空气净化技术现状及其发展展望

张大庆++渠陆陆++包丹丹++王娜++朱根++杨国海++孟庆华++曹昌盛++++李海涛

【摘要】： 随着经济水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，环境成为继能源、水、食物之后二十一世纪人类面临的第四大问题。而与之相对的是我国各地雾霾天气频发，大气污染严重，于是各种室内空气净化器应运而生，其目的是为居民提供一个良好的微环境，避免大气污染的危害。空气净化器虽然一定程度上缓解了空气污染问题，但与此同时也引发了新的问题，其中空气净化器在运行过程中产生大量臭氧问题尤其引人关注。本文将介绍目前主要的空气净化技术，包括活性炭吸附技术、HEPA高效过滤技术、静电集尘技术、负离子技术、及光催化技术等，并对这些技术的优缺点进行分析，讨论可行的改进其缺点的方法，最后将展望其发展趋势。

【关键词】： 雾霾； PM2.5； 空气净化技术； 臭氧

1 引言

我国雾霾天气频发引发了社会的广泛关注，雾霾对人体健康的危害越来越广泛的被人们所熟知。雾霾包括雾和霾两个部分，雾是由于水汽在空气中凝结形成的，其除了会阻碍人们视线外对人体并无直接伤害，而霾是空气中尘粒等细微颗粒的集合体，其通常会吸附空气中有毒有害气体，水汽也会附着其上，所以雾与霾通常同时出现。雾霾形成的原因是空气中PM2.5细微颗粒（粒径小于或等于2.5 nm的颗粒物）的浓度过高。

《2015年中国气候公报》显示仅2015年，我国大范围、持续性的霾天气就有11起，对交通运输和人身健康安全产生严重影响。2015年11月上旬霾天氣降临在东北地区，浓度超过250 μg/m3，哈尔滨的PM2.5小时峰值浓度接近10000 μg/m3，长春和沈阳等地的PM2.5小时峰值甚至超过10000 μg/m3。11月末到12月初，霾又出现在华北大部及河南北部、山东西北部等地，PM2.5浓度超过150 μg/m3且能见度3公里以下的区域面积达到41.7万平方公里。12月末，华北中南部、黄淮大部、江淮东部及陕西关中等地也出现中到重度霾，重度霾面积达到19.1万平方公里。北京南部与河北中南部部分地区PM2.5峰值浓度均超过500 μg/m3，河北北部局部超过1000 μg/m3。这些霾中的细微颗粒会随着人的呼吸进入上呼吸道，刺激人体的上呼吸系统，当雾霾进入人体支气管后，会干扰肺部的气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管等方面的疾病。频发的雾霾天气和严重的雾霾危害使人们对新鲜空气和良好的生活环境愈发的渴求。

为了远离雾霾的危害，空气净化器进入人们的视野，对空气净化技术的研究也越来越多。19世纪空气净化器才真正出现，最初用于消防。二战期间，高效空气过滤器（HEPA）诞生，用于核能研究防护，确保科学家的呼吸安全，之后被广泛的用于空气净化器。20世纪80年代空气净化器开始应用于家庭，之后由于空气污染的加剧，人们对空气质量要求的提高，各种高效的空气净化技术应运而生，尤其是进入21世纪以来，各种空气净化技术蓬勃发展，使其更加完善。目前市场上，以活性炭吸附为净化机理的空气净化器仍占主流，不过可以预期的是各种新的、更加高效节能的空气净化器将逐渐占领市场。

空气净化器可以有效的缓解PM2.5浓度过高的问题，但同时也引发了一个不可忽视的问题?——臭氧污染[3]。低浓度的臭氧具有杀菌、消毒的作用，而随着臭氧浓度的升高，将会对人体产生危害。臭氧浓度过高，会刺激、损害人体鼻粘膜及呼吸道，当臭氧在空气中的浓度达到1 mg/L，就会导致人体呼吸加快，并出现胸闷、心悸等症状；当在空气中的浓度达到2.5-5.5 mg/L，就能引起人体脉搏跳动加速，咳嗽头痛，严重的则会导致肺功能受损，出现肺气肿及肺部组织损伤，如果人在这样的浓度中持续停留时间超过一小时，有可能因呼吸加快而死亡。臭氧浓度过高还会刺激眼睛，导致视力下降，甚至是失明。空气中的臭氧会破坏人体血液循环组织功能。臭氧在空气中浓度的增加，会使人体组织缺氧，轻则会导致甲状腺功能受损，导致人体骨骼软化；严重时会破坏人体免疫机能，诱发淋巴细胞染色体畸变。由于臭氧具有极强的氧化性，会损害人体心血管及心脏功能，当人在642 μg/m3的臭氧环境中停留2小时左右，人体血管即可出现炎症，心脏有问题的人可能会猝死。

