空气净化技术现状及发展趋势- ACMAN FAQ

空气净化技术现状及发展趋势

近年来，由于科学技术的发展和社会的进步，工厂、汽车等工业排放加剧了全国空气质量的恶化，恶劣天气频繁发生。为了降低能耗，提高建筑的气密性，降低了建筑内的通风量，室内空气环境进一步恶化。在这种情况下，人们开始关注日益恶化的空气污染对自身健康和日常生活的影响。如何处理和处理这个问题，是一个必须研究和探索的课题。

目前，室内污染物的成分和来源主要分为三类。第一类污染物是颗粒物，尤其是以PM2.5为首的细颗粒物。由于其直径极小，甚至可以深入人体细支气管和肺泡内沉积，对人体呼吸系统危害极大。颗粒物污染物的主要来源是汽车尾气和燃料不完全燃烧产生的烟雾，以及厨房油烟、香烟烟雾和建筑材料释放的污染物。第二类污染物是微生物，主要包括对人体有害的细菌、霉菌和病毒。这种空气污染物主要来自潮湿发霉的墙壁、生活垃圾、宠物、室内鲜花、地毯和房间的空调过滤器。等待。第三类污染物是气体污染物，主要分为有机污染物和无机污染物。有机污染物包括以TVOCs为首的各种气体污染物，包括烷烃、醛类、酯类和芳香烃。主要来源有建筑材料、清洗剂、蜡制品、地毯、家具、粘合剂和油漆等; inorganic pollutants include carbon monoxide, nitrogen oxides, ammonia, ozone, hydrogen sulfide, radon, etc. The sources include construction, toilets, etc. Sewers, industrial and automotive exhaust, etc. Existing air purification technologies mainly deal with three types of particulate matter, microorganisms and gas pollutants.

作者介绍了近年来应用的单一空气净化技术和具有发展潜力的协同空气净化技术原理，并总结了各种空气净化技术的净化范围、特点和发展方向，最后展望了未来的空气净化技术。

1单空气净化技术原理

1.1纤维过滤技术

纤维过滤器按过滤效率可分为粗效率过滤器、中效率过滤器、高效过滤器、次高效过滤器和高效过滤器。粗效过滤器的滤料主要为便于清洗和更换的丝网、粗孔布、泡沫塑料等，其过滤效率以粒径为5 μm的颗粒评定;过滤材料主要为中细孔泡沫塑料、复合无纺布、玻璃纤维等，过滤效率以粒径为1 μm的颗粒评价;高效过滤器类似于中效过滤器;亚高效过滤器主要采用玻璃纤维滤纸、棉短纤维滤纸等，以粒径为0.5 μm的颗粒评价过滤效率;高效过滤器(HEPA)滤料主要有超细玻璃纤维纸、合成纤维纸和石棉纤维纸。过滤效率以粒径为0.3 μm的颗粒为基准进行评价。

被污染的空气通过纤维过滤材料，主要受到拦截效应、惯性碰撞效应、扩散效应、重力效应和静电效应的影响。其作用机理是:颗粒沿流线移动到纤维表面附近，当移动到纤维表面的距离等于或小于颗粒半径时，颗粒会被纤维表面拦截，这就是拦截效应(见图1);当纤维层通过时，在流线的剧烈转向过程中，颗粒由于惯性而脱离流线，与纤维发生碰撞并滞留，即惯性碰撞(见图2);粒径越小的颗粒，布朗运动越强烈，这种不规则运动使颗粒接触并沉积在纤维表面的机会更大，即扩散效应(见图3);电荷能产生吸附，粒子被吸附到纤维上，即静电效应。

1.2活性炭及类似材料

吸附是由吸附剂和吸附质分子之间的作用力引起的。这种吸附力一般可分为两类:一类是由范德华力引起的分子间相互作用力;另一个是化学键力。，包括固体和气体之间的电子转移。这两种力量同时存在，取决于哪一种力量占主导地位。物理吸附以范德华分子相互作用力为主，吸附质吸附在吸附剂表面，这是一个可逆过程。化学吸附依赖于固体表面与被吸附气体分子之间的化学键合力，这是化学作用的结果，其力远远超过物理吸附的范德华力，这往往是一个不可逆的过程。

目前，常用的吸附材料主要有活性炭、活性炭纤维材料及相关衍生材料(如碳纳米管、石墨烯等):

