高效低阻力抗菌空氣過(guò)濾機(jī)研制

分析了空氣過(guò)濾機(jī)目前存在的兩大難題，即阻力和二次污染問(wèn)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(bào)道了合成的納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電空氣過(guò)濾機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，62pa的低阻力，99.99%的高效率，低廉的價(jià)格，使高效空氣過(guò)濾機(jī)的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，防止疾病的傳播提供了一種實(shí)用的產(chǎn)品。

1.引言

2003年春天那場(chǎng)席卷全球的sars疫情給人們留下的不僅僅是教訓(xùn)和警示，更多的則是人類(lèi)應(yīng)該如何去防御疾病的侵襲，如何去預(yù)防，去醫(yī)治這些危害人類(lèi)健康生存的疾病。今天，“健康”的概念已經(jīng)進(jìn)入人類(lèi)生活的方方面面，自然“健康”也成了暖通空調(diào)專(zhuān)業(yè)研究、開(kāi)發(fā)、制造的重點(diǎn)，空氣凈化技術(shù)受到了人們特別的關(guān)注。

在諸多空氣凈化技術(shù)中，應(yīng)用最廣、最成熟、最無(wú)異議的可能就是空氣過(guò)濾機(jī)。無(wú)論是國(guó)外，還是國(guó)內(nèi)，空氣過(guò)濾機(jī)已經(jīng)發(fā)展到很高的水平，足以應(yīng)付各種需要，在很多時(shí)候，空氣過(guò)濾機(jī)成了唯一的最安全的、最有效的防御手段，這點(diǎn)從sars疫情傳播期間，以及其后出臺(tái)的一系列文件、措施和標(biāo)準(zhǔn)中就能清楚地看到這一點(diǎn)。但是，目前在使用空氣過(guò)濾機(jī)的過(guò)程中，困擾人們的是，如果要獲得理想的高過(guò)濾效率，就不得不付出一定的代價(jià)去對(duì)付高阻力帶來(lái)的一系列問(wèn)題，能耗問(wèn)題、噪聲問(wèn)題、風(fēng)機(jī)選型問(wèn)題等等。另一方面，高效率的空氣過(guò)濾機(jī)攔截了空氣中的，灰塵、細(xì)菌、病和微生物，可是沉積在過(guò)濾機(jī)上的微生物如果不及時(shí)加以處理，將產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染，因此不得不采取其他措施，由此又產(chǎn)生了一系列新問(wèn)題。

本文研究的重點(diǎn)，就是企圖從目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)的諸多空氣凈化技術(shù)中篩選出若干成熟的、有效的、價(jià)格便宜的技術(shù)組合成一種新型空氣過(guò)濾材料，解決上述問(wèn)題。

2.空氣過(guò)濾機(jī)的阻力

根據(jù)空氣過(guò)濾機(jī)的兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)空氣過(guò)濾機(jī)分類(lèi)。

表1給出了各種空氣過(guò)濾機(jī)的初阻力，在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮空氣過(guò)濾機(jī)的終阻力，所謂終阻力，即“指在額定風(fēng)量下由于過(guò)濾機(jī)積塵，而使其阻力上升并達(dá)到規(guī)定值。一般為初阻力的2倍。”。表2給出了空氣過(guò)濾機(jī)的終阻力建議值。

高中效以上的空氣過(guò)濾機(jī)，為了延長(zhǎng)其使用壽命，一般都需要前置粗效和中效過(guò)濾機(jī)，由表1和表2可以看出，當(dāng)采用3級(jí)空氣過(guò)濾機(jī)串聯(lián)時(shí)，空氣過(guò)濾機(jī)的阻力就相當(dāng)可觀。如果空氣過(guò)濾機(jī)用于空調(diào)系統(tǒng)，再加上表冷器、加熱器、加濕器等空氣處理設(shè)備和風(fēng)道的阻力，不但導(dǎo)致能耗高、噪聲大，很多時(shí)候連風(fēng)機(jī)選型都有困難。因此空氣過(guò)濾機(jī)的阻力一直是空調(diào)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)難題。

3空氣過(guò)濾機(jī)污染問(wèn)題

在不考慮上述阻力，以及由于阻力過(guò)高引起的其他問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)行的空氣過(guò)濾機(jī)幾乎可以攔截空氣中所有的物質(zhì)，包括灰塵、細(xì)菌、病和微生物?？褂鵶ars疫情期間，美國(guó)推出的抗sars空氣過(guò)濾機(jī)，對(duì)于0.025～0.027μm的細(xì)菌和病完全可以過(guò)濾掉，過(guò)濾效率高達(dá)99.9%[6]。

