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新方法测试五种便携式室内空气净化器洁净空气输出率
本文引用：Bjarke Moslash;lgaard , Antti Joonas Koivisto , Tareq Hussein amp; Kaarle Hauml;meri(2014) A New Clean Air Delivery Rate Test Applied to Five Portable Indoor Air Cleaners, Aerosol Science and Technology, 48:4, 409-417, DOI: 10.1080/02786826.2014.883063
文章链接: http://dx.doi.org/10.1080/02786826.2014.883063
空气污染已被确认为疾病的全球负担的主要危险因素之一。在现代社会中大多数暴露发生在室内，而人们大量的时间都是在室内渡过的。室内空气质量可利用各种清洁技术，例如过滤，静电沉淀和电离式的便携式空气净化器加以改进。这项研究的目的是通过量化粒度解决清洁空气分娩率（CADR）空气净化器去除颗粒。这是通过利用颗粒浓度的测量和室内气雾剂造型获得。我们的测试方案应用于五种专为家用和办公用的空气净化器。对于直径大于100nm的粒子，在选定的环境下，一个离子发生器的清洁空气分娩率大约为40立方米/小时，一个静电除尘器的清洁空气分娩率约70立方米/小时，以及从100到近300立方米/小时的三种基于过滤器的空气净化器。对特细微粒也得到了类似的性能，并且在此大小范围内离子发生器可以发挥更好的作用。
介绍：
室内空气中一般含有多种污染物，包括室外污染源或者室内的。常见的室内污染源有炊事，取暖，打印机和其它电子设备，蜡烛燃烧，清洁活动，吸烟，家具，建材等(He et al. 2004; Afshari et al. 2005; Hussein et al. 2006; Wallace 2006; Destaillats et al. 2008; Gehin et al. 2008; Carazo Fernacute; andez et al. 2013)。此外，有一些建筑物也存在真菌菌落，它们可以提供各种空气污染物（Khan and Karuppayil2012）。空气污染对关于健康和城市颗粒物的问题上有各种方面的影响(Bernstein et al. 2008; Ruckerl et al. 2011)看起来似乎不存在这样一个标准值，在它之下是对空气没有影响的(Anderson 2009)。
可以通过增加通风量减少室内污染源对室内空气质量的影响。然而，通风会从室外带来污染物并且因为加热或冷却的需求费用会很昂贵，所以通风率大于四倍的换气率时通常是可以避免的(Yamamoto et al. 2010).去除污染物的另一种方式是室内空气净化。用于家庭和办公的便携式空气净化器所使用的各种技术，取决于他们的目标污染物(Zhang et al. 2011)。没有一种空气净化器可以去除所有污染物，有的甚至还会产生副产品，如臭氧(Niu et al. 2001; Britigan et al. 2006; Waring et al. 2008)。因此，空气净化器不应取代通风，但它们可能辅助它。
便于比较，空气净化器的去污能力在清洁空气输送率（CADR）方面最好量化(Shaughnessy and Sextro 2006; Zhang et al. 2011)。关于粒子的去除，这也是研究的焦点，一些研究已经报道过CADR(Offermann et al. 1985; Batterman et al. 2005; Waring et al. 2008; Mang et al. 2009; Agrawal et al. 2010; Sultan et al. 2011; Zuraimi et al. 2011; Kim et al. 2013)。尽管许多的室内源都会发射大量的超细颗粒（直径lt;100nm），但只有少数的研究报告CADR为超微粒子(Waring et al. 2008; Sultan et al. 2011; Zuraimi et al. 2011)。通常空气清洁器的CADR测试第一步是排放相关的污染物进入一个房间，然后停止排放，并观察它的浓度指数的衰减。