1)活性炭是最常见的吸附材料之一，在工业和日常领域有着广泛的应用。制备活性炭的原料主要可分为植物和矿物:植物包括木屑、椰子壳、核桃壳等;矿物主要包括煤化程度不同的煤，如泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤等。

2)活性炭纤维材料因其更好的吸附效果和更好的物理性能逐渐引起人们的关注。与活性炭的结构不同，活性炭纤维含有大量的微孔，这些微孔直接打开在纤维表面。吸附质向吸附位点的扩散路径比活性炭短，且具有较大的比表面积(1 000~3 000 m2/g)，吸附解吸效果非常好。吸附速率快，吸附容量大。在图4中，左侧为活性炭的微观结构，右侧为活性炭纤维的微观结构。

3)由于材料成本等原因，碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等材料在空气净化应用中一般不作为吸附滤芯的主要材料，而是用于一些特殊应用，如气体传感器，例如PAN碳纳米纤维/ZnO2/SnO2复合材料可作为气体传感器用于神经状气体DMMP;国外一些学者对利用碳纳米管制备气体传感器和检测痕量污染气体进行了相关讨论;对此类碳质材料在空气净化中的应用也进行了较为全面的描述。

4)类似活性炭材料的吸附剂(如活性氧化铝、硅胶、分子筛等)在工业上也有广泛的应用。例如，伽马氧化铝一般用于石油化工行业的吸附剂、催化剂和催化剂载体，大孔硅胶一般用于催化剂载体、消光剂等，空气净化领域最常用的吸附剂是活性炭。

1.3静电沉淀

静电除尘器技术的原理是利用高压电场形成电晕，并使污染空气通过电晕区，使污染空气中的颗粒带电，然后在电场力的作用下，吸附到极性相反的收集区并沉积下来。，从而达到净化空气中颗粒物的效果。

常用的静电除尘器的工作原理如图5所示。一般情况下，被污染的空气会通过预过滤器去除大颗粒污染物和气溶胶，再经过电离段和集尘段，最终获得净化空气。

电离段的作用是对颗粒进行充电，充电过程按照过程的先后顺序分为电晕放电和充电两个阶段。在电晕放电区，由于空气分子会自然辐射电子，电子在电场力的作用下被加速到高速，撞击空气分子，从而产生正离子和自由电子。这一过程在电离区瞬间完成，自由电子会继续撞击空气分子，在电离线周围形成一层电子云或正离子云。

电晕放电后，产生了大量的正离子。粒子和正离子混合在一起。由于正离子的布朗运动，它们会撞击粒子，粒子就会带正电荷，这就是扩散电荷。扩散充电不需要电场，与粒子类型无关。当粒子上的正电荷增加时，粒子会产生一个电场，排斥其他正离子，从而削弱后续的影响。当粒子上的电荷增加到一定程度时，没有任何正离子能够克服排斥力击中粒子，电荷结束。

带正电荷的气溶胶颗粒随着空气进入集尘段，受到电场力的吸附，吸附在集尘板上，从而完成静电除尘工作。

1.4低温等离子体

低温等离子体是一种部分电离的气体，可以通过在两个电极之间施加高压放电而产生。它富含带电粒子、高能电子和活性粒子，如自由基、激发态原子和分子。处于激发态的原子或分子在电子跃迁过程中产生各种光辐射。等离子体是由高压放电产生的，这些化学效应伴随着强电磁场、热效应、激波等物理效应。这种物理和化学特性可以产生巨大的能量来破坏化学键，进行许多复杂的化学反应。低温等离子体可以快速有效地对复杂污染进行杀菌处理。

产生低温等离子体的方法有很多，常见的有电子束辐射法、低压辉光放电法、介质阻挡放电法、脉冲电晕放电法、直流电晕放电法等。放电时会产生大量高能电子和离子轰击VOCs分子，并通过一系列复杂的化学反应将污染物分子分解，理论上最终可降解为CO2、H2O等无害产物。

1.5光催化技术

目前，常用的光催化剂主要是以TiO2为代表的半导体材料。以TiO2为例，介绍光催化空气净化技术的原理:当大于或等于3.2 eV(波长小于380 nm)的光波照射在TiO2表面时，部分价带电子吸收能量，发生能级跃迁，电子跃迁到导带，价带相应地产生空穴，从而形成电子-空穴对。此时，导带上的电子因能量较高可作为还原剂，能量较低的空穴可作为氧化剂。当电子空穴对存在时间足够长时，可以与吸附在TiO2表面的VOCs污染物发生氧化还原反应，从而达到降解污染物的目的。如果使用纳米tio2颗粒，由于超细颗粒的量子尺寸效应，可以提高催化剂的光催化活性。同时纳米级颗粒小，表面原子多，比表面积大，增强了光催化剂对有机物的吸附能力。氧化分解污染物更充分有效。