最近幾年美國(guó)研究人員在進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，沉積在過(guò)濾機(jī)上的微生物如果不及時(shí)加以處理，將產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。圖1是全美著名的美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)大氣生物工程研究所報(bào)道的空調(diào)機(jī)組內(nèi)空氣過(guò)濾機(jī)被污染的情況[7]。

目前防止空氣過(guò)濾機(jī)被污染，基本上都是采用輔助措施，其中紫外線燈是應(yīng)用最廣，也是最成熟，最有效的一種措施[7]。但是隨之產(chǎn)生的一系列問(wèn)題：①一次投資增加；②需要有足夠的安裝空間；③設(shè)計(jì)計(jì)算方法必須正確；④壽命問(wèn)題（國(guó)產(chǎn)管壽命只有2000小時(shí)，進(jìn)口管4000小時(shí)）等都影響到紫外線燈的廣泛使用。最近低溫等離子體也開(kāi)始在空調(diào)系統(tǒng)中與空氣過(guò)濾機(jī)一起使用，但是實(shí)際效果如何還有待工程驗(yàn)證，目前價(jià)格過(guò)高嚴(yán)重的影響到這一先進(jìn)技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的推廣。因此，尋找防止空氣過(guò)濾機(jī)二次污染的措施，滅殺沉積在過(guò)濾機(jī)上的有害微生物是一項(xiàng)值得深入研究的課題。

空調(diào)機(jī)組內(nèi)被污染的空氣過(guò)濾機(jī)

4駐極體靜電過(guò)濾材料

駐極體靜電合成纖維過(guò)濾材料是對(duì)聚丙烯纖維在熔噴制造過(guò)程中進(jìn)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(guò)濾材料除了利用傳統(tǒng)空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾機(jī)理外，同時(shí)利用荷電纖維的庫(kù)侖力去實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲，因此效率增加，阻力下降[8]。目前國(guó)際上有預(yù)防病功能（包括sars?。┑氖中g(shù)口罩（n95、n97、n99）中就采用了這種過(guò)濾材料，美國(guó)2003年4月推出的抗sars空氣過(guò)濾機(jī)中也采用了這種材料[7]。

由于這種濾料，效率高、阻力低、價(jià)格便宜，因此，筆者首先將這種材料用于一般空調(diào)通風(fēng)用空氣過(guò)濾機(jī)中，當(dāng)迎風(fēng)面風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，對(duì)0.5μm的灰塵過(guò)濾效率可以達(dá)到95%以上，空氣阻力只有40pa，是傳統(tǒng)的柜式空調(diào)機(jī)組空氣過(guò)濾機(jī)無(wú)法相比的。這種空氣過(guò)濾機(jī)已經(jīng)在大型商場(chǎng)、超級(jí)市場(chǎng)、醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用近10年，取得了很好的空氣凈化效果[8]。

對(duì)生產(chǎn)工藝加以全面改進(jìn)，目前已能生產(chǎn)鈉焰法效率達(dá)到99.9999%的駐極體靜電過(guò)濾材料，同時(shí)也解決了這種過(guò)濾材料存在的均布性較差和強(qiáng)度不高的缺點(diǎn)，為高效空氣過(guò)濾機(jī)提供了一種理想的過(guò)濾材料。駐極體靜電合成纖維過(guò)濾材料的產(chǎn)品化很大程度上解決了空氣過(guò)濾機(jī)效率與阻力的矛盾。

5抗菌材料的選擇及存在的問(wèn)題

目前國(guó)際上用于空調(diào)抗菌的材料主要有：①納米氧化鈦光催化材料；②納米銀；③冷觸媒；④生物酶；⑤兒茶素等。對(duì)這些抗菌材料進(jìn)行廣泛的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)除了光催化和納米銀這兩種材料以外，其他幾種材料或是性能未能確認(rèn)，或是技術(shù)只是屬于某一家公司所有，所以決定選擇納米氧化鈦和納米銀作為空氣過(guò)濾機(jī)的抗菌試驗(yàn)材料。

納米氧化鈦和納米銀的抗菌、除臭的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的文獻(xiàn)進(jìn)行了詳盡的報(bào)道，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)暖通空調(diào)雜志也有多篇文章進(jìn)行了綜述，在此不再重復(fù)。雖然這兩種材料國(guó)際上已有成熟產(chǎn)品，目前僅日本就有1000多家生產(chǎn)光催化納米氧化鈦材料的公司[9]，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠也有如“雨后春筍”，但是畢竟良莠不齊、魚(yú)目混珠，真假難辨。

