新型空气净化器净化性能研究

张 辉 ，贾 颖，石 彤，张海萍，祝京旭

(1.天津大学化工学院，天津 300072；2.加拿大西安大略大学粉体技术研究中心，伦敦 N6A 5B9)

空气中的细颗粒污染物(PM)对人们的生活质量、气候和生态系统造成了严重威胁[1-4].其中 PM2.5指的是颗粒粒径小于 2.5μm的细颗粒污染物[5].PM2.5表面会附着细菌、病毒等生物物质并随着呼吸进入人体支气管和肺部[6]，长期处于高浓度 PM2.5的环境中会导致呼吸和心血管疾病，严重危害人体健康[7].根据美国环境保护局近期报告，全世界每年有210万人的死亡与高浓度PM2.5有关[6,8].

空气净化器可有效降低 PM2.5浓度，提高室内的空气质量[9].最常见的针对 PM2.5的净化技术有纤维过滤技术和静电吸附技术[10].纤维过滤技术的原理是当空气通过纤维过滤器时，细颗粒污染物会被结构致密的纤维拦截，空气与细颗粒污染物分离，从而达到净化空气的效果[11]，其净化效率与空气净化器的结构、过滤介质的性质和风机的功率有关.其中，过滤介质起到了至关重要的作用.目前，很多学者对纤维过滤技术进行研究.结果表明，纤维是一种高效的过滤介质，因其具有网状的支撑结构和曲折的孔道，在捕获颗粒的同时能够使空气有效通过[12].纤维过滤技术具有净化效率高、成本低、结构简单等优点，但随着细颗粒污染物在过滤介质表面的沉积，阻力会呈指数增长，压降明显增大，能耗大大增加[13-14].静电吸附技术的原理是高压静电场使空气中微粒荷电后被集尘板捕集.其优点是阻力小、压降低、使用寿命长.其缺点是在运行过程中的静电场会产生臭氧和其他污染物，不利于人体健康[10].

本文所设计的空气净化器弥补了现有空气净化器的不足，其流道结构为切向流吸附式而非过滤式.空气被吸入褶皱式流道后会形成漩涡，利用物理吸附原理减低 PM2.5浓度，这种净化方式不仅可以减小空气净化器的阻力，从而降低能耗，而且在空气净化器运行过程中避免臭氧等二次污染物的产生，更加节能环保.笔者为研究此种新型空气净化器的净化性能，根据国家标准 GB/T 18801—2015《空气净化器》搭建了 2.94m3的密闭实验舱[15].实验研究了吸附材料、PM2.5初始浓度和处理风量对新型空气净化器净化性能的影响，并分析了这些参数影响空气净化器净化性能的原因，此外，还对不同处理风量下新型空气净化器的压降和净化能效进行了对比.

1 实验材料和方法

1.1 实验平台

实验舱是一个长 1.5m、宽 1.4 m、高 1.4m，容积为 2.94m3的封闭实验空间，其框架的材料为铝合金，6个面均为厚度 8 mm 的平板玻璃，玻璃框架四周用玻璃密封胶密封[16].图 1为实验舱的结构示意图.

图1 实验舱结构示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental cabin structure

实验舱顶部设有搅拌风扇(额定频率 50Hz，额定电压 220V，额定功率 250W，直径 400 mm，转速4800r/min)，目的是使实验舱内的空气混合均匀.实验舱内放置除湿剂，采用 meacon温湿度记录仪记录实验舱内的温湿度(测量精度：温度±0.5℃，湿度±5%RH)，使舱内湿度保持 50%以下，以防止细颗粒由于空气的湿度过大而发生凝聚，影响实验结果[16].根据国家标准 GB/T 18801—2015《空气净化器》，空气净化器的进出口距实验舱下表面高度大于0.4 m，采样点与实验舱侧壁距离大于 0.5 m，相对实验舱下表面高度大于 0.5 m.利用气溶胶检测仪(TSI，DustTrak 8533)测量实验舱内PM2.5浓度.

