室内空气净化技术及产品综述

石芳芳邱利民于川张林宋佳严仁远

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027；2中程节能技术有限公司 杭州 310013；3浙江大学生物工程研究所 杭州 310027；4浙江大学能源工程学系 杭州 310027)

室内空气净化技术及产品综述

石芳芳1邱利民1于川2张林3宋佳4严仁远4

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027；2中程节能技术有限公司 杭州 310013；3浙江大学生物工程研究所 杭州 310027；4浙江大学能源工程学系 杭州 310027)

如何在加快治理大气环境的同时，营造洁净健康的室内空气环境，是当前乃至今后相当长的一段时期国内外相关领域的持续热点。本文系统介绍了目前室内空气净化主要技术的原理及特点，指出现有技术存在的主要问题。通过对当前主流室内空气净化产品中应用的净化技术进行梳理，总结了空气净化技术的组合原则，即主要根据室内污染物类型进行针对性地选择，并利用净化技术间的协同效应，以使室内空气得到全面净化。本文还对未来的研发方向进行了展望，指出利用净化技术间的协同效应，研究更为有效的综合净化技术将成为未来重要的研究方向之一。

室内空气净化；空气净化技术；空气净化器；协同效应

近两年全国大范围雾霾频发，多地PM2.5爆表，大气环境污染已然成为威胁人类生存的重大问题，引起研究人员和公众普遍关注。但整个大气环境污染问题非一朝一夕可以解决，其治理需要长期的努力。相对而言，小空间环境的控制和治理则更容易实现，且短期内即可见效。而现代人80%～90%以上的时间是在室内度过，室内空气中的污染物对人体健康产生很大影响[1]，因此，对室内空气污染进行控制和治理是目前改善人类生存环境的有效途径。除室外空气污染的影响外，室内空气恶化的主要起因有大量使用化学建筑材料、装饰装修材料、人造板材复合家具等散发有毒有害气体，还与建筑因节能要求密闭性提高、空调系统新风量减少等因素密切相关[2]。室内污染物主要分为三大类:PM10和PM2.5等悬浮颗粒物、挥发性有机污染物、细菌病毒等微生物。对室内各种污染物进行净化是控制室内空气品质的有效途径。

2012年全球空气净化器市场容量达1500万台。其中，美国市场容量为500万台，日本为350万台，欧洲市场为250万台，中国市场为150万台，韩国市场为100万台。目前美国空气净化器的市场普及率约为27%，其中60%为静电吸附型产品，40%为HEPA过滤型产品(High Efficiency Particulate Air Filter，高效率空气微粒滤芯)；日本市场空气净化器普及率约为34.7%，欧洲市场容量在稳步增长，日本和欧洲均以HEPA过滤产品为主[3]。

本文从净化方法的角度，系统介绍了室内空气净化的主要技术及其优缺点，总结了室内空气净化产品中空气净化技术的组合原则，并对未来的研发方向进行了展望。

1 空气净化技术介绍

室内空气的净化方法主要可分为机械、物理和化学方法三大类，主要的室内空气净化技术如图1所示。

1.1 机械方法

1.1.1 过滤技术

过滤技术是目前最为主流的净化手段，主要净化对象为空气中的颗粒物。市场上大多数空气净化器都采用HEPA进行过滤。HEPA是一种国际公认的高效滤材，一般采用多组分玻璃纤维制成，孔径微小，吸附容量大，净化效率高。HEPA材料对微粒的捕捉能力较强，可有效滤除0.3μm以上的可吸入颗粒物、烟雾、细菌等，过滤效率达99.97%以上[4]，在空气净化器中得到了广泛的使用。它的缺点是滤网需频繁更换，维护成本较高。