對(duì)于光觸媒二氧化鈦，目前存在的主要的問(wèn)題是：①光觸媒二氧化鈦是微粒狀的物質(zhì)，粒子的顆粒愈小時(shí)，其表面積愈大，能吸收的光能越多，效果也越好。通常二氧化鈦需要在納米級(jí)，才能有足夠的表面積進(jìn)行光觸媒反應(yīng)。但顆粒越小所需要的制作成本越大，現(xiàn)在有些制造廠為了降低成本而采用微米級(jí)的光觸媒，效率大打折扣，因此第一步必須從國(guó)內(nèi)近百家生產(chǎn)廠中選擇合格的產(chǎn)品，困難很大[10]；②太陽(yáng)能利用率低，大部分光觸媒二氧化鈦必須有紫外線光照射才能起作用，目前在普通日光下，甚至是黑暗條件下也能抗菌的納米氧化鈦材料已經(jīng)研制成功，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證[9，10]；③負(fù)載技術(shù)，納米氧化鈦產(chǎn)品為粉體狀，因此尋找既能保持高催化活性又能維持負(fù)載材料的物性，而且能均勻、牢固地使催化劑固定在負(fù)載材料表面的技術(shù)是十分困難的。

納米銀材料存在的主要問(wèn)題除了其抗菌不需要光催化外，其他與光觸媒二氧化鈦相同。

6光催化駐極體靜電空氣過(guò)濾機(jī)研制及試驗(yàn)結(jié)果

為了解決上述問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)外多種納米氧化鈦和納米銀材料進(jìn)行了調(diào)查，從中各選擇了3種產(chǎn)品，送交廣東省微生物分析檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)gb15979-2002等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行了抗菌性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，雖然經(jīng)過(guò)篩選，最后確定的6種材料的抗菌性能仍有一定的差異。對(duì)納米氧化鈦的太陽(yáng)能利用率同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，作為綜合指標(biāo)進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的普通光型納米氧化鈦的抗菌效果已經(jīng)接近光催化型納米氧化鈦。在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了負(fù)載技術(shù)研究。參考國(guó)內(nèi)外研究成果，最后決定，對(duì)納米銀材料采用合成法，即按一定比例將聚丙烯纖維切片與納米銀粉體混合，然后進(jìn)行熔噴和靜電充電，生成納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料；對(duì)于納米氧化鈦則配制成快干溶液，這種溶液具有很好的附著力，采用高壓噴霧法，可以均勻附著在駐極體靜電過(guò)濾材料上。表3是3種合成材料的抗菌性能測(cè)試結(jié)果，分別是①納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料；②納米氧化鈦駐極體靜電過(guò)濾材料；③納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料。

檢測(cè)結(jié)論是納米氧化鈦駐極體靜電過(guò)濾材料和納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料在普通光線下均具有很強(qiáng)的抗菌作用。由于空氣過(guò)濾機(jī)的抗菌功能不是要求殺滅流動(dòng)空氣中的微生物，而是需要?dú)绯练e在過(guò)濾機(jī)上的微生物，因此以上抗菌材料中的后面兩種都滿足要求。至于納米銀合成的過(guò)濾材料為何抗菌率不高，原因不清，可能試驗(yàn)所選擇的材料有關(guān)。不過(guò)，根據(jù)國(guó)內(nèi)的研究報(bào)告可以看出，國(guó)內(nèi)的納米銀無(wú)紡布具有很強(qiáng)的抗菌能力，因此建議采用低阻力納米銀無(wú)紡布作為粗效空氣過(guò)濾機(jī)，與納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料制造成高效過(guò)濾機(jī)聯(lián)合使用。

采用納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料制造成高效過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾效率測(cè)試結(jié)果如表4所示。

7結(jié)論

提高空調(diào)系統(tǒng)防御疾病傳播的功能，改善空調(diào)房間的空氣品質(zhì)，是當(dāng)前暖通空調(diào)專(zhuān)業(yè)人員一項(xiàng)義不容辭的責(zé)任和義務(wù)。將國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的過(guò)濾材料制造工藝，與確實(shí)可靠的抗菌材料有機(jī)的結(jié)合在一起，是研制新型高效、低阻力、抗菌過(guò)濾材料的一種行之有效的途徑.筆者研制成功的納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過(guò)濾材料具有很強(qiáng)的抗菌作用，采用這種材料制造的空氣過(guò)濾機(jī)效率高、阻力低、價(jià)格便宜，解決了長(zhǎng)期以來(lái)，空氣過(guò)濾機(jī)阻力大、二次污染的難題，為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，防止疾病的傳播提供了一種實(shí)用的產(chǎn)品。