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高效低阻力抗菌空氣過濾器研制

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(xùn)和警示，更多的則是人類應(yīng)該如何去防御疾病的侵襲，如何去預(yù)防，去醫(yī)治這些危害人類健康生存的疾病。今天，“健康”的概念已經(jīng)進入人類生活的方方面面，自然“健康”也成了暖通空調(diào)專業(yè)研究、開發(fā)、制造的重點，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、最無異議的可能就是空氣過濾器。無論是國外，還是國內(nèi)，空氣過濾器已經(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(chǎn)生嚴重的二次污染，因此不得不采取其他措施，由此又產(chǎn)生了一系列新問題。

本文研究的重點，就是企圖從目前國內(nèi)外已經(jīng)進入市場的諸多空氣凈化技術(shù)中篩選出若干成熟的、有效的、價格便宜的技術(shù)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(jù)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(yīng)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(guī)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 

表2 空氣過濾器終阻力的建議值 

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(lián)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(diào)系統(tǒng)，再加上表冷器、加熱器、加濕器等空氣處理設(shè)備和風道的阻力，不但導(dǎo)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(diào)設(shè)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(xiàn)行的空氣過濾器幾乎可以攔截空氣中所有的物質(zhì)，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(nèi)空氣質(zhì)量研究過程中發(fā)現(xiàn)，沉積在過濾器上的微生物如果不及時加以處理，將產(chǎn)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(xué)大氣生物工程研究所報道的空調(diào)機組內(nèi)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(yīng)用最廣，也是最成熟，最有效的一種措施[7]。但是隨之產(chǎn)生的一系列問題：① 一次投資增加；②需要有足夠的安裝空間；③ 設(shè)計計算方法必須正確；④ 壽命問題（國產(chǎn)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(diào)系統(tǒng)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(shù)在空調(diào)系統(tǒng)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。

圖1 空調(diào)機組內(nèi)被污染的空氣過濾器

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(tǒng)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(xiàn)對微粒的捕獲，因此效率增加，阻力下降[8]。目前國際上有預(yù)防病毒功能（包括SARS病毒）的手術(shù)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(diào)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(tǒng)的柜式空調(diào)機組空氣過濾器（一般為尼龍網(wǎng)）無法相比的。這種空氣過濾器已經(jīng)在大型商場、超級市場、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]。

對生產(chǎn)工藝加以全面改進，目前已能生產(chǎn)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(chǎn)品化很大程度上解決了空氣過濾器效率與阻力的矛盾。

5 抗菌材料的選擇及存在的問題

目前國際上用于空調(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。對這些抗菌材料進行廣泛的調(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，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濾器的抗菌試驗材料。

納米氧化鈦和納米銀的抗菌、除臭的機理，國內(nèi)外已有相當多的文獻進行了詳盡的報道，近年來，國內(nèi)暖通空調(diào)雜志也有多篇文章進行了綜述，在此不再重復(fù)。雖然這兩種材料國際上已有成熟產(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]，國內(nèi)的生產(chǎn)廠也有如“雨后春筍”，但是畢竟良莠不齊、魚目混珠，真假難辨。

對于光觸媒二氧化鈦，目前存在的主要的問題是：① 光觸媒二氧化鈦是微粒狀的物質(zhì)，粒子的顆粒愈小時，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，才能有足夠的表面積進行光觸媒反應(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的光觸媒，效率大打折扣，因此第一步必須從國內(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，但需要進一步驗證[9，10]；③ 負載技術(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載材料的物性，而且能均勻、牢固地使催化劑固定在負載材料表面的技術(shù)是十分困難的[10]。 
納米銀材料存在的主要問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濾器研制及試驗結(jié)果

為了解決上述問題，對國內(nèi)和國外多種納米氧化鈦和納米銀材料進行了調(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中心進行檢測，根據(jù)GB15979-2002等標準、規(guī)范規(guī)定的測試方法[11-13]進行了抗菌性能測試。測試結(jié)果表明，雖然經(jīng)過篩選，最后確定的6種材料的抗菌性能仍有一定的差異。對納米氧化鈦的太陽能利用率同時進行了測試，作為綜合指標進行了篩選，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)開發(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。在上述測試的基礎(chǔ)上，進行了負載技術(shù)研究。參考國內(nèi)外研究成果，最后決定，對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，然后進行熔噴和靜電充電，生成納米銀駐極體靜電過濾材料；對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濾材料上。表3是3種合成材料的抗菌性能測試結(jié)果，分別是① 納米銀駐極體靜電過濾材料；②納米氧化鈦駐極體靜電過濾材料；③納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過濾材料。

表3 抗菌材料分析檢測結(jié)果（細菌含量單位cfu/cm2） 

檢測結(jié)論是納米氧化鈦駐極體靜電過濾材料和納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過濾材料在普通光線下均具有很強的抗菌作用。由于空氣過濾器的抗菌功能不是要求殺滅流動空氣中的微生物，而是需要殺滅沉積在過濾器上的微生物，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濾材料為何抗菌率不高，原因不清，可能試驗所選擇的材料有關(guān)。不過，根據(jù)國內(nèi)的研究報告可以看出，國內(nèi)的納米銀無紡布具有很強的抗菌能力，因此建議采用低阻力納米銀無紡布作為粗效空氣過濾器，與納米氧化鈦、納米銀駐極體靜電過濾材料制造成高效過濾器聯(lián)合使用。

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

表4 納米銀駐極體靜電高效過濾器測試結(jié)果 

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)，是當前暖通空調(diào)專業(yè)人員一項義不容辭的責任和義務(wù)。將國內(nèi)外先進的過濾材料制造工藝，與確實可靠的抗菌材料有機的結(jié)合在一起，是研制新型高效、低阻力、抗菌過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濾材料具有很強的抗菌作用，采用這種材料制造的空氣過濾器效率高、阻力低、價格便宜，解決了長期以來，空氣過濾器阻力大、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用的產(chǎn)品。

參考文獻

[1]GB/T14295-93.空氣過濾器

[2] GB13554-92.高效空氣過濾器

[3] 許鐘麟.空氣潔凈技術(shù).上海：同濟大學(xué)出版社，1998

[4] GB12218-89.一般通風用空氣過濾器性能試驗方法

[5] 蔡杰.空氣過濾ABC.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003

[6] www.FDAinfo.com

[7] UVGIDesign Basics for Air and Surface Disinfection .HPAC Engineering 2000.1

[8] 殷平.駐極體靜電空氣過濾器及其應(yīng)用.建筑熱能通風空調(diào).1999.3

[9] http://www.pipt.cn/nature5.php

[10] 高濂，鄭珊，張青紅.納米氧化鈦光催化材料及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

[11] GB15979-2002.產(chǎn)品抑菌和殺菌性能與穩(wěn)定性試驗方法.

[12] 中華人民共和國衛(wèi)生部.消毒技術(shù)規(guī)范——抑菌試驗.2002

[13] 日本食品分析中心.抗菌材料（制品）模覆蓋法

來源：wngfyfv.cn

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