高效低阻力抗菌空氣過濾器研制

摘要： 分析了空氣過濾器目前存在的兩大難題，即阻力和二次污染問題，介紹了駐極體靜電合成纖維、光催化納米氧化鈦和納米銀的主要特性，報道了合成的納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電空氣過濾器的試驗結果，試驗結果表明，62Pa的低阻力，99.99%的高效率，低廉的價格，使高效空氣過濾器的應用范圍大大擴展，為改善室內空氣品質，防止疾病的傳播提供了一種實用的產品。 關鍵詞： 高效空氣過濾器 納米氧化鈦 納米銀 駐極體 1. 引言 2003年春天那場席卷全球的SARS疫情給人們留下的不僅僅是教訓和警示，更多的則是人類應該如何去防御疾病的侵襲，如何去預防，去醫治這些危害人類健康生存的疾病。今天，“健康”的概念已經進入人類生活的方方面面，自然“健康”也成了暖通空調專業研究、開發、制造的重點，空氣凈化技術受到了人們特別的關注。 在諸多空氣凈化技術中，應用最廣、最成熟、最無異議的可能就是空氣過濾器。無論是國外，還是國內，空氣過濾器已經發展到很高的水平，足以應付各種需要，在很多時候，空氣過濾器成了唯一的最安全的、最有效的防御手段， 這點從SARS疫情傳播期間，以及其后出臺的一系列文件、措施和標準中就能清楚地看到這一點。但是，目前在使用空氣過濾器的過程中，困擾人們的是，如果要獲得理想的高過濾效率，就不得不付出一定的代價去對付高阻力帶來的一系列問題，能耗問題、噪聲問題、風機選型問題等等。另一方面，高效率的空氣過濾器攔截了空氣中的，灰塵、細菌、病毒和微生物，可是沉積在過濾器上的微生物如果不及時加以處理，將產生嚴重的二次污染，因此不得不采取其他措施，由此又產生了一系列新問題。 本文研究的重點，就是企圖從目前國內外已經進入市場的諸多空氣凈化技術中篩選出若干成熟的、有效的、價格便宜的技術組合成一種新型空氣過濾材料，解決上述問題。 2. 空氣過濾器的阻力 根據空氣過濾器的兩個國家標準[1，2]，我國空氣過濾器分類可參見表1[3]。 表1給出了各種空氣過濾器的初阻力，在實際應用中，必須考慮空氣過濾器的終阻力，所謂終阻力，即“指在額定風量下由于過濾器積塵，而使其阻力上升并達到規定值。一般為初阻力的2倍?！盵4]。表2給出了空氣過濾器的終阻力建議值 [5]。 表1 我國空氣過濾器分類 額定風量下的效率 （%） 額定風量下的初阻力 （Pa） 注 粗效 中效 高中效 亞高效 粒徑≥5μm，80<η≥20 粒徑≥1μm，70<η≥20 粒徑≥1μm，99<η≥70 粒徑≥1μm，99.9<η≥95 ≤ 50 ≤ 80 ≤ 100 ≤ 120 效率為大氣塵計數效率 高效 A B C D η≥99.9 η≥99.99 η≥99.999 粒徑≥0.1μm，η≥99.999 ≤ 190 ≤ 220 ≤ 250 ≤ 280 A、B、C三類效率為鈉焰法；D類為計數效率 表2 空氣過濾器終阻力的建議值 過濾器類別 建議終阻力（Pa） 粗效 中效 高中效 亞高效 高效與甚高效 100～200 250～300 300～400 400～450 400～600 高中效以上的空氣過濾器，為了延長其使用壽命，一般都需要前置粗效和中效過濾器，由表1和表2可以看出，當采用3級空氣過濾器串聯時，空氣過濾器的阻力就相當可觀。如果空氣過濾器用于空調系統，再加上表冷器、加熱器、加濕器等空氣處理設備和風道的阻力，不但導致能耗高、噪聲大，很多時候連風機選型都有困難。因此空氣過濾器的阻力一直是空調設計人員面臨的一個難題。 3 空氣過濾器污染問題 在不考慮上述阻力，以及由于阻力過高引起的其他問題時，現行的空氣過濾器幾乎可以攔截空氣中所有的物質，包括灰塵、細菌、病毒和微生物?？褂鵖ARS疫情期間，美國推出的抗SARS空氣過濾器，對于0.025～0.027μm的細菌和病毒完全可以過濾掉，過濾效率高達99.9%[6]。 最近幾年美國研究人員在進行室內空氣質量研究過程中發現，沉積在過濾器上的微生物如果不及時加以處理，將產生嚴重的二次污染。圖1是全美著名的美國賓夕法尼亞大學大氣生物工程研究所報道的空調機組內空氣過濾器被污染的情況[7]。 目前防止空氣過濾器被污染，基本上都是采用輔助措施，其中紫外線燈是應用最廣，也是最成熟，最有效的一種措施[7]。但是隨之產生的一系列問題：① 一次投資增加；②需要有足夠的安裝空間；③ 設計計算方法必須正確；④ 壽命問題（國產管壽命只有2000小時，進口管4000小時）等都影響到紫外線燈的廣泛使用。最近低溫等離子體也開始在空調系統中與空氣過濾器一起使用，但是實際效果如何還有待工程驗證，目前價格過高嚴重的影響到這一先進技術在空調系統中的推廣。因此，尋找防止空氣過濾器二次污染的措施，滅殺沉積在過濾器上的有害微生物是一項值得深入研究的課題。 4 駐極體靜電過濾材料 駐極體靜電合成纖維過濾材料是對聚丙烯纖維在熔噴制造過程中進行靜電充電，使其成為靜電型駐極體熔噴非織造布（濾紙），纖維直徑為2～5μm。這種過濾材料除了利用傳統空氣過濾材料的過濾機理外，同時利用荷電纖維的庫侖力去實現對微粒的捕獲，因此效率增加，阻力下降[8]。目前國際上有預防病毒功能（包括SARS病毒）的手術口罩（N95、N97、N99）中就采用了這種過濾材料，美國2003年4月推出的抗SARS空氣過濾器中也采用了這種材料[7]。 由于這種濾料，效率高、阻力低、價格便宜，因此，筆者首先將這種材料用于一般空調通風用空氣過濾器中，當迎風面風速為0.5m/s時，對0.5μm的灰塵過濾效率可以達到95%以上，空氣阻力只有40Pa，是傳統的柜式空調機組空氣過濾器（一般為尼龍網）無法相比的。這種空氣過濾器已經在大型商場、超級市場、醫院空調系統應用近10年，取得了很好的空氣凈化效果[8]。 對生產工藝加以全面改進，目前已能生產鈉焰法效率達到99.9999%的駐極體靜電過濾材料，同時也解決了這種過濾材料存在的均布性較差和強度不高的缺點，為高效空氣過濾器提供了一種理想的過濾材料。駐極體靜電合成纖維過濾材料的產品化很大程度上解決了空氣過濾器效率與阻力的矛盾。