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技術文章 / article
空氣凈化機理的探討
2020-07-06 瀏覽次數：496
空氣中的污染物根據物理狀態可以分為顆粒物（包括無機和有機）和有害氣體兩大類。由于它們的尺度和物理化學性質不同，所以凈化機理也不同。習慣上將對顆粒物的凈化稱為過濾，相應的設備稱為空氣過濾器，對有害氣體則一般稱為凈化，工程上也有將相應凈化設備稱為化學過濾器，其實并不確切，因為凈化有害氣體的過程中也有物理過程。
1、顆粒物凈化機理
空調系統中應用的顆粒物凈化設備主要有兩種：機械式纖維過濾器和靜電過濾器。
機械式纖維過濾器主要應用機械作用力使顆粒物從空氣中分離出來，其分離機理主要有重力沉降、篩濾、慣性離心力、慣性碰撞、接觸阻留、擴散等，有時也兼有靜電分離，如下圖所示：
粗大顆粒物依靠重力可以自然沉降（重力沉降）；當粒徑大于濾料孔徑時被篩分（稱為篩濾）；當含塵氣流遇到過濾器的結構或過濾纖維時發生旋轉或繞流，較大的顆粒物會由于慣性而從氣流中分離（慣性分離），在通風除塵領域有專門利用慣性分離機理的旋風除塵器等；有些被慣性分離的顆粒物由于慣性運動直接撞擊到結構或纖維表面（慣性碰撞）；細小顆粒雖然可以隨氣流運動，但若緊靠結構或纖維表面會因解除而被捕集（接觸阻留）；細微粒子可在空氣分子熱運動的撞擊下作不規則的布朗運動，若在運動中與結構或纖維表面接觸也會被捕集（擴散）。以上分離機理都是由于顆粒物隨氣流運動而受到不同機械力從而被分離。當濾料由于自然或人為作用而具有一定靜電荷時，也可以吸附粉塵（靜電分離），提高了過濾效率。為了提高過濾效率，需要使用纖維直徑小、密實度高、空隙率小的濾料，這樣空氣流動阻力也高。
噴淋室利用水滴捕集空氣中的顆粒物也屬于機械分離。
靜電空氣過濾器采用高壓靜電場使顆粒物荷電并在電場力作用下做定向運動而被分離。靜電過濾器的工作原理如圖所示：
通過對集塵極和電暈極加上高壓直流電形成的非均勻電場，使得電暈極附近極小區域內的空氣完全分離，產生大量離子。上圖中的電暈極為負極，所以正離子立即到達電暈極，有少量荷正電的顆粒物也會沉積在電暈極上，而負離子則進入電場空間內，使空氣中的絕大多數顆粒物荷負電，在電場力的作用下到達集塵極并沉積在極板上，實現了分離顆粒物的目的。加在兩極間的電壓有一定工作范圍：隨著電壓升高，電暈極附近空氣開始分離（稱為起暈），極間電流開始增大；電壓繼續升高，電暈區也隨之擴大，最后會使兩極間空氣完全分離（稱為擊穿），此時靜電過濾器已無法正常工作，所以正常工作電壓應保持在起暈電壓和擊穿電壓之間。上圖所示的荷電方式稱為負電暈（電暈極為負極），由于其擊穿電壓較高、負離子運動速度大，所以通常用于含塵濃度比較高的工業除塵系統，空調系統采用正電暈（電暈極為正極），因為產生的臭氧量較小。
與機械式過濾器相比，靜電過濾器的主要優點是在相同的過濾效率下，空氣流動阻力要遠低于前者，因此可以降低運行能耗，但它只能處理一定比電阻（電阻率）范圍內的顆粒物，而且金屬耗量比較大，制作、安裝、運行維護要求比較高。
2、有害氣體凈化機理
由于有害氣體以分子態與空氣形成混合氣體，所以上述分離顆粒物的作用機理都不適用。在工業領域針對濃度較高的有害氣體可以采用的燃燒法、冷凝法等凈化方法不適用于空調領域有害氣體濃度較低的情況。
空調領域可以采用的方法有吸收法和吸附法。吸收法使用水或水溶液來吸收空氣中的有害氣體，但系統比較復雜，有水處理等問題，所以比較少用。吸附法采用活性炭、硅膠等多孔性固體的表面來吸附空氣中的有害氣體，由于結構簡單、維護管理方便而得到較廣泛應用。
用作吸附劑的固體物質應具有很大的比表面積，當需要有針對性吸附某些有害氣體時可以在其表面浸漬特定的化學物質。吸附劑使用一定時間后會達到飽和，失去吸附能力，需要更換或再生。
為了保證一定的凈化效率，避免頻繁更換或再生，需要足夠的吸附劑充填量，這就會造成空氣流動阻力上升，投資和運行費用都增加，制約了吸附裝置在普通空調系統中的應用。