这需要在有空气净化器和没有空气净化器的情况下都进行测试，并得到足够的数据，以避免实验中的高度不确定性。高的初始浓度和一些重复试验往往是必需的。Sultan （et al. 2011）使用的初始粒子数浓度超标100万cm-3。考虑到数目浓度和大小的所需宽度，由于凝结物带来的颗粒损失，分布一定要充分(Hussein et al. 2009; Yu et al. 2013)。在同一作者的另一项研究中(Zuraimi et al. 2011)，他们没有报告初始浓度。在这项研究中，他们报道CADR从14纳米到8微米所以这样的尺寸分布一定很广泛，所以即使初始浓度相当低，凝结也可以变成相当重要的部分。2008年韦林等人需要让每一个104大小箱柜的数目浓度达到至少为100/cm3。在这项研究中的凝结效应可能确实已经很小，但一些衰减率的计算仅依据四个数据点。这些研究都没有提到凝结效应的纠正方法。在这项研究中，代替重复的浓度衰变实验，我们研发了一种测试方法，几个小时的数据收集，计算中包括了凝结效应的影响。本研究有两个主要的结果：（1）CADR试验方法的改进建议；（2）测试的5种空气净化器的粒度可辨的CADR数值。
材料和空气净化器种类：
表1列出了所测试的空气净化器。F1，F2和F3使用风扇让空气通过过滤器。 F3过滤通过两个微粒过滤器的空气，然后利用活性炭过滤器去除异味。 F1和F2先去除异味，然后再通过一个HEPA过滤器通过空气。 ESP不同，在除尘器后用静电过滤器，最后再通过活性炭过滤器。 IG是一个没有风扇或过滤器的负离子发生器，但有一个带有负电荷沉积的收集器。大多数空气净化器有几个设置可以进行选择（见网上补充信息[SI]），我们根据推荐选择设置。
测试设置：
空气净化器的性能在一个设计用于气溶胶研究（图1）的81.4立方米发射室进行了测试，从相邻的监控室可以跟进实验状态。墙壁是由不锈钢和玻璃组成。发射室内空气连续地用两个风扇（Philips型HR3270/ B28W和Domesto Mod。Gliding Grille，Art.-NR：16401 80）混合。室温，相对湿度（RH），和压力，用一个热TR-73U记录器测量，并且其范围分别为23-25◦C，5-20％，和979-1032帕斯卡。该空气净化器的耗电量由一个FHT-9992电能表监控。
图1 气溶胶研究
在根据EN 13829标准的2011年进行的气密性试验中，泄漏是在50帕过压下0.5/h。在我们的实验中，根据我们对粒子测量的分析（在下面说明），大气压下，发射室在约0.6每小时的空气交换率下进行操作。通过管（直径〜1cm）从发射室到监控室的泄漏流被发现是6plusmn;3升每分钟（TSI通用热式质量流量计4043）。小泄漏流表明，通风流量是平衡的。泄露流的方向显示，排放室有轻微过压。用HEPA（高效微粒空气过滤器，康斐尔）和活性炭过滤器过滤通风空气。对于通风空气，通过2个雾化器产生NaCl和DEHS颗粒（二（2-乙基己基）癸二酸酯）。当相对湿度（如在本研究中）保持在40％以下时，NaCl粒子的吸湿性生长可以忽略(Hameri et al. 2001; Biskos et al. 2006)。颗粒可以用63Ni的（活动370活度在1999）双极气雾剂中和，并通过风扇混合到通风空气中。这导致了图2中所示的粒子数尺寸分布。
图2 粒子数尺寸分布
颗粒检测：
粒度分布通过扫描移动粒度仪（SMPS）和光学粒度仪同时进行测定（OPS，TSI模型3330，样品流动0.97 L minminus;1，折射率1.47 0I对应于DEHS油折射率）。开关电源包括一个分类器（TSI分类模型3080，TSI0.071厘米预撞击为550nm的D50切口的大小，和10微居里的TSI85Kr中和剂模型3077A），微分迁移率分析仪（DMA，Hauke，长度28厘米，内直径为2.5厘米，外径3.3厘米，鞘气流6 L minminus;1）和冷凝粒子计数器（CPC，TSI型号3776，样品流量1.43 L minminus;1）。
