空气净化器

背景

空气净化器的发展是为了响应人们对花粉、动物皮屑、灰尘和霉菌孢子等过敏原的反应。反应（打喷嚏、流鼻涕、眼睛发痒，甚至更严重的后果，如哮喘发作）是在家中发现的抗原的结果。这些抗原是哮喘的主要诱因，仅在美国就有超过 1700 万哮喘患者。空气净化器会去除一部分这些颗粒，从而减少过敏反应。

由于它们的体积非常小，过敏原能够通过标准的真空吸尘器袋子并重新分布到空气中，并在那里停留数天。在对猫过敏的 6 到 1000 万美国人中，即使是一微克的猫过敏原也足以引起大多数人的过敏反应。其他空气中的颗粒——例如细菌和病毒——会导致疾病，其中一些是致命的。每年在美国销售数百万台空气净化器的原因有很多——过敏、哮喘、致命疾病。

有两种常见类型的空气净化器可以去除空气中的部分或全部疾病和引起过敏的颗粒：机械过滤器——最有效的被归类为高效微粒空气过滤器（HEPA 过滤器）——和静电除尘器。

HEPA 过滤器由直径小于 1 微米（一微米为 0.00004 英寸，0.001 毫米）的非常细的玻璃线制成。相比之下，人类头发的直径约为 75 微米（0.003 英寸，0.07 毫米）。细玻璃丝缠结在一起并压缩以形成过滤垫。因为单根线非常微小，所以大部分垫子都由空气组成。垫子上的开口非常小，通常小于 0.5 微米（0.00002 英寸，0.0005 毫米）。 HEPA 过滤器将收集直径小至 0.3 微米（0.00001 英寸，0.0003 毫米）的颗粒。即使过滤器可能只有 0.10 英寸（2.5 毫米）宽，它也会由 2,500 层玻璃线组成。

静电除尘器依靠静电力从空气中去除颗粒。它们的工作原理是产生一团自由电子，尘埃粒子被迫通过这些自由电子云。当灰尘颗粒通过等离子体时，它们会带电，从而易于收集。静电除尘器可以收集直径低至 0.01 微米（0.00001 毫米）的颗粒。

HEPA 过滤器和静电除尘器都不能去除空气中的挥发性有机化合物，因此无法减少气味。为此，大多数空气净化器都配备了由活性炭组成的前置或后置过滤器。活性炭是通过在没有氧气的情况下在非常高的温度下加热碳源（椰子壳、旧轮胎、骨头等）来生产的，这一过程也称为热解或破坏性蒸馏。热解将纯碳与原材料中包含的其他材料分离。然后将纯碳暴露在 1,500°F（800°C）的蒸汽中。高温蒸汽使碳活化。活化过程在碳颗粒中形成数百万个裂缝。这些裂纹的直径约为 0.002 微米（0.000002 毫米）。由于裂缝太多，活化过程为碳提供了巨大的单位重量表面积——约 6.5 英亩/盎司（1,000 m ² /G）。数以百万计的裂缝提供了可以吸附有机化合物的位置。此外，碳表面带有残留电荷，可将非极性化学物质（没有分离正负电荷的化学物质）吸引到它上面。活性炭在吸附产生异味的化合物方面非常有效。

历史

自从人类群体生活以来，空气纯度一直是一个问题。狩猎采集者游牧的原因之一是他们需要定期离开垃圾场和厕所。在公元 61 日，罗马哲学家塞内卡 (Seneca) 抱怨不断笼罩在罗马上空的烟囱烟雾的瘴气。 1306年，英国国王爱德华一世因空气中残留大量污染物而禁止在伦敦燃烧煤炭。

18 和 19 世纪的工业革命只会使问题更加恶化。燃煤发电和燃料火车在世界上每个主要工业中心都产生了乌云，整个城市都被煤烟覆盖。为了解决这个问题，工程师建造了更高的烟囱，将空气中的废物从源头移开。不管烟囱有多高，顺风的人们抱怨煤燃烧产生的灰烬和酸性气体（酸雨的来源）破坏了他们的庄稼。第二次世界大战后，汽车成为工业化世界的主要交通工具，空气污染再次恶化。汽车烟雾使洛杉矶的空气质量成为世界上最差的。

