第三章 室内空气品质 －第2部分 空气净化 清华大学 建筑学院 建筑技术科学系 2004年

内容回顾 室内空气污染产生的原因及改善的重要性 室内空气污染源和污染途径 室内空气品质对人的影响及其评价方法 室内空气品质标准 室内空气控制方法(部分)

本节课内容目录 室内污染控制方法概述 室内空气净化方法和原理 室内空气净化中一些值得注意的问题 室内空气净化方式简介 习题 参考文献

1. 室内空气污染控制方法概述 目标：Ci<Ci,标准 污染对人的影响 污染检测技术 污染源 控制 通风和气流组织 空气 净化

2. 空气净化方法和原理 空气过滤 吸附方法 紫外灯杀菌 静电吸附 纳米材料光催化 等离子放电催化 臭氧消毒灭菌 利用植物净化空气

2.1 空气过滤去除悬浮颗粒物

空气过滤：去除悬浮颗粒物 过滤器主要功能：处理空气中的颗粒污染 常见误解：过滤器像筛子一样，只有当悬浮在空气中的颗粒粒径比滤网的孔径大时才能被过滤掉。其实，过滤器和筛子的工作原理大相径庭。 过滤器过滤的放大

空气过滤的机理 惯性效应 截留效应 重力作用 扩散效应 不同捕集机理的捕集效率对不同粒径的尘粒是不同的。 静电效应

空气过滤的机理总结 截留效应：粒径小的粒子惯性小，粒子不脱离流线。在沿流线运动时，可能接触到纤维表面而被截留。 惯性效应：粒子在惯性作用下，脱离流线而碰到纤维表面。 扩散效应：随主气流掠过纤维表面的小粒子，可能在类似布朗运动的位移时与纤维表面接触。 重力作用： 尘粒在重力作用下，产生脱离流线的位移而沉降到纤维表面上。 静电效应：由于气体摩擦和其它原因，可能使纤维带电。

过滤器总效率和某种作用的效果和粒径的关系曲线

初效过滤器 中效过滤器 高效过滤器 高效袋式过滤器 几种常见过滤器的示意图

过滤器主要性能指标 过滤效率 单级过滤器的效率为： 其中n1、n2分别为过滤器前后的粒子浓度, p＝n2/n1称为穿透率。

过滤器主要性能指标：过滤器阻力 新过滤器阻力一般有下列经验公式： 其中u0为迎面风速，A、B和m分别为经验系数与指数。或： 其中u为气溶胶通过滤料的流速，也叫滤速。对于国产过滤器，一般a＝ 3～10，n＝1～2。 过滤器的阻力随着迎面风速u0或者滤速u的增大而增大，过滤效率随着滤速增大而降低

HEPA 滤网 HEPA 全称 “High Efficiency Particulate Air” 滤网由 超细玻璃纤维 组成. 应用 : 医院, 制造业的洁净室。

2.2 活性炭吸附气体污染物 吸附是由于吸附质和吸附剂之间的范德华力而使吸附质 聚集到吸附剂表面的一种现象。 吸附分为物理吸附和化学吸附两类。 物理吸附物理吸附属于一种表面现象，其主要特征为： ①吸附质和吸附剂之间不发生化学反应； ②对所吸附的气体选择性不强； ③吸附过程快，参与吸附的各相之间瞬间达到平衡； ④吸附过程为低放热反应过程，放热量比相应气体的液 化潜热稍大； ⑤吸附剂与吸附质间吸附力不强，在条件改变时可脱 附

吸附对于室内VOCs和其他污染物是一种比较有效而又简单的消除技术。 目前比较常用的吸附剂是活性炭。 固体材料吸附能力的大小和固体的比表面积（即1g固体的表面积）很有关系，比表面积越大，吸附能力越强。

