高效低阻力抗菌空气过滤器研制

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

  表2 空气过滤器终阻力的建议值

    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。  

   5 抗菌材料的选择及存在的问题  

    目前国际上用于空调抗菌的材料主要有：① 纳米氧化钛光催化材料；② 纳米银；③ 冷触媒；④ 生物酶；⑤儿茶素等。对这些抗菌材料进行广泛的调查，发现除了光催化和纳米银这两种材料以外，其他几种材料或是性能未能确认，或是技术只是属于某一家公司所有，所以决定选择纳米氧化钛和纳米银作为空气过滤器的抗菌试验材。

    纳米氧化钛和纳米银的抗菌、除臭的机理，国内外已有相当多的文献进行了详尽的报道，近年来，国内暖通空调杂志也有多篇文章进行了综述，在此不再重复。虽然这两种材料国际上已有成熟产品，目前仅日本就有1000多家生产光催化纳米氧化钛材料的公司^[9]，国内的生产厂也有如“雨后春笋”，但是毕竟良莠不齐、鱼目混珠，真假难辨。对于光触媒二氧化钛，目前存在的主要的问题是：① 光触媒二氧化钛是微粒状的物质，粒子的颗粒愈小时，其表面积愈大，能吸收的光能越多，效果也越好。通常二氧化钛需要在纳米级，才能有足够的表面积进行光触媒反应。但颗粒越小所需要的制作成本越大，现在有些制造厂为了降低成本而采用微米级的光触媒，效率大打折扣，因此第一步必须从国内近百家生产厂中选择合格的产品，困难很大^[10]；② 太阳能利用率低，大部分光触媒二氧化钛必须有紫外线光照射才能起作用，目前在普通日光下，甚至是黑暗条件下也能抗菌的纳米氧化钛材料已经研制成功，但需要进一步验证^[9，10]；③ 负载技术，纳米氧化钛产品为粉体状，因[此寻找既能保持高催化活性又能维持负载材料的物性，而且能均匀、牢固地使催化剂固定在负载材料表面的技术是十分困难的^[10]。 纳米银材料存在的主要问题除了其抗菌不需要光催化外，其他与光触媒二氧化钛相同。

    6 光催化驻极体静电空气过滤器研制及试验结果

    为了解决上述问题，对国内和国外多种纳米氧化钛和纳米银材料进行了调查，从中各选择了3种产品，送交广东省微生物分析检测中心进行检测，根据GB15979-2002等标准、规范规定的测试方法^[11-13]进行了抗菌性能测试。测试结果表明，虽然经过筛选，最后确定的6种材料的抗菌性能仍有一定的差异。对纳米氧化钛的太阳能利用率同时进行了测试，作为综合指标进行了筛选，发现国内开发的普通光型纳米氧化钛的抗菌效果已经接近光催化型纳米氧化钛。在上述测试的基础上，进行了负载技术研究。参考国内外研究成果，最后决定，对纳米银材料采用合成法，即按一定比例将聚丙烯纤维切片与纳米银粉体混合，然后进行熔喷和静电充电，生成纳米银驻极体静电过滤材料；对于纳米氧化钛则配制成快干溶液，这种溶液具有很好的附着力，采用高压喷雾法，可以均匀附着在驻极体静电过滤材料上。表3是3种合成材料的抗菌性能测试结果，分别是① 纳米银驻极体静电过滤材料；②纳米氧化钛驻极体静电过滤材料；③纳米氧化钛、纳米银驻极体静电过滤材料。表3 抗菌材料分析检测结果（细菌含量单位cfu/cm²）

    检测结论是纳米氧化钛驻极体静电过滤材料和纳米氧化钛、纳米银驻极体静电过滤材料在普通光线下均具有很强的抗菌作用。由于空气过滤器的抗菌功能不是要求杀灭流动空气中的微生物，而是需要杀灭沉积在过滤器上的微生物，因此以上抗菌材料中的后面两种都满足要求。至于纳米银合成的过滤材料为何抗菌率不高，原因不清，可能试验所选择的材料有关。不过，根据国内的研究报告可以看出，国内的纳米银无纺布具有很强的抗菌能力，因此建议采用低阻力纳米银无纺布作为粗效空气过滤器，与纳米氧化钛、纳米银驻极体静电过滤材料制造成高效过滤器联合使用。采用纳米氧化钛、纳米银驻极体静电过滤材料制造成高效过滤器的过滤效率测试结果如表4所示。   表4 纳米银驻极体静电高效过滤器测试结果.

   7 结论  

   提高空调系统防御疾病传播的功能，改善空调房间的空气品质，是当前暖通空调专业人员一项义不容辞的责任和义务。将国内外先进的过滤材料制造工艺，与确实可靠的抗菌材料有机的结合在一起，是研制新型高效、低阻力、抗菌过滤材料的一种行之有效的途径

    笔者研制成功的纳米氧化钛、纳米银驻极体静电过滤材料具有很强的抗菌作用，采用这种材料制造的空气过滤器效率高、阻力低、价格便宜，解决了长期以来，空气过滤器阻力大、二次污染的难题，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。

    参考文献

    [1]GB/T14295-93.空气过滤器

    [2] GB13554-92.高效空气过滤器

    [3] 许钟麟.空气洁净技术.上海：同济大学出版社，1998

    [4] GB12218-89.一般通风用空气过滤器性能试验方法

    [5] 蔡杰.空气过滤ABC.北京：中国建筑工业出版社，2003