整車車內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)淺析

牛茜　虞接華　聶險峰　付增坤

摘 要：文章介紹了整車車內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)，闡述光催化技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)等一系列凈化技術(shù)，為車內(nèi)空氣質(zhì)量管控提供一定的參考和借鑒。關(guān)鍵詞：車內(nèi)空氣質(zhì)量（VIAQ）;凈化技術(shù)中圖分類號：U465文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988（2020）01-192-04

Abstract： In this paper， we introduced the purification technology of vehicle interior air quality in interior cars， we also expounded the advantages and disadvantages of the purification technology， like photocatalytictechnology， low temperature plasma technology， activated carbon adsorption technology and so on.， in order to provide some reference for. the manage -ment of vehicle interior air quality.Keywords： Vehicle interior air quality（VIAQ）; The purification technologyCLC NO.： U465 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）01-192-04

引言

人民生活水平的提高，汽車在人類的日常生活中扮演著越來越重要的角色，與此同時，消費者對車內(nèi)環(huán)境的健康與舒適性的要求也越來越高[1]，因此車內(nèi)空氣質(zhì)量問題也成為汽車消費者關(guān)注的熱點，基于此本文介紹了一系列整車車內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)，并進(jìn)一步分析了這些凈化技術(shù)的作用原理，為整車車內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)提供一定的參考。

1 光催化技術(shù)

1972年，日本科學(xué)家Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象，在紫外光（380nm波長的光）的作用下，常溫常壓狀態(tài)下的水被金紅石型TiO2單晶電極分解為氫氣和氧氣[2]，開啟了光催化氧化技術(shù)的大門。自此之后，國內(nèi)外學(xué)者展開對光催化技術(shù)的廣泛研究，近年來光催化納米材料也被納入21世紀(jì)最有前途的材料[3]。光催化技術(shù)可分解汽車尾氣中的有害物質(zhì)，與此同時，光催化技術(shù)也已成功應(yīng)用于車內(nèi)空氣質(zhì)量的凈化處理，常見的污染物SOx，NOx，NH3，VOCs等都可通過光催化氧化加以去除，除此之外，光催化材料如TiO2光催化活性較強，具有除污、除臭、抗菌、殺菌的能力，多種優(yōu)勢特點使其成為成為室內(nèi)及車內(nèi)最為有效的空氣質(zhì)量凈化技術(shù)之一。

光催化材料隸屬于半導(dǎo)體材料，并且是一種在光照條件下可以誘發(fā)能級躍遷發(fā)生氧化-還原反應(yīng)的一種材料。目前，光催化材料應(yīng)用最廣泛的是TiO2，除了TiO2及其改性材料，其他的光催化材料，如Fe2O3、SnO2、Co3O4等也屬于光催化材料。金屬導(dǎo)體能帶是連續(xù)的，光催化半導(dǎo)體材料的能帶是不連續(xù)的，光催化半導(dǎo)體的能帶是由充滿電子的低能價帶（Valent Band或VB ）和空置的高能導(dǎo)帶（Conduction Band或CB）構(gòu)成，價帶和導(dǎo)帶之間無填充電子的區(qū)域稱為禁帶，禁帶能量大小通常稱為禁帶寬度，半導(dǎo)體的禁帶寬度一般在0.2-4ev之間。在光照條件下，光催化半導(dǎo)體受激發(fā)后會發(fā)生以下過程：

（1）電子由價帶躍遷至導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對

當(dāng)光催化材料吸收的光子能量高于禁帶寬度能量時，受光照影響，低能價帶中的電子便激發(fā)躍遷至高能導(dǎo)帶中生成帶負(fù)電的高活性電子（e-），因此在低能價帶上會留下帶有正電的空穴，此高活性電子和空穴位形成電子-空穴對，電子-空穴對可以遷移到光催化材料表面，等待后期的進(jìn)一步反應(yīng)。

（2）表面反應(yīng)

當(dāng)電子-空穴對遷移到光催化材料表面后，催化劑表面上的物質(zhì)如O2、OH-等捕獲電子-空穴對，使其生成·O2-和·OH自由基，這些自由基具有高氧化活性，接觸到光催化劑表面的污染物后便會產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，致使污染物被氧化成水和二氧化碳等無污染的簡單小分子物質(zhì)，其氧化過程可簡單反映如下：

