PM2.5空氣凈化之四 PM2.5控制技術
來源： 閱讀：4720 更新時間：2012-02-10 15:25控制PM2.5進入室內
面對大氣中顯著上升的PM2.5水平，我們除了被動的忍受，有沒有什么辦法能夠主動的改善？雖然從宏觀層面上看，提升空氣質量的根本途徑必須依賴政府通過行政、法律、經濟等綜合手段進行長期的治理才能有所好轉。但在微觀層面，使用一些現成的空氣凈化產品或許是最現實，也是最有效的手段。尤其是對人們生活時間較多的室內環境，選用合適的新風產品可以將多數大氣中的PM2.5拒之于門窗外。這樣的產品至少應具有以下幾個功能段：
(1) 初效空氣過濾器
初效空氣過濾器一般作為新風處理的第一道工序，主要用于過濾5μm以上顆粒。
(2) HEPA(高效空氣過濾器)
高效空氣過濾器是目前被廣泛使用的一種多層凈化技術。其過濾介質由細微玻璃纖維制成，厚度和質地與吸墨紙非常相似。HEPA高效過濾器一向被認為對所有0.3微米和更大的顆粒最低去除率高達99.97%。根據美國肺臟協會的標準要求，稱得上是“真正”的HEPA高效過濾器，必須使穿透過濾媒介的顆粒比例不得高于萬分之三。
合格的高效空氣過濾器是去除新風中PM2.5的主力軍。無論是無機顆粒、有機顆粒還是微生物顆粒，只要在直徑上不小于0.3微米，則可以獲得較為滿意的去除效果。
然而，如果過濾器材的孔徑僅僅限定在可以去除PM2.5，則它并不能從根本上解決新風質量的問題。因為這時只去除了室外空氣中的氣溶膠態污染物，而對其中直徑只有0.001微米左右的氣態污染物，HEPA也是“大門敞開”。另一方面，PM2.5造成的危害，甚至PM2.5自身的形成過程，都與氣態污染物密切相關。如果不能把絕大多數氣態污染物同時拒之于門窗外，它們進入室內后，可以在一定條件下轉化為PM2.5。因此，必須對新風進行分子級過濾，這就是下面要提到的氣體污染過濾器。
(3) 氣體污染過濾器
對于氣態污染物，常見的處理技術包括活性炭吸附、等離子/負離子凈化、光催化氧化（光觸媒）等。下面對它們的原理作一簡單介紹：
等離子凈化--當氣態污染物經過等離子發生器時，在高壓脈沖電場中，通過前后沿陡峭、脈寬極窄（ns）的高壓脈沖電暈放電，在常溫下獲得非平衡高能低溫等離子體，即產生大量高能電子（約5eV）和具有極強氧化性能的羥基自由基（·OH、·HO2、·O ）、以及氧化性極強O3 等高能活性粒子，與有機物分子進行非彈性碰撞，使有機物分子化學鍵斷裂，發生一系列復雜氧化、降解化學反應，最終使污染性有機物轉變為無害的二氧化碳和水，使新風得到凈化。
負離子凈化--負離子是通過負離子發生器中的電子脈沖振蕩電路將低電壓升至直流負高壓，利用針尖或碳刷尖端直流高壓產生高電暈，高速地放出大量的負電荷（e-），而負電荷無法長久存在于空氣中，并立刻會被空氣中的氧分子（O2）捕捉，形成負離子。負離子與空氣中帶正電的灰塵結合，然后沉淀到地板或其他表面上，起到清新空氣用。
光催化氧化（光觸媒）--絕大多數光催化氧化都采用TiO2作為催化劑，關于它的催化機理一般認為：在波長小于380nm光的照射下，TiO2的價帶電子會被激發到導帶而形成電子-空穴對，所形成的電子-空穴對遷移到半導體顆粒表面后可以被表面的物種捕獲。光激導帶電子與吸附在催化劑表面的O2結合形成.O2-，再經過一系列反應生成.OH自由基。空穴與吸附在表面的水或覆蓋在催化顆粒表層的羥基反應也能形成.OH自由基。由于形成的.OH自由基具有高度的化學反應性，因而可以使催化劑表面吸附的有機物發生一系列化學變化，并最終氧化成CO2和其他無機物。
上述三種氣體污染處理技術均獲得了不同程度的實際應用。尤其是光催化氧化技術，可以將許多有機污染物轉化為無機物質，反應迅速且徹底，對人體無傷害，因此在室內空氣凈化方面具有廣闊的應用前景。
然而，這三種技術也存在一些相似的局限之處：
1.對無機污染物，如大氣中常見的SO2、NOX等并不能徹底清除，因為這些無機污染物的最終產物仍然是硫氧化物和氮氧化物。
2.存在安全隱患。等離子/負離子凈化需高壓電離空氣，可能分解出氮族等有害氣體，以及超標的O3、NOX、N+、重離子；光催化氧化多數需配備紫外光源進行激發，也有潛在問題。
3.處理的峰值負荷較小。等離子/負離子凈化的能量完全來自電能；光催化氧化雖可利用自然光能但畢竟是納米材料，也受到能量的制約。此外，氣體在處理設備中的滯留時間很短，某些污染物可能未被及時處理就進入室內，也就是發生了“旁通”現象。
除此之外還有 活性碳凈化以及CA的氣相媒體凈化
活性碳凈化 --活性碳吸附是物理吸附，也稱為范德華吸附。活性炭對有害氣體的吸附，主要利用的是它巨大的比表面積和多孔結構，在其表面與氣體分子之間形成了范德華力—這是一種分子間作用力達成. 其組成物質除了炭元素外，尚含有少量的氫、氮、氧及灰份，其結構則為炭形成六環物堆積而成。由于六環炭的不規則排列，造成了活性炭多微孔體積及高表面積的特性。
