静电过滤器与其他空气消毒性能比较

陈 玲 周 乐 王书田 沈 聪

（美埃（中国）环境科技股份有限公司，江苏 南京 211111）

0 前言

新冠疫情的突然爆发，使人们开始高度重视空气消毒。改善室内空气品质的下一个目标是生物性污染[1]。日常生活中根据不同的使用环境与条件，来评价各种用途的消毒剂对微生物的杀灭效果。不能只对消毒剂的杀菌能力的重要功能方面进行验证，而且要考虑到对周围环境的影响以及人体的伤害。根据消毒剂浓度或强度和作用时间对微生物的杀灭能力，可将其分为灭菌、高水平、中水平、低水平共四种作用水平的消毒方法。再生医疗、生物制药等行业则需要杀灭所有微生物包括菌的芽孢。但是在存在一般的细菌、病毒的场合下，像家庭、办公室、交通工具以及医院等通常采用高中水平的消毒方法来进行。

该文主要是对一般空间中使用静电过滤器的消毒程度以及对人体影响进行全面的评价，包括去除颗粒状，气态污染物（包括VOC）以及微生物的效果。同时，也对市场上常用的消毒器（紫外线，臭氧，等离子、过氧化氢（本公司自制））做了比较实验。该实验是参照下列规范实施：《空气净化器》GB/T 18801-2015。 《室内空气质量标准》GB/T 18883。《家用和类似用途电器的抗菌，除菌净化功能空气净化器的特殊要求》GB 21551.3-2010。《消毒技术规范》卫生部（2002年）。《医疗机构消毒技术规范》WS/T 367-2012。

1 各种消毒方法

消毒主要应用物理及化学方法[2]。

1.1 物理法

采用非药剂方法，通过机械手段进行消毒，像高温、电磁波等。如介质过滤器，紫外线高压放电等；其中紫外线是使用短波长紫外线（280nm～100nm）通过破坏核酸并破坏其DNA来杀死或降低微生物活性。它主要用于医疗卫生和无菌工作场所。

静电过滤技术是利用其发出的正负电荷互相吸引，捕捉空气中的粒子，把粒子吸收到收集板，并将其从空中清除，这被称之为静电集尘。同时静电集尘使用的高电磁场捕获附带细菌颗粒，瞬间导电击穿由蛋白质组成的细胞壁，达到杀灭细菌吸附除尘的作用；也多少有除臭及分解有机气体的效果。

等离子消毒也是利用等离子体的高电磁场产生的对等正离子、负离子附着在微生物等的表面，变成OH自由基，从微生物表面的蛋白质中抽出氢分解成水。但对负离子消毒目前尚未有科学证据足以证明。且有学者认为其为伪科学。

1.2 化学法

化学法主要是过氧化氢、臭氧等消毒过程，属生物化学氧化反应。能直接氧化细菌的细胞体，即破坏其DNA而达到抑制的效果，对病毒的RNA亦有破坏作用；对各种毒素具有一定的氧化作用，降低其毒性。

2 实验设计

2.1 检测项目

颗粒污染物如PM1.0，PM2.5；气态污染物如甲醛、甲苯及臭氧；微生物则采用白色葡萄球菌代表空气中的微生物。各项实验产生方法与测试仪器参照表1。

表1 各项检测对象的发生方法、仪器及测试方法、仪器

2.2 实验样品

2.2.1 静电过滤器

2.2.1.1 微静电净化技术（以下简称静电A）

微静电净化技术被称为第三代静电净化技术，特有的电介质材料形成1mm左右交叉微孔可形成微静电矩阵强电场，对空气中的带电微粒有巨大的吸引力，只要很小的电流即可吸附空中浮游微粒，对PM2.5等颗粒污染物去除效果尤为显著，臭氧产生量极小。

2.2.1.2 平板静电除尘技术（以下简称静电B）

平板静电除尘技术是利用高压直流电场使空气中的气体分子电离，产生大量电子和离子。但是，这种静电在使用过程中释放臭氧。

2.2.2 等离子发生器

采用市场上采购的空气净化高性能纳米银离子等离子管3根共90W，自制组装成的消毒箱。

2.2.3 过氧化氢发生器

采用专业过氧化氢发生器，使用30%的过氧化氢溶液，让其蒸发成气体可产生浓度50ppm～350ppm。按照WS/T 367-2012规范在30m³试验舱不少于1.4ppm，但是该发生器最低设定浓度只能为50ppm。