发尘装置的结构示意如图 2所示.为了保证实验过程中颗粒污染物来源的一致性，实验统一采用红塔山经典 100系列香烟作为颗粒污染物来源.图中的气泵为电磁式增氧泵(森森集团股份有限公司，功率 120W，流量 90L/min)，香烟插口位于舱外，通过橡胶管连接.

图2 发尘装置示意Fig.2 Schematic diagram of the dust generation system

1.2 空气净化器结构

空气净化器主要由外壳、风机和吸附材料框架组成，其结构示意如图3所示.

图3 空气净化器结构示意Fig.3 Schematic diagram of the air purifier structure

整个壳体和吸附材料框架用不锈钢材料制成，空气净化器的外壳尺寸为500 mm×250 mm×250 mm，主要由 3个区域构成.1区主要由出风口、涡流离心风机(台湾三巨SW175HA2，额定电压220V，额定电流 0.25A，频率 50Hz，输入功率 50W，转速2650r/min)、用于改变风机频率的单相变频器(DFL公司，200S1系列)和测量风机功率的测试仪(华佰，PZ9901)构成.2区为除尘区域，褶皱式吸附材料平行排布，每两个为一组，构成一个吸附通道.吸附材料框架的尺寸为 250mm×243 mm×20 mm，褶皱的顶角度数为 64°.吸附材料紧密缠绕在框架上，吸附材料的表观吸附总面积是 510 mm×243 mm×6.3区主要是入风口.在空气净化器的入风口处测量风速(希玛 AR866热敏式手持风速仪)，从而计算空气净化器的处理风量.

1.3 实验材料

实验选用了 6种吸附材料，分别是初效过滤棉(上海联兵环保科技有限公司，厚 3mm)、HEPA(high efficiency particulate air filter，臻美净化器滤网，厚 0.5mm)、耐高温玻璃纤维(南京安尔圣电子科技有限公司，厚 3 mm)、防雾霾纳米纱窗(麦森建材有限公司，厚 1 mm)、不锈钢筛网(上海经艺贸易有限公司，300目，丝径 0.04mm，孔径 48μm，厚1 mm)和静电棉(上海联兵环保科技有限公司，厚3 mm).实验选用的初效过滤棉、HEPA、防雾霾纳米纱窗和静电棉已应用于空气净化领域中，并通过过滤作用可以达到较好的净化空气的效果，耐高温玻璃纤维和不锈钢筛网具有良好的可清洗性，可实现吸附材料的循环使用.实验采用三目透反射偏光显微镜(上海光学仪器六厂，60XC)观察不同材料的微观结构.

1.4 实验方法

1.4.1 自然衰减实验方法

自然衰减指的是在规定空间及条件下，由于沉降、聚附、表面沉积、化学反应和空气交换等非人为因素，导致空气中的目标污染物浓度降低[15].

颗粒物自然衰减实验方法如下.

步骤 1 将空气净化器和气溶胶检测仪放置于图1所示的实验舱内，将空气净化器调节至实验的工作状态，用热敏式风速仪测量进出口风速，确保空气净化器运行正常后将其关闭，将实验舱密封，记录实验舱的温湿度.

步骤 2 用气溶胶检测仪检测实验舱内的背景浓度，开启空气净化器，直到PM2.5浓度小于0.02 mg/m3，关闭空气净化器.

步骤 3 将香烟插入发尘装置的香烟插口中，排出的烟雾被吸入实验舱中，并通过搅拌风扇均匀分布在实验舱内，待 PM2.5浓度达到一定量(本实验浓度均高于 1 mg/m3)，关闭发尘装置，维持搅拌风扇运行10 min后关闭，目的是使颗粒污染物混合均匀.

步骤 4 搅拌风扇停止转动后，利用气溶胶检测仪检测 PM2.5的初始浓度c0，对应时刻t＝0min.实验舱内的 PM2.5初始浓度测定后，每 2 min测定并记录一次 PM2.5浓度，连续测定 20 min，计算自然衰减常数.整个过程在封闭的实验舱内进行.

