納米纖維材料在高校專用空氣過濾器中的過濾性能提升研究 一、引言 隨著我國高等教育事業的快速發展，高校教學與科研環境對空氣質量的要求日益提高。教室、實驗室、圖書館等人員密集場所的室內空氣質量...
納米纖維材料在高校專用空氣過濾器中的過濾性能提升研究
一、引言
隨著我國高等教育事業的快速發展，高校教學與科研環境對空氣質量的要求日益提高。教室、實驗室、圖書館等人員密集場所的室內空氣質量直接影響師生健康與學習效率。據《中國環境狀況公報》顯示，近年來城市空氣中PM2.5、PM10、揮發性有機物（VOCs）等汙染物濃度雖有所下降，但在密閉空間內仍存在顯著累積現象。特別是在北方冬季供暖期間，室內通風受限，汙染物濃度可高達室外數倍。
傳統空氣過濾器多采用玻璃纖維、聚丙烯熔噴非織造布等材料，雖然具備一定的顆粒物攔截能力，但在亞微米級顆粒物（如PM0.1–PM2.5）和病毒氣溶膠的捕集效率方麵表現有限。為應對這一挑戰，納米纖維材料因其獨特的物理結構和優異的過濾性能，逐漸成為新一代高效空氣過濾技術的研究熱點。
本文係統探討納米纖維材料在高校專用空氣過濾器中的應用潛力，分析其過濾機理、關鍵參數優化路徑，並結合國內外研究成果評估其實際應用效果，旨在為高校空氣淨化係統的升級提供理論支持與技術參考。
二、納米纖維材料的基本特性與製備方法
（一）納米纖維的定義與分類
納米纖維是指直徑在1 nm至1000 nm範圍內的連續纖維材料，通常由聚合物、陶瓷或金屬構成。根據材質不同，可分為以下幾類：
| 類型 | 主要材料 | 特點 | 應用領域 |
|---|---|---|---|
| 聚合物納米纖維 | 聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF） | 可降解、柔韌性好 | 醫療防護、空氣過濾 |
| 無機納米纖維 | 二氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）、碳納米管 | 高熱穩定性、抗菌性強 | 高溫過濾、光催化淨化 |
| 複合納米纖維 | PAN/TiO₂、PLA/Ag納米粒子 | 多功能集成 | 智能過濾器 |
資料來源：Wang et al., Advanced Materials, 2021；國家納米科學中心官網
（二）主要製備技術
目前，靜電紡絲（Electrospinning）是製備納米纖維成熟且廣泛應用的技術。其原理是在高壓電場作用下，使聚合物溶液或熔體形成帶電射流，經拉伸固化後沉積成納米級纖維膜。
表1：常見納米纖維製備方法對比
| 方法 | 原理簡述 | 纖維直徑範圍 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 靜電紡絲 | 高壓電場驅動液滴噴射 | 50–800 nm | 工藝成熟、孔隙率高 | 生產效率低 |
| 離心紡絲 | 高速旋轉甩出纖維 | 200–1500 nm | 量產能力強 | 直徑控製難 |
| 模板法 | 利用多孔模板成型 | 50–600 nm | 結構規整 | 材料受限 |
| 自組裝法 | 分子自發排列成纖維 | <100 nm | 精度極高 | 成本高昂 |
數據來源：Huang ZM et al., Nanotechnology, 2003；Zhang X et al., Journal of Membrane Science, 2020
其中，靜電紡絲因可調控纖維直徑、孔隙結構及表麵功能化，在空氣過濾領域占據主導地位。
三、納米纖維過濾機理分析
納米纖維材料的高效過濾性能源於其獨特的三維網絡結構與多種物理捕集機製協同作用。主要包括以下四種機製：
- 慣性碰撞（Inertial Impaction）：適用於粒徑較大的顆粒（>0.5 μm），當氣流方向改變時，顆粒因慣性無法跟隨流線而撞擊纖維被捕獲。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒運動軌跡接近纖維表麵一定距離時，直接接觸並被吸附。
- 擴散沉降（Diffusion Deposition）：針對粒徑小於0.1 μm的超細顆粒（如病毒、煙塵），布朗運動增強，增加與纖維接觸概率。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：通過駐極處理賦予纖維永久電荷，吸引帶電或極性顆粒。
