高效低阻力抗菌氛围过滤器研制

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。关键字：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沟额定风伸量下的阶效率剑（纱%泉）渴额定风万量下的轿初阻力脱（嫂P排a丛）罢注符粗效包中效败高中效横亚高效甜粒级径爽≥永5巨μ词m炉，邀80<扰η榴≥熔20为粒畜径局≥杏1抹μ群m朴，并70<警η足≥扒20喇粒烂径牺≥勒1动μ费m次，念99<够η领≥论70潮粒微径逗≥岁1全μ进m塞，差99.升9<浴η住≥斑95咽≤辜50舒≤晃80刻≤聋10悬0努≤玉12碰0串效率为贱大气尘鸽计数效键率虽高幼效马A糠B亿C殊D猛η响≥肠99.羊9治η金≥仗99.炸99耍η科≥存99.艺999柏粒痒径宰≥坛0.燥1怜μ够m耽，誉η撞≥随99.际999院≤膀19径0代≤稠22饭0恭≤延25探0狭≤棚28补0脱A肃、房B税、膜C裕三类效瞧率为钠拔焰法笋；究D雹类为计魔数效率表2空气过滤器终阻力的建议值对过滤器迟类别疤建议终采阻力习（换P惊a恼）浑粗效扎中效肯高中效眠亚高效讨高效与洋甚高效茅10拼0竭～总200型25薄0山～毁300践30珍0蛇～群400铸40御0声～屑450猾40胜0篇～拳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]。替由于这件种滤料垫，效率掌高、阻区力低、胶价格便极宜，因懒此，笔某者首先年将这种践材料用崭于一般就空调通巨风用空杂气过滤吸器中，妖当迎风侄面风速愁为喂0.5航m/煮s孔时，是对出0.谋5观μ缠m牵的灰尘姥过滤效玻率可以圾达膏到坊95尺%问以上，质空气阻以力只茶有怒40P号a拉，是传灯统的柜凳式空调可机组空岗气过滤集器（一不般为尼居龙网）鼓无法相想比的。愿这种空肠气过滤阀器已经抽在大型番商场、卖超级市腊场、医塌院空调虽系统应江用现近驱1饿0句年，取雹得了很躺好的空瓶气净化引效果较[8]才。贝对生产妥工艺加防以全面赶改进，琴目前已巡能生产悟钠焰法颈效率达躁到腰99.族999坛9首%巾的驻极漠体静电厅过滤材拢料，同领时也解捎决了这通种过滤哈材料存穴在的均闷布性较拦差和强坑度不高京的缺点厅，为高久效空气严过滤器谋提供了帅一种理恳想的过序滤材料聋。驻极怖体静电愁合成纤晒维过滤至材料的刊产品化鲁很大程饶度上解服决了空纱气过滤咬器效率同与阻力唇的矛盾外。帆5赤升抗菌材蕉料的选靠择及存飘在的问间题存目前国羊际上用梦于空调袋抗菌的布材料主歌要有喊：梁①弃骑纳米氧厅化钛光锦催化材出料胳；忘②途深纳米银限；醉③街摆冷触媒赏；萝④榴窗生物酶腊；邻⑤惜儿茶素毯等。对床这些抗联菌材料敌进行广盘泛的调如查，发古现除了己光催化共和纳米浙银这两脏种材料御以外，虏其他几战种材料弹或是性忙能未能腐确认，节或是技朵术只是法属于某藏一家公捉司所有腊，所以松决定选财择纳米愧氧化钛群和纳米买银作为奸空气过艇滤器的刮抗菌试晨验材料旋。倚纳米氧械化钛和巷纳米银那的抗菌筛、除臭输的机理风，国内佛外已有存相当多拣的文献佛进行了个详尽的涂报道，绸近年来种，国内今暖通空槐调杂志羽也有多碍篇文章纸进行了晨综述，吗在此不害再重复盆。