活性炭表面積包括內表面積和外表面積，事實上吸附性質主要來自巨大的內表面積。活性炭微孔的孔隙容積一般只有0.25-0.9mL/g，孔隙數量約為1020個/g,全部微孔表面積約為500-1500m2/g。活性炭幾乎95%以上的表面積都在微孔中，因此除了有些大分子進不了外，微孔是決定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容積一般約為0.02-1.0mL/g，表面積最高可達幾百平方米。
CA的氣相媒體凈化— CA的氣相媒體凈化是傳統化學吸附基礎上發展而來，包括以下四種主要機制：
Adsorption 吸附
吸附是一種物理過程，污染物（液體，氣體或懸浮物）會吸附在吸附劑材料的表面或是毛孔內。吸附是一個可逆過程，無化學反應發生，又稱范德華吸附。
Absorption 吸收
吸收是指污染物滲透到另一種物質的結構中的過程，這是不同于吸附的地方，吸附是一種物質存在于另一種物質的表面。
Chemisorption 化學吸附
化學吸附類似于物理吸附過程，化學吸附是指由吸附劑與污染物之間產生的化學作用而產生的吸附。化學吸附是通常被認為是一個不可逆轉的進程。
Catalysis 催化
催化是一個過程，在催化劑的作用下形成另一種物質的化學變化。這種變化（通常是導致或加速化學反應），將去除污染物而催化劑本身沒有發生任何變化。
更具體地說，Circul-Aire采取了綜合四種主要的去除機制用來消除空氣中化學污染物。
下面再來看看活性炭吸附與CA的氣相媒體凈化之間的對比。由于兩者存在某些表觀上的相似性，故作一處討論：
活性炭對有害氣體的吸附，主要利用的是它巨大的比表面積和多孔結構，在其表面與氣體分子之間形成了范德華力—這是一種分子間作用力，因此決定了它不是很強，一般只有每摩爾幾千焦至幾十千焦，比化學鍵的鍵能小1-2個數量級。而在Multi-Mix®中，表面物理吸附僅僅是第一步，后續的化學吸附才是核心步驟。表面催化為化學吸附降低了活化能，大大提高了反應速度，使化學吸附能在很短的時間里完成。而化學吸附一旦完成，由于其固有的特性，具有其它處理技術不可比擬的優勢：
1） 化學鍵的形成是化學吸附的本質。不同于范德華力，化學鍵是指分子內或晶體內相鄰兩個或多個原子（或離子）間強烈的相互作用力。由于它比范德華力大得多，化學吸附的穩定性也遠遠超過物理吸附。因此，當環境條件發生突然變化時，活性炭的物理吸附可能發生脫附，而化學媒體的化學吸附則穩定如常。化學媒體的應用，確保了CA新風產品的氣體凈化效率。
2） 如前所述，活性炭主要依靠自身的表面積起到凈化作用，而化學媒體除了也具有巨大的表面積外，更重要的是充分利用了整個三維體積。物理化學吸附的有機結合，使得媒體的利用過程由表及里，最終達到內部核心才告消耗。例如，MM-1000媒體表面完全變色時，其使用壽命僅僅消耗了約20%。化學媒體相對活性炭的壽命優勢，正是三維相對二維的維度優勢，這確保了CA新風產品具有較長的使用期限，大大減少了過濾材料的更換頻率。
3） 化學吸附具有更加可靠的廣譜性。室內外的氣體污染物成分極為復雜，例如室外空氣中主要含有NOX、SOX、碳氫化合物等，它們主要來自汽車尾氣；而室內空氣中較多的是VOCs、甲醛等有機物，它們來自人體代謝、裝飾家居和特定設備。對種類多達數百種的有害氣體，活性炭雖然均具有一定的處理效果，但差別是很大的，由此導致了它往往并不能很好地應對某一種具體污染物。化學媒體則截然不同，它是為應對大氣和室內污染而專業設計的配方，因此對這種場合下的幾乎所有氣體污染物均有著極高的捕獲效率。兩者之間的差別好比游擊隊與正規軍。
此外，化學吸附的最終產物是穩定固體、二氧化碳與水，均是無公害產物。它把NOX、SOX中的氮硫元素固定在產物中，不再以氣體形式存在。
4） CA的化學媒體具有嚴密的質量控制和保證。Multi-Mix®媒體介質通過了UL1級認證，不燃且無毒無公害。在北美，使用后的媒體無需專門處理即可填埋。
CA的主要優勢之一正是在氣態污染物處理方面的行業資深地位。CA獨有的Multi-Mix®化學凈化媒體是一個久經考驗的氣相凈化媒體，最早應用于軍事領域，如潛艇中空氣成分的控制和防化設施。經過40多年的發展，Multi-Mix®已形成了龐大齊全的媒體家族，擁有百十種在特定應用場合表現出色的專業媒體，其中MM-1000和MM-3000兩種媒體普遍適用于多數場合下新風中氣態污染物的凈化。
綜上所述，只有兼具去除氣溶膠態污染物和氣態污染物功能的新風產品，才能完全應對PM2.5對室內環境和人體健康的挑戰。從這個意義上看，氣體污染過濾器和高效空氣過濾器同樣都是其中的重要一環，在CA的所有新風產品中，我們也一直秉持這樣的理念。請參考下圖，污染的空氣經過粗效過濾器、氣體污染過濾器和高效過濾器后進入室內，徹底去除了PM2.5類氣溶膠態污染物和氣態污染物：
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