郭鑫 王秀萍 武凤玲 魏伟 劳春峰

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0 引言

人类的行为活动约有三分之二的时间处于室内，而不同空间下的环境条件差异较大，通风情况、采光情况、人员行为动作、建筑材料、设备运行、温湿度等因素均会导致室内空间有害物质的产生和积累，使室内空气质量下降。经研究发现，空间内有害气体多达300余种，且绝大部分对人体产生一定程度的损害，如：CO2、CO、甲醛、苯等。同时某些气体具有特殊气味，刺激人体嗅觉器官，使人产生不适[1-2]。

恶臭物质是指能够刺激人的嗅觉器官，引起人们厌恶感或不愉快的物质[3]。恶臭气体在不同场景下源头并不相同，且成分有极大差别。以家庭环境为例，厨房异味主要由厨余垃圾长时间放置后分解产生，脂肪的分解产物为醛、酮、酸、醇；蛋白质的分解产物为吲哚、硫化物、硫醇、粪臭素、尸胺、醛；碳水化合物的分解产物为单糖、双糖、有机酸、醇、醛；霉菌及其他微生物代谢产物为低级胺、氨气、亚硝胺、黄曲霉素。卧室中的主要异味气体为异戊酸、丙酸、甲苯、二甲苯、硫化氢、吲哚、硫醇等[4]。卫生间中的主要恶臭气体为粪臭素、硫化氢、氨气、吲哚等。目前研究中已知引起恶臭的最主要的气体为氨和硫化氢[3]。

人体嗅觉对不同恶臭物质的敏感程度不同，当气体的含量小于嗅阈值时，嗅觉无法识别气体味道，就感受不到恶臭的存在。但是由于不同物质的嗅阈值是不同的，所以不同气体在相同浓度下所感受的恶臭程度也不同，无法横向对比。例如，氨的嗅阈值为5.2×10-6（体积分数），而甲硫醚的嗅阈值为0.003×10-6（体积分数），所以甲硫醚在极低浓度下仍可被感知，由于污染物浓度越低，越难以去除，因此去除甲硫醚异味的难度更大。嗅阈值会随着个体差异性变化而变化，通过专业的感官评价，目前已得到大量恶臭气体的嗅阈值，可供参考[5]。

在国内乃至国际，对某些恶臭物质在工作环境及民用建筑中排放及释放，标准有着极其严格的规定，恶臭物质的范围也在逐渐扩充，标准在不断地修改，执行过程更加的严格，生态环境部在GB 14554-93《恶臭污染物排放标准》新修订的征求意见稿中明确了污染物排放单位的主体责任，且加严了8种恶臭污染物的排放限值和周界浓度限值。恶臭物质已成为影响家庭空气品质的主要问题，恶臭物质的治理成为了家电发展的新机遇和新挑战[6]。

1 异味去除技术国内外研究现状

目前市面上宣传有异味去除功能的产品多种多样，去异味技术不断更新迭代。

现将国内外异味去除技术进行归纳整理，并列举其适用场景及优缺点，如表1所示。

表1 除臭技术分类

目前的除臭方式从原理上主要分为四类：物理除臭、化学除臭、生物除臭及其他除臭形式。

物理除臭在应用上最为广泛，投入成本最少，并且能够快速显现效果，但效率较低。其主要应用于异味去除过程中的辅助阶段，具有广谱性，适合空间内短时间异味去除，且可以满足人机共存的场景。但其吸收法[7]及吸附法[8]有容量上限，达到饱和后需要及时更换吸收液或吸附材料，以防止二次污染，张双双[9]阐述不同通孔结构活性炭对氨吸附容量的影响，比表面积越大，吸附容量越高；稀释扩散法及掩蔽法实际上并没有将恶臭物质去除，仍存在于空间中，只是将恶臭物质浓度降低到人体嗅阈值以下，若恶臭物质对人体有损伤作用，例如臭氧、二氧化氯等，且无法控制浓度限制，则不建议采用此类方法。

化学除臭法是利用某些化学物质与目标恶臭物质反应，从而达到异味去除的目的。在去除过程中要借助化学试剂，对恶臭成分具有很强的针对性，效率较高，并且功能显现迅速。但同时会产生一定的反应产物，容易造成二次污染。所以其主要应用于工业，整体的投入成本较高，并对设备的要求严格，需要配备一系列的安全设施[10]。

生物除臭法主要利用微生物新陈代谢，将目标恶臭物质进行分解，转换成无味道的物质。生物吸收方法处理的主要恶臭物质为硫化氢，主要采用的菌种为硫杆菌属、黄单胞菌属、δ-变形菌、副球菌属等，适用于范围广、处理负荷较大的场景。该方法处理效果明显，但是处理速度较慢，需要较长的反应时间，整体要求的设备简单，投资少，运行费用较低，此方法多使用在污水处理厂等场景[10]。

