室内、车载空气净化器用滤网发展现状及趋势

徐荣，袁静，蔡婷，童琴，赵昆峰，2，何丹农，2

（1 纳米技术及应用国家工程研究中心，上海200241；2 上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240）

人类每天呼入的空气量为20～30kg，而每天摄取的食物和水只有3～4kg[1]。对大部分人来说，90%的时间是在室内度过的。随着物质生活水平提高，汽车已经成为人们出行的代步工具，人们在车内生活的时间越来越长，平均每天约有1.3h[2]。因此，室内和车内空气污染对人体影响非常大，是威胁人类健康的“隐形杀手”。

世界权威的医学期刊《柳叶刀》在其专栏中声称空气污染的危险被大大低估了，每年大约有320万人因室外空气污染而死亡，有350万人因室内空气污染而死亡[3]。中国室内装饰协会环境监测中心调查数据表明，中国每年由室内空气污染导致的死亡人数可达11.1 万，平均每天304 人死亡[4]。中国室内装饰协会空气监测中心曾对200 辆车进行检测，数据表明：参照室内空气质量标准，近90%的测试车辆都存在车内空气甲醛或苯含量超标问题，而且大部分车辆甲醛超标都在5～6 倍以上，其中新车车内的空气质量最差[5]。澳大利亚科学家曾测试发现新车出厂后，车内有害气体浓度的挥发时间可持续6个月以上[6]。

室内和车内空气污染物具有来源广、种类多和排放周期长等显著特点。空气净化器是治理室内和车内空气污染的有效手段，而空气净化器滤网作为核心部件，一直是发展的重点与难点。随着空气净化技术不断革新，新型的空气净化滤网也不断涌现。目前市场上的空气净化器滤网种类繁多，有初、中效滤网，高效过滤网（high efficiency particulate air filter，HEPA），传统型活性炭滤网，负载型活性炭滤网，静电集尘滤网，贵金属催化式滤网，非贵金属催化式滤网，光触媒滤网，等离子滤网和多功能滤网等。本文结合室内和车内空气污染物的特点，对上述各种滤网进行了综述与分析，并提出了未来的发展趋势。

1 主要污染物及危害

室内和车内空气污染物具有复杂多样性，污染物的种类和浓度决定了空气污染的危害性强弱。对污染物种类和危害的深入认识，可以针对性选择和优化净化滤网，实现对空气污染的高效治理。本文从污染物的性质及来源两方面进行室内和车内主要污染物及危害介绍。

1.1 室内空气主要污染物

室内空气污染物包括可吸入颗粒物污染、化学污染、生物污染和物理污染。可吸入颗粒物污染有烟草烟雾和烹调等室内污染源；当缺乏明显室内污染源时，雾霾天的室外空气是室内颗粒最主要的来源。化学污染物主要是从装修涂料和板材、家具装饰用品以及厨房卫生间等释放出来的氨、氮化物、硫化物、碳化物等无机污染物和甲醛、苯、二甲苯等挥发性有机污染物（volatile organic compounds，VOCs）。生物污染物主要是由室内不洁净的地方如厨房、卫生间等；湿度较大的季节如梅雨天气，在通风不好的情况下产生的一些霉菌等微生物。物理污染物主要是水泥及其制品释放出来的氡气和衰变微粒子；山石材及山石材制成的大理石、卫生洁具、地板等释放出的射线等造成的放射性污染。通过对室内空气质量检测发现，在室内可检测出约300多种污染物，造成室内空气污染最严重也最普遍的是化学污染物，主要是甲醛、苯、二甲苯、醚类和酯类等。