臭氧污染已继雾霾污染成为首要的大气污染，其造成的危害比雾霾更甚，且其更具隐蔽性，不易被人们察觉，无声无息中对人体造成损伤，所以人们出门前要留意空气污染状况，避免臭氧危害[4]。在降低PM2.5浓度时，如何避免臭氧浓度过高的问题已成为空气净化行业面临的主要问题。

本文将介绍几种目前主要的空气净化技术原理[5-7]，包括活性炭吸附技术、HEPA高效过滤技术、静电集尘技术、负离子技术、光催化技术等，并分析其在应用过程中存在的优缺点和可能的改进措施。

2 常见的空气净化技术

2.1 活性炭吸附技术

正文活性炭因为其比表面积大，具有丰富的微孔结构，且孔的目数分布较广，所以常被当做吸附材料使用。活性炭吸附能力强，对粉尘、固态颗粒、气态污染物等[8]都具有良好的吸附效果，是目前使用量最多的吸附材料，其应用范围也非常广泛[9， 10]。以活性炭良好的吸附性作为技术核心的专利技术也是丛出不穷[11， 12]，可以说活性炭吸附技术是一种比较完善的可用的空气净化技术。但其也存在固有的缺点，如活性炭具有吸附饱和性，当温度、风速等外界条件发生变化时，活性炭吸附的有害物质可能会重新回到空气中。然而就算外界条件不发生变化，当活性炭吸附一定量的污染物后，其吸附能力也会下降，最终失去吸附的功能，所以活性炭吸附式空气净化机要定期更换过滤材料，这样就造成成本增加，成为其更加广泛使用的阻力。

活性炭吸附性能优异且丰富廉价，将之弃之不用是不明智的，所以许多专家学者们对其进行改进。古政荣[13]等人将活性炭与纳米二氧化钛进行复合制得一种光催化空气净化网，用活性炭优异的吸附性来捕捉富集微粒和有害气体等，然后用纳米二氧化钛进行催化降解，这样既解决了活性炭吸附饱和性的问题，使活性炭活性位点再生，又解决了纳米二氧化钛对低浓度有机气体催化效率低的问题，可谓是一箭双雕。

2.2 HEPA高效过滤技术

HEPA即高效空气过滤器，达到HEPA要求的过滤网，对0.1 μm的颗粒有效去除率达到99.7%，对于直径为0.3 μm以上的微粒的去除率可达到99.97%以上。HEPA分为pp滤纸、玻璃纤维、复合PP PET滤纸、熔喷涤纶无纺布和熔喷玻璃纤维五种材质。其对烟雾、灰尘以及细菌等污染物均有很好的过滤效果，且风阻小、容尘量大、过滤精度高，可以根据需要加工成各种尺寸和形状。缺点是随着过滤的进行，吸附量逐渐达到饱和，过滤效果降低，需要及时更换滤网。滤网的使用寿命一般是8-12个月（家用）。

2.3 静电吸附技术

静电吸附达到净化空气的目的一般分为两步[14]：一是让进入净化器的空气里的尘埃带上静电，二是带静电的尘埃在电场力的作用下向电极移动，最终吸附在电极板上。当携带粉尘颗粒的空气通过高压电场时，由于电晕放电现象使气体电离，产生离子，离子在静电力作用下做定向运动，与尘埃碰撞使其荷电，或者离子扩散到尘埃上使其荷电。带静电的尘粒进入积尘区后，在电场力的作用下，分别向极性相反的电极运动，并沉积在电极上，如图一所示。

静电吸附式净化器除尘效率高[15]，可以净化大体积量的气体，能去除的粒子粒径范围较宽，可净化温度较高含尘烟气，并且结构简单、气流速度低，压力损失小，可以微机控制，远程操作。由于具备以上的优点，所以静电吸附式空气净化使用较为广泛，如在医药领域的应用，张晓春[16]等人将静电式空气净化器用于降低急诊外科换药室内空气细菌数量，黄建[17]等人也做了类似的应用，都取得了良好的效果；其缺点是会产生臭氧和氮氧化物，形成二次污染，尤其是臭氧超标问题已成为阻碍其发展应用的主要问题。针对这一问题，低臭氧装置的静电式空气净化器成为解决问题的一个办法，现在已有相关的专利被申请[18， 19]，相信以后还会有更多的发明出现。其次静电式空气净化器一般设备庞大，耗电量大，制造、安装和管理的技术水平要求较高，且浓度大于30 g/cm3的含尘气体需预处理，清洗时比较容易造成室内空气二次污染，不具备离线检修功能，其高电压运转模式，易产生电流声。虽然静电吸附式空气净化器存在以上缺点，但其仍不失为解决空气污染的一个好方法。

