整車車內空氣質量凈化技術淺析

2020-02-25 03:18:51牛茜虞接華聶險峰付增坤

汽車實用技術 2020年1期

牛茜　虞接華　聶險峰　付增坤

摘要：文章介紹了整車車內空氣質量凈化技術，闡述光催化技術、低溫等離子體技術、活性炭吸附技術等一系列凈化技術，為車內空氣質量管控提供一定的參考和借鑒。關鍵詞：車內空氣質量（VIAQ）;凈化技術中圖分類號：U465文獻標識碼：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，消費者對車內環境的健康與舒適性的要求也越來越高[1]，因此車內空氣質量問題也成為汽車消費者關注的熱點，基于此本文介紹了一系列整車車內空氣質量凈化技術，并進一步分析了這些凈化技術的作用原理，為整車車內空氣質量凈化技術提供一定的參考。

1 光催化技術

1972年，日本科學家Fujishima和Honda發現以下現象，在紫外光（380nm波長的光）的作用下，常溫常壓狀態下的水被金紅石型TiO2單晶電極分解為氫氣和氧氣[2]，開啟了光催化氧化技術的大門。自此之后，國內外學者展開對光催化技術的廣泛研究，近年來光催化納米材料也被納入21世紀最有前途的材料[3]。光催化技術可分解汽車尾氣中的有害物質，與此同時，光催化技術也已成功應用于車內空氣質量的凈化處理，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，多種優勢特點使其成為成為室內及車內最為有效的空氣質量凈化技術之一。

光催化材料隸屬于半導體材料，并且是一種在光照條件下可以誘發能級躍遷發生氧化-還原反應的一種材料。目前，光催化材料應用最廣泛的是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。金屬導體能帶是連續的，光催化半導體材料的能帶是不連續的，光催化半導體的能帶是由充滿電子的低能價帶（Valent Band或VB ）和空置的高能導帶（Conduction Band或CB）構成，價帶和導帶之間無填充電子的區域稱為禁帶，禁帶能量大小通常稱為禁帶寬度，半導體的禁帶寬度一般在0.2-4ev之間。在光照條件下，光催化半導體受激發后會發生以下過程：

（1）電子由價帶躍遷至導帶產生電子-空穴對

當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躍遷至高能導帶中生成帶負電的高活性電子（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，等待后期的進一步反應。

（2）表面反應

當電子-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生一系列的化學反應，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，其氧化過程可簡單反映如下：

2 低溫等離子體凈化技術

近二十年來，在空氣污染控制方面，低溫等離子體凈化技術的應用日趨廣泛，該技術可應用于脫硫脫硝、清除揮發性有機化合物、凈化汽車尾氣、凈化室內空氣、凈化船舶內空氣質量等方面[4-6]。通常，物質的狀態可分為為固態、液態和氣態三種，氣態物質可在放電、放熱、輻射等條件下使氣體分子電離和離解生成帶電粒子，當帶電粒子積累至一定數值時，物質狀態類別產生變化，電離后的氣體狀態與原來的氣體狀態有差別，新狀態的氣體應被稱為等離子體。等離子體是物質存在的第四種狀態，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低溫狀態而被稱為低溫等離子體。低溫等離子體可產生大量的高能電子，電子具有足夠高的能量使C-H、C=C或C-C等化學鍵破壞，使有毒有害的揮發性有機物分解，進而達到凈化空氣的目的[8]。目前，低溫等離子體凈化技術已有整車車內空氣凈化的實例，且甲醛和苯系物的凈化效率均可達到75%以上[9]，相信在不久的將來，此技術在汽車內飾中還會有更加廣泛的應用。

3 活性炭吸附法

活性炭吸附屬于固體表面現象，因活性炭本身疏松多孔有益于吸附有害氣體，以達到分離有害氣體的目的[10]。活性炭特點具有很高的比表面積，比表面積（BET）可達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，當然，很多活性炭大孔李還會分叉產生很多小孔，這些小孔也會被稱為吸附孔，圖1展示了活性炭的孔徑結構模型構造，由圖可知，活性炭內部空隙結構豐富多樣，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吸附，物理吸附本質是物理作用，可吸附任何氣體，吸附無選擇性，吸附過程中無電子轉移現象，不會新生成或者破壞原有被吸附物質的化學鍵，更不會發生原子重排、新物質生成等現象，活性炭物理吸附是憑借被吸附物（有害氣體物質）和吸附劑（活性炭）之間的分子范德華力將有害氣體物質吸附在活性炭的空隙里，但是在此過程中，有害物質并沒有被清除，而是儲存在活性炭孔隙中，若活性炭孔隙被完全占據，那么活性炭會喪失吸附能力而產生脫附現象;活性炭化學吸附本質上是一種化學反應，一般只對某些氣體才會產生化學吸附作用，化學吸附需要一定的活化能，化學吸附是借助活性炭表面基團的化學鍵與被吸附物質（有害氣體物質）發生結合，可以在活性炭表面修飾活性官能團，當有害氣體物質接觸活性炭修飾后的活性官能團后產生化學反應，與有害物質形成穩定的化學鍵從而達到化學吸附的目的，提升活性炭對有害物質的吸附能力，表1為物理吸附和化學吸附的優缺點。近年來，活性炭經過化學原位復合的方法可制備復合型活性炭，以達到多種物質的凈化效果[12]。經過復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，活性炭相關汽車內飾產品種類繁多，如活性炭汽車空氣凈化布墊，活性炭空氣凈化裝置等，當然，很多車內空氣質量系統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空氣質量優化實際案例中被廣泛使用。