2 低溫等離子體凈化技術(shù)

近二十年來，在空氣污染控制方面，低溫等離子體凈化技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，該技術(shù)可應(yīng)用于脫硫脫硝、清除揮發(fā)性有機化合物、凈化汽車尾氣、凈化室內(nèi)空氣、凈化船舶內(nèi)空氣質(zhì)量等方面[4-6]。通常，物質(zhì)的狀態(tài)可分為為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種，氣態(tài)物質(zhì)可在放電、放熱、輻射等條件下使氣體分子電離和離解生成帶電粒子，當(dāng)帶電粒子積累至一定數(shù)值時，物質(zhì)狀態(tài)類別產(chǎn)生變化，電離后的氣體狀態(tài)與原來的氣體狀態(tài)有差別，新狀態(tài)的氣體應(yīng)被稱為等離子體。等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體[7]。低溫等離子體也叫非平衡態(tài)等離子體，其電子溫度（Te）高，而離子和原子之類的重粒子溫度（Ti）很低，整個等離子體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)而被稱為低溫等離子體。低溫等離子體可產(chǎn)生大量的高能電子，電子具有足夠高的能量使C-H、C=C或C-C等化學(xué)鍵破壞，使有毒有害的揮發(fā)性有機物分解，進(jìn)而達(dá)到凈化空氣的目的[8]。目前，低溫等離子體凈化技術(shù)已有整車車內(nèi)空氣凈化的實例，且甲醛和苯系物的凈化效率均可達(dá)到75%以上[9]，相信在不久的將來，此技術(shù)在汽車內(nèi)飾中還會有更加廣泛的應(yīng)用。

3 活性炭吸附法

活性炭吸附屬于固體表面現(xiàn)象，因活性炭本身疏松多孔有益于吸附有害氣體，以達(dá)到分離有害氣體的目的[10]?；钚蕴刻攸c具有很高的比表面積，比表面積（BET）可達(dá)300-4000m2/g，在所有的吸附材料中，活性炭的比表面積是最高的。不僅如此，活性炭的孔徑分布多種多樣，可分為微孔、中孔和大孔，大孔也會被稱為補給孔或傳輸孔，當(dāng)然，很多活性炭大孔李還會分叉產(chǎn)生很多小孔，這些小孔也會被稱為吸附孔，圖1展示了活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造，由圖可知，活性炭內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)豐富多樣，更有利于吸附有害氣體[11]。

活性炭吸附作用可分為物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附本質(zhì)是物理作用，可吸附任何氣體，吸附無選擇性，吸附過程中無電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，不會新生成或者破壞原有被吸附物質(zhì)的化學(xué)鍵，更不會發(fā)生原子重排、新物質(zhì)生成等現(xiàn)象，活性炭物理吸附是憑借被吸附物（有害氣體物質(zhì)）和吸附劑（活性炭）之間的分子范德華力將有害氣體物質(zhì)吸附在活性炭的空隙里，但是在此過程中，有害物質(zhì)并沒有被清除，而是儲存在活性炭孔隙中，若活性炭孔隙被完全占據(jù)，那么活性炭會喪失吸附能力而產(chǎn)生脫附現(xiàn)象;活性炭化學(xué)吸附本質(zhì)上是一種化學(xué)反應(yīng)，一般只對某些氣體才會產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，化學(xué)吸附需要一定的活化能，化學(xué)吸附是借助活性炭表面基團(tuán)的化學(xué)鍵與被吸附物質(zhì)（有害氣體物質(zhì)）發(fā)生結(jié)合，可以在活性炭表面修飾活性官能團(tuán)，當(dāng)有害氣體物質(zhì)接觸活性炭修飾后的活性官能團(tuán)后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，與有害物質(zhì)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵從而達(dá)到化學(xué)吸附的目的，提升活性炭對有害物質(zhì)的吸附能力，表1為物理吸附和化學(xué)吸附的優(yōu)缺點。近年來，活性炭經(jīng)過化學(xué)原位復(fù)合的方法可制備復(fù)合型活性炭，以達(dá)到多種物質(zhì)的凈化效果[12]。經(jīng)過復(fù)合后的活性炭可明顯改善活性炭易于脫附的缺點，從根本上上凈化污染氣體。目前，活性炭相關(guān)汽車內(nèi)飾產(chǎn)品種類繁多，如活性炭汽車空氣凈化布墊，活性炭空氣凈化裝置等，當(dāng)然，很多車內(nèi)空氣質(zhì)量系統(tǒng)中的過濾器都會使用活性炭作為吸附劑，因此活性炭在汽車車內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)化實際案例中被廣泛使用。