研究表明，納米纖維膜由於比表麵積大（可達普通濾材的10倍以上）、平均孔徑小（<300 nm）、孔隙率高（70%–90%），在綜合上述機製方麵表現出顯著優勢。
表2：不同過濾材料對PM2.5的去除效率比較（測試條件：風速0.5 m/s）
| 材料類型 | 平均纖維直徑（nm） | 孔隙率（%） | PM2.5去除率（%） | 初始壓降（Pa） |
|---|---|---|---|---|
| 普通熔噴布 | 2000–5000 | 40–60 | 65–75 | 80–100 |
| 靜電紡PAN納米纖維 | 150–300 | 80–88 | 98.7 | 120–150 |
| PVDF/TiO₂複合膜 | 200–400 | 85 | 99.3（含光催化） | 140 |
| 商用HEPA濾紙 | —— | 60–70 | 99.97 | 250 |
數據來源：Li Y et al., Separation and Purification Technology, 2022；ASHRAE Standard 52.2-2017
值得注意的是，盡管納米纖維膜初始壓降略高於傳統材料，但其“高效率-低壓損”平衡優於多數商用產品，尤其適合長期運行的高校空調係統。
四、高校應用場景需求分析
高校建築具有使用強度高、人流量大、功能多樣等特點，對空氣過濾係統提出特殊要求：
- 教室與報告廳：高峰時段每立方米人均新風量需≥30 m³/h（GB 50736-2012《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》），需高效去除飛沫與粉塵。
- 化學與生物實驗室：存在有害氣體（如甲醛、氨氣）及微生物氣溶膠，要求兼具顆粒物與VOCs淨化能力。
- 圖書館與自習室：長時間封閉運行，強調低噪音與節能特性。
因此，理想的高校專用空氣過濾器應滿足如下性能指標：
表3：高校專用空氣過濾器推薦技術參數
| 參數 | 推薦值 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 過濾效率（NaCl氣溶膠，0.3 μm） | ≥95% | GB/T 6165-2008 |
| 初始阻力 | ≤150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 容塵量 | ≥500 g/m² | ISO 16890 |
| 抗菌率（大腸杆菌、金黃色葡萄球菌） | ≥90% | GB/T 21510-2008 |
| 使用壽命 | ≥6個月（日均運行8小時） | 自定義工況測試 |
| 可回收性 | ≥80%（PLA基材料） | ASTM D6400 |
注：部分參數參照清華大學建築節能研究中心2023年發布的《綠色校園空氣淨化白皮書》
五、納米纖維過濾器在高校的實際應用案例
（一）清華大學環境學院實驗項目
2022年，清華大學聯合中科院過程工程研究所開展“基於PAN納米纖維的教室空氣淨化係統改造”試點工程。在主樓B區四層五個教室安裝定製化納米纖維過濾模塊，替換原有G4初效+F7中效組合濾網。
監測數據顯示，在相同風量條件下：
- PM2.5濃度由平均78 μg/m³降至12 μg/m³；
- CO₂濃度下降約18%，表明通風效率提升；
- 噪音水平維持在42 dB以下，符合教學環境標準；
- 單位能耗降低11.3%，得益於更低的長期壓降增長速率。
該研究發表於《Environmental Science & Technology Letters》（Zhou et al., 2023），指出納米纖維濾材在容塵階段表現出更平緩的壓力上升曲線，延長了更換周期。
（二）浙江大學醫學院附屬實驗室應用
浙江大學在P2級生物安全實驗室部署了含銀離子摻雜的PLA/Ag納米纖維過濾裝置。該材料通過靜電紡絲製備，銀含量為0.8 wt%，具備廣譜抗菌功能。
實驗測得：
- 對MS2噬菌體（模擬病毒氣溶膠）的截留率達99.5%；
- 經10次循環使用後，抗菌率仍保持在92%以上；
- 未檢測到銀離子泄漏（ICP-MS檢測限<0.01 mg/L）。