1.2 车内空气主要污染物

车内空气污染物包括可吸入颗粒物污染、化学污染物和生物污染物。污染物来源广泛，主要有以下5个途径。车身：车内塑料件及座椅等汽车配件和材料中的有害气体，如甲醛、苯系物的释放。皮革及车内装饰品：皮革制品释放的甲醛，车内装饰中胶黏剂释放的甲醛、苯、甲苯、二甲苯及其他挥发性有机物。汽车空调：汽车空调长时间不清理，会附着大量污垢，容易造成细菌滋生，同时有异味产生。尾气排放：汽车行驶在道路上，尾气排放出的氮氧化物、硫化物、碳氢化合物、可吸入颗粒物和一氧化碳等。车内吸烟：司机和乘客吸烟，会大大增加挥发性有机化合物、一氧化碳和可吸入颗粒物，同时散发出的气味也会长时间停留车内。车内污染最严重的是甲醛、VOCs 和可吸入颗粒物，狭小的车内空间加剧了污染物对人体的伤害。污染物可损害皮肤、呼吸、心血管等，轻则引起头晕、胸闷、呼吸道炎症，重则致癌。

2 净化滤网发展现状

空气净化器滤网是空气净化器的核心部件，其对污染物的净化效率以及在复杂污染条件下的稳定性，对空气净化效果有很大影响。根据净化滤网的工作原理，可将滤网分为过滤式滤网、吸附式滤网、催化式滤网及多功能滤网。

2.1 过滤式滤网

2.1.1 初、中效滤网

初效过滤器主要用于过滤5μm 以上的尘埃粒子，材质可以是金属孔网、尼龙网、无纺布等；中效过滤器则主要用于过滤1～5μm的颗粒灰尘及各种悬浮物，材质为玻璃纤维或者无纺布。初、中效滤网可以过滤掉尺寸较大的颗粒物，但对于细颗粒和化学污染物几乎没有净化效果。但其与其他滤网配合使用，能够有效保护后面的高效过滤网、吸附式滤网、催化式滤网以及多功能滤网，是每台净化器必备的滤网之一。

2.1.2 HEPA滤网

HEPA 滤网是国际公认最好的高效滤网。HEPA分聚丙烯（PP）滤纸、玻璃纤维、复合聚丙烯-聚乙烯（PP-PET）滤纸、熔喷涤纶无纺布和熔喷玻璃纤维这5种材质。其中玻璃纤维材质的滤网虽然单次效率很高，但是其风阻很大，需要配合很强大的电机以解决压损的问题，另外玻璃纤维滤网的成本比PP 熔喷的要高很多，并且存在细微粉末被吹出来的风险。在普通空气净化器中应用较少。

空气净化器的处理能力不仅与滤网等级有关，还与吸入空气体积有关。过高的单次过滤效率，可能会因其风阻大使得吸入空气体积明显减少，导致整体处理能力降低。因此，滤网等级的选取本质上应该是诸多因素的平衡，并不是越高越好或者越低越好。譬如对普通家用空气净化器来说，一般选取欧标EN1822:2009标准中E12等级（单次过滤效率＞99.5%）即可。但是HEPA 滤网只对悬浮颗粒物有效，无法处理包括甲醛在内的各种挥发性气体，因此HEPA滤网一般会与吸附式滤网、催化式滤网以及多功能滤网等配合使用。

2.2 吸附式滤网

2.2.1 传统型活性炭滤网

活性炭含有丰富的多孔结构、大的内表面积、高的表面反应性和吸附能力[7]，因此在空气净化领域得到广泛应用。市场上可以处理气体的吸附剂主要有5种，即活性炭、活性炭纤维、沸石、腐植酸和煤质吸附剂，其中活性炭因其吸附性能好，价格便宜，是最为常见的吸附剂。活性炭按制造使用的主要材质可分为5 类，即煤质活性炭、木质活性炭、椰壳活性炭、合成材料活性炭和其他类活性炭。按产品形状，活性炭分为6 类，即柱状活性炭、蜂窝状活性炭、颗粒活性炭、粉状活性炭、球形活性炭、炭纤维布和炭纤维毡。在空气净化器行业，硬度大、强度高、空隙为微孔的活性炭应用最为广泛。其中，椰壳活性炭以其吸附能力强、床层阻力小、易再生和经久耐用等优点成为空气净化行业最为常见的活性炭。活性炭虽能吸附微生物、病毒和一定量的重金属，并能够吸附甲醛、苯、二甲苯等易挥发性有机物，但是传统活性炭以物理吸附为主，吸附能力有限，容易饱和。吸附饱和后易脱附，变成新的污染源，容易造成二次污染。

