护罩、自由旋转导流板、可冲洗预过滤玻璃纤维层、附着活性炭吸附层、附着纳米活性炭吸附层、高效PTFE过滤层、负载纳米TiO2多孔陶瓷，中间为UV灯，附加功能模块包括固体精油扩散盒/负离子发生器/加湿器等功能模块组成；同年，KR20120158098公开了一种空气净化器，通过等离子发生器、静电集尘器、过滤器综合作用对空气进行净化；2013年，CN201320612465公开了一种室内空气净化器，包括活性炭过滤层、紫外线灭菌灯、光触媒板、进出风风扇、HEPA过滤层以及负离子发生器，可吸附空气中的甲醛、苯酚、烟味、霉味、动物毛发，还可以除臭、消除PM2.5；2014年，KR20140114671公开了一种室内空气净化器，包括负离子发生器、静电过滤器和旋流器，通过负离子和静电效应以及气体的旋流综合作用来净化室内空气；2015年，CN201520980118公开了一种新型的家用空气净化器，进气口下方设有聚酯纤维层、活性炭层、KDF层、纳米陶瓷层、混合腔，还包括负离子发生器和臭氧发生器，通过多种净化方式的协同作用，有效的除去空气中的细菌、悬浮物、重金属、灰尘等有害物，净化效果好，净化效率高，运行成本低，净化器内部对空气进行净化的同时所产生的净化后的混合体也能够对外部空气起到灭菌作用。

3、等离子在主动净化式室内空气净化器中的应用

等离子净化作为主动式净化的一个重要发展方向，其具有除尘、杀菌、除去挥发性有机化合物等作用。图3列出了等离子净化的技术路线演进图。

研究初期，将等离子净化与过滤相结合来净化室内空气较为常见。例如KR19990064737A公开了一种低温等离子型空气净化器，其借助风机将室内污染气体吸入净化器中，并通过进口过滤器过滤大颗粒、等离子放电器除去小颗粒和臭气、以MnO2作为催化剂的出口过滤器除去臭氧；JP2001170562A公开了一种包括预过滤器、灰尘收集器、等离子单元、去味单元、风机的室内空气净化器，其可有效净化室内空气且减少净化器的安装空间。

接下来，采用等离子净化来净化室内空气受到人们关注。例如CN03121019公开了一种等离子空气净化器，其在放电极上安装了针状的碳纤维束，可显著提高对含有大量的灰尘或有害气体的空气的净化能力；CN200320109667公开了一种低温等离子室内空气净化器，其在低温等离子放电电极间加入了永磁体，从而提高了去除有害气体的效率，同时在预荷电集尘板间也加入永磁体，提高了去除悬浮颗粒物的效率；KR20040037427A公開了一种具有高压等离子的无风机型空气净化器，其可以增加净化器内部空间，减少噪音，降低电耗，并可以控制气流方向。

接下来，将等离子净化与其他净化技术如吸附、催化、过滤等相结合来净化室内空气成为了人们研究的热点。例如，CN200420077941公开了一种智能型太阳能等离子空气净化器，其利用等离子净化装置氧化空气中的有害物质，迅速杀菌并消除各种异味，同时吸收空气中有害的带电颗粒以及空气中的灰尘，同时，其安装了可拆卸的活性炭层，进一步吸收了气体中的有害成分；CN200510100980公开一种微波辅助的等离子催化空气净化方法及净化装置，其采用微波辅助的等离子催化室内空气净化技术，既能有效降解空气中的有害气体，又能有效消除等离子催化作用产生的臭氧、NOx副产物；CN200620044354公开了一种高效复合型空气净化机，其是以双区等离子电场、光触媒反应腔、长效滤芯器多种净化技术有机复合而成的空气净化装置，可以起到去除灰尖、杀灭细菌、消除异味、并释放负氧离子，可快速高效地改善和提高室内的空气质量；JP2006209947A公开一种空气净化器，其采用预过滤器、光催化过滤器、等离子催化过滤器和除臭催化滤芯来提高室内空气质量；KR20080020331A公开了一种室内空气净化器，包括风机和等离子吸附催化单元，可有效降低能耗、压力损失，抑制臭氧产生，具有除臭消毒作用；CN200920105135公开了一种空气净化装置，一种集纳米光催化技术、低温等离子技术及活性碳吸附技术于一体的空气净化装置，其可同时实现污染气体的高效去除及病菌、病毒的杀灭目的，提高室内空气品质，改善生活环境；CN201110400045公开了一种室内空气净化装置，其结合了低温等离子技术、紫外线、纳米光触媒技术、催化剂消除臭氧多种空气净化技术，能够对污染严重的室内空气进行净化处理，对空气中的各种异味物质进行分解，不产生二次污染，自身具有自动清洁能力；CN201210161107公开了一种室内空气净化装置，其由驻极体纤维过滤器、低温等离子电源、低温等离子反应器、吸附催化床四部分组成，提高了对室内空气中气溶胶的过滤效率，降低了过滤材料的气流阻力，提高了对气态污染的净化效率，有效控制了臭氧、酸性气体等反应副产物的释放，消除了低温等离子反应产生的二次污染问题。

随着研究趋于成熟，具有加湿、检测等功能的多功能性室内空气净化器引起了人们的兴趣。例如，CN200810113568公开了一种立式转轮调湿的等离子室内空气净化装置，其可以实现较高的净化效果，同时可以调节室内空气的湿度；CN200910023797公开了一种室内空气中甲醛的净化装置，其采用低温放电等离子技术实现空气净化，同时具有电压分级可调、装置可定时关断、温湿度可显示等功能；CN201310105835公开了一种多功能等离子空气净化机，其可以平衡室内湿度，洁净室内空气，具有MP3播放功能，同时设置有小夜灯且具有远程操控功能；CN201420045179公开了一种便携式低温等离子空气消毒清洁器，其可在40m室内区域或10m³的室外周围形成一个有效消毒清洁的空间，携带使用方便，消毒杀菌效果好；CN201520845006公开了一种带室内空气质量检测功能的空气净化器，其兼具室内空气监测和空气净化的双重功能。

4、结语

随着人们对室内空气质量要求的提高，人们对室内空气质量日益重视。随着对各种空气净化技术研究的不断深入，将多种净化技术通过适当的方式相结合来净化室内空气已经成为人们的研究热点，同时，人们也越来越关注室内空气净化器的多功能性，例如具有加湿、检测等功能的室内空气净化器。相信将多种净化技术相结合来净化室内空气以及设计多功能性的室内空气净化器依旧是今后的研究重点。