活性炭纤维： 20世纪60年代发展起来的一种活性炭新品种 含大量微孔，其体积占了总孔体积的90％左右，因此有较大的比表面积：多数为500～800m2/g！ 与粒状活性炭相比，活性炭纤维吸附容量大，吸附或脱附速度快，再生容易，不易粉化，不会造成粉尘二次污染。 对无机气体如SO2、H2S、NOx等和有机气体如(VOCs)都有很强的吸附能力，特别适用于吸附去除10-9到10-6g/m3量级的有机气体，在室内空气净化方面有广阔的应用前景。

活性炭的吸附性能 物质名称 饱和吸附量(%) SO2 10 Cl2 15 CS2 15 C6H6(苯) 24 O3 能还原为O2 物质名称 饱和吸附量(%) SO2 10 Cl2 15 CS2 15 C6H6(苯) 24 O3 能还原为O2 烹调臭味 30 厕所臭味 30

浸渍高锰酸钾的氧化铝和活性炭对一些空气污染物吸附效果比较表 普通活性炭对分子量小的化合物(如氨、硫化氢和甲醛)吸附效果较差，对这类化合物，一般采用浸渍高锰酸钾的氧化铝作为吸附剂，空气中的污染物在吸附剂表面发生化学反应，因此，这类吸附称为化学吸附，吸附剂称为化学吸附剂。下表比较了浸渍高锰酸钾的氧化铝和活性炭吸附效果。 浸渍高锰酸钾的氧化铝和活性炭对一些空气污染物吸附效果比较表 吸附量(%) NO2 NO SO2 甲醛 HS 甲苯 浸渍高锰酸钾的氧化铝 1.56 2.85 8.07 4.12 11.1 1.27 活性炭 9.15 0.71 5.35 1.55 2.59 20.96

2.3 紫外灯杀菌 (Ultraviolet germicidal irradiation, UVGI) 紫外辐照杀菌是常用的空气中杀菌方法，在医院已被广泛使用。 紫外光谱分为UVA (320- 400nm)、UVB(280-320nm)和UVC(100-280nm)，波长短的UVC杀菌能力较强。 185nm以下的辐射会产生臭氧。 一般紫外灯安置在房间上部，不直接照射人，空气受热源加热向上运动缓慢进入紫外辐照区，受辐照后的空气再下降到房间的人员活动区，在这一过程中，细菌和病毒会不断被降低活性，直至灭杀。 紫外灯杀菌需要一定的作用时间，一般细菌在受到紫外灯发出的辐射数分钟后才死亡。

2.4 静电吸附 激化纤维 7000V直流电压 激化纤维 屏蔽板 空气

How a high-voltage electronic air cleaner works. 静电吸附（双级） AIRFLOW ELECTRONICALLY CHARGED WIRES ZAP PARTICLES ELECTRICALLY CHARGED PLATES ATTRACT PARTICLES LIKE MAGNETS 细菌 病毒 花粉 尘埃 ELECTRONICALLY CLEANED AIR CIRCULATED BACK THROUGH YOUR BUILDING 电子净化格栅 真菌 Smoke PRE-FILTER SCREEN STAGE 1 : CHARGING SECTION STAGE 2 : COLLECTION SECTION How a high-voltage electronic air cleaner works.

2.5 光催化降解VOCs Fujishima A. , et al., Nature, 1972, 238(5338): 38-45. 导带 价带

光催化降解VOCs及微生物原理图 UV灯（开） UV灯（关） VOCs 微生物 降解甲醛反应过程： REPLAY 光催化材料 氧化反应 还原反应

光源要求 一般在紫外光照射下VOCs才会发生光催化降解 光催化反应器中采用的光源多为中压或低压汞灯。 紫外光谱分为： UVC(100-280nm) UVB(280-320nm) UVA (320- 400nm) 杀菌紫外灯波长一般在UVC波段，特别在254nm附近。