2.2.2 负载型活性炭滤网

近年来，为了进一步降低风阻、增加接触面积，各种形式的负载型活性炭越来越引起大家的关注。采用高分子黏结材料将活性炭负载在无胶棉过滤网基材上的海绵负载活性炭（碳棉），大大增加了活性炭与空气的接触面积，而且风阻小，成为空气净化器滤网，尤其是车载空气净化器滤网是较为常见的形式之一。为了进一步减轻滤网质量、有效地提高接触面积和降低风阻，同时便于组装加工，开发了纸质或者纤维材质蜂窝负载型活性炭，其进一步分为防水型和非防水型。这几种形式负载的活性炭滤网，虽减少了活性炭使用量，滤网材质有所减轻，但是由于活性炭物理吸附能力仍然有限，因此仍需进一步改良。

2.2.3 静电集尘滤网

静电集尘滤网的原理是通过放电极在空间加一高压电场，使得颗粒带电，在电场力作用下颗粒粉尘向集尘板运动，吸附于集尘板达到除尘目的。这种滤网采用的静电集尘技术是空气净化行业应用最早的除尘技术，广泛应用于尘粒收集，具有高达99.9%收集效率和低的压降[8]。由于集尘网可以通过水洗的方式清洁，所以采用这类技术的产品号称“无耗材”。此外，采用静电集尘滤网的净化器还有风阻小、噪声低和容尘量大等优点。虽然静电集尘技术简单，但并非家用空气净化器的主流技术，因为在其使用过程中会产生臭氧，研究表明，当臭氧浓度达到40×10-3μL/L，就会对人体健康带来危害。而且静电集尘滤网每隔14 天需要用户拆下清洗，维护困难，而且集成滤网高压发生极脆弱，清洗不当易引起电气隐患。

2.3 催化式滤网

2.3.1 贵金属催化式滤网

为了解决活性炭净化中的吸附易饱和、存在二次污染的问题，开发室温下有效催化降解VOCs，尤其是室内空气污染最常见的甲醛气体的催化剂成为行业热点和难点。金、铂、铑、钯、银、钌、铱等贵金属催化剂由于其低温氧化活性首先吸引了研究者关注，尤其是在铂、钯、金和银这4种贵金属催化剂[9]。

Peng等[10]对二氧化钛负载不同贵重金的催化剂进行了研究，发现催化活性顺序为：Pt/TiO2＞Pd/TiO2＞Rh/TiO2，而且Pt/TiO2在室温下即可催化降解甲醛。最近，Nie等[11]对Pt负载在TiO2-棉纤维的复合催化材料进行了研究，发现负载质量分数为0.75%的Pt 即可在室温下将HCHO 降解成CO2和H2O。Peng等[12]用La掺杂Pt/TiO2，发现仅负载质量分数为0.01%的Pt催化剂就表现出优越的净化效率和高的稳定性。Kim等[13]对Pt/TiO2体系催化氧化甲醛的机理进行了分析，甲醛首先与表面活性氧反应生成中间态产物甲酸，甲酸被氧化成吸附态CO，最终吸附态CO 被氧化成CO2。贵金属催化剂具有优异的低温催化活性，但由于其昂贵的价格，限制了其在空气净化器行业的应用。

2.3.2 非贵金属催化式滤网

价格便宜、稳定性高的金属氧化物催化剂是最具潜力的除VOCs 材料。甲醛氧化活性较好的过渡金属材料是Mn、Co 和Cr 等，而Ce、Sn、Cu 和Zr等经常作为改性助剂加入以制备复合材料[14]。2002年，Sekine 等[15-16]对Mn、Ti、Ce、W、Cu、La、Zn、Fe、Co 等的金属氧化物进行了筛选，发现MnO2具备高的甲醛催化降解活性，并且检测到分解产生无毒无害的CO2。自此之后，有关MnOx对甲醛的催化氧化研究成为研究热点。Hao 和He 所在团队[17-18]制备了水钠锰矿、斜方锰矿、单斜矿、软锰矿、锰钾矿和钡镁锰矿，他们发现锰钾矿具有最好的甲醛催化氧化活性。2015 年以来，清华大学张彭义团队对MnOx基材料，从层状[19-20]、水钠锰矿[21-22]、铈改性水钠锰矿[23]到原位负载进行了系列研究。结果表明，锰基材料在室温下即可将甲醛降解为CO2和H2O，但低浓度下（0.5mg/m3）其转化效率有待进一步提高。纳米技术及应用国家工程研究中心何丹农、赵昆峰研究团队[24-30]对锰基材料室温催化降解甲醛材料进行了系统研究，发表了一系列研究成果，结果表明，通过特定方法制备负载的锰基材料可实现室温下降解甲醛，净化效率高达100%。