1.1.2 活性炭吸附技术

活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂，其特点是具有独特的孔隙结构和较大的比表面积(5002000 m2/g)，具有较强的吸附能力。活性炭的孔隙结构非常复杂，孔径分布范围很宽，在室内环境污染治理中，活性炭的多孔结构可以发挥与其相应的性能:微孔(直径＜2 nm)呈现出很强的吸附性能；中孔(孔径250 nm)，可作为负载化学改性剂的载体，可负载催化剂和脱臭剂，通过催化剂催化分解吸附到微孔中的污染物；大孔(孔径＞50 nm)可吸附室内环境中的微生物及菌类[4]。活性炭的吸附作用分为物理吸附和化学吸附。物理吸附吸附质与吸附剂的结合较弱，温度、风速升高到一定程度，所吸附的污染物就可能游离出来，造成二次污染。对室内空气中的有毒有害污染物，化学吸附更可靠。当活性炭吸附饱和后会失去吸附功能，需频繁更换[5]。

1.1.3 膜分离技术

膜分离技术净化空气的机理包括分子筛分和克努森扩散。根据分子筛分机理，分子大小不同的混合物与膜接触后，大分子截留，而小分子则通过孔道，从而实现分离。根据克努森扩散理论，气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根成反比，因此，各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同而实现分离。用于气体分离的膜分为有机膜和无机膜。有机膜应用于室内空气净化的研究目前尚少，无机膜因具有热稳定性好、化学性质稳定、不被微生物降解、容易控制孔径尺寸等特点，在室内空气净化方面有很大应用潜力[6]。现已有用无机陶瓷膜净化空气的报道。黄肖容等[7]进行了用浓度梯度氧化铝净化空气的研究，实验结果表明，该无机膜去除空气中大于0.2 μm颗粒物的效率达100%，对细菌的总截留率也达99.99%。

1.1.4 水洗净化技术

水洗净化通过水与空气的接触，使空气中的颗粒物以及水溶性物质融入水中，水洗净化不仅能去除空气中的颗粒物和水溶性物质，还能加湿空气。我们总结了水洗净化的相关专利和净化产品[8-9]，其主要形式及优缺点见表1。

1.2 物理方法

1.2.1 静电集尘技术

利用高压静电场形成电晕，在电晕区里自由电子和离子碰撞附到尘埃颗粒上，使颗粒带上电荷，荷电后的颗粒在电场力作用下被吸着到收集区并沉积下来，从而降低空气中的颗粒物浓度，同时能杀灭细菌等微生物。彭继[10]对单级静电除尘净化器进行了性能测试，结果表明:单级静电除尘对直径在2 μm以上颗粒物的去除效率达到92.78%，对直径在5 μm以上颗粒物的去除效率达到94.5%；运行1 h，对室内空气中自然菌的平均消除效率达90.33%。但该方法对室内空气中的有害气体没有效果，且使用过程中会产生臭氧。

1.2.2 负离子技术

负离子技术是利用施加高电压产生负离子，借助凝结和吸附作用，附着在固相或液相污染物微粒上，形成大粒子并沉降下来。空气中的负离子不仅能使空气格外新鲜，还可以杀菌和消除异味。但空气中的负离子极易与空气中的尘埃结合，成为“重离子”，而悬浮的重离子在降落过程中，依然附着在室内家具、墙壁等物品上，不能清除污染物或将其排出室外。

1.2.3 低温非对称等离子体技术

通过高压、高频脉冲放电形成非对称等离子体电场，等离子体中包含大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和有害气体分子发生频繁的碰撞，产生雪崩效应式的一系列物理、化学反应，对有毒有害气体及病毒、细菌等进行快速分解。在化学反应的过程中，添加适当的催化剂，能降低分子的活化能从而加速化学反应。韩冰雁[11]开展了3 m3密封舱内的甲醛降解实验，结果显示:采用等离子体单独降解甲醛，90 min后降解效率达到峰值50%；而等离子体耦合催化降解甲醛，20 min时甲醛的降解率达到78%，并在100 min时实现83%的甲醛降解率。