2.2.4 臭氧发生器

采用市场上采购的臭氧发生器《QJ-8001K-2G》，浓度可以从0.1ppm～5ppm调整。按照WS/T 367-2012规范应不少于10ppm，但是该发生器最高设定浓度只能为5ppm。所以，本次实验选择在低浓度0.1ppm（人体安全）和高浓度5ppm两种浓度进行实验。

2.2.5 紫外线消毒箱

按照WS/T 367-2012规范每立方米不少于 1.5W，照射时间不少于30min；采用市场上采购的紫外线灯管15W，3根共45W，自制组装成的3个消毒箱，均等安放在试验舱内。

2.2.6 负离子发生器

采用市场上采购的车载空气净化器《IG-BC2S-B》，可产生25000个/cm3负离子；考虑到每个空气净化器仅满足1.5m3左右，在30m3试验舱内实验容量太小；所以这次使用2台车载空气净化器放入3m³试验舱内与上述同等的条件下实验。

各实验样品如图1所示。

图1 实验样品

2.3 实验结果

除了车载空气净化器的实验在3m³试验舱以外，其他实验都安排在如图2的30m³恒温恒湿试验舱里进行，温湿度控制在20℃～22℃、50%～70%，风机3的风量为2000CMH，试验样机2安放在试验舱中央部；风机3放在它的下方[3]；另外安装搅拌风扇1以加快室内空气循环。

图2 30m³试验舱示意图

各项实验的被测污染物都通过安置在舱外的发生装置11，通过管道向舱内喷射，然后采样后经过安置在舱外的污染物检测装置10后得到结果，进行对比分析后得出结果。由于空气中的实验，就要考虑自然衰减，其评价方式如下。

式中：Nt为空气中被测污染物的自然衰减率；V0与Vt分别为对照组试验开始前和试验过程中不同时间的空气含被测污染物（微生物）的数量；Kt为净化（消毒）处理对空气中被测污染物（微生物）的总衰减率；V0'与Vt'分别为试验组净化（消毒）处理前、和净化（消毒）过程中不同时间的空气被测污染物（微生物）的数量。

2.3.1 微生物实验结果

该实验的各项条件不仅按照《空气净化器》GB/T 18801-2015的要求在3m³或30m³试验舱进行的，而且还参照了《医疗机构消毒技术规范》WS/T 367-2012的要求。空气消毒试验菌为白色葡萄球菌 8032，其菌悬液调制成浓度约106cfu/lm（cfu， colony forming units，细菌菌落个数）。使空气中含菌量达到5×104cfu/m3～5×105cfu/m3。每个消毒实验之前，先做自然衰减实验。自然衰减实验和消毒实验一样，尽量控制相同的温湿度，保持相近的大气压，溶胶喷雾器喷雾气流压力及流量，使菌气溶胶微粒的直径90%以上应在 1μm～10μm。

将配制好的白色葡萄球菌悬液，通过细菌喷射枪喷到试验舱中，喷菌悬液完毕后，开启搅拌风扇10min，然后静置15min后，分别开启被测样机，分别在样机运行至0h、1h、2h后进行采样，每次采样时关闭被测试样机；使用撞击式空气微生物采样器（FA-1）（28.3L/min）进行1min～5min采样头朝上采样；将采集后的样本放置到37℃的培养箱中培养48h（图3）；菌数采用菌落计数仪（J-2）来计数。

图3 开始时的103 cfu（左）消毒2小时后的10 cfu（右）

将自然衰减实验的菌落数代入式（1）得到自然衰减率，再将净化（消毒）前后空气中的菌落数代入式（2）后，得到各项消毒处理对空气中被测微生物的总衰减率。

以静电A为例：消毒前空气中的平均含菌量为1230 cfu；1个小时、2个小时采样时空气中平均含菌量分别为500cfu、142cfu；代入式（1）后其自然衰减率分别为59%、88%；同样，消毒开始时空气中的平均含菌量为1408cfu；静电A方式消毒1个小时和2个小时后采样时空气中平均含菌量分别为5cfu和2cfu；代入式（2）后其总衰减率分别为99.13%和98.77%（图4和图5）；其他净化样机所得到各项消毒处理对空气中被测微生物的总衰减率如表2所示，静电过滤方式·浓度50ppm过氧化氢气体和5ppm的高浓度臭氧的削减率都有98%以上，等离子有90%左右而车载负离子也有近80%，得到了较高的消毒效率。紫外线未能达到预期值。