4 過濾技術

目前，空氣過濾技術的主要作用是去除車內顆粒物，如PM2.5等，高效空氣過濾器（HEAP）和超高效空氣過濾器（ULPA）是目前應用較廣的過濾產品，HEAP網和ULPA網的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過，HEAP網對0.1μm-0.3μm的微粒、煙霧等微粒的有效過濾率可達到99.97%以上，ULPA網過濾效率更高，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，但不能凈化揮發性有機污染物。HEAP應用范圍廣，主要用于家用凈化器、車內空調濾芯和醫療凈化器等，HEPA高效率微粒濾網的濾凈效能與其比表面積成正比，室內或者車內的HEAP網呈現多層折疊，展開后面積比折疊時增加約14.5倍，濾凈效能出眾，目前已被廣泛應用于車內及室內空氣凈化中，ULPA因風阻較大原因在電子、生物與醫藥等對空氣環境要求更高的領域。

超細玻璃纖維材料是HEPA網和ULPA網的主要選擇，與此同時，納米纖維膜等膜材料應用也逐漸增多，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濾網中廣泛應用[13]。

根據相關文獻研究表明，顆粒與粉塵進入空氣過濾材料中會發生不同的過濾效應，根據分子間作用力、質量、顆粒大小等因素可歸類于以下5個過濾機理：

（1）攔截效應

空氣過濾器中的有效過濾材料（如超細玻璃纖維等）內部結構錯綜復雜，當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與有效過濾材料中的分子或分子團之間相互吸引，兩者之間產生范德華力的作用從而達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之間的引力，這種引力遠小于化學鍵之間的作用力，因此，在外界強作用力影響下，范德華力也會出現失效現象。

（2）慣性效應

空氣過濾器的過濾材料內部結構錯綜復雜，待過濾空氣通過過濾材料時氣流流線遇障轉折，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

擴散效應針對的是小顆粒粉塵物質，當顆粒粒徑越小，顆粒做無規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小顆粒物質一秒鐘內的擴散距離可以達到17μm，而纖維間的間距可達到小顆粒物質擴散距離的1-19倍，在此情況下，微粒沉降下來的概率更大。試驗研究與經驗證明，大粒徑顆粒受慣性效應作用具有更高的過濾效率，小粒徑顆粒受擴散效應作用具有更高的過濾效率，若顆粒粒徑介于產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為慣性效應和擴散效應作用原理圖。

（4）重力效應

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

（5）靜電效應

靜電效應主要有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以提升過濾效率。

5 負離子凈化技術

負離子又名空氣負離子，正常狀態下空氣中的分子大部分都是相互結合在一起，空氣分子呈現電中性，在外界特殊條件作用下（閃電射線、水浪沖擊、光電效應和高壓電離等），氣體分子外層電子接受相關能量擺脫電子核的束縛從軌道中躍出，此時氣體分子呈現正電性，變為正離子，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），成為空氣負離子。根據大地測量學和地理物理學國際聯盟大氣聯合委員會采用的理論，空氣中負離子的種類主要為O2-（H2O）n或OH-（H2O）n或CO4-（H2O） n這三種，其產生原理如下述所示[14]：

負離子具有改善環境空氣質量的能力，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，然而負離子技術本身對氣態污染物的凈化作用不強[15]。但是，科學家用電子束作為能量，實現了對有害氣態污染物的分解作用，其中，負氧離子是反應過程中的一種重要的活性載體，但是在此分解過程中，究竟是負離子存在導致有害氣態污染物分解還是其他別的因素導致有害污染分解，目前尚未得到明確的結論[16]。目前，負離子技術已廣泛應用于汽車駕駛艙內，以達到優化車內空氣質量的目的。

6 總結

車內空氣環境本身是一個復雜的環境狀態，單一的車內空氣質量凈化技術都會存在一定的局限性，例如活性炭吸附技術、過濾技術等，一般情況下，這些技術并沒有從根本上消除有害物質，納米光催化技術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菌，因此，市面上廣泛應用的車內空氣質量優化技術均是結合各種優化技術的優點，將各種優化技術集成起來，揚長避短以提升凈化效率和綜合處理能力，未來的車內空氣質量優化不單單只是單一優化技術的體現，而是涵蓋諸多的車內空氣質量優化技術，讓車內的空氣更加潔凈與健康。

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