非贵金属催化剂可实现室温降解有毒有害挥发性有机物催化材料，但粉体材料在应用过程中存在压降大、易流失等诸多缺点，无法应用到空气净化器滤网中。将非贵金属催化剂粉体高效地负载固定在载体上，如颗粒状活性炭[31]、分子筛或者硅藻土[32]等应用于空气净化滤网，可实现长效降解甲醛，并且具有较高的性价比。

2.3.3 光触媒滤网

光触媒过滤网是另外一个前期比较热门的处理VOCs 的方式。以纳米二氧化钛光触媒为原料，结合最新技术使光触媒以最小的颗粒均匀附着在不同物质表面，以太阳光、日光灯、紫外光为能源，激发价带上的电子（e-）跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h+），生成具有极强氧化作用的活性氧和羟基自由基，将甲醛、甲胺、苯、二甲苯等有机物和细菌等氧化分解成无害的CO2和H2O，达到净化空气的目的。

二氧化钛以其活性高、热稳定性好、持续时间长、价格便宜等优点备受大家重视。然而其存在可见光区活性不高的问题，通过掺杂将银[33]、铜[34]、铈[35]、硅[36]、镧[37]、锰[38]、钨[39]等金属引入到缺陷位置、改变结晶度或者形貌等方式来抑制电子与空穴的复合、延长载流子的寿命，从而改善了可见光区光催化活性。通过在泡沫镍[40]、硅藻土[41]、活性炭纤维[42]和活性炭[43]等载体上涂覆或成膜，解决了粉末二氧化钛的分离与回收问题，同时进一步提高其光催化性能。

光催化降解VOCs 能够降解大部分有毒挥发性有机物，但是可见光照射时，催化剂降解效率较低。结合湿法洗涤工艺，光催化可以有效降解甲苯[44]，但是装置复杂，不适合推广应用。市场上有部分紫外灯照射的光催化剂虽然效率有所提高，但是紫外线是短波高辐射，对人体细胞是有杀伤的，因此其适用范围有一定的局限性。光催化还有两个问题：一是对于分子量较高、较难降解的有机分子，不能被催化氧化到二氧化碳和水，而是一些小分子的有机物，这些小分子有机物可能毒性更高；二是会产生臭氧，虽然可以解决，但是在消费者不知情的情况下，不做处理会对身体造成伤害。

2.3.4 等离子滤网

等离子体是区别于固、液、气3 种状态的第4种状态，它主要由正负带电粒子和中性粒子组成[45]，这些粒子轰击气体分子，使其激活、分解、电离，借此产生大量具有氧化性的自由基等物质，利用这些氧化性物质可以氧化一些有害气态污染物。同时，它还具有一部分静电除尘的功能，也会产生大量负离子，可以吸附颗粒污染物，使其加快沉降。但是要达到理想处理效果，等离子设备功耗要达到500W·h以上，因此与其他空气净化技术相比其能耗比较高。在传统等离子体技术基础上，出现了催化型低温等离子体技术，通过对其进行一定的改进和创新，实现能耗降低，净化效果增强。但是，在等离子体高压放电过程中，会产生氮氧化物和臭氧等副产物，对人体有害，因此该技术在民用空气净化领域目前还没有大规模应用，仍然需要进一步研究。

2.4 多功能滤网

目前常见的多功能滤网为HEPA-活性炭复合滤网，即夹碳布。其结构简单：将HEPA滤网与活性炭滤网合二为一，实现一个滤网既能过滤颗粒物，又能净化甲醛等VOCs气体污染物。催化材料室温下能够催化降解有机物，有望与HEPA 网结合，实现污染物的长效治理。