1.4.2 总衰减实验方法

总衰减是指在规定空间及条件下，由于自然衰减和空气净化器的共同作用，导致空气中的目标污染物浓度的降低[15].颗粒物总衰减实验方法与自然衰减实验方法类似，不同的是在测量实验舱的初始浓度后开启净化器.具体操作步骤如下.

步骤 1～3按第 1.4.1节中步骤 1～步骤3进行实验.

步骤 4 待搅拌风扇停止转动后，记录实验舱内的PM2.5浓度，即为初始浓度，并开启空气净化器，此时t＝0 min，每2 min测量并记录一次PM2.5浓度，连续测试 20 min，关闭空气净化器，根据测定数据计算颗粒污染物的总衰减常数.整个过程在封闭的实验舱内进行.

1.4.3 衰减常数和相关系数的计算

颗粒污染物随时间的变化符合指数函数的变化趋势，表达式为

式中：ct为t时刻的颗粒物浓度，mg/m3；c0为初始颗粒物浓度，mg/m3；k为衰减常数，min-1；t为实验时间，min.

按照式(2)做 lnct和t的线性回归，可求得衰减常数k.

式中：ti为第i个取样点对应的时间，min；lnitc为第i个取样点对应的颗粒污染物浓度的自然对数；n为采样次数.

相关系数R表示自变量与因变量之间的离散程度，说明线性回归的相关关系的显著程度，R2应当不小于0.98，计算式为

分别用式(1)、(2)和(3)进行计算即可获得自然衰减常数kn、总衰减常数ke和相关系数的平方R2，也可使用EXCEL拟合出k值和R2.

1.4.4 处理风量的测量方法

为了准确计算空气净化器的处理风量，实验将进风口截面(87.5cm2)进行如图4所示的分割处理.

图4 入风口截面分割图(单位：mm)Fig.4 Entrance section segmentation(unit：mm)

将截面分割成m个1cm×1cm的正方形，实验测量每个单元格内的线速度vm，并根据式(4)计算空气净化器的处理风量Q.

分割后，不足一个正方形的部分按照其面积占完整方格的比例进行计算.

1.4.5 空气净化器净化性能参数计算

1)洁净空气量和净化能效

洁净空气量指的是空气净化器在上述规定的实验条件下，针对目标污染物净化能力的参数，表示空气净化器提供洁净空气的速率.净化能效指的是空气净化器在上述实验条件下单位功耗所产生的洁净空气量，计算方法如下：

式中：CADR为洁净空气量，m3/h；ke为总衰减常数，min-1；kn为自然衰减常数，min-1；ηc为净化能效，m3/(h·W)；V为实验舱容积，m3.

国标中的净化能效η＝CADR/P，其中，P(W)指的是空气净化器整体输入功率实测值，它包含了空气净化器的实际功耗和风机与电机的能量损失，本研究中只集中考察净化组件本身的实际功耗Pc(W)，Pc的计算式为

式中pΔ为空气净化器流道进出口压降，Pa.

2)有效净化效率和去除率

有效净化效率(α)指的是空气净化器所能提供的洁净空气输送量CADR与处理风量Q的比值，去除率(β)指的是空气净化器开启 20min后颗粒污染物减少量与初始颗粒污染物浓度的比值，计算式分别为

式中：ci为空气净化器开启 20min后颗粒污染物浓度，mg/m3；c0为初始颗粒污染物浓度，mg/m3.

2 结果与讨论

2.1 空气净化器结构分析

图5 吸附原理示意Fig.5 Schematic diagram of the adsorption principle

空气净化器内部颗粒吸附情况如图5所示，当带有颗粒污染物的流体流过褶皱状流道时，流体呈湍流状态，在褶皱处形成漩涡，分散在流体中的细颗粒污染物随着流体旋转运动.当这些流体漩涡与固体壁面相撞时，颗粒污染物就被吸附在固体壁面上，从而达到气固分离的效果.