4 過濾技術(shù)

目前，空氣過濾技術(shù)的主要作用是去除車內(nèi)顆粒物，如PM2.5等，高效空氣過濾器（HEAP）和超高效空氣過濾器（ULPA）是目前應(yīng)用較廣的過濾產(chǎn)品，HEAP網(wǎng)和ULPA網(wǎng)的特點是空氣可以通過，但細(xì)小的微粒卻無法通過，HEAP網(wǎng)對0.1μm-0.3μm的微粒、煙霧等微粒的有效過濾率可達(dá)到99.97%以上，ULPA網(wǎng)過濾效率更高，對0.1μm-0.2μm的微粒、煙霧等微粒的過濾效率可達(dá)到99.99%以上。值得一提的是，過濾器本身僅對顆粒物和菌類有過濾效果，但不能凈化揮發(fā)性有機污染物。HEAP應(yīng)用范圍廣，主要用于家用凈化器、車內(nèi)空調(diào)濾芯和醫(yī)療凈化器等，HEPA高效率微粒濾網(wǎng)的濾凈效能與其比表面積成正比，室內(nèi)或者車內(nèi)的HEAP網(wǎng)呈現(xiàn)多層折疊，展開后面積比折疊時增加約14.5倍，濾凈效能出眾，目前已被廣泛應(yīng)用于車內(nèi)及室內(nèi)空氣凈化中，ULPA因風(fēng)阻較大原因在電子、生物與醫(yī)藥等對空氣環(huán)境要求更高的領(lǐng)域。

超細(xì)玻璃纖維材料是HEPA網(wǎng)和ULPA網(wǎng)的主要選擇，與此同時，納米纖維膜等膜材料應(yīng)用也逐漸增多，如納米纖維膜，擁有高孔隙率、高比表面積，待過濾氣體通過此類過濾材料后，此特性增加了有害微粒與纖維膜的有效接觸概率，從而達(dá)到提升過濾效率的目的;另一方面，納米纖維膜可以降低過濾阻力，因此，納米纖維膜可在高效低阻的ULPA濾網(wǎng)中廣泛應(yīng)用[13]。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，顆粒與粉塵進(jìn)入空氣過濾材料中會發(fā)生不同的過濾效應(yīng)，根據(jù)分子間作用力、質(zhì)量、顆粒大小等因素可歸類于以下5個過濾機理：

（1）攔截效應(yīng)

空氣過濾器中的有效過濾材料（如超細(xì)玻璃纖維等）內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，當(dāng)空氣中的顆粒和粉塵接觸到濾料材料表面時，顆粒和粉塵分子或分子團(tuán)與有效過濾材料中的分子或分子團(tuán)之間相互吸引，兩者之間產(chǎn)生范德華力的作用從而達(dá)到阻截顆粒粉塵的目的。范德華力一種微弱的分子或分子團(tuán)之間的引力，這種引力遠(yuǎn)小于化學(xué)鍵之間的作用力，因此，在外界強作用力影響下，范德華力也會出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

（2）慣性效應(yīng)

空氣過濾器的過濾材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，待過濾空氣通過過濾材料時氣流流線遇障轉(zhuǎn)折，待過濾空氣中的塵埃顆粒在慣性力的作用下偏離氣流流線撞擊到過濾材料纖維表面而沉積下來。粒子粒徑越大，粒子質(zhì)量越大，粒子慣性力越大，被過濾材料阻隔的可能性也越大，過濾效率越高。

（3）擴散效應(yīng)

