清华大学 · 建筑技术科学系2013.08.22

徐秋健

空气净化技术及发展概况

2013 中国清洁技术论坛

目录

1. 为什么需要空气净化？

2. 我们需要哪些净化功能？

3. 现有空气净化技术概况

4. 空气净化技术展望

1. 为什么需要空气净化？

空气净化器，必需品 or 奢侈品？

传统家电，家庭必需品

存在作用范围小、有效时间短、经久耐用性差等问题

波音飞机机舱净化

空间站空气净化

人防工程滤毒净化

密闭空间生命安全保障：必需空气净化

人居环境：空气安全、健康如何保证 ?

维持生命的三大要素

水

空气

食物

, 2%其他

, 57%室内空气

, 9%工业废气, 5%室外空气

,公共设施空气12%

, 8%饮料

, 7%食物

, 83%空气

人体的物质摄取量（重量比）

成年人的空气摄入量：约 15kg/ 天

国外家庭空气净化产品的主要功能

治疗过敏症

家居除臭降低二手烟伤害

2. 我们需要哪些净化功能？

不能满足中国家庭净化需求

致癌物 (WHO)

大芯板

）

塑料地板

地毯

油漆

复合木地板 隔热材料 复合木家具

我国家居环境 VOC 污染严重城镇新建建筑逾 10 亿平米 / 年建材和木家具散发 VOC ：甲醛、苯、甲苯等

遗传和代际效应不容忽视！

Birt

h

1 y

ea

r

10

ye

ar

20

ye

ar

时间

30

ye

ar

暴露

影响

室内半挥发性有机物 (SVOC) 污染几种主要的塑化剂、阻燃剂在我国的产量和消费量都位居世界首位 !

图片来源：美国宇航局 NASA: http://www.nasa.govtopicsearthfeatureshealth-sapping.html

哈佛大学：按中国目前的可吸入颗粒污染计算， 2003-2033 年间我国将有 6 千5 百万人死于慢性肺病， 1 千 8 百万人死于肺癌（ Lin et al., Lancet, 2008 ）。

我国大气环境中可吸入颗粒物浓度全球居首！ - 室外 PM2.5 浓度高，殃及室内空气

2003 非典：空气传播疾病截止到 2003 年 7 月 31 日，中国累计感染病例 5327 例， 349 人死亡。

中国家庭需要的空气净化产品的功能

化学污染

微生物污染

颗粒物污染

PM10

PM2.5 ，超细颗粒（ UFP ）

甲醛、苯、甲苯、二甲苯、 TVOC 、苯并 (a)芘SO2 、 NO2 、 NH3 、 O3

SVOC （塑化剂 DEHP 、阻燃剂）

细菌病毒（ SARS ， H7N9 ）

3. 现有空气净化技术概况 化学污染 - 光 / 热催化氧化 - 吸附 - 等离子体 - 其它（如生物酶分解） … 颗粒物污染 - 过滤 - 静电除尘 - 负离子 微生物污染 - 紫外杀菌（ UVGI ） - 臭氧

Fujishima A. , et al., Nature, 1972, 238(5338): 38-45.

光催化 (PCO) 降解 VOCs 的原理

hv > EgEg = 3.2eV

-e

+h 380nm

2TiO

2 2CO ,H O,etc

导带

价带

-e2VOCs or H O

2O

-2O

+VOCsHO

3.1 化学污染去除技术

TiO2

紫外灯 ( 关 ) 微生物

VOCs

紫外灯 ( 开 )

PCO如何净化空气 ?

空气净化器

提高光催化降解 VOC 的效果的途径1 mNTUe

*m m iNTU A St

反应面积与流通面积之比

Ar/Ac

传质能力强弱

光催化材料的反应能力

4条途径 - 提高无量纲反应面积 Ar/Ac - 提高对流传质强度 - 应用更高性能的光催化材料 - 优化运行条件

例：增加肋片

xx

不含肋片时的 VOC 浓度 含肋片时的 VOC 浓度

反应器紫外灯

涂覆 TiO2 的肋片C (ppm) C (ppm)

PCO 反应器测量值 ε (%)

NTUm (×10-2)

A*Stm

(×10-3)η (%)

含 6条肋片 9.4 9.9 57 3.2 55

不含肋片 5.4 5.6 25 3.0 77

73%增加肋片1

光催化降解副产物的测试及危害评估

配气系统 反应器以及采样测量装置

质子传递反应质谱仪 PTR-MS

• 在线检测• 最低 30 ppt

Cini=1200ppb, T=24-26 , RH=47-50%, 254nm, 0.43mW/cm℃ 2

光催化反应中间产物的实时测量

空气净化器有害副产物评估

有些反应条件下反应不完全，会产生更为有害的气体

在室温下进行

HCHO O2 H2O CO2

TCO

热催化降解甲醛原理 : 室温催化燃烧

特点 : 不需要紫外光激发，反应面积可比光催化大大提高 . 比光催化更强的甲醛降解效果 !

