PM2.5空氣凈化之四 PM2.5控制技術(shù)
來(lái)源： 閱讀：4786 更新時(shí)間：2012-02-10 15:25控制PM2.5進(jìn)入室內(nèi)
面對(duì)大氣中顯著上升的PM2.5水平，我們除了被動(dòng)的忍受，有沒(méi)有什么辦法能夠主動(dòng)的改善？雖然從宏觀層面上看，提升空氣質(zhì)量的根本途徑必須依賴政府通過(guò)行政、法律、經(jīng)濟(jì)等綜合手段進(jìn)行長(zhǎng)期的治理才能有所好轉(zhuǎn)。但在微觀層面，使用一些現(xiàn)成的空氣凈化產(chǎn)品或許是最現(xiàn)實(shí)，也是最有效的手段。尤其是對(duì)人們生活時(shí)間較多的室內(nèi)環(huán)境，選用合適的新風(fēng)產(chǎn)品可以將多數(shù)大氣中的PM2.5拒之于門窗外。這樣的產(chǎn)品至少應(yīng)具有以下幾個(gè)功能段：
(1) 初效空氣過(guò)濾器
初效空氣過(guò)濾器一般作為新風(fēng)處理的第一道工序，主要用于過(guò)濾5μm以上顆粒。
(2) HEPA(高效空氣過(guò)濾器)
高效空氣過(guò)濾器是目前被廣泛使用的一種多層凈化技術(shù)。其過(guò)濾介質(zhì)由細(xì)微玻璃纖維制成，厚度和質(zhì)地與吸墨紙非常相似。HEPA高效過(guò)濾器一向被認(rèn)為對(duì)所有0.3微米和更大的顆粒最低去除率高達(dá)99.97%。根據(jù)美國(guó)肺臟協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，稱得上是“真正”的HEPA高效過(guò)濾器，必須使穿透過(guò)濾媒介的顆粒比例不得高于萬(wàn)分之三。
合格的高效空氣過(guò)濾器是去除新風(fēng)中PM2.5的主力軍。無(wú)論是無(wú)機(jī)顆粒、有機(jī)顆粒還是微生物顆粒，只要在直徑上不小于0.3微米，則可以獲得較為滿意的去除效果。
然而，如果過(guò)濾器材的孔徑僅僅限定在可以去除PM2.5，則它并不能從根本上解決新風(fēng)質(zhì)量的問(wèn)題。因?yàn)檫@時(shí)只去除了室外空氣中的氣溶膠態(tài)污染物，而對(duì)其中直徑只有0.001微米左右的氣態(tài)污染物，HEPA也是“大門敞開”。另一方面，PM2.5造成的危害，甚至PM2.5自身的形成過(guò)程，都與氣態(tài)污染物密切相關(guān)。如果不能把絕大多數(shù)氣態(tài)污染物同時(shí)拒之于門窗外，它們進(jìn)入室內(nèi)后，可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為PM2.5。因此，必須對(duì)新風(fēng)進(jìn)行分子級(jí)過(guò)濾，這就是下面要提到的氣體污染過(guò)濾器。
(3) 氣體污染過(guò)濾器
對(duì)于氣態(tài)污染物，常見的處理技術(shù)包括活性炭吸附、等離子/負(fù)離子凈化、光催化氧化（光觸媒）等。下面對(duì)它們的原理作一簡(jiǎn)單介紹：
等離子凈化--當(dāng)氣態(tài)污染物經(jīng)過(guò)等離子發(fā)生器時(shí)，在高壓脈沖電場(chǎng)中，通過(guò)前后沿陡峭、脈寬極窄（ns）的高壓脈沖電暈放電，在常溫下獲得非平衡高能低溫等離子體，即產(chǎn)生大量高能電子（約5eV）和具有極強(qiáng)氧化性能的羥基自由基（·OH、·HO2、·O ）、以及氧化性極強(qiáng)O3 等高能活性粒子，與有機(jī)物分子進(jìn)行非彈性碰撞，使有機(jī)物分子化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生一系列復(fù)雜氧化、降解化學(xué)反應(yīng)，最終使污染性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳和水，使新風(fēng)得到凈化。
負(fù)離子凈化--負(fù)離子是通過(guò)負(fù)離子發(fā)生器中的電子脈沖振蕩電路將低電壓升至直流負(fù)高壓，利用針尖或碳刷尖端直流高壓產(chǎn)生高電暈，高速地放出大量的負(fù)電荷（e-），而負(fù)電荷無(wú)法長(zhǎng)久存在于空氣中，并立刻會(huì)被空氣中的氧分子（O2）捕捉，形成負(fù)離子。負(fù)離子與空氣中帶正電的灰塵結(jié)合，然后沉淀到地板或其他表面上，起到清新空氣用。
光催化氧化（光觸媒）--絕大多數(shù)光催化氧化都采用TiO2作為催化劑，關(guān)于它的催化機(jī)理一般認(rèn)為：在波長(zhǎng)小于380nm光的照射下，TiO2的價(jià)帶電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶而形成電子-空穴對(duì)，所形成的電子-空穴對(duì)遷移到半導(dǎo)體顆粒表面后可以被表面的物種捕獲。光激導(dǎo)帶電子與吸附在催化劑表面的O2結(jié)合形成.O2-，再經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成.OH自由基？昭ㄅc吸附在表面的水或覆蓋在催化顆粒表層的羥基反應(yīng)也能形成.OH自由基。由于形成的.OH自由基具有高度的化學(xué)反應(yīng)性，因而可以使催化劑表面吸附的有機(jī)物發(fā)生一系列化學(xué)變化，并最終氧化成CO2和其他無(wú)機(jī)物。