表1 水洗净化的主要形式及特点Tab.1 Main types and characteristics of purification by water

该技术分解污染物的同时，往往伴有臭氧等副产物的产生，引起二次污染；而且不能很好地除去空气中的细颗粒物。应用到家用空气净化器中，需要做人体安全测试以及相应的二次污染处理。

1.2.4 光催化净化技术

半导体在紫外线照射下，价带电子受光的激发，跃迁到导带上，从而形成光生电子和光生空穴，并与空气中水分和氧气反生成多种活性基团，能把空气中的有机污染物和细菌氧化。石峰等[12]对GT501光触媒空气净化器在28 m3的实验舱内进行了性能测试，净化器运行90 min后，对空气中细菌的去除率达84.8%，甲醛的去除率达73.9%，氨的去除率达61%。

该技术在室温条件下就能将许多有机污染物氧化成二氧化碳和水，是很具发展前景的室内空气净化技术。但它不能解决室内空气中的悬浮物及细颗粒物问题，同时催化剂微孔容易被灰尘和颗粒物等堵塞而致使催化剂失活。近年来的研究发现[13－14]，光催化净化过程发生的反应并不完全，氧化过程可能会产生有毒或者有刺激性的醛、酮或有机酸；而且，这些中间产物的产生是导致催化剂失活的主要原因之一。

1.3 化学方法

利用生物工程技术，根据某些植物吸收甲醛的原理制成，能主动捕捉游离甲醛并形成稳定的固态物质，包曳游离的甲醛分子，封闭污染物分子的释放。但甲醛等装修污染具有持续性，通常会持续10～15年。这种试剂只是在污染源外层形成一层保护膜，暂时封闭污染源，甲醛挥发的源头并没有得到解决，这层保护膜失效后，甲醛仍会大量释放出来。有些甲醛清除剂称能与甲醛发生化学反应，但如果甲醛清除剂与甲醛发生不完全反应，则有可能生成其他有害物质造成二次污染。

2 空气净化技术组合

2.1 单一净化技术对主要污染物的净化效果

空气中的污染物主要分为三类:悬浮颗粒物、挥发性有机污染物和微生物。表2列出了单一净化技术对三种主要空气污染物的净化效果[15－16]。针对悬浮颗粒物，主要的净化技术是过滤、静电、负离子和水洗净化，过滤法是目前普遍采用的颗粒物净化手段；针对有害气体最有效也是目前最常用的方法是吸附，活性炭因其简单、有效、成本低而成为广泛使用的吸附材料，其次是光触媒和等离子体净化方法较为有效；针对微生物最高效的净化方法是紫外线照射，其次是光触媒和等离子体净化，过滤网对直径较大的细菌有效，但对病毒无效。

从各种净化技术的原理和特点不难发现，目前单一的技术不可能处理空气中的所有污染物种类。为了使空气得到全面的净化，要针对各种不同污染物类型选择相应的净化方法进行组合，优势互补，使净化功能更为完善。但是多种净化技术的组合也可能会集中几种技术的缺点，因此在选择组合技术时应充分考虑各技术的特点，有针对性地选择。

表2 单一净化技术对主要污染物的净化效果Tab.2 Effect of single purification technique to main types of pollutants

2.2 净化技术间的协同效应

利用净化技术间的协同效应能避免上述组合技术可能集中不同技术弱点的不利后果。所谓“协同效应”是指两种或多种技术联合使用的效果比每种技术单独作用的效果之和大的现象，净化技术间的耦合有利于将各自的性能优势更有效地发挥出来，或能克服各自在净化过程中的不利因素。如吸附-光催化技术、低温等离子体-光催化技术等。

