家用空气净化器捕获颗粒物原理与技术

康瑞鑫 刘国华*

安徽工业大学能源与环境学院

0 引言

近年来，随着国民经济的持续发展，大气污染问题日益严重，空气质量每况愈下。根据美国耶鲁大学发布报告（Environmental Performance Index:2016 report）显示，中国空气质量在180个统计国家中，位于179位[1]，属空气污染重灾区。在空气污染物当中，颗粒物因其独特的特性，对人体健康危害显著。美国环保部开展的人类活动模式调查显示，人在室内度过的时间高达87%，另有6%的时间花在交通中，只有7%的时间在室外度过[2]。研究表明，室内颗粒物浓度比室外颗粒物浓度要高6倍左右[3]。随着近年来人们对空气质量的关注，越来越多的个人及单位选择民用空气净化器，来改善室内空气质量，消除室内环境的颗粒污染物[4]。虽然我国已于2015年颁布实施新空气净化器国家标准[5]，并于2017年实施空气净化器中国环境标志标准，但家用空气净化器质量依旧良莠不齐。美国、英国、日本等国家进行了许多关于室内空气净化器净化颗粒物的研究，其中部分研究成果已用于生活生产实际，考虑到国家之间不同的空气净化要求[6]，需要探索出适合我国当前空气状况的净化器。

目前空气净化器对颗粒物的净化方法很多，但多数研究者对其机理及技术手段还缺乏全面认识，本文针对国内外空气净化器净化颗粒物的研究现状进行综述，按照空气净化颗粒物的原理，技术手段及其性能与优缺点进行分析，比较与讨论，并对其运行情况进行评估。

1 原理介绍分析

1.1 活性炭技术

1.1.1 活性炭技术净化原理

活性炭是利用木屑，橄榄石，椰子壳等果壳及煤炭，石油焦等为原料，经高温炭化，并通过物理或化学活化制备成的黑色粉末状或颗粒状碳质材料[7]。因其比表面积大、孔隙结构丰富、吸附作用强、价格较低等特性，被家用空气净化器广泛采用。

活性炭净化空气主要机理为吸附作用，其经过活化处理后，1 g活性炭的有效接触面积可高达1000 m2[8]，因此具有很强的吸附能力。其中活性炭吸附主要按照吸附作用力的不同进行区分，可分为物理吸附和化学吸附。一般物理吸附为可逆过程，其主要通过分子间的范德华力将吸附质吸附于吸附剂表面。而化学吸附多为不可逆过程，主要通过固体表面与吸附气体分子间的化学键力来达到吸附作用。秦恒飞等人的研究表明[9]，同一物质在较低温度下可能发生物理吸附，而在较高温度下一般发生化学吸附，也可能两种吸附方式同时发生。

活性炭净化室内空气颗粒物主要通过物理吸附，净化机理主要包含四种情况[10]：1）位阻效应，即分子尺寸大于孔直径，分子无法进入孔内，主要通过阻挡来达到净化要求，活性炭不起吸附作用。2）捕捉力作用，主要适用于极低浓度下的吸附，即当分子直径与孔直径相当，分子尺寸约等于孔直径时，吸附剂的捕捉力非常强，通过吸附剂的捕捉作用达到吸附要求。3）毛细凝聚作用，即分子尺寸小于孔直径，孔内发生毛细凝聚使吸附质被吸附，其特点是吸附量大。4）脱附平衡，即分子尺寸远小于孔直径时，吸附的分子易发生脱附，脱附速率增加。当吸附速率与脱附速率相同时，达到吸附平衡，吸附剂的吸附过程停止，吸附剂丧失了继续吸附的能力。而活性炭的化学吸附主要通过活性炭表面的官能团，通过化学反应来达到净化的效果。对于现阶段的空气净化而言，因其空气含量的复杂性，多采用添加其他化学催化剂，如光催化剂TiO2，形成复合材料增加其空气净化效率[11]。

1.1.2 活性炭技术优缺点

优点：1）结构紧凑，结构比较稳定，且具有发达的微孔结构，内表面积有很好的吸热和耐热性。2）较高的比表面积，可以吸附更多的有机分子。3）应用范围广，可以吸收包括固体颗粒、有害气体等污染物，且活性炭本身具有一定的抑菌、抗菌作用，可以消除空气中的致病微生物。4）活性炭和载持物之间存在大量的络合物，使催化剂活性得到很大的提升。

缺点：1）吸附量小，物理吸附存在饱和的问题，随着吸附杂质的增多，吸附能力减弱，需要更换。2）对吸附具有专一性，主要表现在对混合气体存在吸附性能减弱的情况。3）可能会带来二次污染，因为其主要是将有毒有害物质转移，并没有完全分解有害物质。