虽然坊这两种圾材料国悼际上已齿有成熟橡产品，双目前仅耀日本就之有格100富0失多家生垮产光催麻化纳米俘氧化钛誉材料的买公司碰[9]洞，国内秩的生产躺厂也有俩如也“苍雨后春斩笋达”两，但是绵毕竟良语莠不齐绘、鱼目凉混珠，圣真假难悬辨。肿对于光厌触媒二湖氧化钛秧，目前抄存在的阁主要的穗问题是压：榴①键甜光触媒尸二氧化续钛是微叫粒状的皂物质，重粒子的迷颗粒愈丑小时，梅其表面扛积愈大疲，能吸灵收的光紧能越多侍，效果绣也越好态。通常蚀二氧化巡钛需要顶在纳米式级，才草能有足有够的表脉面积进惰行光触由媒反应未。但颗饺粒越小设所需要水的制作庸成本越能大，现卖在有些垫制造厂谋为了降挤低成本扭而采用自微米级胁的光触椒媒，效阀率大打握折扣，事因此第否一步必扮须从国良内近百临家生产阵厂中选轰择合格锄的产品吧，困难何很大请[10冒]岸；座②延否太阳能舞利用率冒低，大公部分光飞触媒二迟氧化钛刻必须有腐紫外线杰光照射膏才能起提作用，最目前在悠普通日炭光下，桌甚至是搁黑暗条输件下也喇能抗菌品的纳米禾氧化钛灾材料已婆经研制绸成功，怠但需要奴进一步浊验证科[春9冤，之10]饭；扯③既血负载技跃术，纳骑米氧化华钛产品海为粉体押状，因我此寻找驾既能保洪持高催膛化活性心又能维不持负载纳材料的罪物性，迟而且能探均匀、鼻牢固地验使催化悼剂固定捡在负载江材料表垃面的技趟术是十控分困难座的辆[10枪]架。阔耐纳米银陈材料存糟在的主量要问题汉除了其紧抗菌不棚需要光灶催化外辅，其他诵与光触神媒二氧户化钛相迎同。傍6暗恐光催化妈驻极体润静电空遥气过滤宁器研制蛇及试验标结果地为了解娘决上述芽问题，岁对国内帜和国外毕多种纳绍米氧化竞钛和纳搁米银材耍料进行缸了调查卧，从中访各选择然了骂3穷种产品徐，送交柱广东省蕉微生物谜分析检日测中心底进行检知测，根于据川GB1绘597嗽9-2蔑00效2毅等标准耍、规范哑规定的保测试方搏法数[11铸-13绣]毛进行了罩抗菌性咸能测试棉。测试括结果表质明，虽箭然经过冠筛选，撑最后确犁定患的怒6鹅种材料罗的抗菌最性能仍依有一定捉的差异吵。对纳王米氧化虽钛的太塞阳能利兴用率同里时进行晕了测试孝，作为叨综合指岂标进行姐了筛选少，发现沟国内开缝发的普洋通光型见纳米氧半化钛的螺抗菌效钉果已经拌接近光择催化型忘纳米氧衬化钛。隔在上述福测试的阳基础上铺，进行阁了负载而技术研彩究。参幼考国内酱外研究胆成果，惠最后决绳定，对驶纳米银窗材料采辜用合成五法，即页按一定厨比例将加聚丙烯领纤维切量片与纳智米银粉革体混合早，然后疫进行熔李喷和静勒电充电洋，生成骂纳米银掘驻极体辞静电过固滤材料凡；对于荡纳米氧者化钛则掏配制成址快干溶征液，这服种溶液苗具有很等好的附趟着力，医采用高咬压喷雾驶法，可姐以均匀喜附着在脚驻极体疼静电过战滤材料嫩上。扶表探3良是龄3合种合成唇材料的波抗菌性并能测试誓结果，残分别恢是末①再臂纳米银抢驻极体安静电过羽滤材料捞；诞②重纳米氧占化钛驻嚷极体静蛛电过滤乡材料袍；衡③仁纳米氧怒化钛、匙纳米银团驻极体伟静电过平滤材料祖。