常用空氣凈化技術大起底，你值得擁有
常用空氣凈化技術大起底，你值得擁有
方琳
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- 1. 選擇凈化器首先要明白室內首要污染物是什麼，目前室內主要的污染物有顆粒物污染和VOC（volatile organic compounds，揮發性有機化合物）等化學污染；
- 2. 降低室內污染物濃度主要有三個途徑，從源頭解決，通過通風控制，凈化空氣。目前凈化空氣是比較簡單可行的降低室內空氣污染濃度的方法。
- 3. 針對不同的污染物，有不同的凈化技術。常用的空氣凈化技術有過濾，靜電除塵，負離子凈化，吸附，光/熱催化，臭氧氧化，等離子體凈化，植物凈化，紫外殺菌等。
- 4. 不同凈化技術有不同的特性和優缺點，單一的凈化技術很難將室內各種污染物凈化到位，複合式凈化技術可取長補短彌補單一凈化技術的不足。
之前龔夢艷師姐的《空氣凈化器到底有效嗎？-- 讓科學研究告訴你》給我們介紹了通過CADR值和潔凈有效度來選擇合適的凈化器，但她的大前提是明確了針對的污染物是顆粒物，而男神張旭的《我國甲醛污染狀況到底如何？ —讓數十項科學研究告訴你》又告訴了我們我國室內甲醛污染也不容小覷啊！鄧小平爺爺告訴我們得兩手抓，兩手都要硬，但你以為顆粒物和甲醛就是所有了嗎？Naive.甲醛只是揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）的一種，VOCs可據其結構進一步分為：烷類、芳烴類、酯類、醛類等污染物，看到「類」字，我只能會心一笑呵呵噠了。再加上細菌病毒等微生物啊，千手觀音都抓不過來，更別說千手都要硬了。唉，生存好艱難，為什麼要和這麼多種污染物作鬥爭？哭泣，不能放棄抵抗嗎？當然可以啊！WHO數據表明，2012年就有680萬人因空氣污染而過早死亡[1,2]，其中88%發生在我們中低收入國家[1,2] (沒錢怪我咯，皺眉)。空氣污染雖然嚴重，不過不要棄療，本少俠來傳你美容養顏，哦不，延年益壽的傳世秘籍。
如何延年益壽？根據前面的鋪墊，當然是要降低污染物濃度啦！（說吃保健品和多運動的出門左轉慢走不送。）前面提到室內污染物主要分為三大類:懸浮顆粒物（包括PM2.5、PM10等）、揮發性有機污染物（包括甲醛、苯系物等）、細菌病毒等微生物[3]。外面的世界太精彩太複雜，我們控制不了，而大部分人每天在室內的時間能達到70-90%甚至更久，那我們就先管管自己的一方天地吧。（《一方天地》音樂響起：你不要看四周，四周差的有點多,愛人啊，給我一點時間吧…這一方天地，是我僅有的能力…）
一、如何降低室內污染濃度？
從小老師就告訴我們降低室內污染物濃度主要有三個途徑，一是從源頭解決問題，但無論是室外源為主的污染物（如顆粒物）還是室內源為主的污染物（如甲醛），暫時都是難以根治的，需要對應的各種配套濃度標準齊全，還需要各生產商嚴格要求自己按標準生產，這一途徑實現起來任重道遠，暫時我這一方天地也無能為力；二是通過通風來控制室內濃度，一開窗清新的空氣迎面而來，拂過你的髮絲，帶來一天的愉悅心情，多麼美好的畫面啊，這對室外空氣質量好的地區還可行，可是在我國的大部分城市，室外污染嚴重的時候，敢開窗嘛？不敢。只剩下第三個看起來比較靠譜的方法了，那就是通過設備凈化空氣，不像前兩個途徑要上升到國家政策的高度，通過設備凈化空氣是每個家庭可以簡單實現且見效快的方法。這一方天地就拜託凈化器來守護吧！有那麼多種污染物，處理顆粒物的凈化技術和處理甲醛的凈化技術會是一樣的嗎？凈化技術到底有哪些呢？
二、常用空氣凈化技術有哪些？
其實針對不同的污染物，有不同的凈化技術。顆粒物主要通過過濾，靜電除塵，負離子技術移除；化學污染主要通過吸附，光/熱催化，臭氧氧化，等離子體凈化，植物凈化；微生物污染主要通過紫外殺菌（UVGI）來凈化[3,4]。
針對顆粒物的凈化技術
過濾
機械過濾一般主要通過直接攔截，慣性碰撞，布朗擴散機理捕獲顆粒物，從捕獲機理可以看出，過濾器不是「篩子」，過濾10 nm的顆粒物並不需要把過濾器的材料孔徑做到10 nm以下。過濾效率和粒徑的關係曲線如下圖1所示，對不同粒徑的顆粒物捕獲效率不同，顆粒越小，布朗運動越劇烈，越易被擴散捕獲，顆粒越大慣性和攔截作用越明顯，也越易被移除，所以如圖1所示顆粒物並不總是粒徑越小越難去除。常用可移除至少99.97%粒徑為0.3μm的高效過濾器HEPA來凈化顆粒物，HEPA對顆粒物凈化效率高，但缺點是壓力損失較大，動力要求高，且維護成本較高。
圖1. 過濾器的總效率和某種作用的效果和粒徑的關係曲線圖[5]
靜電除塵
靜電除塵（Electrostatic Precipitator，ESP）是利用靜電場使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法。在強電場中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過程中遇到塵粒，使塵粒帶負電吸附到正極被收集，從而降低空氣中的顆粒物濃度，同時能殺滅細菌等微生物。有除塵效率高，可以凈化較大氣量，能夠除去的粒子粒徑範圍較寬，結構簡單，氣流速度低，壓力損失小等優點。但該方法對室內空氣中的有害氣體沒有效果，且使用過程中會產生臭氧。