在研制可见光光催化剂方面取得的新进展 将非金属氮替换二氧化钛中少量（0.75 %）的晶格氧，从而使其具有较高的可见光活性，成功地在可见光照射下分别于液相和气相中降解了纯TiO2所不能降解的乙醛。 美国科学家通过高温火焰加热Ti金属的方法将碳原子取代了TiO2晶格中的氧，显著改变了它对可见光的响应特性。 通过TiO2的H2O2 或氯铂酸表面改性、增加TiO2中Ti3+ 浓度等方法也能有效地将TiO2光催化降解有机污染物的反应扩展到可见光范围。 目前可见光反应去除有机污染物效率很低，与实际应用还有很大距离。

纳米光催化消除甲醛、甲苯

掺杂对光催化降解甲醛的影响 Doped absorbents Reaction effectivenesss（％） 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 P25+丝光沸石 P25+Al2O3 P25+ZSM-5(1) P25+ZSM-5(3) P25+SiO2(SD-400J) 纯P25: 1.05mg/cm2 P25+SiO2(SD-520) P25+斜发沸石(290目) P25+斜发沸石(325目) P25+人造沸石(1:1) P25+斜发沸石(2，神石) P25+斜发沸石(1，神石) P25+SiO2(SD-520L) P25+ZSM-5(2)(1:1) P25+斜发沸石(含铁325目) Doped absorbents

纳米光催化空气净化效果强化和应用 可将材料评价、结构评价、传质评价分开。 反应能 力影响 传质能 反应面 力影响 积影响 提出了光催化反应器设计的ε－NTUm方法 反应面 积影响 传质能 力影响 反应能 力影响 揭示了反应面积、传质能力影响和反应能力影响与反应效率间的关系, 可将材料评价、结构评价、传质评价分开。 提出了理想光催化空气净化器概念 问题： 如何测定光催化材料的反应常数，建立光催化材料性能测定标准？ 与其他空气净化方式包括通风的比较（效果、能耗、经济性等）？ 何种条件下采用纳米光催化空气净化技术？ 目前可见光催化空气净化方法离应用有多远？

不同方法空气净化效果比较 0.07次/h

2.6 等离子体放电催化 高压电 VOCs 微生物 平板电极 UV光催化 高压放电 带电粒子冲击 电场应力及其热效应 光催化材料 平板电极 REPLAY

等离子体放电催化消除甲醛 初始浓度 6 ppm[3] 初始浓度 229 ppm[3]

等离子体放电催化消除微生物污染 稀释比为1：1000情况下未经 放电处理的细菌生长迹象[4] 稀释比为1：1000情况下经（8 kV）

光催化和等离子放电催化的优点 广谱：可消除空气中的多种污染物如VOCs、 无机有害物以及微生物等； 安全：催化剂无毒、无腐蚀，主要最终产物为 CO2、水等无害气体； 稳定：无需再生，可连续工作； 节能：反应所需能耗低。

2.7 臭氧杀菌消毒 臭氧，一种刺激性气体，是已知的最强的氧化剂之一，其强氧化性、高效的消毒作用使其在室内空气净化方面有着积极的贡献。 臭氧的主要应用在于灭菌消毒，它可即刻氧化细胞壁，直至穿透细胞壁与其体内的不饱和键化合而杀死细菌，这种强的灭菌能力来源于其高的还原电位，下表列出了常见的灭菌消毒物质的还原电位，其中臭氧具有最高的还原电位。 常见的灭菌消毒物质的还原电位表 名称 分子式 标准电极电位/V 标准电极电位 臭氧 O3 2.07 二氧化氯 ClO2 1.50 双氧水 H2O2 1.78 氯气 Cl2 1.36 高锰酸离子 MnO2 1.67

室内的电视机、复印机、激光印刷机、负离子发生器等在使用过程中会产生臭氧。 臭氧对眼睛、粘膜和肺组织都具有刺激作用，能破坏肺的表面活性物质，并能引起肺水肿、哮喘等。因此，臭氧杀菌使用方式应特别注意。