原材料

HEPA 过滤器和静电除尘器的材料包括：塑料外壳、引导空气流过过滤器的电风扇、过滤器本身以及控制风扇速度和开启空气净化器的控制开关开和关。 HEPA 过滤器由硼硅玻璃纤维或塑料纤维（例如聚丙烯）与最多 5% 的丙烯酸粘合剂（与将乳胶漆粘合到房屋上的相同化合物）粘合在一起制成。静电除尘器通过设置在接地钢充电板之间的钢丝运行极高的正直流电压来产生离子。外壳几乎普遍由塑料制成，通常是高抗冲聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯或聚丙烯。大多数空气净化器通常还配备由活性炭组成的后置过滤器。

设计

HEPA 过滤器是根据要去除的颗粒大小和所需的空气流速设计的。 HEPA 材料中的孔隙越细，从空气中去除的颗粒就越细。然而，收集更细的颗粒意味着过滤材料会更快堵塞，需要更频繁地更换。设计者将指定玻璃纤维的直径和固定过滤器孔径的滤布的垫密度。 HEPA 过滤器可以包含提供额外强度的粘合剂，但这也会导致过滤器更快堵塞。

静电除尘器的设计要复杂得多。家用静电除尘器通常设计为具有两个组件，一个是电离组件（产生电子云的地方）和一个收集组件（从空气中拉出带电尘埃粒子的地方）。收集组件由一系列平行钢板组成——一半接地，一半承载正直流电压——因此交替板带正电或带负电。电离单元由细线组成，它们串在一组单独的接地钢电离板之间，平行于集电板，但设置在集电板的前面。细线承载非常高的正电压直流电（在家用空气净化器中高达 25,000 伏）。导线中的正电荷在导线和相邻的电离板之间引起电子流动。由于导线上有非常高的电压，电子被重力加速度的大约 1,000 倍的加速度推向它，从而将电子加速到非常高的速度。例如，当尘螨排泄物的颗粒漂浮在电线上时，高速电子与颗粒分子中的电子发生碰撞，撞击 静电除尘器及其组件的示例。其中一些是免费的。当这些分子失去电子时，它们带上正电荷并因此被吸引到带负电的集电板。设计人员必须选择足够高的电压以产生足够数量的电子来电离通过除尘器的粒子，并且将收集板间隔得足够近，以便在除尘器风扇拉动之前将电离的灰尘颗粒捕获在板上完全通过空气净化器。

制造
过程

案例

• 1 原料颗粒（高抗冲聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯或聚丙烯）被送入料斗并加热至熔点，300-590°F（150-310°C） .
• 2 在高压下将熔化的塑料注入外壳的模具中。模具通常由技术娴熟的模具制造商用工具钢制成。当塑料进入时，模具中的通风孔允许夹带的空气逸出。模具设计者必须确保模具被塑料均匀填充并且允许所有夹带的空气逸出，否则最终部件可能包含小气泡甚至空隙。
• 3 水被迫通过模具内置的通道，将热量从熔融塑料传递到环境中。一旦零件充分冷却（最多可能需要两分钟），模具就会打开。液压操作的销将零件从打开的模具中推出到接收箱中。

风扇

• 4 使用电风扇将空气吸入空气净化器。风扇通常从小零件供应商处购买。风扇由一个小型电动机组成，金属扇叶连接到电动机的取力器上。风扇叶片通常点焊到轴环上，轴环滑到取力器上并用螺栓固定到位。
• 5 风扇通常用钢螺丝固定在机箱上。

HEPA 过滤器

1. 构成 HEPA 过滤器的玻璃纤维是通过使熔融玻璃或塑料通过纺丝喷嘴中的极细孔而制成的。由于其微小的直径，由此产生的玻璃纤维几乎立即冷却和硬化。
2. 纺丝喷嘴在移动的传送带上方来回移动（使玻璃纤维形成网状结构），纤维收集到该传送带上。传送带的速度决定了过滤材料的厚度——缓慢的传送带允许更多的玻璃纤维堆积在传送带上。
3. 纤维的熔化和冷却会产生一些纤维的结合。随着传送带的前进，乳胶粘合剂被喷到织物上以提供额外的强度。织物可以是任何宽度，直到机器的实际尺寸，并且可以在织物被卷取到滚筒上之前切成客户指定的尺寸。
4. HEPA 垫形成后，它们会在自动折叠机中折叠成手风琴图案。手风琴模式允许高达 50 英尺 ² (5 m ² ) 的过滤材料被封闭在一个小空间内。
5. 然后将手风琴形过滤器封闭在过滤器外壳中，通常由开放的线栅组成。过滤器外壳的目的是支撑过滤器。