圖2.靜電除塵原理圖
負離子凈化
負離子技術與靜電除塵相似，施加高電壓產生負離子，藉助凝結和吸附作用，附著在固相或液相污染物微粒上，形成大粒子並沉降下來。缺點也和靜電除塵相似，對VOCs沒什麼效果，也會產生對人體有危害的臭氧。
圖3.負離子發生器原理圖[5]
針對氣態污染物的凈化技術
吸附（如活性炭吸附層）
吸附技術是利用多孔性固體吸附劑處理氣體混合物，使其中一種或多種組分吸附在固體表面上，從而達到分離的目的，主要是利用比表面積大的材料吸住污染物的過程，材料不同，吸附特性往往也不同，常用的吸附劑有：顆粒活性炭、活性炭纖維、沸石、分子篩、多孔點土礦石、活性氧化銀及桂膠等，其中活性炭和活性炭纖維最常用。吸附技術由於脫除效率高，富集功能強，是脫除有害氣體比較常用的方法，但其不能將污染物徹底凈化，易吸附飽，主要是物理吸附，還是能力有限啊，而且已吸附的污染物在環境條件發生變化時還會釋放出來，所以要定時更換吸附劑不然它自己就成了污染源了。
圖4.吸附過程圖[5]
光催化
光催化是半導體在紫外線照射下，價帶電子受光的激發，躍遷到導帶上，從而形成光生電子和光生空穴，並與空氣中水分和氧氣反生成多種活性基團，能把空氣中的有機污染物和細菌氧化，使室內有害氣體及異味氣體等分解為H2O和CO2等無臭無害的產物，同時可殺滅室內空氣中細菌、病菌。但它不能解決室內空氣中的懸浮物及細顆粒物問題。TiO2是常用的光催化材料。
圖5.TiO2紫外線光催化氧化VOCs示意圖[6]
（是不是看不懂這圖？看不懂就對了，趕快私信我，我好告訴你：去問問文獻[6]的作者Dr. Mo吧，微笑）
針對微生物的凈化技術
紫外線殺菌是紫外線波長在240~280nm範圍內最具殺破壞細菌病毒中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡和（或）再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。一般在家裡也用不上，就不多說了。（其實是我也不太了解這方面，捂臉）
三、複合凈化技術
那麼多種污染物，那麼多種凈化技術，難道家裡要買很多台不同功能的凈化器才能保平安嗎？不用擔心，凈化器製造商們也看到了你的憂慮。如表1所示，單一的技術不可能處理空氣中的所有污染物種類，為了使空氣得到全面的凈化，凈化器製造商們會根據室內污染物類型利用凈化技術間的協同效應進行針對性地組合,而你只需要判斷自己面臨的主要污染物是什麼就好了。
那麼最優的複合凈化組合是什麼呢？這個問題我真的無法回答，因為這不僅要看針對的主要污染物有哪些，是什麼濃度水平，還要看具體房間尺寸，以及對凈化程度的要求等諸多因素，就是具體的針對不同污染物的選型問題了，又是另一番長篇大論，本文主要還是給大家介紹常見凈化技術及其針對的污染物，有了表1 就可以確定所需凈化器的技術組成了。
表1.單一凈化技術對主要污染物的凈化效果[3]
四、對我們的啟示
（嚴肅認真臉）由於室內空氣污染源種類眾多,成分複雜,物理化學性質各異, 單一的凈化技術很難將污染物徹底清除,我們需要充分考慮各技術的特點，有針對性地選擇相應的凈化方法進行組合，優勢互補，使凈化功能更為完善。但使用過程中依然存在凈化不徹底，不能將污染物徹底清除，凈化過程中會產生對人體有害的中間副產物，凈化材料需頻繁更換等問題。使用凈化器並非長久之計，我們還是需要從我做起，從身邊的小事做起，節約能源保護環境。
參考文獻
[1] WHO | Ambient (outdoor) air quality and health
[2] WHO | Household air pollution and health
[3] Shi, F., et al., Techniques and Products for Air Purification. Journal of Refrigeration, 2014. 35(0253-4339) p. 14-18,037
[4] Luengas, A., et al., A review of indoor air treatment technologies. REVIEWS IN ENVIRONMENTAL SCIENCE AND BIO-TECHNOLOGY, 2015. 14(3): p. 499-522.
[5] 清華大學，室內污染控制課程
[6] Mo, J., et al., Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air: A literature review. ATMOSPHERIC ENVIRONMENT, 2009. 43(14): p. 2229-2246
作者簡介
方琳，清華大學在讀博士，目前主要研究室內空氣品質相關問題。能科研、會生活、好戶外、小文藝，工科女博士的強大光環下有著一顆非常細膩的心，歡迎大家多多交流。郵箱：fanglin_thu@163.com。
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