电晕法、光催化氧化法、等离子法等新型除臭技术目前是众多学者研究的热点，并广泛应用家庭场所，下文对三种技术进行介绍：

电晕法的主要原理为高压电在针尖放电产生电晕，并且以大气为负极，释放大量负离子或电子，对环境中恶臭物质、甲醛、微生物进行处理。此方法已大量应用于家电产品上，但是在高压放电过程中会产生臭氧，因此，在使用过程中需要注意臭氧浓度的控制。

光催化氧化法主要由紫外线照射激发，光触媒材料的特点是有一个价带，电子被束缚在单个原子上，为最高能量带。还有一个位于价带之上的能量带，称为导带。导带是电子自由移动的能带，成为流动的电荷载体，负责电流的传导。在金属（即导体）中，价带和导带是重叠的，而在半导体和绝缘体中，两带之间有一个能隙，称为带隙，以电子伏特（eV）为单位。来自光的光子能够激发电子从价带跃迁到导带，在价带留下一个电子空穴。电子和空穴（称为电子-空穴对）迁移到催化剂表面，从而参与吸附物的氧化还原反应。尤其是在水的作用下，空穴与H2O反应，形成游离的羟基-自由基 [·OH]，而电子则与环境中的O2反应，形成超氧阴离子[O2-]。羟基自由基是自然界中较强的氧化性物质之一，仅次于氟，比臭氧、过氧化氢和氯氧化性更强，与恶臭物质及微生物发生氧化反应，达到去除的目的。光触媒处理效果与目标物质的初始浓度、光照强度、催化剂负载量均呈正相关。

等离子法[11-12]主要包括四种不同的放电形式：电晕放电、辉光放电、介质阻值放电、滑动弧放电，等离子法不同于针尖电晕法，其电路形式具有正负两极，在正负极之间产生区别于固、液、气三态的第四态，即等离子态。在除味及杀菌过程中，除了产生的正负离子，起主要作用的还有中性离子，还包括过氧化氢、臭氧、一氧化氮等气体，另外在等离子区域，离子与分子的快速运动能够起到一定的辅助作用，对多链异味物质或微生物进行撞击，得到单链无味物质，从而达到除味和杀菌作用[13]。等离子法具有效率高、能效高，无二次污染等特点，同时设备操作及工艺简单。

本文根据家用场景，对上述几种异味去除技术进行实验研究，对比去除效果，并给出参考意见。

2 实验部分

2.1 实验条件

该实验的测试环境采用标准1立方实验舱，实际场景如图1所示。另外，采用硫化氢气体作为实验的异味源，环境温度为室温，环境湿度通过加湿器调节在25%～65%之间。

图1 1立方实验舱实验过程

除异味模块选择A公司等离子模块；B公司负离子模块；C公司光触媒模块及D公司活性炭模块，如表2所示。

表2 模块基本参数

2.2 异味程度评价方法

本实验中，采用嗅辨员嗅觉判断方式作为异味等级的评价方法，参考三点比较式嗅袋法及日本恶臭强度分级法，将异味从两个维度划分：气味强度等级和气味舒适度。气味强度等级分为六个等级，气味舒适度分为七个等级，如表3、表4所示。不同模块对异味气体处理一定时间后，通过嗅辨员判断异味等级，评价模块去除异味的效果。

表3 气味强度等级分布表

表4 气味舒适度等级分布表

2.3 实验步骤

具体的实验步骤如下：

（1）将舱内进行充分清理后，嗅辨员通过气孔直接对舱内异味情况进行感官判断，气味强度等级处于无气味（等级1），气味舒适度处于舒适或算是舒适两个等级（-2或-1），表明舱内无其他异味源，在嗅辨过程舱内风扇全部关闭，泄露气体量较小，对结果影响忽略不计；

（2）将释放硫化氢（CAS：7783-06-4，纯度为99.9%）气瓶的连接管放置于实验舱底部中心处，开启舱内循环风机，持续5 min，将连接管取出，取出后舱内静置5 min，由于异味释放时间相同，将每次舱内初始硫化氢浓度视为等量，嗅辨员判断异味等级，使当前气味强度处于“有不能忍受的气体”（等级6），气味舒适度处于“非常不舒适”（等级3）；

（3）关闭舱内循环风扇，设置对照实验组，分别开启测试的对应模块分别在30 min、60 min、120 min、180 min进行嗅辨员感官体验，并进行评价；

（4）对实验过程中模块的关键数据进行检测，例如等离子及负离子产生的臭氧浓度、负离子的发生量，并完成记录。

3 结果与讨论

3.1 对照组

对照组设置的目的是为判断此异味源在1立方舱的自然衰减程度，从而达到去噪效果，表5、表6分别为对照组气味强度等级及气味舒适度在初始、30 min、60 min、120 min及180 min的等级判定。