上述三種氣體污染處理技術(shù)均獲得了不同程度的實(shí)際應(yīng)用。尤其是光催化氧化技術(shù)，可以將許多有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物質(zhì)，反應(yīng)迅速且徹底，對(duì)人體無(wú)傷害，因此在室內(nèi)空氣凈化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，這三種技術(shù)也存在一些相似的局限之處：
1.對(duì)無(wú)機(jī)污染物，如大氣中常見的SO2、NOX等并不能徹底清除，因?yàn)檫@些無(wú)機(jī)污染物的最終產(chǎn)物仍然是硫氧化物和氮氧化物。
2.存在安全隱患。等離子/負(fù)離子凈化需高壓電離空氣，可能分解出氮族等有害氣體，以及超標(biāo)的O3、NOX、N+、重離子；光催化氧化多數(shù)需配備紫外光源進(jìn)行激發(fā)，也有潛在問(wèn)題。
3.處理的峰值負(fù)荷較小。等離子/負(fù)離子凈化的能量完全來(lái)自電能；光催化氧化雖可利用自然光能但畢竟是納米材料，也受到能量的制約。此外，氣體在處理設(shè)備中的滯留時(shí)間很短，某些污染物可能未被及時(shí)處理就進(jìn)入室內(nèi)，也就是發(fā)生了“旁通”現(xiàn)象。
除此之外還有 活性碳凈化以及CA的氣相媒體凈化
活性碳凈化 --活性碳吸附是物理吸附，也稱為范德華吸附；钚蕴繉(duì)有害氣體的吸附，主要利用的是它巨大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，在其表面與氣體分子之間形成了范德華力—這是一種分子間作用力達(dá)成. 其組成物質(zhì)除了炭元素外，尚含有少量的氫、氮、氧及灰份，其結(jié)構(gòu)則為炭形成六環(huán)物堆積而成。由于六環(huán)炭的不規(guī)則排列，造成了活性炭多微孔體積及高表面積的特性。
活性炭表面積包括內(nèi)表面積和外表面積，事實(shí)上吸附性質(zhì)主要來(lái)自巨大的內(nèi)表面積；钚蕴课⒖椎目紫度莘e一般只有0.25-0.9mL/g，孔隙數(shù)量約為1020個(gè)/g,全部微孔表面積約為500-1500m2/g。活性炭幾乎95%以上的表面積都在微孔中，因此除了有些大分子進(jìn)不了外，微孔是決定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容積一般約為0.02-1.0mL/g，表面積最高可達(dá)幾百平方米。
CA的氣相媒體凈化— CA的氣相媒體凈化是傳統(tǒng)化學(xué)吸附基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，包括以下四種主要機(jī)制：
Adsorption 吸附
吸附是一種物理過(guò)程，污染物（液體，氣體或懸浮物）會(huì)吸附在吸附劑材料的表面或是毛孔內(nèi)。吸附是一個(gè)可逆過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，又稱范德華吸附。
Absorption 吸收
吸收是指污染物滲透到另一種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中的過(guò)程，這是不同于吸附的地方，吸附是一種物質(zhì)存在于另一種物質(zhì)的表面。
Chemisorption 化學(xué)吸附
化學(xué)吸附類似于物理吸附過(guò)程，化學(xué)吸附是指由吸附劑與污染物之間產(chǎn)生的化學(xué)作用而產(chǎn)生的吸附。化學(xué)吸附是通常被認(rèn)為是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的進(jìn)程。
Catalysis 催化
催化是一個(gè)過(guò)程，在催化劑的作用下形成另一種物質(zhì)的化學(xué)變化。這種變化（通常是導(dǎo)致或加速化學(xué)反應(yīng)），將去除污染物而催化劑本身沒(méi)有發(fā)生任何變化。
更具體地說(shuō)，Circul-Aire采取了綜合四種主要的去除機(jī)制用來(lái)消除空氣中化學(xué)污染物。
下面再來(lái)看看活性炭吸附與CA的氣相媒體凈化之間的對(duì)比。由于兩者存在某些表觀上的相似性，故作一處討論：
