李正杰，江 涵，范 麗，王義剛

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料部，北京100019)

一、背景

隨著近些年來國內(nèi)大中型城市霧霾天氣的加重，空氣質(zhì)量日益成為人們關注的熱點話題。由于在城市中人們的大部分工作、生活時間都在室內(nèi)，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量對于人們身體健康的影響尤為重要。目前室內(nèi)空氣質(zhì)量的總體情況卻不容樂觀，其中污染物主要包括甲醛、灰塵、細菌、PM2.5、異味等，其污染物濃度甚至遠遠高于環(huán)境中的污染物濃度。隨著人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的日益重視，空氣凈化技術成為了熱點話題。我國空氣凈化技術起步晚，市場需求大，技術研發(fā)時間緊迫，這在一定程度上造成了空氣凈化領域的諸多問題。

目前常見的空氣凈化技術有很多種，傳統(tǒng)的方法包括機械過濾、活性炭吸附等，傳統(tǒng)的空氣凈化技術雖然性能穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)成本較低，但是凈化功能單一;隨著人們對空氣凈化效果與效率的不斷追求，等離子體空氣凈化技術作為一種可以同時去除多種污染的新型的空氣凈化技術，已經(jīng)成為了空氣凈化領域的一個重要的發(fā)展方向。

二、等離子體的空氣凈化作用

等離子體的產(chǎn)生方法有多種，包括電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法、射頻放電法、微波放電法、電暈放電法等。等離子體法屬于一種廣譜型的空氣凈化技術，能夠同時起到多種凈化作用。

(一)除塵

等離子中包含大量的電子和正負離子在電場的作用下與空氣中的顆粒污染物發(fā)生碰撞并附著在其上，從而使顆粒污染物成為帶電粒子，在外加電場的作用下，帶電粒子可以被集塵極收集。

(二)殺菌

等離子體具有顯著的殺菌作用，其殺菌的機理目前還沒有完善的解釋，普遍認為的幾種原理包括:(1)高速粒子對微生物細胞的穿透破壞作用;(2)等離子在產(chǎn)生過程中放出大量的紫外線能夠破壞細菌的DNA;(3)高能粒子和活性自由基與細菌的蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生反應從而將其破壞。

(三)去除VOC

等離子體中包含大量高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子與有害氣體分子發(fā)生頻繁碰撞，從而打開氣體分子的化學鍵，產(chǎn)生大量的自由基和氧化性很強的臭氧，與有害氣體分子發(fā)生化學反應生成CO2和H2O等無害產(chǎn)物。

三、等離子空氣凈化領域的專利申請狀況

(一)檢索方法

等離子空氣凈化主要涉及的IPC國際分類號為A61L9/22、F24F3/16。為了盡可能地避免漏檢，檢索中將分類號擴展至 A61L9/00、F24F3/00、B01D50/00。檢索數(shù)據(jù)庫選用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫(CNABS)和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫(SIPOABS)，檢索截止日期為2014年4月1日。

(二)國內(nèi)外申請情況

首先需要說明的是，由于專利申請通常自其申請日起18個月后公開，因此，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)中2013年及之后的數(shù)據(jù)會存在一定偏差，因此，圖1中僅列出了2012年以及以前的數(shù)據(jù)。

圖1中顯示了自1988-2012年世界范圍內(nèi)和中國范圍內(nèi)與等離子空氣凈化相關的專利申請情況。在世界范圍內(nèi)，等離子體空氣凈化首先在日本興起，隨后與之相關的研究在全世界范圍內(nèi)展開，1988年至1998年這一時期，該領域的專利申請量較少并呈現(xiàn)平穩(wěn)的發(fā)展趨勢。自1998年起至2005年，該領域的申請量呈現(xiàn)出了較迅速的增長，這主要是由于汽車時代的到來加重了空氣的污染以及全世界范圍內(nèi)空氣質(zhì)量對健康的影響日益受到關注。這一期間，中國國內(nèi)的相關專利申請則起步較晚并且申請量增長緩慢。隨后，2005年至2007年間，世界范圍內(nèi)的申請量呈現(xiàn)了下滑現(xiàn)象，而之后申請量又持續(xù)升溫，至2009年達到申請量的歷史最高點。從圖中可以看出，2007年之后，該領域的中國專利申請量先是呈現(xiàn)了迅猛的增長，在2009年達到最大申請量。這一時期，中國的粗放型經(jīng)濟發(fā)展所帶來的霧霾現(xiàn)象越來越顯著，隨著國內(nèi)經(jīng)濟水平以及人們健康觀念的提升，空氣凈化領域呈現(xiàn)異常的火熱的狀態(tài)。這一階段中，中國國內(nèi)的相關專利申請量構(gòu)成了世界申請量的主要組成部分，從而使世界范圍內(nèi)的申請量隨著中國國內(nèi)的申請量而出現(xiàn)出波動。這也從一定程度上反映出，中國正逐漸成為世界上空氣凈化領域主要的技術需求市場以及具有巨大潛力的消費市場，并且受到了世界各國家和地區(qū)申請人的重視。對于國內(nèi)申請人來說，這一時期內(nèi)涌現(xiàn)出了大量的國內(nèi)企業(yè)、高校和個人的申請，然而由于基礎薄弱，發(fā)展步伐過大，導致了一大批質(zhì)量相對較低的申請。在經(jīng)歷了發(fā)展迅猛期之后，這一領域的專利申請量呈現(xiàn)出了下滑趨勢，預期這一申請量將會呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢。

