整车车内空气质量净化技术浅析

2020-02-25牛茜虞接华聂险峰付增坤

汽车实用技术 2020年1期

牛茜　虞接华　聂险峰　付增坤

摘要：文章介绍了整车车内空气质量净化技术，阐述光催化技术、低温等离子体技术、活性炭吸附技术等一系列净化技术，为车内空气质量管控提供一定的参考和借鉴。关键词：车内空气质量（VIAQ）;净化技术中图分类号：U465文献标识码：A 文章编号：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，汽車在人类的日常生活中扮演着越来越重要的角色，与此同时，消费者对车内环境的健康与舒适性的要求也越来越高[1]，因此车内空气质量问题也成为汽车消费者关注的热点，基于此本文介绍了一系列整车车内空气质量净化技术，并进一步分析了这些净化技术的作用原理，为整车车内空气质量净化技术提供一定的参考。

1 光催化技术

1972年，日本科学家Fujishima和Honda发现以下现象，在紫外光（380nm波长的光）的作用下，常温常压状态下的水被金红石型TiO2单晶电极分解为氢气和氧气[2]，开启了光催化氧化技术的大门。自此之后，国内外学者展开对光催化技术的广泛研究，近年来光催化纳米材料也被纳入21世纪最有前途的材料[3]。光催化技术可分解汽车尾气中的有害物质，与此同时，光催化技术也已成功应用于车内空气质量的净化处理，常见的污染物SOx，NOx，NH3，VOCs等都可通过光催化氧化加以去除，除此之外，光催化材料如TiO2光催化活性较强，具有除污、除臭、抗菌、杀菌的能力，多种优势特点使其成为成为室内及车内最为有效的空气质量净化技术之一。

光催化材料隶属于半导体材料，并且是一种在光照条件下可以诱发能级跃迁发生氧化-还原反应的一种材料。目前，光催化材料应用最广泛的是TiO2，除了TiO2及其改性材料，其他的光催化材料，如Fe2O3、SnO2、Co3O4等也属于光催化材料。金属导体能带是连续的，光催化半导体材料的能带是不连续的，光催化半导体的能带是由充满电子的低能价带（Valent Band或VB ）和空置的高能导带（Conduction Band或CB）构成，价带和导带之间无填充电子的区域称为禁带，禁带能量大小通常称为禁带宽度，半导体的禁带宽度一般在0.2-4ev之间。在光照条件下，光催化半导体受激发后会发生以下过程：

（1）电子由价带跃迁至导带产生电子-空穴对

当光催化材料吸收的光子能量高于禁带宽度能量时，受光照影响，低能价带中的电子便激发跃迁至高能导带中生成带负电的高活性电子（e-），因此在低能价带上会留下带有正电的空穴，此高活性电子和空穴位形成电子-空穴对，电子-空穴对可以迁移到光催化材料表面，等待后期的进一步反应。

（2）表面反应

当电子-空穴对迁移到光催化材料表面后，催化剂表面上的物质如O2、OH-等捕获电子-空穴对，使其生成·O2-和·OH自由基，这些自由基具有高氧化活性，接触到光催化剂表面的污染物后便会产生一系列的化学反应，致使污染物被氧化成水和二氧化碳等无污染的简单小分子物质，其氧化过程可简单反映如下：

2 低温等离子体净化技术

近二十年来，在空气污染控制方面，低温等离子体净化技术的应用日趋广泛，该技术可应用于脱硫脱硝、清除挥发性有机化合物、净化汽车尾气、净化室内空气、净化船舶内空气质量等方面[4-6]。通常，物质的状态可分为为固态、液态和气态三种，气态物质可在放电、放热、辐射等条件下使气体分子电离和离解生成带电粒子，当带电粒子积累至一定数值时，物质状态类别产生变化，电离后的气体状态与原来的气体状态有差别，新状态的气体应被称为等离子体。等离子体是物质存在的第四种状态，是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体[7]。低温等离子体也叫非平衡态等离子体，其电子温度（Te）高，而离子和原子之类的重粒子温度（Ti）很低，整个等离子体系呈现低温状态而被称为低温等离子体。低温等离子体可产生大量的高能电子，电子具有足够高的能量使C-H、C=C或C-C等化学键破坏，使有毒有害的挥发性有机物分解，进而达到净化空气的目的[8]。目前，低温等离子体净化技术已有整车车内空气净化的实例，且甲醛和苯系物的净化效率均可达到75%以上[9]，相信在不久的将来，此技术在汽车内饰中还会有更加广泛的应用。