活性炭對(duì)有害氣體的吸附，主要利用的是它巨大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，在其表面與氣體分子之間形成了范德華力—這是一種分子間作用力，因此決定了它不是很強(qiáng)，一般只有每摩爾幾千焦至幾十千焦，比化學(xué)鍵的鍵能小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。而在Multi-Mix®中，表面物理吸附僅僅是第一步，后續(xù)的化學(xué)吸附才是核心步驟。表面催化為化學(xué)吸附降低了活化能，大大提高了反應(yīng)速度，使化學(xué)吸附能在很短的時(shí)間里完成。而化學(xué)吸附一旦完成，由于其固有的特性，具有其它處理技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)：
1） 化學(xué)鍵的形成是化學(xué)吸附的本質(zhì)。不同于范德華力，化學(xué)鍵是指分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）間強(qiáng)烈的相互作用力。由于它比范德華力大得多，化學(xué)吸附的穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)物理吸附。因此，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生突然變化時(shí)，活性炭的物理吸附可能發(fā)生脫附，而化學(xué)媒體的化學(xué)吸附則穩(wěn)定如常；瘜W(xué)媒體的應(yīng)用，確保了CA新風(fēng)產(chǎn)品的氣體凈化效率。
2） 如前所述，活性炭主要依靠自身的表面積起到凈化作用，而化學(xué)媒體除了也具有巨大的表面積外，更重要的是充分利用了整個(gè)三維體積。物理化學(xué)吸附的有機(jī)結(jié)合，使得媒體的利用過(guò)程由表及里，最終達(dá)到內(nèi)部核心才告消耗。例如，MM-1000媒體表面完全變色時(shí)，其使用壽命僅僅消耗了約20%。化學(xué)媒體相對(duì)活性炭的壽命優(yōu)勢(shì)，正是三維相對(duì)二維的維度優(yōu)勢(shì)，這確保了CA新風(fēng)產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的使用期限，大大減少了過(guò)濾材料的更換頻率。
3） 化學(xué)吸附具有更加可靠的廣譜性。室內(nèi)外的氣體污染物成分極為復(fù)雜，例如室外空氣中主要含有NOX、SOX、碳?xì)浠衔锏龋鼈冎饕獊?lái)自汽車尾氣；而室內(nèi)空氣中較多的是VOCs、甲醛等有機(jī)物，它們來(lái)自人體代謝、裝飾家居和特定設(shè)備。對(duì)種類多達(dá)數(shù)百種的有害氣體，活性炭雖然均具有一定的處理效果，但差別是很大的，由此導(dǎo)致了它往往并不能很好地應(yīng)對(duì)某一種具體污染物。化學(xué)媒體則截然不同，它是為應(yīng)對(duì)大氣和室內(nèi)污染而專業(yè)設(shè)計(jì)的配方，因此對(duì)這種場(chǎng)合下的幾乎所有氣體污染物均有著極高的捕獲效率。兩者之間的差別好比游擊隊(duì)與正規(guī)軍。
此外，化學(xué)吸附的最終產(chǎn)物是穩(wěn)定固體、二氧化碳與水，均是無(wú)公害產(chǎn)物。它把NOX、SOX中的氮硫元素固定在產(chǎn)物中，不再以氣體形式存在。
4） CA的化學(xué)媒體具有嚴(yán)密的質(zhì)量控制和保證。Multi-Mix®媒體介質(zhì)通過(guò)了UL1級(jí)認(rèn)證，不燃且無(wú)毒無(wú)公害。在北美，使用后的媒體無(wú)需專門處理即可填埋。
CA的主要優(yōu)勢(shì)之一正是在氣態(tài)污染物處理方面的行業(yè)資深地位。CA獨(dú)有的Multi-Mix®化學(xué)凈化媒體是一個(gè)久經(jīng)考驗(yàn)的氣相凈化媒體，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如潛艇中空氣成分的控制和防化設(shè)施。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，Multi-Mix®已形成了龐大齊全的媒體家族，擁有百十種在特定應(yīng)用場(chǎng)合表現(xiàn)出色的專業(yè)媒體，其中MM-1000和MM-3000兩種媒體普遍適用于多數(shù)場(chǎng)合下新風(fēng)中氣態(tài)污染物的凈化。
綜上所述，只有兼具去除氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物功能的新風(fēng)產(chǎn)品，才能完全應(yīng)對(duì)PM2.5對(duì)室內(nèi)環(huán)境和人體健康的挑戰(zhàn)。從這個(gè)意義上看，氣體污染過(guò)濾器和高效空氣過(guò)濾器同樣都是其中的重要一環(huán)，在CA的所有新風(fēng)產(chǎn)品中，我們也一直秉持這樣的理念。請(qǐng)參考下圖，污染的空氣經(jīng)過(guò)粗效過(guò)濾器、氣體污染過(guò)濾器和高效過(guò)濾器后進(jìn)入室內(nèi)，徹底去除了PM2.5類氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物：
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