2.4 离子化技术

离子化技术就是以负离子为净化因子，负离子主动出击扩散至空间的各个角落，吸附沉降粉尘、颗粒物等固体污染物，使之凝聚成大颗粒并沉降地面，还可有效杀灭细菌病毒等微生物，分解甲醛、苯系物等装修污染。同时负离子对人体的健康有极大的帮助，它可以通过呼吸系统进入人体，促进呼吸道内部纤毛的活动，有助于净化呼吸道；负离子还具有镇静、催眠、镇痛、增食欲、降血压等功能[20]。

離子化空气净化器的核心是离子发生器，由其源源不断的产生负离子，而在产生负离子的同时也会有臭氧生成，前文已经提及臭氧对人体的危害，所以低臭氧的负离子空气净化器成为人们研究的一个热点。曹辉[21， 22]等人成功将负离子空气净化器释放的臭氧浓度由439 μg/m3降低到41 μg/m3以内，一定程度上弥补了负离子空气净化器的不足。

2.5光媒触分解技术

光媒触分解技术即光催化技术[23-25]，用以二氧化钛为代表的半导体材料作为催化剂，在光电转换中进行氧化还原反应。以二氧化钛为例，因为二氧化钛具有不连续的能带结构，包括填满电子的低能价带和空的高能导带，价带和导带之间称为禁带。当用一定强度的光照射二氧化钛时，其部分价带电子吸收能量发生跃迁，电子跃迁到导带上，相应的在价带上留下空穴，于是形成电子—空穴对。当电子—空穴长期存在时，就可以与二氧化钛表面吸附的污染物发生氧化还原反应。此方法可以有效的降解甲醛、苯系物等有机污染物。图二[26]为纳米二氧化钛催化分解甲醛示意图。

光媒触分解技术的优点是可以直接用空气中的氧气作氧化剂，反应条件温和，可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果好，而且选用化学性质稳定的半导体光催化剂，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。但当净化较低浓度的污染物时，光催化降解速率慢，并会生成许多有害的中间产物，影响净化效果。室内空气中污染物的浓度一般较低，针对这一问题，王韶昱[27]对催化剂等进行一系列的改进，将光催化技术应用于室内空气净化器并取得了良好的效果；还有其他的方法也可以解决这一问题，如前文提到的与活性炭复合等。

3 复合型空气净化器

由于各种空气净化技术各有优劣，使用单一的空气净化技术很难解决复杂的空气净化问题，所以各种空气净化技术联动使用成为一种趋势，并取得了良好的效果。例如荆游等[28]将HEPA、活性炭、活性碳纤维、光触媒、UV-C和负离子技术联用设计了一种新型空气净化器。实验结果表明该新型空气净化器可以有效去除粉尘、烟雾、VOCs（挥发性有机化合物），能够杀菌和清除病毒。

4 发展展望

由于空气质量问题的复杂性，空气污染物多种多样如固体颗粒、细菌病毒、挥发性有机化合物、烟雾等，所以很难用单一的技术解决空气污染问题。多种空气净化技术的联合是解决空气质量问题的必由之路，但是多种技术的联合应用也会引发新问题，如设备复杂、耗材增加、能耗增大、操作复杂等。所以选取有效、简便的空气净化技术是非常重要的，同时我们也要勇于探索，大胆尝试新的空气净化技术，研发出更加高效、小体积、低臭氧排放、低能耗的空气净化器，为改善我们的生活环境而努力。

通讯作者简介

李海涛教授，男.1999年瑞典林雪平大学化学物理专业获工学博士学位.2002-2010年，先后任英国剑桥大学化学系专职研究员（PI），英国剑桥大学化学系生物物理化学实验室副主任，英国利兹大学化学系外聘专家.2012年回国在江苏师范大学任职江苏省特聘教授.目前主要从事单分子荧光技术与癌症的早期检测工作.

参考文献

[1] 郑莉. 浅谈雾霾危害及预防措施[J]. 华夏地理， 2016， （4）.

[2] 李海洋， 赵新军. 基于TRIZ理论的空气净化器发展分析[J]. 科技创新与品牌， 2016， （3）： 50-52.

[3] 刘嘉璐. 臭氧：PM2.5的“接班人”[J]. 地理教育， 2015， （12）： 58-58.

基金项目：Project supported by the Natural Science Foundation of China （Nos. 21375051， 21505057， 21005036）.

项目受国家自然科学基金（Nos. 21375051， 21505057， 21005036）资助.