擴散效應(yīng)針對的是小顆粒粉塵物質(zhì)，當(dāng)顆粒粒徑越小，顆粒做無規(guī)則布朗運動的可能性就越大小，布朗運動越明顯，常溫下，一個0.1μm小顆粒物質(zhì)一秒鐘內(nèi)的擴散距離可以達(dá)到17μm，而纖維間的間距可達(dá)到小顆粒物質(zhì)擴散距離的1-19倍，在此情況下，微粒沉降下來的概率更大。試驗研究與經(jīng)驗證明，大粒徑顆粒受慣性效應(yīng)作用具有更高的過濾效率，小粒徑顆粒受擴散效應(yīng)作用具有更高的過濾效率，若顆粒粒徑介于產(chǎn)生慣性作用和擴散作用的粒徑之間，則此顆粒的過濾效率最低，具體詳見圖2為慣性效應(yīng)和擴散效應(yīng)作用原理圖。

（4）重力效應(yīng)

顆粒通過過濾材料會因重力作用下發(fā)生脫離氣流流線位移的現(xiàn)象，即顆粒因重力而沉積在過濾材料纖維上，重力效應(yīng)適用于質(zhì)量較大、粒徑較大的顆粒物。有試驗證明研究，小于0.5μm的顆粒，當(dāng)它尚未沉降至過濾材料纖維時便已經(jīng)通過了纖維材料，重力效應(yīng)失效。

（5）靜電效應(yīng)

靜電效應(yīng)主要有2種作用，針對尚未沉降的顆粒通過靜電作用改變顆粒原有軌跡而使顆粒沉積，另一方面，針對已經(jīng)沉積在過濾材料上的顆粒物，靜電作用可以加強顆粒物與過濾材料之間的作用使顆粒更好的粘附在過濾材料上，因此，靜電作用能夠有效的提升過濾效率，并且不會增加過濾阻力，很多過濾材料都會增加靜電介質(zhì)以提升過濾效率。

5 負(fù)離子凈化技術(shù)

負(fù)離子又名空氣負(fù)離子，正常狀態(tài)下空氣中的分子大部分都是相互結(jié)合在一起，空氣分子呈現(xiàn)電中性，在外界特殊條件作用下（閃電射線、水浪沖擊、光電效應(yīng)和高壓電離等），氣體分子外層電子接受相關(guān)能量擺脫電子核的束縛從軌道中躍出，此時氣體分子呈現(xiàn)正電性，變?yōu)檎x子，而所躍出的自由電子，自由程極短，它很快會附著在某些氣體分子或者原子上（如氧氣或水分子），成為空氣負(fù)離子。根據(jù)大地測量學(xué)和地理物理學(xué)國際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會采用的理論，空氣中負(fù)離子的種類主要為O2-（H2O）n或OH-（H2O）n或CO4-（H2O） n這三種，其產(chǎn)生原理如下述所示[14]：

負(fù)離子具有改善環(huán)境空氣質(zhì)量的能力，能夠捕捉漂浮空氣中的微塵和帶正電的污染物，使其沉降以達(dá)到去除顆粒污染物的作用，具有殺菌和凈化顆粒污染物的作用，然而負(fù)離子技術(shù)本身對氣態(tài)污染物的凈化作用不強[15]。但是，科學(xué)家用電子束作為能量，實現(xiàn)了對有害氣態(tài)污染物的分解作用，其中，負(fù)氧離子是反應(yīng)過程中的一種重要的活性載體，但是在此分解過程中，究竟是負(fù)離子存在導(dǎo)致有害氣態(tài)污染物分解還是其他別的因素導(dǎo)致有害污染分解，目前尚未得到明確的結(jié)論[16]。目前，負(fù)離子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車駕駛艙內(nèi)，以達(dá)到優(yōu)化車內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。

6 總結(jié)

車內(nèi)空氣環(huán)境本身是一個復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)，單一的車內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)都會存在一定的局限性，例如活性炭吸附技術(shù)、過濾技術(shù)等，一般情況下，這些技術(shù)并沒有從根本上消除有害物質(zhì)，納米光催化技術(shù)在常溫常壓下雖然可以徹底凈化有害氣體，但是卻無法中的顆粒粉塵和微生物細(xì)菌，因此，市面上廣泛應(yīng)用的車內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)均是結(jié)合各種優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)點，將各種優(yōu)化技術(shù)集成起來，揚長避短以提升凈化效率和綜合處理能力，未來的車內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)化不單單只是單一優(yōu)化技術(shù)的體現(xiàn)，而是涵蓋諸多的車內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)，讓車內(nèi)的空氣更加潔凈與健康。

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