选用市场上常见的夹碳布、锰基材料滤网和改性活性炭滤网，装载在纳米技术及应用国家工程研究中心开发的D6-CAP-18S车载净化器中，按国标GBT 18801—2015 在3m3的空气净化舱对其进行除甲醛CADR值测试，测试结果见表1。

表1 装载3种形式滤网车载净化器除甲醛CADR值

表1测试结果表明，锰基材料表现出明显优越性，以夹碳布一半的负载量就达到了较高的CADR值。将上述3种材料进行了甲醛净化动态测试，进气端持续通入10mg/m3的甲醛/空气污染气体，出气端进行甲醛浓度的实时监测。原料气空速为300L/(g·h)，3种材料的净化性能结果见表2。

表2 3种材料的甲醛处理能力

表2测试结果表明，锰基材料具有较高的初始净化效率，达到93.4%；净化率降低一半的时间也较长，达到16h；单位质量处理甲醛的量达到8.54mg/g。由此可见，锰基材料在处理甲醛时，相对于改性活性炭和夹碳布活性炭，在净化效率和稳定性方面均表现出明显优势。

据媒体报道，为数不少的消费者反映使用夹碳布净化器有酸味、异味问题，本中心研究人员对市场上购置的使用夹碳布的净化器进行了长时间老化观察测试，结果发现酸味、异味是存在的。初步分析，产生原因有如下4个途径：①夹碳布中的胶水在使用过程中发生化学变化，导致酸味产生；②被活性炭吸附的甲醛经长时间发生化学反应，生成某种形式的有机酸，从而产生酸味；③部分厂家为提高甲醛CADR指标，采用尿素浸泡活性炭，尿素使用过程中释放氨气，产生臭味；④夹碳布中分散的破碎活性炭由于表面积大，会吸附空气中大量微生物，在大量胶水的存在并且一定温湿度条件下，细菌自然滋生，产生异味。

综上，虽然HEPA-活性炭复合滤网具有较高的洁净空气量，但由于使用过程中可能会出现酸味、异味等二次污染物，因此仍需进一步改良以消除负面影响。

3 净化滤网发展趋势

空气净化器耗材仍然良莠不齐，鱼龙混杂。在实施国标GBT 18801—2015过程中，市场上空气净化器及其滤网也会越来越规范。从长期来看，空气净化器滤网有如下发展方向。

（1）在除尘领域，静电除尘和滤网除尘博弈了近100年。这两种技术各有优势，滤网有较高的过滤效率但风阻大；静电除尘可水洗，但效率一般不超过85%，且容易产生臭氧等问题。因此对于民用空气净化器来说，HEPA滤网是最主流的选择与发展方向。

（2）高效价廉室温催化处理有毒有害气体滤网，能够彻底净化污染物，减少二次污染，是目前滤网开发的主要发展方向，尤其是以价格相对低廉的锰基室温催化净化材料为主要成分的滤网开发正成为当前的主流技术。

（3）高效HEPA滤网虽然能过滤细菌，但是对于更小的病毒则无用武之地；在解决能耗和副产物问题后，低温等离子体与病毒发生化学反应，对病毒进行降解，从而杀灭病毒，因此该技术可能成为未来发展方向。

（4）通过将功能性材料与树脂复合制备多功能滤网，从而进一步改善室内、车内空气质量，预计也将是下一代滤网的发展趋势。例如，将亚微米或纳米电气石粉与聚丙烯树脂复合熔融、纺丝和制网，从而制备具有释放负离子功能的空气过滤网；将杀菌母粒与涤纶树脂复合熔融、纺丝和制网，从而制备具有杀菌抑螨功能的空气过滤网等。

（5）基于室内和车内污染物浓度低、种类多的特点，多技术协同净化滤网的应用开发是未来发展的重要方向。如吸附与催化的协同，吸附材料为催化材料创造一个局部的高浓度环境，增加污染物与催化剂的接触概率，提高净化效率。如光催化和等离子与吸附催化材料的协同，光催化和等离子为吸附催化材料提供活性氧物种，提高吸附催化材料的净化效率等。