降解的具体反应如下所述。空穴作为强氧化剂，将吸附在TiO2表面的羟基(OH-)和水(H2O)氧化为羟基自由基(OH)，而导带电子作为强还原剂，会被TiO2表面吸收。TiO2表面吸附的溶解氧被捕获形成超氧阴离子自由基(O-2);一些超氧阴离子自由基(O-2)可以通过链式反应继续生成羟基自由基(·OH)。生成的超氧阴离子自由基和羟基自由基具有很强的氧化性，可以攻击污染物的不饱和键，或提取氢原子生成新的自由基，刺激链式反应，使其氧化，最终造成污染物。降解为无害物质。

1.6其他净化技术

还有一些净化技术，由于存在较大缺陷或适用范围狭窄，市场应用率低，研究价值小。如负离子技术原理与等离子体、静电除尘器类似，但存在臭氧生成量高的缺陷，对气体污染物几乎没有净化效果;紫外线技术和臭氧技术只对杀菌效果好，对颗粒物和气体污染效果好。事物是无力的;水洗对一些易溶于水的气体污染物有效，但存在空气湿度高、污染物种类少等问题。

此外，还有一种特殊的净化技术——臭氧净化技术。由于静电除尘器等技术会产生臭氧作为副产物，因此在使用这类技术时，一般需要使用臭氧净化模块，即通过催化剂消除臭氧以达到净化的效果。

2、协同空气净化技术的引进

空气净化协同技术一般是指两种或两种以上净化技术相互结合、相互促进的一种复合技术。不同净化技术由于净化机理的互补性，可以起到协同作用，一般比原有单一技术净化效率更高，具有较强的研究价值。目前比较常见的协同技术有吸附-光催化技术和低温等离子体-光催化技术。

2.1吸附-光催化技术

活性炭等吸附材料具有对低浓度污染物吸附能力强的优点，但同时也存在只能富集不能降解污染物、需要定期更换的缺点。然而，光催化技术受到反应接触面积问题的限制，不能用于低浓度污染物。污染物被迅速降解。两者的优点和缺点可以互补。利用吸附原理将污染物富集在吸附材料表面，再通过催化技术将污染物降解，避免了吸附材料不能降解污染物，需要定期更换的缺点。，避免了电催化技术处理低浓度污染物速度慢的问题。

1997年，日本学者提出了一种将光催化剂TiO2附着在活性炭颗粒上的复合材料。之后，有研究人员阐述了光催化剂与活性炭相互增强净化能力的机理，并通过不同的方法和原料制备了不同的净化材料。例如，采用浸涂法在活性炭载体上形成薄层TiO2，研制出活性炭-纳米TiO2复合光催化空气净化器;采用溶胶-凝胶法制备了fe - tio2 -沸石复合材料，并进行了实验验证。在可见光下对甲醛有很高的去除率;采用浸渍焙烧法制备了一系列tio2 -分子筛/波纹陶瓷纤维复合光催化剂材料，并验证了最佳分子筛负载;以静电纺丝纳米纤维膜为附着体，采用电喷雾技术将光催化剂和活性炭沉积在纤维表面，再通过静电纺丝技术得到复合多层膜。

2.2低温等离子体光催化技术

等离子体技术和光催化技术都主要是针对净化空气中的气态污染物(如VOCs等)，两者结合可以起到相互促进的作用。实验研究比较了低温等离子体和光催化两种技术协同净化污染物甲醛的效果。

目前用于空气净化的低温等离子体-光催化耦合反应器有多种类型。按放电形式可分为介质阻挡放电反应器、蠕变放电反应器、脉冲电晕放电反应器等。按电极结构可分为针板式、线板式、平板式、筒管式等。根据光催化剂在反应器中放置位置的不同，即在放电区(等离子体内催化，IPC)和余辉区(等离子体后催化，PPC)，可以将反应体系分为两类。据此，有研究人员将其称为单级等离子体催化(SPC)和两级等离子体催化(TPC)或等离子体驱动催化。等离子体辅助催化(等离子体辅助催化，PAC)。目前，对PPC技术的研究较多。从低温等离子体光催化技术的原理出发，认为催化剂能在放电区域形成更明显的协同效应。等离子体发生器产生的大量活性离子、电子、自由基等，一方面能以高能量刺激粒子向下跃迁，产生紫外光，激活光催化剂，产生催化反应。另一方面，等离子体放电对光催化剂有直接的活化作用，可以提高其催化性能。此外，两者的共同作用有利于反应产生的副产物深度反应，使其完全降解为H2O、CO2等无害产物，有效提高了降解效率。