3 活性炭吸附法

活性炭吸附属于固体表面现象，因活性炭本身疏松多孔有益于吸附有害气体，以达到分离有害气体的目的[10]。活性炭特点具有很高的比表面积，比表面积（BET）可达300-4000m2/g，在所有的吸附材料中，活性炭的比表面积是最高的。不仅如此，活性炭的孔径分布多种多样，可分为微孔、中孔和大孔，大孔也会被称为补给孔或传输孔，当然，很多活性炭大孔李还会分叉产生很多小孔，这些小孔也会被称为吸附孔，图1展示了活性炭的孔径结构模型构造，由图可知，活性炭内部空隙结构丰富多样，更有利于吸附有害气体[11]。

活性炭吸附作用可分为物理吸附和化学吸附，物理吸附本质是物理作用，可吸附任何气体，吸附无选择性，吸附过程中无电子转移现象，不会新生成或者破坏原有被吸附物质的化学键，更不会发生原子重排、新物质生成等现象，活性炭物理吸附是凭借被吸附物（有害气体物质）和吸附剂（活性炭）之间的分子范德华力将有害气体物质吸附在活性炭的空隙里，但是在此过程中，有害物质并没有被清除，而是储存在活性炭孔隙中，若活性炭孔隙被完全占据，那么活性炭会丧失吸附能力而产生脱附现象;活性炭化学吸附本质上是一种化学反应，一般只对某些气体才会产生化学吸附作用，化学吸附需要一定的活化能，化学吸附是借助活性炭表面基团的化学键与被吸附物质（有害气体物质）发生结合，可以在活性炭表面修饰活性官能团，当有害气体物质接触活性炭修饰后的活性官能团后产生化学反应，与有害物质形成稳定的化学键从而达到化学吸附的目的，提升活性炭对有害物质的吸附能力，表1为物理吸附和化学吸附的优缺点。近年来，活性炭经过化学原位复合的方法可制备复合型活性炭，以达到多种物质的净化效果[12]。经过复合后的活性炭可明显改善活性炭易于脱附的缺点，从根本上上净化污染气体。目前，活性炭相关汽车内饰产品种类繁多，如活性炭汽车空气净化布垫，活性炭空气净化装置等，当然，很多车内空气质量系统中的过滤器都会使用活性炭作为吸附剂，因此活性炭在汽车车内空气质量优化实际案例中被广泛使用。

4 过滤技术

目前，空气过滤技术的主要作用是去除车内颗粒物，如PM2.5等，高效空气过滤器（HEAP）和超高效空气过滤器（ULPA）是目前应用较广的过滤产品，HEAP网和ULPA网的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过，HEAP网对0.1μm-0.3μm的微粒、烟雾等微粒的有效过滤率可达到99.97%以上，ULPA网过滤效率更高，对0.1μm-0.2μm的微粒、烟雾等微粒的过滤效率可达到99.99%以上。值得一提的是，过滤器本身仅对颗粒物和菌类有过滤效果，但不能净化挥发性有机污染物。HEAP应用范围广，主要用于家用净化器、车内空调滤芯和医疗净化器等，HEPA高效率微粒滤网的滤净效能与其比表面积成正比，室内或者车内的HEAP网呈现多层折叠，展开后面积比折叠时增加约14.5倍，滤净效能出众，目前已被广泛应用于车内及室内空气净化中，ULPA因风阻较大原因在电子、生物与医药等对空氣环境要求更高的领域。

超细玻璃纤维材料是HEPA网和ULPA网的主要选择，与此同时，纳米纤维膜等膜材料应用也逐渐增多，如纳米纤维膜，拥有高孔隙率、高比表面积，待过滤气体通过此类过滤材料后，此特性增加了有害微粒与纤维膜的有效接触概率，从而达到提升过滤效率的目的;另一方面，纳米纤维膜可以降低过滤阻力，因此，纳米纤维膜可在高效低阻的ULPA滤网中广泛应用[13]。