1.2 高效空气过滤器技术

1.2.1 技术净化原理

高效空气过滤器（HEPA），是一种广泛应用于医疗设备，汽车，飞机以及家居领域的过滤介质。根据美国能源部制定的高效过滤器滤网标准，其对粒径在0.3 μm的粒子，采用DOP法测试过滤效果达到99.97%以上[12]，现阶段所采用的HEPA滤网可达到99.99%的拦截效率。其中根据MPPS（Most PeratingParticle Size，最轻易穿透粒径）[13]的概念，因 0.3 μm的粒子不易受气旋和范德华力的影响，为最易穿透粒子，故采用0.3 μm的粒子对HEPA进行标准制定。

图2 HEPA结构及净化机理示意图

HEPA的过滤机制主要分为四种：1）拦截机制，该机制主要是对大粒径粒子起作用，利用HEPA之间微小间隙，对大颗粒物进行拦截。2）重力影响，其对体积小密度大的颗粒起主要作用，该粒子在经过HEPA滤网时，因滤网的阻力作用，会造成运动速度降低，进而自然沉降到滤网上。3）气流影响，主要对超小颗粒物起过滤作用。由于HEPA的滤网编织不均匀，空气在风机的驱动下，会形成大量的空气旋涡，超小颗粒物受此涡旋的影响吸附在HEPA滤网上被过滤。4）范德华力的影响，主要对超微颗粒物起作用。其中超微颗粒物做布朗运动，撞击HEPA纤维层，受滤网的范德华力作用实现过滤。基于以上过滤机理，HEPA对多种粒子都具有过滤作用，并且具有较高的过滤效率，故广泛应用于室内空气过滤器之中。

1.2.2 高效空气过滤器技术优缺点

优点：1）技术成熟，采用物理过滤方式，不会形成二次污染。2）根据实验室测试数据，滤网的单次净化效率高，可除去的粒径范围大。3）HEPA滤网的净化率随风量、使用时间下降较缓慢。4）因其范德华力的过滤机理原因，高效HEPA可以对部分病毒体实现过滤拦截。

缺点：1）HEPA滤网的风阻较大，对风机的要求高。尤其是高等级的HEPA滤网，对风机的要求较高。2）维护成本高，由于HEPA的过滤效率较高，在北京等空气质量较差的城市，HEPA滤网的使用寿命仅能维持半年左右，其更换的费用较高。3）在潮湿的环境中，滤网易滋生霉菌，同时不能对病原体实现灭活，容易造成病毒吸附。4）我国没有相关的回收机制，容易对环境造成污染。

1.3 驻极体技术

1.3.1 驻极体技术净化原理

驻极体是具有在无外电场的条件下能自身产生静电作用力特性的一种长期存储电荷功能的电解质材料[14]。其生产材料要求具有高体电阻和表面电阻，高介电击穿强度，以及低吸湿性等性能。按照现有的生产原材料可将驻极体分为无机驻极体，聚合物驻极体和生物驻极体。一般空气过滤器主要采用的驻极体材料为高聚物驻极体。

驻极体空气过滤材料的除尘原理与一般机械型空气过滤器的过滤机理不同。机械型空气过滤器主要过滤机理为机械拦截，即通过纤维之间的阻挡效应对颗粒物来进行过滤，而驻极体滤料的过滤机理主要依赖于滤料纤维本身的带电特性[15]，通过荷电纤维所带电荷之间的库仑力对灰尘来进行捕获。其中驻极体空气过滤材料纤维间隙为微米数量级，而极化纤维之间通常存在有几百甚至上千伏的电压，从而形成无数个电场可以达到每米几十兆伏甚至更高的无源集尘电极。由于高电场集尘电极的存在，当气流通过驻极体过滤器时，电场产生的库仑力可以使气流中的带电粉尘被有效的吸附，而且未带电的中性颗粒也能被强电场极化，从而被过滤纤维捕获[16]。并且驻极体纤维由于静电力的排斥作用扩散成网状，形成开放式结构，当灰尘经过时，通过静电力吸引粒子，在传统机械型空气过滤器过滤效率下，具有较小的阻力。同时由于驻极体存在的强静电场和微电流，拥有刺激细菌病毒使蛋白质和核酸变异的性能，损伤细菌的细胞质及细胞膜，从而破坏其表面结构，导致细菌死亡失活[17]。根据临床试验，驻极体空气过滤器滤菌效率高达95%，并可以杀死90%的细菌[18]。

图3 驻极体过滤材料对颗粒的静电库仑力示意图

1.3.2 驻极体技术优缺点

优点：1）驻极体过滤材料，基于其独特的过滤机理，具有高效性与低阻性，且能过滤一般机械型过滤器无法过滤的小粒径粒子。2）因为驻极体材料静电场与微电流，对微生物以及病毒具有抑制和杀灭作用。3）由于近年来对驻极体材料的研究深入，现有驻极体滤料表现出突出的疏水性，热稳定性和在较高温度下的电荷储存能力。