静电除尘器

1. 静电除尘器收集系统的制造方法是将钢板封装在塑料外壳中，通常是手工组装。板在外壳中彼此平行布置。
2. 然后将电线连接到交替的极板上，高压正直流电流将通过这些极板施加到极板上。其他板接地。
3. 电离装置是通过在集电板前面铺设小直径电线而构成的。
4. 用于将115伏家用交流电转换为高压直流电的电压互感器固定在除尘器外壳上。该电压同时施加到带正电的集电板和电离线。

活性炭过滤网

• 1 活性炭过滤器（用于减少异味）通常由碳浸渍布或泡沫组成。这是通过将粉末活性炭注入原材料制成的。
• 2 然后将碳过滤器缠绕在 HEPA 过滤器的内部或外部，或在静电除尘器的入口或出口处拉伸成框架。

组装

• 3 空气净化器中的组件很少。出于这个原因，它们通常是工作台组装的。在工作台组装中，移动的传送带将单个组件或子组件（例如，已经连接到机箱的风扇）带到工作台上，然后人工组装它们。在典型的 HEPA 空气净化器中，可能只有五个组件需要组装：外壳、风扇、微粒过滤器、碳过滤器和开关。

质量控制

过滤效率是空气净化器最重要的质量控制测试。美国测试与材料协会 (ASTM) 发布了过滤器在用于某些应用或作为 HEPA 过滤器销售之前必须满足的质量控制测试（例如，ASTM-F50：空气传播颗粒连续分级和计数的标准实践）使用能够检测单个亚微米和更大颗粒的仪器的粉尘控制区域和洁净室）。美国国防部颁布了一项标准，其中邻苯二甲酸二辛酯 (DOP) 颗粒被吹过过滤器。要通过，过滤器必须去除 99.97% 的进水 DOP。

副产品/废物

制造的副产品包括从活性炭制造中蒸馏出来的非碳材料、规格过滤材料以及在生产 HEPA 过滤器时必须丢弃的多余材料。大多数其他制造废料、注塑机的塑料流道和多余的金属板都可以回收利用。

在空气过滤器的运行过程中会产生额外的废物。静电除尘器产生的离子与空气中的氧气相互作用产生臭氧。在高浓度下，臭氧是有毒的。家用静电除尘器产生的臭氧水平不太可能达到危险水平，但有些人甚至对低水平的臭氧也很敏感。静电除尘器中的集电板需要定期清洁。

HEPA 过滤器的使用寿命有限，具体取决于通过它们过滤的空气量和空气中的微粒量。大多数制造商建议每隔几年更换一次。用过的过滤器无法回收，因此最终会被填埋。

活性炭可以回收利用，但处理家用空气净化器中含有的少量碳的成本高得令人望而却步。通常，它在完全使用后也会进入垃圾填埋场。

未来

随着科学家更多地了解环境污染物及其对人类健康的影响，为家庭和办公室提供更清洁空气的需求只会越来越大。当前这一代 HEPA 过滤器只能去除直径低至 0.3 微米（0.00001 英寸，0.0003 毫米）的颗粒，而人们认为直径低至 0.1 微米（0.0001 毫米）的颗粒会对肺组织造成机械损伤。病毒的直径可以小到 0.02 微米（0.00002 毫米）。显然，在控制室内空气污染方面仍然可以取得进展。当前的技术方向是朝着更精细的过滤材料发展。过滤的新标准是 ULPA 过滤器，它代表超低渗透空气。 ULPA 过滤器需要能够去除直径小至 0.12 微米（0.00012 毫米）的颗粒，大约是 HEPA 过滤器可以去除的最小颗粒直径的三分之一。

哪里可以了解更多

书籍

Cooper、David C. 和 F. C. Alley。 空气污染控制：一种设计方法。 伊利诺伊州前景高地：Waveland Press, Inc.，1994 年。

天哪，萨德。 室内环境质量。 纽约：刘易斯出版社，1999 年。

Mycock, John C., 等。 空气污染控制工程与技术手册。 纽约：刘易斯出版社，1995 年。

期刊

Christiansen, S. C. 等。 “圣地亚哥内城以西班牙裔为主的哮喘儿童对环境过敏原的暴露和敏感性。” 过敏与临床免疫学杂志 （1996 年 8 月）：288-294。

其他

“静电沉淀。” Tin Works, Inc. 2001 年 6 月 3 日。。

“过滤介质。” Mac 设备。 2001 年 6 月 3 日。。

“塑料：注塑成型。” 美国工业设计师协会。 2001 年 6 月 17 日。。

杰夫 雷恩斯