测量尺寸范围是从12纳米至660纳米的SMPS和300纳米至10微米的OPS。分布由切除OPS尺寸小于482纳米的部分和SMPS超过487纳米大小的部分合并。SMPS最大尺寸仓被切断，使上边界限制和OPS最小尺寸仓下边界限制是一样的。对于切割尺寸，计算新的几何平均粒度D50，DN和DLOG（DP）值。因此，组合分配是从12纳米至10微米的连续范围。因为OPS主要通过已知的折射率测量球形DEHS颗粒（图2中的粒度分布），流动性等效直径对应的光学直径(Heim et al. 2008)。另外，首先去除OPS两种规格路径，来减小重合误差的数目，除去SMPS超过487纳米的尺寸部分，减小SMPS的多个带电粒子校正程序的问题(Koivisto et al. 2012)。
气溶胶是由从房间或内部传入换气的三通阀式空气分配器（图1）采样。该阀每三分钟切换位置。每次切换后，前15s被用于SMPS回扫和冲洗阀和仪器之间的采样管，剩余的165秒被用于测量。气溶胶样品用一个多孔管稀释器稀释（QPTD1=2.72 L minminus;1，QPTD2=2.73 L minminus;1）而采样管用过量流冲洗（QEX1=3.95 L minminus;1，QEX2=3.90 l L minminus;1）。取样管由导电橡胶和不锈钢制成。气溶胶样品的停留时间约为5.4秒。根据诚（2001）对采样管的扩散损失进行纠正。OPS样品与QD2 = 0.68 L minminus;1进一步稀释，减少在OPS重合计数的数目。每个实验前后测量的所有样品流动都是通过泡沫计量器（AP降压，型号M-5和M-30）进行测量。此外，为检测可能形成的新粒子，需要一个有粒子大小放大镜 (PSM，Airmodus A09)与CPC （TSI 模式3772)的房间里在约大于1.5nm的颗粒数浓度下进行测量。
测试协议：
因为空气净化器是全新的，他们需要在一个经过EU7过滤后的室外空气下的房间里，以最小功率运行一周。这是因为未使用的电气设备在第一次使用时可能排放润滑剂、 防腐剂和其他化学物质。在密封室里 (图 3) 所得浓度增加直到空气滤清器被打开，然后逐渐降低，几个小时后得到了一个稳定的状态。最后，当气溶胶发生器关闭时，浓度再次下降。除了五个空气净化器的测试，还有一个空白对照组，没有空气净化器的。
图3 密封室浓度状态
数据分析：
我们通常是通过基于平衡等式的室内气溶胶建模来理解室内气溶胶的动态行为 (Nazaroff 2004; Hussein et al. 2005; Hussein and Kulmala 2008)。这个方程的确切形式取决于其应用程序。在传入的通风空气分配器内测量我们设定的传入的气溶胶浓度，我们假定此测量点和腔室之间没有发生过滤行为。此外，我们假设在室内没有气溶胶的来源。则室内气溶胶每个尺寸段的平衡方程：
Ni 为浓度 (i的大小)，t 是时间，lambda; 是通风率，Nvent，i是传入的气溶胶数浓度，beta;i 是粒子的沉积速率，gamma;i是清洁率，Jcoag是凝血功能的变化率。从时间 t0 到 t 此方程积分为
上划线表示研究的时间间隔。当设定的时间间隔时率 lambda;，beta;i 和 gamma; 、i是基本恒定，此公式可以简化为
这些方程是通用的，但方程可以更简单为最终衰变。在这最后的衰变过程中，传入空气中的颗粒物浓度可以忽略不计，所以平衡方程简化为
我们现在假设 lambda;、 beta;i 和 gamma; i大致恒定，考虑粒子尺寸范围从 200-400 毫微米 （由 A 表示）其中 |Jcoag，A/NA|lt; lt; Lambda; Beta;A Gamma; A.然后 lambda; beta;A gamma; Aminus;Jcoag，A / NA 是大致恒定的，NA 以lambda; beta;A gamma; Aminus; Jcoag A / NA的衰变率呈指数下降:
NA(t) asymp; NA(0) exp(minus;(lambda; beta;A gamma;A minus; Jcoag,A/NA)t). [5]
对数化后我们可以得到：
其中，我们明显可以通过线性回归找到 lambda; beta;A gamma; Aminus; Jcoag，A / NA 。我们使用测量的粒子数量尺寸分布和Seinfeld and Pandis介绍的Fuch关于布朗凝固速率理论（2006 年） 来计算凝固速率。通过添加 Jcoag，A / NA 到通过线性回归计算的衰变率中，我们可以得到较好的估计总和 lambda; beta;A
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