缺点：驻极体材料的使用寿命较一般过滤材料而言较低，而且其过滤性能及过滤效率会随周围环境等因素的变化而降低，使其在严格要求过滤性能的场所下有一定的使用限制。

1.4 各类净化方法比较

表1为各类净化方法的原理，实现手段及优缺点比较。

表1 各种净化方法的比较

2 净化器运行效率分析

目前，市售空气净化器在过滤形式和过滤材料的选用组合上，大多是借鉴洁净室空气净化系统的设计思路和技术路线[19]。为保证家用净化器的净化效率以及满足对多种污染物的净化要求，一般所采用多种净化滤材配合，形成整套过滤体系[20]。在研究了市场在售的十种品牌净化器的净化原理，CCM（颗粒物累计净化量）及CADR（洁净空气量）后，现阶段主要的设备净化流程如图4所示。

图4 现有家用净化器净化流程图

驻极体做为一种新型的低阻高效特性的过滤材料，在目前市场当中，还并未得到广泛应用，主要的研究也大多存在于实验室研究阶段。现阶段空气净化器的主要标注测试参数主要以CADR为主[21]，但其中对于实际指导意义有限，本部分将对各净化层及驻极体净化滤料的主要实验数据进行分析。

肖沅芷[22]等人根据Brown R.C.[23]提出的过滤品质因数对不同类型的滤料进行了测试，其中过滤品质因数主要考虑过滤过程中效率与阻力的相互平衡关系，其中过滤品质因数Q按下式计算：

式中：Q为过滤品质因数，1/Pa；η为过滤效率，%；Δp为压降，Pa。

根据其计算结果，驻极体材料在5 cm/s的过滤风速下品质因数可达到0.57，在10 cm/s的过滤风速下只有0.35，而一般的玻纤滤纸的品质因数均位于0.05以下。故驻极体滤料在能够维持较高过滤效率的基础上，具有较低的过滤阻力，是一种具有低阻高效过滤特性的材料，因其具有较大的节能效益，故适用于家用空气过滤器作为复合滤网的过滤材料。

水甜甜[24]等人的实验测试了不同过滤层独立运行以及联合运行时的过滤效率。其中驻极体过滤效率随过滤面积的增加而增加，最高为85.32%，HEPA过滤效率最高，达到88.01%，初效过滤层及活性炭层的净化效率均低于3.00%，因为自然沉降以及颗粒物碰撞凝聚等因素，过滤效率基本可忽略。当多种滤料进行联合运行时，除因过滤初期空气流过活性炭层造成细小炭粒脱落，随送风进入室内外，造成过滤效率较独立运行时略有降低外，其他复合过滤层过滤效率均有所提升，但提高率小于3.80%。净化器处理风量方面，HEPA处理风量最小，初效过滤网以及活性炭滤网都会降低处理风量。

一般空气净化器测试大多采用实验室标准试验条件，悬浮颗粒物来源按照国家标准[5]采用香烟烟雾，与实际使用场景存在一定差异，导致使用效果与测试结果存在差异。李兆坚[25]等人在北京严重雾霾条件下，进行了现场净化测试，并分别对两种价格差异较大的净化器进行测试。其中两种家用净化器在实际使用条件下均能达到有效的空气净化要求，且净化效果显著。其中某国产低价净化器的净化水平高于进口空气净化器，猜测原因为国外空气净化要求与室内空气污染物不同所导致，故净化器的净化效率与价格并无直接关系。所测两种不同回风方式的净化器表明，圆柱形回风空气净化器净化效率以及滤芯使用寿命均优于长方形回风空气净化器，主要原因为圆柱形高效过滤器的面积较大，容尘量较大。

3 结论

家用净化器对颗粒物的净化是空气净化的研究热点，本文通过对家用空气净化器净化颗粒物的原理以及技术实现进行分析，得出以下结论：

1）家用空气净化器净化颗粒物主要有三种方式包括活性炭净化、高效空气过滤器净化、驻极体净化，其中HEPA净化效率最高，驻极体净化具有最高的过滤品质因数。

2）市售的家用空气净化器大多采用多种滤料复合过滤，增加了过滤效率，但使过滤阻力增大，对风机提出更高的要求。

3）活性炭层一般作为最后的吸附过滤层，对颗粒物的净化效率较低，在使用初期甚至会增加颗粒物浓度，但附加了光催化剂之后，则对化合物的去除就较为有效。

4）驻极体过滤具有较高的过滤品质，且对风机的动力要求低，但现阶段尚未应用到家用空气过滤器中，在未来家用空气过滤器中有望得到广泛应用。

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