表5 污染物对照组气味强度等级变化

表6 对照组气味舒适度等级变化

空舱实验，目的在于了解舱内橡胶制品及板材是否有气味散发，舱本体对异味的贡献度，结果如下：30 min气味等级为0，气味舒适度为0；60 min气味等级为1，气味舒适度为-1；120 min气味等级为2，气味舒适度为-1。

表7 对照实验舱气味等级及舒适度变化

从空舱实验可以看出，舱内会释放一定的气味，且为正向芳香气味，所以气味舒适度稍微上升（等级-1）。

在对照实验中，随着时间的推移，对照组的气味强度等级有稍微的下降，但舱内气味仍然有强烈干扰性，依然在气味舒适度处于不舒适状态，三小时后异味等级无较强下滑，舱内异味自然衰减的程度很小，实验中舱本体芳香气味被异味源的异味掩盖，所以在舱内有较高气味强度等级时，舱本体气味干扰可暂且忽略。

3.2 等离子模块

等离子体通过·OH、O3、O+、O2+、O-、H2O2、N2+、NO+等活性离子的强氧化性来除菌[14]，以上活性离子与恶臭物质发生氧化反应，从而达到异味去除的效果，实验结果如下：

等离子模块悬挂在舱几何中心处，并监测释放的主要副产物臭氧，测试不同输入功率（2.5 W及1 W）的模块在1立方舱内的臭氧浓度及异味等级变化。

图2为不同输入功率等离子模块在舱内的臭氧浓度变化曲线，由图可以看出臭氧在前10 min的累计量较低，在检测设备精度（0.01 ppm）以下，空间内臭氧浓度低于0.01 ppm，在10 min以后臭氧的浓度随时间逐渐升高。功率为1 W的模块，检测到臭氧的时间相对滞后；结果表明，输入功率与臭氧的产生量成正相关，即输入功率越大，臭氧浓度越高。

图2 1 W与2.5 W等离子模块随时间变化臭氧浓度变化曲线

图3及图4中可以看出等离子模块在异味处理过程中的表现情况，图中同时表现1 W和2.5 W等离子模块的异味去除结果，表明1 W和2.5 W在除味表现上完全一致，气味等级及气味舒适度曲线完全重合，所以说1 W功率即可满足现有条件下的除味需求。值得注意的是，臭氧自身强氧化性的性质，对异味有很好的去除效果。因此，该等离子模块的除味效果是等离子与臭氧综合达到的效果。气味等级在30 min处理后有急剧的下降，并到达气味等级3的位置，并在后续时间维持在此等级上。但从图4上可以看出，虽然气味等级下降，但气味舒适度并没有明显的下降，主要原因为舱内的异味源气味从感官评价上确定已被去除，但舱内有很浓的臭氧味道，所以气味强度等级为“有明显气味”，气味舒适度为“不舒适”，气味等级并没有继续下降，而是由副产物异味源代替目标异味源。

4例存在躯体功能活动障碍，需长期卧床、坐轮椅的病人担心出现并发症使病情加重。病人H：“我昨天晚上受凉了，现有点咳嗽，嗓子很痛，体温有点高，会不会得肺炎了？”病人G：“我听说胖的人容易得压疮，我现在右侧肢体瘫痪，不能自主翻身，老婆一个人翻不动，医院里可以请护工帮忙，但回去咋办？” 病人E：“今天早晨我嘴角突然抽动了好几下，躺平后不抽了，是不是发生什么并发症了？需不需要做什么检查？”

图3 等离子模块除味气味等级变化曲线

图4 等离子模块除味气味舒适度变化曲线

综上，实验中所使用的等离子模块，在除味方面有较好的效果，目标异味感知不明显，但舱内臭氧味道明显。臭氧浓度提高到一定限值会对人体造成伤害，需要对臭氧浓度严格控制，否则无法进行动态除味，即无法人机共存，室内环境臭氧浓度1小时均值需控制到0.16 mg/m3[15]以下，搭载到空气净化器时，出风口5 cm处臭氧浓度限值则为0.1 mg/m3[16]。以上仅是在密闭的1立方环境舱中实验，基本无换气，所以副产物浓度在逐渐积累，若在真实使用环境或方法下，有待进一步验证。

3.3 负离子模块

在前期调研时发现，负离子模块在湿度较高时，负离子的产生量会随之增加。理论上，负离子的升高会有更好的除味效果，所以在实验条件下，选择在相对湿度较高（65%）的环境下测试。通过测试，负离子量最高处可达十万级别，将负离子模块悬在1立方舱几何中心处，实验结果如下：

