空气净化器原理

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空气净化器原理

摘要:其实,本质上人体就是一个效率不高的PM2.5空气净化器——鼻毛、粘膜以及分泌物会过滤绝大部分大于10微米的颗粒,然后比较「纯净」的PM2.5颗粒会直接落户于肺部,一些较小的颗粒,

其实,本质上人体就是一个效率不高的PM2.5空气净化器——鼻毛、粘膜以及分泌物会过滤绝大部分大于10微米的颗粒,然后比较「纯净」的PM2.5颗粒会直接落户于肺部,一些较小的颗粒,比如0.1微米以下的颗粒会穿透气管壁,进入血液循环,以及渗入其他器官,严重则会导致血管硬化……

净化空气不是难事,无非就收集空气中尺寸小于2.5微米的颗粒罢了。所以,世界上的PM2.5空气净化器可以分为两种:一种收集PM2.5速度快,我们就称之为大CADR值的机器,也就是「有用」的空气净化器,另一种收集PM2.5速度太慢,我们就称之为小CADR值的机器,比较鸡肋。

采用哪种技术的空气净化器更「有用」一些呢?

HEPA

HEPA的全称是High Efficiency Particulate Air,也就是高效率的空气颗粒过滤器的简称。这种过滤器能在额定风量下过滤掉99.97%的0.3微米颗粒,这东西看起来很神奇,实际却是非常成熟的产品。上世纪40年代,美军开始研发一种可以过滤核尘埃的神器,这个神器经过美国的原子能委员会批准,并纳入到「曼哈顿计划」,是正经的军事机密。二战之后,HEPA这种东西马上得到解密,变成过滤花粉,细菌,病毒,对付哮喘的平常玩意。将带有驻极体的熔喷聚丙烯或者玻璃纤维制作成滤纸,折叠固定好即制成我们所说的HEPA。HEPA的吸附原理不是简单的筛子原理,而是复杂的拦截效应、扩散效应、重力效应、静电效应等等的叠加,这导致了很多怪现象,比如:不是越小的颗粒越容易穿透滤网,而是直径在0.1微米-0.3微米附近的颗粒最容易穿透滤网。再比如HEPA的实际孔隙大于2.5微米,却可以捕捉0.1微米以下的颗粒,依靠的就是静电力和范德华力。另外根据树枝晶状模型理论,随着过滤器收集颗粒变多,玻璃纤维过滤器单次过滤效率会增加,与之相反,静电驻极过滤器会发生静电衰减,对于小颗粒的单次过滤效率会慢慢降低。这些令工程师头疼的问题实际上并不需要我们普通人去理解,和考试一个道理——只要结果,别管过程。我们需要知道的就是:空气中恼人的小颗粒们在经过这些HEPA滤网时会被截留,无法危害到我们的生命安全,时至今日,大多数空气净化器,逃脱不了风机+HEPA过滤器的构造。总而言之,HEPA是至今为止清除PM2.5最安全的技术之一,虽然不可避免地需要更换过滤器,但是简单高效,是主流的去除PM2.5手段。

高压静电集尘

这种技术的原理也不难理解,气流先通过放电极(一般是一些并列的放电丝)令气体分子电离,导致PM2.5颗粒带电,这些带电颗粒会通过一排带电极板,学过高中物理题的同学都知道带电粒子在电场中做抛物线运动,如果极板够长,电场够强,PM2.5颗粒最终会撞到极板上。高压静电集尘针对室内情况又衍生出IFD技术,这个技术采用绝缘体包裹收集极,由于绝缘层的存在,有效防止极板之间产生电弧,并大大缩短收集板之间的距离,提高了收集板的排列密度,增加了收集效率。

负离子

自然环境下,每立方厘米大约有1000个自由电子,通过高中物理会考都知道,如果制造一个负高压的电场,那么这些电子在这个电场下便会被加速,并会碰撞其他气体分子,如果高压电场足够强大,会导致分子被电离,这时负离子被电场排斥送入空间,这些离子大多传播不远,两米开外就所剩无几了,作用范围内,对于细菌霉菌,确实会有一定抑制作用,但是对于VOC(挥发性有机化合物,volatile organic compounds的英文缩写)几乎毫无作用。如果家里有人安装了心脏起搏器,那么严禁使用任何带离子功能的空气净化器。另外,负离子会加速小颗粒的沉降,但是并不会清除小颗粒,甚至会产生所谓的「黑墙效应」。期望负离子大幅清除PM2.5的小盆友要多留意了。

吸附剂技术

除了PM2.5,空气中还有很多其他污染物,它们大多数以气体形式存在,由于尺寸太小,无法被HEPA或者高压静电所收集。只能依靠吸附技术以及催化技术将它们一网打尽。这些有害物质就是我们常说的VOC,美国环境署(EPA)对VOC的定义是:除了一氧化碳,二氧化碳,碳酸,金属碳化物,碳酸盐以及碳酸铵外,任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。具体分类有:苯类、烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他,由于这些小伙伴们太多,单独考虑太过繁琐,所以统称VOC。这里边有个叫「甲醛」的东西早已威震八方。

如何对付这些可恶的VOC呢?

主流的方式是想办法捕捉VOC。一般捕捉这些VOC常用的吸附材料有活性炭、硅胶、氧化铝、沸石等。吸附作用分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要依靠范德华力,吸附速率快,无选择性,但是不稳定,容易脱附。化学吸附主要依靠化学键力,有选择性,不易脱附。对于沸点高于常温的VOC,比如苯,一般不会发生化学吸附,主要以物理吸附为主,而对于沸点低于常温的VOC,比如甲醛,主要以化学吸附为主。无论哪种捕捉方式,捕捉的量都是有限的,没有什么材料可以永远捕捉而不会饱和。所以,去除 VOC(甲醛)最有效的方式是「通风」,装载活性炭等吸附剂的净化器则是通风不利情况下的次优选择。

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