圖1 申請量的時間分布

(三)世界范圍內(nèi)主要申請人

從表1中可以看出，在世界范圍內(nèi)，等離子體空氣凈化技術的專利申請中，最活躍的申請人集中在中、日、韓三個國家，中國的公司及個人申請人尤為活躍。這說明國內(nèi)的研究人員已經(jīng)意識到空氣凈化領域的重要性，在傳統(tǒng)空氣凈化技術的基礎上不斷探索新的空氣凈化技術，并嘗試著對該領域的技術進行專利布局。

然而，對于國內(nèi)申請人來說，在申請量大的同時存在著諸多問題:

1.重復性申請，將同一個發(fā)明構(gòu)思改變某些技術特征提交多份專利申請，導致技術覆蓋面窄，難以形成網(wǎng)狀布局;

2.專利申請質(zhì)量偏低，發(fā)明構(gòu)思多為將現(xiàn)有技術中的等離子體技術以及機械構(gòu)件進行簡單的組合;

(3)市場轉(zhuǎn)化率低，從主要申請人的在華專利狀態(tài)來看，國內(nèi)該領域有效專利大多數(shù)被國內(nèi)的企業(yè)和個人所持有，然而，目前等離子空氣凈化產(chǎn)品市場絕大部分份額被韓、日兩國的企業(yè)所占據(jù)，國內(nèi)的專利申請大多沒有完成市場轉(zhuǎn)化。

表1 世界范圍內(nèi)等離子體空氣凈化技術主要專利申請人

(四)中國國內(nèi)申請人類型分布

圖2顯示了等離子空氣凈化技術中國專利申請的申請人類型分布情況，從圖中可以看出，國內(nèi)企業(yè)的申請量占到了45%，這反映了國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)非常重視空氣凈化領域的熱點技術的研發(fā)與市場投入，然而從另一方面來看，盡管申請量上占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，但是申請質(zhì)量整體偏低，并且技術分散在許多不同的企業(yè)中，系統(tǒng)性不強，難以將其在專利技術上的申請量優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為對應的市場占有份額。其次，個人申請量也占到了33%之多，這一比例甚至遠遠高于國內(nèi)高校和科研機構(gòu)的總體申請量。對于個人申請人來說，其申請保護的技術點往往更加分散，申請的質(zhì)量以及市場轉(zhuǎn)化率都低于企業(yè)和科研單位的申請，這在一定程度上反映了國內(nèi)等離子體空氣凈化領域體系性差、技術分散的現(xiàn)狀。

圖2 中國專利申請的申請人類型分布

四、等離子體空氣凈化的研究趨勢

雖然等離子體技術可以將大部分的有機污染物分解為CO2和H2O，但是在反應不完全的情況下會產(chǎn)生CO等不完全分解產(chǎn)物，同時高壓電場也不可避免地產(chǎn)生O3和NOx等二次污染物。因此單一地采用低溫等離子體的空氣凈化技術難以實際推廣應用，因此，研究人員已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向了等離子體技術與其他空氣凈化技術的聯(lián)合應用。目前較為受關注的聯(lián)合技術分別為光催化、吸附與等離子體的聯(lián)合技術。

(一)等離子體與光催化耦合技術

光催化技術作為一種性能優(yōu)越的前沿空氣處理方法也越來越受到研究者的關注，光催化劑通常需要在大量的活化能條件下才能被激活，而等離子體放電區(qū)域會伴隨產(chǎn)生豐富的紫外線，這些紫外線可以用來激活光催化劑，從而實現(xiàn)光催化分解與等離子方法的協(xié)同作用。

例如:大金工業(yè)株式會社的專利申請JP2005300111A中，將預過濾后的氣體依次通過光催化劑過濾器和等離子體催化劑過濾器，以對空氣中的塵埃、臭氣分子、細菌病毒進行凈化。開利公司的專利申請WO2006065491 A2中，等離子裝置選擇性開啟并將釋放的化學污染物轉(zhuǎn)化成固態(tài)污染物產(chǎn)品，從而避免了含硅VOC或SVOC在光催化劑表面上形成硅基玻璃，進而避免了特定污染物對光催化劑的鈍化作用。華南理工大學的專利申請CN103432616 A，利用等離子體與光催化的協(xié)同作用對空氣進行殺菌，然后采用吸附劑對形成的各種固體小顆粒和殘留的各種活性粒子以及等離子體產(chǎn)生的副產(chǎn)物臭氧進行吸附，進一步保證了排出氣體的質(zhì)量。法國高等理工學院的專利申請WO2009007588 A1中，將等離子體供應電極形成在光催化劑薄層上，從而在光催化劑表面形成等離子體，這種結(jié)構(gòu)增強了光催化劑和等離子體的相互作用，可以提高污染物控制、氣味消除或滅菌的效率。