3空气净化技术净化范围及优缺点

每种空气净化技术都有其适用的净化范围、优缺点。在应用净化技术时，要合理考虑不同净化技术的特点，扬长避短，发挥其应有的作用。以下是对各种净化技术的净化范围及特点的简要描述和总结:

1)纤维过滤技术对颗粒物有很好的过滤效果。由于细菌、病毒等微生物一般附着在悬浮颗粒物上，对微生物也有过滤作用，但对气体污染物影响不大。其优点是工业生产成熟，使用安全，维护方便，对颗粒物过滤效果极高。缺点是属于不可再生耗材，需要定期更换，在湿度较高的环境中容易造成吸附微生物的二次污染。特别是在污染严重的场所使用时，其使用寿命较短，维护成本较高。另外，高效过滤器的风阻较大，对风机的静压和噪声控制要求较高。

2)活性炭吸附技术对污染物有吸附作用，但颗粒物容易堵塞活性炭的微孔，使吸附力迅速失效，微生物容易在吸附基质上富集繁殖，造成二次污染，所以一般用于气体污染物。净化。它的优点是吸附能力广谱，对几乎所有的气体污染物都有一定的净化效率，并且与纤维过滤器相同，使用安全，易于维护，吸附能力大。是应用最广泛的净化材料。缺点是吸附容量有限，需要定期更换，而且由于其非定向吸附，对空气中的无害物质(如水蒸气等)也有吸附作用，会导致其有效吸附容量下降;在潮湿的环境中容易滋生微生物，造成二次污染。

3)静电除尘技术主要用于各种颗粒物的净化，由于产生的带电离子和臭氧能有效破坏细菌和病毒的生物结构，具有良好的微生物净化效果，但对气体污染物几乎没有作用。其优点是与高效纤维过滤器相比，风阻较小，滤料不消耗，集尘板易清洗可重复使用，杀菌能力强，不会造成二次污染。缺点是设备原理复杂，有高压区，维护高度专业化;受环境温度、湿度、粉尘比阻等因素影响较大，不能保持较高的净化效率;虽然产生的臭氧具有杀菌作用，但要防止在封闭环境中，臭氧浓度的增加对人体健康有害。

4)低温等离子体技术在空气净化领域的应用有其独特的优势。采用高压放电反应可降解VOCs，无需频繁更换，二次污染低。此外，产生的高能粒子、臭氧和紫外线都可以起到杀菌作用。但在实际工程中，单独使用低温等离子体技术存在一些问题。等离子体功率越高，VOCs的降解效率越高，但有毒副产物越多。降解效率降低。低温等离子体技术对氮氧化物等无机污染物的降解效果也较差。另外值得一提的是，由于放电区域充满了大量的高能电子和离子，以及臭氧等副产物，对空气中的细菌、病毒等微生物也有很强的杀灭作用。

5)光催化技术在空气净化领域具有发展潜力。常温常压反应，能耗低，比低温等离子体技术更节能安全;作为一种催化反应，它能快速、有效地降解VOCs，且可再生。它不需要像活性炭那样频繁更换;该材料可塑性强，使用方便，如各种瓷砖涂料均可应用。相关研究表明，TiO2光催化剂不仅可以降解有害微生物产生的有毒化合物，还可以直接作用于细菌和病毒的生物大分子，促进其破坏和分解，达到杀菌的目的。但在研究过程中发现，目前以TiO2为代表的光催化技术存在缺陷，阻碍了其工业应用。TiO2主要在紫外波长催化活性较好，在可见光波长催化效率较低，在实际应用中可能需要增加紫外灯来促进光催化。芳香族VOCs在TiO2光催化下反应速率较低，可导致催化剂失活。在实际应用中，光催化处理受到诸多因素的限制，降解速度较慢。 In addition, the incomplete photocatalytic reaction may produce toxic intermediates such as acetaldehyde. For inorganic pollutants such as oxides with relatively stable chemical bonds and radon, the degradation effect of photocatalytic technology is very limited.