针对负离子模块关键参数进行测试，舱内臭氧含量始终为0，底部中心处负离子量（个/cm3）随时间的变化曲线如图5所示，前15 min负离子逐渐升高，最终在15000至35000内波动。

图5 舱内底部中心处负离子变化曲线

如图6所示，通过嗅辨员完成曲线绘制，气味等级略有下降，相比于对照组无明显变化，在三小时处理后，舱内气味依然处于等级4“有干扰性气味”，所以在异味去除上无明显效果；由于是舱内异味去除效果较差，异味物质残留量多，如图7所示，异味在前1个小时气味舒适度基本保持不变，整个过程相较于对照组无明显下降，最终表现约为等级1“稍不舒适”。

图6 负离子模块除味气味等级变化曲线

图7 负离子模块除味气味舒适度变化曲线

从以上数据分析得出，在1立方密闭舱内，负离子模块虽然无副产物产生，人员可以在其工作时共存于环境中，但是该模块在短时间内除味效果并不明显，需要对目标空间进行长时间作用。并且该模块的负离子产生量受环境空气中湿度的影响很大。

3.4 光触媒模块

光触媒利用紫外光激发产生的活性离子（如羟基自由基[14]）进行杀菌，同时这些活性离子也能够与恶臭物质发生氧化还原反应去除异味，实验结果如下：

光触媒模块放置在舱内底部中心处，由于采用紫外线激发，某段波长会产生臭氧，所以在舱内进行了臭氧监测，异味去除结果如图8及图9所示。由图8可以看出气味等级在30 min内有急剧下降，达到等级2“有气味但无干扰性”，并持续维持在等级2，说明舱内异味源气味基本被去除，并无再下降趋势；如图9所示，30 min后对应的气体舒适度为等级1“稍不舒适”，60 min后舱内等级转变为等级-1“算是舒适”，后续时间维持在此等级上。

图8 不同方案压缩机表面5000 Hz频段振动分布特性

图8 光触媒模块除味气味等级变化曲线

图9 光触媒模块除味气味舒适度变化曲线

图9 改善方案与原方案噪声对比

从以上数据分析得出，光触媒对硫化氢去除效果明显，舱内并未测到臭氧，但在使用过程中为避免紫外线泄露，需设计遮蔽结构，防止直接照射到人体表面，并遵守国家标准[16]；另外，光触媒模块的提升效果，应充分考虑催化剂层基体结构、内部辐射场、流场和浓度场的影响[17]，本文所测试模块使用12 W紫外线灯管及30 m3/h循环风机，并以塑料蜂窝作为基体结构。

3.5 活性炭模块

活性炭模块是日常使用的最普遍的模块，现采用尺寸为200 mm×200 mm×10 mm的活性炭，以风量为120 m3/h的离心风机进行实验，整个模块放置在舱底部中心处，实验结果如图10及图11所示。

由图10，30 min后舱内气味等级达到等级1，即“无气味”等级，活性炭在除味效果方面表现优秀，并且无背景气味；此外，图11表明气味舒适度在30 min后即达到等级0“中立”，因为环境中既无目标异味物质，也无舱内其他材料释放的干扰气味，所以表现为中立等级。

图10 活性炭模块除味气味等级变化曲线

图11 活性炭模块除味气味舒适度变化曲线

综上，活性炭在去除异味功能上表现优越，并且性价比较高，但吸附类型的活性炭模块同样具有缺点，即有一定容量，当达到饱和状态后，其功能就会失效，甚至导致二次污染，需要及时更换。

4 结论

通过实验总结，每种除异味技术均具有各自的特点：

（1）多功能：等离子模块和光触媒模块能够同时具备除味兼杀菌[14]的功能，但两种方式均会有副产物产生，若将等离子模块和光触媒模块搭载到家电产品上，需要控制出风口处臭氧的释放量和周围的紫外线的泄漏量，控制在国家标准（GB 21551.3-2010）限值以下；

（2）除味效果：活性炭和光触媒的除异味效果相对较好，移去异味源后，舱内异味基本去除，未饱和活性炭模块和光触媒模块不会成为新的异味源，而等离子模块虽然能够去除实验异味，但会产生臭氧，需严格控制输出电压，并优化等离子放电结构以减少臭氧的产生；

（3）去除速率：根据现有数据，即30 min后气味强度下降等级判定，去除速度从高到低依次为：活性炭、光触媒、等离子、负离子；

（4）可持续性：四类模块中，活性炭属于耗材，在到达饱和后需要及时更换；而另外三类模块可持续使用，但具体使用寿命受紫外线、高压包、碳刷、针尖等内部硬件影响，也受灰尘等外部环境影响。