(二)等離子體聯(lián)合吸附技術

在傳統(tǒng)的吸附凈化空氣方法例如活性炭吸附中，吸附劑通常需要定期進行再生，再生步驟通常會大大增加吸附法的成本，將等離子體與吸附法結(jié)合后的優(yōu)點在于:一是吸附法可以對等離子處理產(chǎn)生的二次污染物進行吸附，消除等離子體法的缺點;二是由于等離子體的在先處理，使得在后的吸附劑的負荷大大降低，延長了再生周期。

例如:通達商業(yè)集團國際公司的專利申請WO2004014439A2中，采用沸石等吸附劑對污染物進行吸附，利用等離子體產(chǎn)生的熱量使吸附劑解吸，解吸后的廢氣在凈化裝置內(nèi)循環(huán)，在等離子的作用下分解。西安交通大學的專利申請CN1931377A中，先通過吸附劑富集污染氣體和懸浮顆粒，在吸附接近飽和的時候啟動低溫等離子體一段時間，依靠等離子體的電磁場作用、電子碰撞作用解吸和再生吸附劑，并分解釋放出來的氮氧化物、硫氧化物、有機污染物等，如此循環(huán)以實現(xiàn)空氣凈化。等離子體溶膠公司和史蒂文斯技術學院的專利申請WO03063914A2中，將等離子體放電裝置設置于過濾器或碳床的上游，首先利用等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)使污染物滅活或減少，此外，產(chǎn)生的活性物質(zhì)被氣流攜帶至過濾器或碳床，因此，收集在過濾器或碳床上的污染物也被滅活。三菱電機株式會社的專利申請WO2011152016 A1中，采用了負載了催化劑的蜂窩吸附劑，在等離子體產(chǎn)生的電子、自由基、離子對病毒進行滅活的同時，還可以使負載的催化劑活化，從而縮短了微生物的滅活時間。

圖3顯示了1994年至2012年間國內(nèi)光催化、吸附與等離子體聯(lián)合技術的專利申請情況，從圖中可以看出，與年度申請總量的變化趨勢相似，光催化、吸附與等離子體聯(lián)合技術的專利申請量也經(jīng)歷了迅速增長期與穩(wěn)定發(fā)展期，兩種聯(lián)合方法的申請總量約占到了國內(nèi)等離子體空氣凈化領域申請總量的50%。可以預見的是，在未來的發(fā)展趨勢中，將等離子法與其他一種方法或者多種方法耦合以消除單一方法存在的缺陷并強化凈化效果的技術，將成為等離子空氣凈化的重要發(fā)展方向。

圖3 技術熱點的時間分布圖

五、結(jié)論與建議

隨著空氣污染的加重，等離子體空氣處理領域的專利申請量在過去的10年之間經(jīng)歷了一個突飛猛進的發(fā)展;然而目前，等離子體空氣凈化技術在商品化的道路中尚處于起步階段。針對該領域目前的狀況，提出了以下幾點建議:

一是等離子體空氣凈化技術是一種廣普型的空氣凈化技術，能夠?qū)︻w粒物、VOC、細菌等多種室內(nèi)空氣污染起到去除作用，具有廣泛的應用前景，國內(nèi)的研究人員應當充分關注這一領域的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，把握研究的發(fā)展方向。

二是國內(nèi)申請人應當增強技術研究的系統(tǒng)性，避免在相似的技術點上付出重復性的勞動，同時也應當重視成果轉(zhuǎn)化，只有形成市場化的產(chǎn)品才能為進一步研發(fā)的提供動力，形成良性循環(huán)。

三是單一地采用等離子體技術會產(chǎn)生一定的二次污染，因此將等離子體技術與其他一種或多種空氣凈化技術進行耦合，以消除單一技術的缺點并強化凈化效果，是等離子體凈化技術的主要發(fā)展方向。

［1］徐海云，楊慶平.室內(nèi)空氣凈化技術［J］.艦船防化，2008，(1).

［2］王元元，張立志.室內(nèi)空氣凈化技術的研究與進展［J］.暖通空調(diào)，2006，(12).

［3］劉建龍，楚玉輝，王漢青.低溫等離子體協(xié)同催化凈化氣相污染物技術研究進展［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2013，(2).

［4］張少軍，候立安，王佑君.應用低溫等離子體技術治理空氣污染研究進展［J］.環(huán)境科學與管理，2006，(5).

［5］楊 武，榮命哲.低溫等離子體空氣凈化原理及應用［J］.電工技術雜志，2000，(3).

［6］倪 盈，陳永昌，王明連.低溫等離子體殺菌的實驗研究［J］. 環(huán)境工程學報，2009，(11).