图4 静电A的空气中的平均含菌量

图5 静电A的总衰减率

表2 各项净化样机除微生物的总衰减率

2.3.2 颗粒物实验结果

该实验的各项条件都是按照《空气净化器》GB/T 18801-2015的要求在试验舱进行的。采用烟雾发生器（SPG-C）经过点香烟方法，产生大约0.3μm～3μm的颗粒，经过30分钟后由粉尘测定仪（8532）采样，进行颗粒采样后，各项颗粒数代入公式（1）和公式（1）计算后的总衰减率，如表3所示，可以知道除了静电方式对PM1.0和PM2.5的除尘效率达到＞99.98%之外，其他样机对除尘基本上没有效果。除了等离子以外各项无除尘效果是可以理解的；但是等离子具有排斥负电荷，吸引正电荷的功能，这次实验未能达到理想的效果；可能是容量不足所致。

表3 各项净化样机除尘（颗粒物）性的总衰减率

2.3.3 气态污染物实验结果

与前项相同各项条件在试验舱中进行。使用定量的甲醛或甲苯溶液通过发生器（SPG-AT01）进行蒸发，然后通入试验舱中，打开循环风扇搅拌均匀。使甲醛和甲苯的初始浓度保持在600ppb～1000ppb和400ppb～800ppb，然后每隔10分钟采样一次，采样过程为1小时。甲醛的浓度测试是经过分光光度仪（723PC）采样分析；甲苯的浓度测试是VOC在线检测仪（PMG-7340）检测得出。各项气态数代入式（1）和式（2）的计算后得到甲醛·甲苯的总衰减率如表4所示，可以知道相比之下，等离子、过氧化氢和臭氧有较高的除去效果。这很可能是因为过氧化氢和臭氧等对有机物起氧化分解作用，同样等离子是因为他的副产物臭氧所起的氧化分解作用。

表4 各项净化样机除气态污染物的总衰减率

2.3.4 其他（臭氧的发生与负离子的增加）

除了对上述3项实验以外；由于净化样机中有采用高压放电；很容易产生臭氧和正负离子。所以，需评价这些附加产生的臭氧和负离子的产生对颗粒、污染物以及微生物的影响。臭氧的测试是在试验舱里采用臭氧仪检测仪（205）检测抽样浓度；每隔10分钟测试一次至1小时结束。如图6所示静电B和等离子产生较高的臭氧浓度，最高达到653ppb（ppb：体积浓度十亿分之一）；图7显示臭氧浓度随时间增长的累积曲线，近似直线增长。

图6 臭氧浓度的增加（1小时）

图7 静电B和等离子的臭氧浓度增加

市场上经常有这样的宣传：负离子不仅对人体健康有助，而且有消毒作用。所以这次笔者对负离子也进行了分析；当净化样机运转一定时间后，在3m³试验舱里采用负离子测试仪（AIC-1000）测试；其结果如图8所示。等离子和车载负离子产生较高的负离子。

表5 各种高中水平的净化项目的比较（◎非常好，○好，△一般，╳差）

3 结论

根据上述一系列的实验可以知道静电过滤器除了表4所示的除去气态污染物（甲醛·甲苯）能力不足以外，其他性能都非常有效。静电A的臭氧发生量只有静电B的10%以下，对人体安全。静电过滤器可以通过在其后端增加活性炭、触媒等的模块来提升除气态污染物的能力。此外，该实验是在密封性能极高的专业实验舱中进行，臭氧的富集量会大大高于一般非密闭场所，因此该实验所测的静电过滤器臭氧增加量不代表普通应用场所中的臭氧增加量水平。同样，等离子对消毒，气态污染物有较高除去效率，但需要加介质过滤器，来弥补除尘的不足。过氧化氢和高浓度臭氧有非常好的高消毒作用，但须在无人状态进行操作，所以，更适合于高要求的灭菌，无菌消毒使用。0.1ppm浓度的臭氧虽然对人体无害，但是，消毒效果很差；车载负离子产生较高的负离子，附带臭氧值也很低，而且除尘、消毒（除微生物）可达到近80%的效率；虽然专家们对负离子有不同的看法；通过这次实验可以推测：对中低水平的净化还是有一定的作用的。

图8 负离子的产生量

理想的空气净化器应该不仅能除尘，除气态污染物，有消毒作用，而且对人体无伤害。在家庭，办公室，交通工具以及公共场所等，根据高中等水平的除尘·消毒经过一系列实验通过综合考察分析做出了表5。

2020年初暴发的新冠疫情，使人们对空气消毒的关注度更高了。这次实验虽然无法对SARS-CoV-2做消毒，但是病毒无法单独存在，只能依附于尘埃或细菌，因此具备除尘和灭菌性能，就对杀灭新冠肺炎具备有效性。