通常情况下，室内污染物浓度较低，光催化反应速率较低。将多孔吸附剂与光催化剂联合使用，通过多孔吸附剂的吸附作用可以为光催化提供较高浓度的污染环境，提高催化反应速率；而光催化作用将吸附剂富集的污染物降解，实现吸附剂的原位再生[17-21]。如被广泛关注和研究的 ACF(活性炭纤维)-TiO2光催化技术，活性炭吸附与光催化联合使用，可形成吸附-催化-吸附-催化的良性循环，从而实现对室内VOCs等污染物的高效净化。

低温等离子体-光催化协同作用原理是[22－24]:等离子体放电过程中，高能激发粒子向下跃迁会产生紫外光，可作为光催化所需的紫外光源，在半导体内形成电子-空穴对，诱发一系列氧化还原反应，光生空穴还可使催化剂表面产生OH自由基，氧化分解污染物；催化剂可以选择性地与等离子体产生的中间副产物反应，降低了二次污染的可能，因此，低温等离子体-光催化协同技术能更加快速有效地去除污染物，并减少副产物的产生，降低反应能耗。

2.3 室内空气净化产品及其采用的净化技术

表3列举了国内外主要空气净化器品牌及其所采用的净化技术。市场上的产品普遍采用多种净化技术的组合，相互补充以弥补单一技术的不足，使净化器的功能更加完善；利用净化技术间的协同作用，各尽所长，互补其短，达到较好的净化效果。

表3 主要空气净化器品牌及其采用的净化技术Tab.3 Main air purifier brands and the purification techniques applied

3 总结和展望

目前室内空气净化技术主要存在以下问题:净化不彻底，不能将污染物彻底清除；净化过程中会产生对人体有害的中间副产物；净化材料需频繁更换等。同时，各种净化技术都存在一定的缺陷，单一的技术不可能处理空气中所有的污染物种类，在这种情况下，集合多种净化技术的复合式空气净化装置成为重要的研究方向之一。空气净化器净化技术的组合应根据室内空气中的污染物类型进行针对性地选择，完善空气净化器功能，使室内空气得到全面的净化。

利用净化技术间的协同效应研究更为有效的综合净化技术，是今后的另一个重要研究方向。如目前国内外研究较多的吸附-光催化技术和低温等离子体-光催化技术。具有协同效应的净化技术间能相互促进和补充，提高能源利用率和污染物净化效率，但技术间的协同作用净化机理和过程较为复杂，仍待进一步探究。相信随着物理、化学、工程等学科的不断进步，在不久的将来一定会开发出新型、高效的空气净化技术和装置。

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Techniques and Products for Air Purification

Shi Fangfang1Qiu Limin1Yu Chuan2Zhang Lin3Song Jia4Yan Renyuan4

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Huangzhou，310027，China；2.Sinostride Technology Co.，Ltd.，Hangzhou，310013，China；3.Institute of Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China；4.Department of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China)

Principles and characteristics of the indoor air purification techniques are introduced in this paper.The main challenges of current techniques are outlined.The combination principles of the air purification techniques are proposed by summarizing and analyzing the techniques applied in sorts of air purifiershe combination principles are:choosing the purification methods mainly based on the types of pollutants indoor and exploiting the synergistic effect between indoor air purification techniques to get the optimal and comprehensive purification.his paper points out that studies on integrated purification technology exploiting synergistic effect purification techniques will be one of the most important researches in future.

indoor air purification；air purification technique；air purifier；synergistic effect

TU834.8

A

0253－4339(2014)05－0014－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.014

邱利民(1969－)，男，教授，博士生导师，浙江大学制冷与低温研究所，(0571)87952793，E-mail:limin.Qiu＠zju.edu.cn。研究方向:低温制冷机及其应用；大规模气体液化分离与LNG冷能回收；大功率电子设备高效冷却技术。

2013年12月18日

About the corresponding author

Qiu Limin(1969－)，male，Professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，(0571)87952793，E-mail: limin.Qiu＠zju.edu.cn.Research fields:cryocoolers and their application arge-scale liquefied gas separation and the cold energy recovery of LNG igh efficiency cooling of high-power electronic equipment.