热催化技术 (TCO)

合成空气 甲醛源

混合室

加湿器

质量流量控制器1

质量流量控制器2

HP 34970A 数据采集仪

Innova 1312 气体分析仪

排放

热电偶

涂覆光催化材料的玻璃板

紫外灯管 石英窗

不锈钢过滤器

INNOVA

PTR-MS

流量控制

流量控制

甲醛压缩空气

催化材料

混合罐

采样气袋

热催化降解甲醛测试实验系统

T=17 , RH=35%, u=0.5m/s℃

室温条件下的甲醛去除实验效果入口甲醛浓度 (49ppm)

出口甲醛浓度 (1.0ppm)

Eff.=98%!

降解甲醛的反应速率：服从双分子 L-H 动力学方程

100 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

25C 40C 60C100C180C

Rea

ctio

n ra

te (

ppb

m/s

)

Concentration (ppb)

4000

E1: 反应活化能E2: 吸附活化能

1 20 0

220

exp( ) exp( )

(1 exp( ) )

s

s

E Ek K C

RT RTrE

K CRT

Xu QJ, Zhang YP et al. Environmental Science & Technology, 2011, 45: 5754-5760

出口空气中未有副产物检出

PTR-MS

0 500 10000.1

1

10

100

1000

10000

30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200

400

800

1200

1600

Outlet InletInlet

C

once

ntra

tion

(ppb

)

Molecular mass (m/z)

Inlet Outlet

Measurement cycles

m/z31 m/z33 m/z39 m/z43 m/z45 m/z46 m/z47 m/z93

室温热催化难以降解其他的 VOC ，降低了副产物风险 .

等离子体技术• 采用电晕放电或辉光放电产生低温等离

子体。• 等离子体具有较高活性，可对 VOCs 分子进行氧化、降解反应。

吸附技术

1. 对流传质 2. 材料内部扩散 3. 表面吸附污染物分子

1. 选择孔隙多、比表面积大、分配系数强的材料2. 注意外部对流，净化器内的流场分布

吸附过程

t=0 t=t1

平衡态

t= ∞

通过传质模型计算 , 可获得任意给定时间吸附净化中间状态的性能，提炼出决定材料性能的关键参数，用于指导吸附选材。

吸附材料去除 VOC过程

颗粒模型

过滤设备模型

中间状态M(t)

r

气流D

K

hm

q(z,t)

填充式吸附固定床 颗粒吸附材料

VOC

z

颗粒材料中间状态性能

过滤设备中间状态性能

指导吸附选材，预测设备寿命

空气净化设备吸附材料遴选

物理吸附 化学反应• 初始速度快• 容量有限

• 速度慢• 容量大• 有副产物风险

3.2 颗粒物污染去除技术

过滤技术

小颗粒通过，大颗粒不通过

①扩散： De<0.1μm

②中途拦截 : De>0.4μm

③惯性碰撞 : De>0.4μm

④被静电捕获

过滤器工作原理

From Wikipedia过滤材料需定时清理或更换。

过滤器的总效率和各种作用效果与粒径的关系曲线图

0.3um 高效过滤器 HEPA ， > 99.97%

静电除尘技术

使粒子带电

电场使粒子迁移至收集板

集尘区

需定时清理灰尘，防止击穿或失效。

负离子技术

原理：与空气中的尘粒、烟雾以及悬浮微生物等污染物结合，变成重粒子而沉降，起到空气净化作用。

发生技术：• 电晕放电• 导电纤维• 加热式电晕极• 水动力型发生

重粒子沉降以后需清理，否则容易引起二次悬浮。

紫外杀菌技术 (UVGI)

3.3 微生物污染去除技术

紫外灯用于空调过滤器杀菌

UVGI使用在短波长的紫外线（ UV ）光分解微生物。254nm 紫外线会破坏 DNA核酸。

Mercury-vapor lamp

紫外灯辐射可对人体造成伤害，需防止直接照射

臭氧杀菌技术

杀灭病毒：直接破坏其 RNA（核糖核酸）或DNA（脱氧核糖核酸）

杀灭细菌、霉菌类微生物：先作用于细胞膜，使细胞膜结构受到损伤，导致新陈代谢障碍并抑制其生长，并继续破坏膜内组织，直至杀灭

臭氧本身对人体有害，需防止逸散到人员活动的环境中

3.4 各种净化技术总结空气净化技术 适用污染物 备注

过滤 纤维滤材 颗粒物 需定期更换

吸附 多孔吸附 化学 需再生或定期更换

紫外 紫外杀菌 生物 需要足够的照射时间

催化氧化光催化

化学、生物消除化学污染，部分有副产物

常温热催化 能有效消除甲醛

离子化等离子体

颗粒物、化学、生物

产生的部分离子或 O3对人体有害

臭氧发生负离子发生

其他 植物净化 化学 效率较低

4. 空气净化技术展望 唯有真正有效、无副作用的净化技术才会最终占领市场；

单一净化技术难以满足室内污染物的多样性，产品将更多体现多种技术融合；

体现人性化、功能化设计，产品的结构形式会趋于多样化；

空气净化产品的维护和模块更换将会持续升温。

谢谢！