根据相关文献研究表明，颗粒与粉尘进入空气过滤材料中会发生不同的过滤效应，根据分子间作用力、质量、颗粒大小等因素可归类于以下5个过滤机理：

（1）拦截效应

空气过滤器中的有效过滤材料（如超细玻璃纤维等）内部结构错综复杂，当空气中的颗粒和粉尘接触到滤料材料表面时，颗粒和粉尘分子或分子团与有效过滤材料中的分子或分子团之间相互吸引，两者之间产生范德华力的作用从而达到阻截颗粒粉尘的目的。范德华力一种微弱的分子或分子团之间的引力，这种引力远小于化学键之间的作用力，因此，在外界强作用力影响下，范德华力也会出现失效现象。

（2）惯性效应

空气过滤器的过滤材料内部结构错综复杂，待过滤空气通过过滤材料时气流流线遇障转折，待过滤空气中的尘埃颗粒在惯性力的作用下偏离气流流线撞击到过滤材料纤维表面而沉积下来。粒子粒径越大，粒子质量越大，粒子惯性力越大，被过滤材料阻隔的可能性也越大，过滤效率越高。

（3）扩散效应

扩散效应针对的是小颗粒粉尘物质，当颗粒粒径越小，颗粒做无规则布朗运动的可能性就越大小，布朗运动越明显，常温下，一个0.1μm小颗粒物质一秒钟内的扩散距离可以达到17μm，而纤维间的间距可达到小颗粒物质扩散距离的1-19倍，在此情况下，微粒沉降下来的概率更大。试验研究与经验证明，大粒径颗粒受惯性效应作用具有更高的过滤效率，小粒径颗粒受扩散效应作用具有更高的过滤效率，若颗粒粒径介于产生惯性作用和扩散作用的粒径之间，则此颗粒的过滤效率最低，具体详见图2为惯性效应和扩散效应作用原理图。

（4）重力效应

颗粒通过过滤材料会因重力作用下发生脱离气流流线位移的现象，即颗粒因重力而沉积在过滤材料纤维上，重力效应适用于质量较大、粒径较大的颗粒物。有试验证明研究，小于0.5μm的颗粒，当它尚未沉降至过滤材料纤维时便已经通过了纤维材料，重力效应失效。

（5）静电效应

静电效应主要有2种作用，针对尚未沉降的颗粒通过静电作用改变颗粒原有轨迹而使颗粒沉积，另一方面，针对已经沉积在过滤材料上的颗粒物，静电作用可以加强颗粒物与过滤材料之间的作用使颗粒更好的粘附在过滤材料上，因此，静电作用能够有效的提升过滤效率，并且不会增加过滤阻力，很多过滤材料都会增加静电介质以提升过滤效率。

5 负离子净化技术

负离子又名空气负离子，正常状态下空气中的分子大部分都是相互结合在一起，空气分子呈现电中性，在外界特殊条件作用下（闪电射线、水浪冲击、光电效应和高压电离等），气体分子外层电子接受相关能量摆脱电子核的束缚从轨道中跃出，此时气体分子呈现正电性，变为正离子，而所跃出的自由电子，自由程极短，它很快会附着在某些气体分子或者原子上（如氧气或水分子），成为空气负离子。根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，空气中负离子的种类主要为O2-（H2O）n或OH-（H2O）n或CO4-（H2O） n这三种，其产生原理如下述所示[14]：

负离子具有改善环境空气质量的能力，能够捕捉漂浮空气中的微尘和带正电的污染物，使其沉降以达到去除颗粒污染物的作用，具有杀菌和净化颗粒污染物的作用，然而负离子技术本身对气态污染物的净化作用不强[15]。但是，科学家用电子束作为能量，实现了对有害气态污染物的分解作用，其中，负氧离子是反应过程中的一种重要的活性载体，但是在此分解过程中，究竟是负离子存在导致有害气态污染物分解还是其他别的因素导致有害污染分解，目前尚未得到明确的结论[16]。目前，负离子技术已广泛应用于汽车驾驶舱内，以达到优化车内空气质量的目的。

6 总结

车内空气环境本身是一个复杂的环境状态，单一的车内空气质量净化技术都会存在一定的局限性，例如活性炭吸附技术、过滤技术等，一般情况下，这些技术并没有从根本上消除有害物质，纳米光催化技术在常温常压下虽然可以彻底净化有害气体，但是却无法中的颗粒粉尘和微生物细菌，因此，市面上广泛应用的车内空气质量优化技术均是结合各种优化技术的优点，将各种优化技术集成起来，扬长避短以提升净化效率和综合处理能力，未来的车内空气质量优化不单单只是单一优化技术的体现，而是涵盖诸多的车内空气质量优化技术，让车内的空气更加洁净与健康。

参考文献

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