建筑室内空气净化技术及其评价方法研究

    胡秋明

    摘 要：针对建筑室内环境中的空气污染现象，分析和比较了现有的室内空气净化技术，并指出了各自存在的缺陷。结合国内外的室内空气净化的评价方法，对其加以补充和发展，为室内空气净化器的性能评价提供参考。

    关键词：室内空气净化；室内空气品质；净化效果；评价方法

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.085

    0 引言

    随着经济的发展和生活水平的提高，人们对室内的视觉化的追求越来越高，室内装修也随之升级。由于室内装修用的各种材料连续释放甲醛等对人身体有害的化学物，一旦累积达到一定浓度，将导致室内空气的严重污染。据相关研究[1]，人们每天在室内环境生活的时间超过80%，人们的健康、舒适和工作效率与建筑室内的空气环境状态紧密相关。有关研究表明，室内存在的大部分有害物质都是以空气为介质进行传播的，再经由人的呼吸作用和表层皮肤进入人体，从而达到危害身体健康的现象。据美国环保署（U.S.EPA）调查显示，民用住宅和商业建筑室内环境中的空气污染程度是室外空气的数倍至数十倍，更有甚者超过百倍。由此可见，建筑室内中的空气品质对于人类身体和精神状况来说极度关键。

    为了改善建筑室内空气质量，很多学者致力于室内空气净化方法的研究，由此也衍生了很多室内空气品质的评价方法。本文对比了现有的室内空气净化及其评价方法，指出了其中的不足，为后期研究提供参考价值。

    1 室内空气净化方法

    目前，室内空气的净化各种技术只是针对室内空气中的一些特定污染物，主要有吸附、静电、负离子、低温等离子体、纳米材料光催化氧化以及膜分离等，同时，生物净化、绿色植物吸附等自然手段也不鲜见。下面介绍几种常用的空气净化技术的应用和研究进展。

    1.1 吸附净化技术

    吸附净化技术作为空气净化的一种有效方法而被广泛采用。其原理是利用吸附能力较强的物质将污染物从空气中吸附出来，从而降低了空气中污染物浓度，达到净化室内空气的效果。这些吸附物具有接触面积大、孔洞多的特性，常用的有硅胶、氧化铝及活性炭等。其中活性炭是建筑室内空调系统中常用的一种空气污染物吸附剂。

    目前，吸附技术的研究主要集中在活性炭的吸附性能的改善。C. H. Ao等人对ACF与光催化结合净化室内空气中的VOC进行了实验，结果显示有良好的净化效果。P Navarri等人用炭纤维材料对二甲苯和乙酸乙酯进行吸附处理，把重点放在研究不同炭纤维、纤维层数、不同气体种类和气体浓度关系，其实验结果对活性炭的生产应用有很好的指导效果。

    虽然活性炭的研究已取得了令人满意的成就，但是它的净化原理依旧是将室内空气中污染物从一种状态转化为另外一种状态，并不是从根本上將之消除，这样很容易给室内空气带来二次污染，这不是一种一劳永逸解决问题的方法。

    1.2 负离子净化技术

    负离子净化技术的原理是空气负离子能与有害物质的表面聚集成大离子，通过凝结和吸附作用进行沉降，从而消除空气中的污染物。由于室内空气中的微小颗粒污染物本身带有正电荷，通过与负离子中和，去除了其正电荷，使之沉落到地面上，从而达到降低了空气中污染物浓度的目的，起到了良好的净化效果。一般通过人工的方法在室内释放负离子，这些负离子随气流扩散到空气中，对人体有良好的生理作用。蒋耀庭等人研究了在人工负离子作用2h后室内空气中的悬浮微粒、细菌总数和甲醛浓度，结果表明负离子对这些污染物有很好的消除效果[2]。

    但是，如果仅仅依靠发生器产生的负离子来去除空气中的污染物是行不通的，这是由于空气中微小尘埃粒子极易吸收负离子，成为具有一定极性污染的重离子。这些悬浮在空气中的重离子落室内家具等物品上，一旦受到外界刺激，就会再次飞扬到空气中。所以负离子并不能完全清除空气中的污染物。另外，室内负离子过高，还会对人体产生不良影响，如头晕、恶心、心慌等。再次，长期使用过高的负离子还会导致墙壁、天花板等蒙上一层污垢。

    1.3 低温等离子净化技术

    近年来，利用低温等离子体净化空气中的挥发性有机化合物和杀灭细菌已成为研究热点。研究表明，在低温等离子体的辅助下低浓度的VOC的催化分解效果更加理想，此时低温等离子体发生过程中生成的副产品（臭氧）将转化为无害的二氧化碳。Yan等人用低温等离子技术对室内空气中的污染物进行了净化实验，结果表明低温等离子体对苯、氨、硫化氢和二氧化硫有较好的去除效果。