空气中杀菌消毒所需时间 紫外照射、纳米光催化、等离子体放电催化和臭氧杀菌所需时间一般都为数分钟。

2.8 利用植物净化空气 绿色植物除了能够美化室内环境外，还能改善室内空气品质 美国宇航局科学家威廉发现绿色植物对居室和办公室的污染空气有很好的净化作用: 24小时照明条件下，芦荟吸收了1m3空气中90％的醛； 90％的苯在常青藤中消失； 龙舌兰则可吞食70％的苯、50％的甲醛和24％的三氯乙烯； 吊兰能吞食96％的一氧化碳，86％的甲醛。 威廉又做了大量的实验证实绿色植物吸入化学物质的能力来自于盆栽土壤中的微生物，而不主要是叶子。与植物同时生长在土壤中的微生物在经历代代遗传后，其吸收化学物质的能力还会加强。可以说绿色植物是普通家庭都能用的起的空气净化器。

2.8 利用植物净化空气 有些植物还可以作为室内空气污染物的指示物，例如： 利用植物对某些环境污染物进行检测是简单而灵敏的。 紫花苜蓿：在SO2浓度超过0.3 ppm时，接触一段时间，就会出现受害的症状； 贴梗海棠：在0.5ppm的臭氧中暴露半小时就会有受害反应； 香石竹、番茄：在浓度为0.05～0.1ppm的乙烯下几个小时，花萼就会发生异常现象。 利用植物对某些环境污染物进行检测是简单而灵敏的。

3. 室内空气净化中一些值得注意的问题 3.1 要“对症下药” 物理污染 化学污染 微生物污染 普通过滤 吸附 静电除尘 要了解“病情”，对症下药。 目前，空气净化方法产品宣传中大多为“包治百病”。 现实世界中无万能“灵丹妙药”。

3.2 净化负荷与净化能力的确定与匹配 目前，空气净化负荷难以确定，净化器选择存在很大的盲目性。 解决途径(抛砖引玉的想法)： 空气净化负荷的确定－值得研究的问题！ 解决途径(抛砖引玉的想法)： 室内物品标识(Labeling)制度 室内污染散发测试，结合室内空气污染预测和评估软件确定。

空气净化器性能评价 CADR=V(k2-k1) 净化器能力指标：CADR 密闭小室体积为V， 内放置净化器。 净化器不工作，C1=C0e-k1t 净化器工作，C2=C0e-k2t CADR=V(k2-k1) CADR (Clean Air Delivery Rate,m3/h) 风量有效率＝CADR/额定风量 目前，净化器性能不标识，使得鱼龙混杂、滥竽充数。 建议：应对净化器净化能力规定下限。 同时对净化器净化能力贴标签。 根据污染特征和负荷大小选择合适的净化器。 C0 t C1 C2

4. 空气净化应用方式简介 净化目标 空气净化方法 改善空气净化理念：由全区域净化向目标区域加权净化过渡。 气流组织 单元式空气净化器 中央空调系统 个体空调 净化或自洁涂层 空气净化方法 改善空气净化理念：由全区域净化向目标区域加权净化过渡。

5. 习题 请比较不同室内空气净化方法的优缺点。 与常规空调送风方式相比，个体空调有什么优缺点？ 在SARS肆虐期间，为安全起见，一些人在空调系统中放置紫外灯杀毒灭菌，你对此有何评价？ 在空调系统里面释放臭氧杀菌的方法是否可行？

6. 本讲参考文献 John D S, Jonathan M S, John F M. Indoor Air Quality Handbook. the 1st edition. New York: McGraw-Hill Companies, Inc., 2001 Yinping Zhang, Rui Yang, A model of photocatalytic air cleaner for analyzing the performance of removing VOCs in indoor air and its applications, Atmospheric Environment, Vol. 37, 2003, pp.3395-3399. 杨学昌、柯锐、夏天、周远翔， 纳米TiO2等离子体放电催化空气净化技术的研究，电工电能新技术， 2004年01期，p. 3 杨学昌、周远翔等， 纳米二氧化钛等离子体放电催化杀菌的试验研究，电工电能新技术，2004年02期，p. 77

Many Thanks!