尤表注3糖较抗菌材客料分析漂检测结先果（细硬菌含量效单伞位庙cfu取/cm粱2平）享超材料编嘴号精检测内费容骄大肠埃桐希氏菌融金黄色近葡萄球誓菌餐①虹“咱0嫁小柳时坏”目接触的萍细菌含疮量逮2.5怜×10洁5聋“伏8垄小葛时武”尊接触的抚细菌含槐量股8.0征×10减5颈抗菌率压（崖%仪）贪无宅“裹0面小啄时甩”拦接触的惕细菌含狮量要2.5袋×10淋5拆6.0摘×10堪5销“倦2偷4怠小民时世”丛接触的驶细菌含杀量珠3.8密×10扯4协3.8顿×10坚4票抗菌率目（乖%蚊）薯84.阁8纪36.脸67坦②饰“简0队小盐时资”库接触的净细菌含月量抚3.0泳×10惑5缩“微8朗小观时王”站接触的躁细菌含影量师4.5事×10辽3贞抗菌率巴（析%块）所85.到13铜“王0斯小花时城”肯接触的周细菌含功量丹2.5且×10床5呢6×1披0淡4幕“段2巴4脖小罢时多”念接触的尊细菌含葡量号<10森<10名抗菌率辟（衡%瓜）真99.翠996患99.参98叙③纯“俯0抖小猜时喜”孔接触的剂细菌含垃量愉3.0桃×10蜘5浑“矮8樱小饲时帜”辨接触的棵细菌含阶量射10妥抗菌率烂（捎%顶）百99.涌93番“见0俯小俩时柜”恒接触的边细菌含遇量搜2.5命×10水5爸6×1挣0秘4穿“籍2纳4桃小县时岛”埋接触的惧细菌含讨量辜<2翼<2羊抗菌率四（触%戚）碰99.窑999奶99.暂997抵检测结史论是纳屯米氧化掉钛驻极聪体静电支过滤材遗料和纳朴米氧化琴钛、纳塞米银驻抓极体静卧电过滤膏材料在执普通光我线下均网具有很北强的抗绿菌作用券。由于机空气过气滤器的谎抗菌功倡能不是互要求杀响灭流动住空气中汗的微生牢物，而面是需要转杀灭沉喜积在过略滤器上滩的微生博物，因旦此以上踢抗菌材小料中的伍后面两旨种都满羽足要求苦。至于遭纳米银榜合成的庸过滤材斗料为何齿抗菌率窝不高，盗原因不谱清，可脂能试验沫所选择极的材料辉有关。督不过，撒根据国单内的研仁究报告手可以看窝出，国老内的纳苍米银无权纺布具分有很强域的抗菌疲能力，狂因此建萄议采用握低阻力蓝纳米银阳无纺布棒作为粗哗效空气躁过滤器寻，与纳露米氧化戴钛、纳乓米银驻害极体静节电过滤拘材料制贫造成高怜效过滤建器联合狡使用。蜓采用纳她米氧化置钛、纳份米银驻孕极体静天电过滤零材料制耽造成高屋效过滤递器的过血滤效率心测试结厘果如只表毅4壮所示。柜表桐4碍怎纳米银骆驻极体滋静电高踏效过滤辆器测试搏结叮果泻毙名称逃测试结孟果失规格尺速寸喜/mm熊500稼×60价0×1扮50丢风型量板/m臭3燃/h奖500扎面风乱速霸/m/捎s右0.5捎过滤效跑率脾/%奔99.弹99鞋空气阻象力践/Pa疾62奉7延适结论子提高空猫调系统恭防御疾开病传播古的功能近，改善鱼空调房休间的空阔气品质哄，是当桌前暖通逐空调专浅业人员丧一项义制不容辞斧的责任亦和义务晕。将国恼内外先报进的过党滤材料员制造工蚊艺，与雁确实可尽靠的抗是菌材料旺有机的捉结合在罢一起，穗是研制马新型高尾效、低拢阻力、份抗菌过想滤材料细的一种洋行之有于效的途遗径纺笔者研恼制成功艰的纳米清氧化钛结、纳米村银驻极睛体静电运过滤材旨料具有单很强的付抗菌作问用，采拼用这种优材料制神造的空匙气过滤鸽器效率敢高、阻阀力低、击价格便先宜，解释决了长阶期