空氣過濾器|高效過濾器專題 佰倫空氣過濾器已榮獲多項(xiàng)國(guó)家專利! |
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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(jìn)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(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、最無異議的可能就是空氣過濾器。無論是國(guó)外,還是國(guó)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(shí)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(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(jià)去對(duì)付高阻力帶來的一系列問題,能耗問題、噪聲問題、風(fēng)機(jī)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(xì)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(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濾材料,解決上述問題。
根據(jù)空氣過濾器的兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1,2],我國(guó)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(shí)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(fēng)量下由于過濾器積塵,而使其阻力上升并達(dá)到規(guī)定值。一般為初阻力的2倍。”[4]。表2給出了空氣過濾器的終阻力建議值 [5]。
額定風(fēng)量下的效率 (%) |
額定風(fēng)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(jì)數(shù)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(jì)數(shù)效率 |
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(zhǎng)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(dāng)采用3級(jí)空氣過濾器串聯(lián)時(shí),空氣過濾器的阻力就相當(dāng)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(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。因此空氣過濾器的阻力一直是空調(diào)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)難題。
在不考慮上述阻力,以及由于阻力過高引起的其他問題時(shí),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(xì)菌、病毒和微生物??褂鵖ARS疫情期間,美國(guó)推出的抗SARS空氣過濾器,對(duì)于0.025~0.027μm的細(xì)菌和病毒完全可以過濾掉,過濾效率高達(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)量研究過程中發(fā)現(xiàn),沉積在過濾器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(jì)計(jì)算方法必須正確;④ 壽命問題(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始在空調(diào)系統(tǒng)中與空氣過濾器一起使用,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(xiàng)值得深入研究的課題。
圖1 空調(diào)機(jī)組內(nèi)被污染的空氣過濾器
駐極體靜電合成纖維過濾材料是對(duì)聚丙烯纖維在熔噴制造過程中進(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。這種過濾材料除了利用傳統(tǒng)空氣過濾材料的過濾機(jī)理外,同時(shí)利用荷電纖維的庫侖力去實(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(guó)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(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)用空氣過濾器中,當(dāng)迎風(fēng)面風(fēng)速為0.5m/s時(shí),對(duì)0.5μm的灰塵過濾效率可以達(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(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%的駐極體靜電過濾材料,同時(shí)也解決了這種過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。
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濾器的抗菌試驗(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,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[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。
為了解決上述問題,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[11-13]進(jìn)行了抗菌性能測(cè)試。測(cè)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(duì)納米氧化鈦的太陽能利用率同時(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。
材料編號(hào) |
檢測(cè)內(nèi)容 |
大腸埃希氏菌 |
金黃色葡萄球菌 |
① |
“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
2.5×105 |
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“8小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
8.0×105 |
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|
抗菌率(%) |
無 |
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“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
2.5×105 |
6.0×105 |
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“24小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
3.8×104 |
3.8×104 |
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抗菌率(%) |
84.8 |
36.67 |
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② |
“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
3.0×105 |
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“8小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
4.5×103 |
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|
抗菌率(%) |
85.13 |
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|
“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
2.5×105 |
6×104 |
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“24小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
<10 |
<10 |
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抗菌率(%) |
99.996 |
99.98 |
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③ |
“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
3.0×105 |
|
“8小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
10 |
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抗菌率(%) |
99.93 |
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“0小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
2.5×105 |
6×104 |
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“24小時(shí)”接觸的細(xì)菌含量 |
<2 |
<2 |
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抗菌率(%) |
99.999 |
99.997 |
檢測(cè)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(qiáng)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(dòng)空氣中的微生物,而是需要?dú)绯练e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(yàn)所選擇的材料有關(guān)。不過,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(cè)試結(jié)果如表4所示。
名稱 |
測(cè)試結(jié)果 |
規(guī)格尺寸/mm |
500×600×150 |
風(fēng)量/m3/h |
500 |
面風(fēng)速/m/s |
0.5 |
過濾效率/% |
99.99 |
空氣阻力/Pa |
62 |
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(qiáng)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(jià)格便宜,解決了長(zhǎng)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(shí)用的產(chǎn)品。
[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(jì)大學(xué)出版社,1998
[4] GB12218-89.一般通風(fēng)用空氣過濾器性能試驗(yàn)方法
[5] 蔡杰.空氣過濾ABC.北京:中國(guó)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(fēng)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(yàn)方法.
[12] 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.消毒技術(shù)規(guī)范——抑菌試驗(yàn).2002
[13] 日本食品分析中心.抗菌材料(制品)模覆蓋法
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