高效低阻力抗菌空气过滤器研制

摘要： 分析了空气过滤器目前存在的两大难题，即阻力和二次污染问题，介绍了驻极体静电合成纤维、光催化纳米氧化钛和纳米银的主要特性，报道了合成的纳米氧化钛、纳米银驻极体静电空气过滤器的试验结果，试验结果表明，62Pa的低阻力，99.99%的高效率，低廉的价格，使高效空气过滤器的应用范围大大扩展，为改善室内空气品质，防止疾病的传播提供了一种实用的产品。 关键词： 高效空气过滤器 纳米氧化钛 纳米银 驻极体 1. 引言 2003年春天那场席卷全球的SARS疫情给人们留下的不仅仅是教训和警示，更多的则是人类应该如何去防御疾病的侵袭，如何去预防，去医治这些危害人类健康生存的疾病。今天，“健康”的概念已经进入人类生活的方方面面，自然“健康”也成了暖通空调专业研究、开发、制造的重点，空气净化技术受到了人们特别的关注。 在诸多空气净化技术中，应用最广、最成熟、最无异议的可能就是空气过滤器。无论是国外，还是国内，空气过滤器已经发展到很高的水平，足以应付各种需要，在很多时候，空气过滤器成了唯一的最安全的、最有效的防御手段， 这点从SARS疫情传播期间，以及其后出台的一系列文件、措施和标准中就能清楚地看到这一点。但是，目前在使用空气过滤器的过程中，困扰人们的是，如果要获得理想的高过滤效率，就不得不付出一定的代价去对付高阻力带来的一系列问题，能耗问题、噪声问题、风机选型问题等等。另一方面，高效率的空气过滤器拦截了空气中的，灰尘、细菌、病毒和微生物，可是沉积在过滤器上的微生物如果不及时加以处理，将产生严重的二次污染，因此不得不采取其他措施，由此又产生了一系列新问题。 本文研究的重点，就是企图从目前国内外已经进入市场的诸多空气净化技术中筛选出若干成熟的、有效的、价格便宜的技术组合成一种新型空气过滤材料，解决上述问题。 2. 空气过滤器的阻力 根据空气过滤器的两个国家标准[1，2]，我国空气过滤器分类可参见表1[3]。 表1给出了各种空气过滤器的初阻力，在实际应用中，必须考虑空气过滤器的终阻力，所谓终阻力，即“指在额定风量下由于过滤器积尘，而使其阻力上升并达到规定值。一般为初阻力的2倍。”[4]。表2给出了空气过滤器的终阻力建议值 [5]。 表1 我国空气过滤器分类 额定风量下的效率 （%） 额定风量下的初阻力 （Pa） 注 粗效 中效 高中效 亚高效 粒径≥5μm，80<η≥20 粒径≥1μm，70<η≥20 粒径≥1μm，99<η≥70 粒径≥1μm，99.9<η≥95 ≤ 50 ≤ 80 ≤ 100 ≤ 120 效率为大气尘计数效率 高效 A B C D η≥99.9 η≥99.99 η≥99.999 粒径≥0.1μm，η≥99.999 ≤ 190 ≤ 220 ≤ 250 ≤ 280 A、B、C三类效率为钠焰法；D类为计数效率 表2 空气过滤器终阻力的建议值 过滤器类别 建议终阻力（Pa） 粗效 中效 高中效 亚高效 高效与甚高效 100～200 250～300 300～400 400～450 400～600 高中效以上的空气过滤器，为了延长其使用寿命，一般都需要前置粗效和中效过滤器，由表1和表2可以看出，当采用3级空气过滤器串联时，空气过滤器的阻力就相当可观。如果空气过滤器用于空调系统，再加上表冷器、加热器、加湿器等空气处理设备和风道的阻力，不但导致能耗高、噪声大，很多时候连风机选型都有困难。因此空气过滤器的阻力一直是空调设计人员面临的一个难题。 3 空气过滤器污染问题 在不考虑上述阻力，以及由于阻力过高引起的其他问题时，现行的空气过滤器几乎可以拦截空气中所有的物质，包括灰尘、细菌、病毒和微生物。抗御SARS疫情期间，美国推出的抗SARS空气过滤器，对于0.025～0.027μm的细菌和病毒完全可以过滤掉，过滤效率高达99.9%[6]。 最近几年美国研究人员在进行室内空气质量研究过程中发现，沉积在过滤器上的微生物如果不及时加以处理，将产生严重的二次污染。图1是全美著名的美国宾夕法尼亚大学大气生物工程研究所报道的空调机组内空气过滤器被污染的情况[7]。 目前防止空气过滤器被污染，基本上都是采用辅助措施，其中紫外线灯是应用最广，也是最成熟，最有效的一种措施[7]。但是随之产生的一系列问题：① 一次投资增加；②需要有足够的安装空间；③ 设计计算方法必须正确；④ 寿命问题（国产管寿命只有2000小时，进口管4000小时）等都影响到紫外线灯的广泛使用。最近低温等离子体也开始在空调系统中与空气过滤器一起使用，但是实际效果如何还有待工程验证，目前价格过高严重的影响到这一先进技术在空调系统中的推广。因此，寻找防止空气过滤器二次污染的措施，灭杀沉积在过滤器上的有害微生物是一项值得深入研究的课题。 4 驻极体静电过滤材料 驻极体静电合成纤维过滤材料是对聚丙烯纤维在熔喷制造过程中进行静电充电，使其成为静电型驻极体熔喷非织造布（滤纸），纤维直径为2～5μm。这种过滤材料除了利用传统空气过滤材料的过滤机理外，同时利用荷电纤维的库仑力去实现对微粒的捕获，因此效率增加，阻力下降[8]。目前国际上有预防病毒功能（包括SARS病毒）的手术口罩（N95、N97、N99）中就采用了这种过滤材料，美国2003年4月推出的抗SARS空气过滤器中也采用了这种材料[7]。 由于这种滤料，效率高、阻力低、价格便宜，因此，笔者首先将这种材料用于一般空调通风用空气过滤器中，当迎风面风速为0.5m/s时，对0.5μm的灰尘过滤效率可以达到95%以上，空气阻力只有40Pa，是传统的柜式空调机组空气过滤器（一般为尼龙网）无法相比的。这种空气过滤器已经在大型商场、超级市场、医院空调系统应用近10年，取得了很好的空气净化效果[8]。 对生产工艺加以全面改进，目前已能生产钠焰法效率达到99.9999%的驻极体静电过滤材料，同时也解决了这种过滤材料存在的均布性较差和强度不高的缺点，为高效空气过滤器提供了一种理想的过滤材料。驻极体静电合成纤维过滤材料的产品化很大程度上解决了空气过滤器效率与阻力的矛盾。