人群密集场所室内空气净化关键技术研究

芮晓光 廖黎莉 刘鑫培 王传洋*

1.苏州市职业大学 江苏苏州 215000；2.苏州大学 江苏苏州 215000

1 概述

随着国家发展、生活水平的提高，人们越来越重视居住、学习、办公场所的空气质量。目前，室内空气污染已成为危害人类身体健康的“隐形杀手”。与此同时，室内空气污染净化技术研究被提到议事日程。以过滤净化技术为代表的空气净化器的发展大致经历了三个时期[1-3]：

(1)以机械过滤除尘和活性炭吸附等物理性能设计的第一代净化器；

(2)增加了静电除尘、离子交换、臭氧杀菌等功能的第二代净化器；

(3)采用高效光催化技术的第三代净化器。

从身体健康的角度来看，要想能很好地保持室内空气的洁净度，室内进排风系统要能有效地过滤掉进入室内的雾霾，吸附中和有害物质，除掉气溶胶团中的病毒等，才能保持教室内空气的洁净度。

从技术角度来看室内空气净化关键技术是：一是空气雾霾污染高效的精密过滤技术；二是空气病毒及有毒有害污染去除技术。从近年来空气过滤技术发展来看，超细玻璃纤维球过滤技术能够较好地对PM2.5雾霾进行有效过滤；紫外线能有效地去除病毒。

2 空气灰尘污染和化学污染处理技术

2.1 空气灰尘污染超细玻璃纤维过滤技术

所谓“空气灰尘污染超细玻璃纤维过滤技术”是指使用纤维线径≤1μm的亚微米超细玻璃纤维，对分子级空气PM2.5雾霾污染物进行高效过滤。这种超细玻璃纤维，最大的优点是单丝直径超细、柔韧性好、挠曲性能好，可以承受5万～8万次的过滤冲击。分子级空气污染纳米级超细玻璃纤维结构如图1所示。

2.2 空气灰尘和病毒污染超细玻璃纤维过滤+紫外线复合作用处理技术

近年来，新兴的超细纤维过滤+紫外线杀菌复合作用环境净化技术具有操作简单、耗能少、降解速率快、处理范围广、无二次污染、净化效果好等优点，尤其紫外线对消杀效果明显[4-5]。超细纤维+紫外线复合作用气体净化工作原理如图2所示。

图2 超细纤维过滤+紫外线杀菌复合作用原理

该技术运用了超细纤维阻挡过滤+紫外线消毒技术。在换气风扇(或风机)作用下，室外的新风首先穿过超细纤维过滤网，PM2.5的微细灰尘及雾霾被超细纤维过滤网微孔阻挡过滤掉了，紧接着空气再经过紫外线杀菌消毒，进入室内的空气得到了较好的净化。

3 空气灰尘污染、化学、病毒等污染处理创新设计研究

3.1 过滤精度可调、自动再生超细纤维球高效过滤器的创新设计

从上述对“空气灰尘污染超细玻璃纤维过滤技术”的研究来看，超细玻璃纤维球对灰尘的过滤原理是利用超细玻璃纤维球的多层交叉重叠布置来实现对超细灰尘和雾霾过滤的。虽然采用这种超细玻璃纤维球可用于对灰尘和雾霾进行有效过滤，但是其反吹再生效率随时间延长会越来越差。针对超细玻璃纤维球过滤介质再生难的问题，在多年研究的基础上，改进创新设计了图3所示的“一种过滤精度可调、自动再生超细纤维球高效过滤器”。

图3 过滤精度可调、自动再生超细纤维球高效过滤器

从图3可以看出，该过滤器内填满了超细纤维球，在过滤器超细纤维球中间设计了一个水囊，通过水囊充水加压来调节纤维球过滤精度。通过进气口压力传感器，自动启动反吹功能，当给水囊泄压后纤维球处于松散自由状态，通过反吹可以较好地实现对超细纤维球清洁再生。

3.2 超细纤维球+低温离子体一体化除尘、杀毒、有害物降解集成创新技术

从课题总体思路来看，要想能很好地解决人群密集场所室内空气净化方案，还需要进行细致的思考。通过前面对“超细纤维过滤+紫外线杀菌复合作用环境净化技术”的研究可以看出，虽然采用紫外线可以杀菌，但是对室内有毒有害物质如室内装修残留的甲醛、苯、聚氨酯漆、醇酸类漆污染物等，超细纤维球过滤+紫外线杀菌方法是无法去除的[6]。

针对室内有毒有害物质，结合多年对低温等离子技术的研究，利用低温等离子具有分解降解功能，研究集成设计了一种集超细纤维球高效过滤、低温等离子体一体化的人群密集场所空气除尘、杀菌、有毒有害气体降解净化技术系统。该“一体化的净化技术系统”如图4所示。

图4 人群密集场所室内空气杀菌、有毒有害气体降解净化系统

由图4可以看出，室外的新风首先穿过超细纤维球过滤器，PM2.5的微细灰尘及雾霾被超细纤维过滤网微孔阻挡过滤掉了，紧接着空气再经过低温等离子体发生器，气体再经过低温等离子体的放电作用，对有毒有害气体进行杀菌、解毒、分子降解作用。低温等离子体净化空气污染物，主要是利用粒子间及粒子与物相表面碰撞所产生的高能量使气体污染物分子化学键断裂，同时使污染物分子在分解过程中产生的高活性自由基转化为无害物质[7-9]。

4 总结

通过上述研究可以看出，本文针对人群密集场所室内空气净化问题，从空气过滤和消除病毒角度出发，对人群密集场所室内空气净化，空气污染超细玻璃纤维过滤，低温等离子体复合作用除尘、杀菌消毒等关键技术进行了较为深入的探讨，为人群密集场所室内空气净化环境设计提供了技术基础。主要研究内容归纳如下：

(1)通过对国内外室内空气净化技术发展现状的研究，首先确立了超细玻璃纤维球过滤+紫外线除病毒的人群密集场所室内空气净化初始方案。

(2)依据初始方案，通过对超细纤维过滤和紫外线杀菌相关技术的研究，构建了超细纤维+紫外线复合作用气体净化方案。

(3)在超细纤维+紫外线复合作用气体净化方案研究的基础上，结合多年研究的经验，创新设计了一种“过滤精度可调、自动再生超细纤维球高效过滤器”。该过滤器通过中间充水胶囊的加压或泄压，调节空气过滤精度和效率。

通过对低温等离子体技术的研究，利用低温等离子体同时具备杀菌、解毒的特点，最后集成创新设计了超细纤维球+低温离子体一体化除尘、杀毒、有害物降解技术系统，为人群密集场所室内空气净化设计，提供了一种集成技术。