4空气净化技术的发展方向

1)以HEPA为代表的纤维过滤技术是一种常用的颗粒净化技术，其市场应用非常成熟。目前主要的发展方向是多方面的，主要体现在以静电纺丝为代表的高纤维纳米分子材料的发展，以及在此基础上的拓展研究。例如，不同密度、不同孔隙的梯度复合过滤材料，可以分层过滤不同直径的颗粒，提高过滤效率;熔合或包覆各种催化材料，使纤维具有一定的杀菌能力或气体污染物净化功能。此外，还有一种驻极体滤料值得一提。驻极体是指具有长期电荷储存功能的介电材料。它具有在没有外电场的情况下能够自行产生静电力的特点。直接依靠静电力直接吸引空气中的带电粒子并捕获，或诱导空气中的中性粒子产生极性再捕获，与常规材料相比具有过滤效率高、电阻低的特点。

2)活性炭吸附技术是气体污染物净化最常用的净化技术之一。主要有三个发展方向:一是通过开发新型吸附材料，在吸附强度和吸附容量上取得新突破;通过表面浸渍、卤化等定向改性处理，使其具有对目标气体污染物的强吸附特性;最后一种是与光催化技术协同，利用活性炭吸附富集污染物，促进光催化反应，实现吸附-降解-吸附的良性净化循环。

3)静电除尘器技术是目前常用的颗粒净化技术之一，与HEPA相比具有独特的优势。在实际应用中，限制其应用的主要缺陷是会产生臭氧，造成二次污染。其主要发展方向:一是通过研究放电原理，改进放电设备，减少臭氧的释放量。例如，臭氧产生率与电压和放电结构有关，并受温度影响，通过电晕丝加热等技术降低臭氧产生浓度。第二个方向是通过臭氧消除技术和静电除尘的耦合来达到臭氧净化的目的。一些研究人员对控制臭氧浓度的方法进行了总结和比较。一般来说，消除臭氧的方法有加热、吸附和催化反应。但是加热和吸附法都存在各种缺陷，而催化分解法分解率高，有效期长。等优势，有较大的发展潜力。例如，光催化技术与高压静电的结合，不仅可以消除臭氧，还可以完成VOCs等污染物的去除。

4)等离子体净化技术是另一种有潜力的净化技术。对于一些复杂的应用环境，如船舱，由于空间狭窄，人员和设备密集，吸附材料耐受能力不足，适合采用降解能力强的等离子体净化技术。等离子体净化技术理论反应复杂，影响因素多样，具有较强的研究价值。其发展方向:一是通过合理设计发电设备提高降解效率;另一种是与各种催化剂偶联，如吸附剂、金属催化剂和光催化剂等，目的是提高污染物的降解效率。

光催化技术受催化剂接触面积、表面风速、污染物浓度等因素的限制，单独使用时净化效率较差。但其材料可塑性强，催化条件温和，适合与其他气体净化技术协同耦合使用。

吸附光催化技术研究主要有三个研究方向:一是催化剂类型的选择。目前，对于室内空气净化，大部分研究仍以具有广谱净化能力的TiO2作为测试对象，少量使用其他催化剂类型和净化方法。其次是吸附剂的选择，一般还是以常规的吸附剂材料为主，如活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛等。有一些陶瓷载体和金属有机框架(MOFs)等;第三个是两者结合的方式。以活性炭和TiO2为例，主要有机械混合、碳分散在TiO2块体中、碳包覆的TiO2颗粒等，以及TiO2中的TiO2。负载活性炭。TiO2在活性炭上的负载是最常见的，其制备方法主要有直接浸涂法、溶胶凝胶法、溅射法、直接水解法、溶液法、化学气相沉积法等。

低温等离子体光催化技术的研究尚不成熟，尚处于实验室研究阶段。目前关于VOCs降解反应器的研究大多只选取了特定的有机废气，然后在特定的电源和反应器下研究其降解特性。关于放电形式和反应器结构的结论往往只适用于所研究的废气或特定的应用。因此，有必要进一步优化放电电源与电抗器的结构，探索两者之间具有普遍指导意义的匹配方法。目前，影响低温等离子体协同光催化净化VOCs的因素很多，包括离子反应器的结构和参数，以及不同类型的VOCs和催化剂，都会影响净化效率。因此，有必要对净化反应进行更系统的研究，有必要扩展处理各类VOCs的技术，使之更接近实际应用。分析影响净化的因素，促进反应器结构参数和新型催化剂的研究和开发也是必要的。进一步提高净化效率。