2.2 吸附材料对净化性能的影响

在上述实验舱内进行实验，将6种材料安装在基于物理吸附原理而设计的新型框架结构中.对比 6种材料的净化性能并探究初始浓度(7.5～8.0mg/m3)和风机频率(50Hz)基本相同的情况下，新型空气净化器的洁净空气量、有效净化效率和去除率的差异，并通过电子显微镜观察6种材料的微观结构，分析6种材料净化性能存在差异的根本原因.

2.2.1 不同材料的净化性能

从图6可以看出，HEPA和静电棉的净化性能明显比其他 4种材料好，其中净化性能最好的是HEPA.耐高温玻璃纤维和不锈钢筛网的有效净化效率均为4.4%，明显低于其他材料，其中耐高温玻璃纤维的 CADR和去除率均是 6种材料中最低的.使用6种材料净化空气时，风机功率基本保持不变.由于6种材料的结构差异，安装不同材料的空气净化器的处理风量有一定差别，HEPA的有效净化效率最大.去除率和有效净化效率的值相差较大，因为有效净化效率的物理意义为单次净化性能，而去除率的物理意义是总净化性能.实验中，空气净化器在密闭的环境中会进行多次循环净化，达到去除 PM2.5的目的.综上，6种材料净化性能排序为：HEPA＞静电棉＞防雾霾纳米纱窗＞初效过滤棉＞不锈钢筛网＞耐高温玻璃纤维.

图6 6种材料净化性能对比Fig.6 Comparison of the purification performance of six materials

2.2.2 不同材料的微观结构分析

图 7为 6种材料在光学显微镜下所呈现的微观结构.从图中可以看出，HEPA、初效过滤棉和静电棉均为多层玻璃纤维结构，吸附表面积大，颗粒污染物会被吸附到多层纤维结构中.但是，初效过滤棉和静电棉的纤维之间缝隙较大，部分细颗粒污染物会随着空气从纤维的缝隙中穿过，而没有与纤维接触，使吸附效率降低；HEPA纤维分布密集，网孔小，颗粒污染物可通过惯性被吸附到材料表面，因此HEPA的净化性能高于两种过滤棉.此外，与初效过滤棉相比，静电棉的纤维更细小，吸附面积更大，同时静电棉是带静电的驻极体材料，由于静电作用，颗粒污染物穿过此种材料时可被吸附在材料表面，因此静电棉的净化性能明显高于初效过滤棉，与HEPA相近.

图7 6种材料的微观结构Fig.7 Microstructure of the six materials

耐高温玻璃纤维、不锈钢筛网和防雾霾纳米纱窗均为单层结构.由于耐高温玻璃纤维内部无多孔结构，颗粒污染物只能吸附在其表面，吸附面积远小于多层纤维材料，不利于颗粒污染物的吸附，因此其净化性能最差.单层不锈钢筛网孔径较大，可达48μm，使得其吸附面积小，此外该材料表面光滑，与颗粒作用力弱，不易吸附颗粒，同时已被吸附的颗粒污染物在气流作用下也可能从材料上脱附下来，降低其净化性能.同为单层结构的防雾霾纳米纱窗的骨架孔径更大，可达 1 mm，但防雾霾纳米纱窗表面修饰有一层非常薄且不规则的纳米纤维层，使其孔径减小到纳米级别，远小于 PM2.5颗粒大小，能够很好地吸附污染物颗粒，因此其净化性能明显高于耐高温玻璃纤维和不锈钢筛网.

综上，通过多层致密的纤维结构或由材料修饰得到的超微孔道对于颗粒具有很好的吸附作用，利于颗粒的吸附；同时驻极体材料的带电性可以大幅提升吸附效果.