    但是低温等离子体净化过程往往伴有其他副产品生成，这些副产品将会再次产生污染，另外，这个过程所需的能耗大，需要进一步完善。

    1.4 纳米材料光催化净化技术

    光催化技术是基于光催化剂暴露于紫外线中产生了极强的氧化还原特性，与空气中的有害物发生作用来去除之。光催化是以光为能量激活催化剂，其反应在常温下就能进行，并把有机污染物氧化成无害的二氧化碳和水，二次污染小，运行成本低，是目前最具有发展潜力的室内空气净化技术。

    杨瑞、张寅平、肖劲松等人分别用静态实验以及纳米TiO2涂料光催化降解甲醛的实验来研究纳米光催化剂去除VOC的效果，结果取得了令人满意的成果[3]。

    1.5 膜分离净化技术

    膜分离净化技术原理是利用空气各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同进行分离的，它作为一种气体分离的新技术，以其节能、高效和方便等优势迅速成为各位专家学者研究的热点方向。用于气体净化的膜主要有有机膜和无机膜，有机膜对污染空气中的甲苯、甲醛等的回收率达97%。黄肖容等对无机膜在空气净化中进行了实验研究，结果表明，无机膜对于直径大于0.2μm的悬浮颗粒物的去除效率达100%，对细菌的总截留率也达99.99%.

    无机膜具有热稳定性好、化学性质稳定、抗降解性高以及机械强度高等优点，但是其分离系数低、对空气中的低浓度的VOCs消除效果不好。但是，由于有机膜具有通透率低、耐热和耐腐蚀性差等缺点，限制了其使用和发展。故若能把两者结合起来使用将是一个重大的突破。

    2 室内空气净化评价方法

    每一种空气净化技术只是针对某些特定污染物，在实际生产中，往往会把两种或两种以上的空气净化技术结合起来运用，这样室内空气净化器的功能和种类越来越多样化。因此，需要一个统一的标准，来衡量这些不同种类的空气净化器的性能。

    2.1 去除效率评价法

    去除效率评价法是针对空气净化器在一段时间内捕捉空气中污染物能力而做出的评价。其中，去除效率定义为：经过空气净化器处理

    前后空气中污染物浓度之差与未处理之前空气中污染物浓度之比。即：

    式中，C1、C2分别是经过空气净化器处理前后空气污染物浓度。

    从去除效率的定义式中可以看出，它其实只是一个相对值，在理想环境中，它只是时间的函数。仅限于几种空气净化器处于同一环境条件中，这样才可以比较它们的去除效率，除此之外，还要把该环境中有害物的自然衰减和通风量等因素考虑进去。因此，利用去除率来评价空气净化器的性能具有片面性。

    2.2 洁净空气量CADR评价法

    CADR（Clean Air Deliver Rate，缩写为CADR）是美国国家标准AHAM AC-1-2000提出的综合指标，对于空间一定的房间，选择净化能力合适的空气净化器才能有效地去除室内空气污染物，从而达到房间舒适性要求，这时候需要用到洁净空气量（CADR），它实际上是指空气净化器处理空气中某种污染物后排出清洁空气的量。它既涉及到空气净化器的本身特征，又能反映其净化能力。

    CADR评价法适合于评价市场现有的不同种类的空气净化器性能，但是并不能全面地反映一台空气净化器的性能好坏。例如一台空气净化器的风量足够大，但是过滤效率很低，同样也可以计算得到较大的CADR值。再次，CADR评价法也没涉及到空气净化器使用时房间的气流组织形式，所以它并不全面，需要其他评价法协助。

    2.3 有效净化效率评价法

    有效净化率评价法是我国GB/T 18801-2002《空气净化器》标准针对CADR评价法的不足而提出来的一种指标。它定义为使用洁净空气量CADR与额定风量的比值，即：

    式中，为有效净化效率，%；CADR为洁净空气量，m3/min；Q为额定风量，m3/min。

    有效净化效率反映了空气净化器在额定风量下去除空气中污染物效率的高低，它是为了评价过滤材料的过滤性能而提出的，在CADR评价法的基础上加入了风量这一因素，它涉及到了空气净化器的除污效果和净化器结构，这一评价方法较全面地反映了空气净化器的性能。

    3 结论

    本文阐述了五种空气净化技术的原理及其研究进展。由于单一空气净化技术存在局限性，在实际运用中，往往把几种净化技术结合起来运用，由此产生了光催化氧化-低温等离子体净化技术、活性炭-光催化氧化净化技术等，这样的空气净化技术结合，使得空气净化达到了很好的效果。同时，对现有的空氣净化器的评价方法进行了归纳总结，指出各自存在的优缺点，通过比较分析得出了有效净化效率为目前较为合理的室内空气净化效果评价方法。

    参考文献：

    [1]周中平，赵寿堂，朱立等.室内污染检测与控制[M].北京：化学工业出版社，2002.

    [2]蒋耀庭，潘丽娜，金德林等.人工负离子净化舰艇舱内空气的效果研究[J].环境与健康杂志，1999，16（05）：277-279.

    [3]杨瑞，张寅平，赵荣义.TiO2/丝光沸石光催化降解甲苯特性研究[J].工程热物理学报，2005，26（03）：74-76.