2.3 PM2.5的初始浓度对净化性能的影响

为了探究 PM2.5初始浓度对 6种材料吸附效果的影响，对6种材料分别在3种不同的PM2.5初始浓度下进行空气净化实验.其中风机频率相同，对比不同PM2.5初始浓度下6种材料的CADR、有效净化效率α和去除率β.实验结果如图 8所示，从图中可以看出，在 PM2.5初始浓度不同时，3个表征参数的值基本保持不变，这说明 PM2.5的初始浓度不会影响空气净化器的净化性能.

2.4 处理风量对净化性能的影响

实验通过变频器来调节风机频率进而改变空气净化器的处理风量，风机频率分别设置为 30、40、50Hz，PM2.5的初始浓度保持稳定，实验结果如图 9所示，5种材料的CADR值和去除率均随处理风量的增大而增大，在相同时间内可以产生更多的洁净空气.其中，HEPA和静电棉的增加幅度较大，初效过滤棉、不锈钢筛网和防雾霾纳米纱窗由于本身吸附性能较差，处理风量的变化对其吸附性能的影响相对较小.CADR值的增加，使 PM2.5的整体去除率β也随之增加.

图8 6种材料的净化性能与PM2.5初始浓度的关系Fig.8 Relationship between purification performance of six materials and PM2.5initial concentration

从图 9(b)可以看到，有效净化效率随着处理风量的增大而减小，这主要是因为随着处理风量的增大，流体通过吸附材料的速度增大，PM2.5颗粒与吸附材料的接触时间减少，进入褶皱内部的 PM2.5颗粒减少，大部分的 PM2.5只接触了褶皱突出的部分，使整个材料的利用率降低，造成有效净化效率降低.

2.5 净化器压降与净化能效分析

实验中使用的新型空气净化器的流道是切向流式，其压降主要来源于褶皱状流道，实验中将净化性能最好的HEPA安装在新型空气净化器中，测量了不同处理风量下空气净化器的压降，并对比了44.1 m3/h、67.6m3/h和 86.0 m3/h这 3种处理风量下新型空气净化器的净化能效.如图 10所示，净化器的压降随处理风量的增大而增大，在处理风量为44.1 m3/h时，空气净化器的压降仅为 54Pa.从图 11可以看出，本实验中的空气净化器净化能效随着处理风量的增大而减小，在处理风量为 44.1m3/h时净化能效最大，高达42 m3/(h·W).

图9 5种材料的净化性能与处理风量的关系Fig.9 Relationship between purification performance of five materials and airflow rate

图10 压降与处理风量的关系Fig.10 Relationship between pressure drop and airflow rate

图11 净化能效与处理风量的关系Fig.11 Relationship between cleaning energy efficiency and airflow rate

本实验还测试了市场上某品牌空气净化器正常运行时过滤介质两侧的压降，并计算得到了其净化能效为 27.3 m3/(h·W)，实验表明，本实验的空气净化器在低风速运行时具有较高的净化能效，适合低风速长时间运行.由于本实验中的空气净化器采用吸附方式而非过滤方式处理空气，净化器的压降不会随颗粒污染物在材料表面的沉积而增大.

3 结 语

本文设计了一种以物理吸附为主要净化原理的新型空气净化器，根据国家标准 GB/T 18801—2015《空气净化器》搭建了 2.94 m3的密闭实验舱，并参照国标方法做了自然衰减和总衰减实验.实验结果表明HEPA和静电棉的净化性能较好，说明多层纤维结构吸附材料的净化性能优于单层纤维结构的吸附材料，纤维之间的缝隙越小，吸附面积越大，净化性能越好.此外，驻极体吸附材料的带电性可大幅度提高净化器的净化性能；PM2.5的初始浓度不会影响新型空气净化器的净化性能；CADR和去除率随着处理风量的增大而增大，有效净化效率和净化能效均随处理风量的增大而降低.净化器的压降随处理风量的增大而增大，在处理风量为44.1m3/h时，净化器压降仅为 54Pa，净化能效高达 42m3/(h·W)，高于市场上的空气净化器.因此，本实验设计的空气净化器适合在低风速下长时间运行，并且压降不会随颗粒污染物在材料表面的沉积而增大，具有良好的应用前景.