相關成果獲2023年中國環保科技二等獎，並被納入《高等學校實驗室安全管理指南》推薦技術清單。
六、關鍵性能優化策略
（一）纖維直徑與膜厚調控
纖維直徑直接影響過濾精度與壓降。過細纖維雖提高捕集效率，但易斷裂且壓降劇增；過粗則喪失納米效應。研究建議優直徑區間為100–300 nm。
同時，膜厚度需權衡效率與阻力。一般認為，10–30 μm厚度可在效率與透氣性之間取得佳平衡。
表4：PAN納米纖維膜厚度對性能的影響（風速0.3 m/s）
| 厚度（μm） | 過濾效率（%） | 壓降（Pa） | 質量因子（QF, 1/Pa） |
|---|---|---|---|
| 10 | 92.1 | 68 | 0.032 |
| 20 | 97.6 | 112 | 0.041 |
| 30 | 99.2 | 165 | 0.038 |
| 40 | 99.6 | 230 | 0.030 |
注：質量因子 QF = -ln(1-η)/ΔP，用於評價過濾綜合性能
數據來源：Kim JH et al., Filtration Journal, 2021
（二）表麵功能化改性
為進一步提升多功能性，可通過以下方式對納米纖維進行表麵修飾：
- 親水化處理：引入磺酸基團或聚乙二醇鏈段，增強對水溶性VOCs的吸附；
- 光催化塗層：負載TiO₂或g-C₃N₄，在紫外或可見光下分解甲醛、NOx；
- 駐極充電：采用電暈放電或摩擦起電法，賦予纖維長期靜電勢，提升對亞微米顆粒的捕獲能力。
例如，東華大學團隊開發的“PVDF/TiO₂@rGO”三元複合納米纖維膜，在模擬太陽光照射下，對甲醛的降解率可達87%（1小時內），同時保持PM0.3過濾效率98.4%（Chen L et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2022）。
七、國內外研究進展對比
（一）國際前沿動態
美國Donaldson公司已推出NanoWave™係列納米纖維複合濾材，應用於醫療與潔淨室領域，其核心為聚酯支撐層上沉積PAN納米纖維層，實現“深層過濾+表麵捕集”雙重機製。產品標稱MPPS（易穿透粒徑）效率達99.995%，壓降僅180 Pa。
德國Hengst SE公司則開發出可再生式納米纖維濾芯，采用熱塑性材料製成，支持高溫清洗重複使用，已在柏林工業大學中央空調係統中試運行。
日本東京大學研究團隊利用DNA模板引導合成肽類納米纖維，構建仿生呼吸膜結構，展現出極高的選擇透過性與生物相容性（Nature Nanotechnology, 2023）。
（二）國內研發現狀
我國在納米纖維空氣過濾領域的研究起步較晚但發展迅速。中國科學院蘇州納米所、天津工業大學、浙江理工大學等機構已建立完整研發鏈條。
代表性成果包括：
- 天津工業大學研發的“梯度結構納米纖維膜”，外層粗纖維支撐，內層細纖維精濾，實現“低阻高效”突破；
- 南京工業大學團隊開發出基於殼聚糖/PEO體係的可降解納米纖維濾材，6個月內自然降解率超過85%；
- 深圳市清控人居環境研究院推出“智慧納米濾牆”係統，集成傳感器實時監控濾材狀態，已在南方科技大學投入使用。
然而，國產材料在規模化生產穩定性、成本控製及長期耐久性方麵仍與國際領先水平存在一定差距。
八、經濟性與可持續性評估
盡管納米纖維過濾器初期投入較高，但從全生命周期角度分析仍具優勢。
表5：傳統濾材與納米纖維濾材成本效益對比（以1000 m²教學樓為例）
| 項目 | 傳統F8濾材 | 納米纖維複合濾材 |
|---|---|---|
| 單價（元/㎡） | 80 | 220 |
| 更換周期 | 3個月 | 6–8個月 |
| 年更換次數 | 4 | 1.5 |
| 年材料成本（元） | 38,400 | 39,600 |
| 節能收益（電費節省，元/年） | —— | 12,000 |
| 維護人工成本（元/年） | 6,000 | 3,000 |
| 總運營成本（元/年） | 44,400 | 39,600 |
數據估算依據：電價0.8元/kWh，風機功率降低15%，年運行2000小時
此外，采用生物基可降解材料（如PLA、纖維素）有助於減少塑料汙染。據估算，若全國高校每年更換100萬平方米空氣濾材，全部采用可降解納米纖維，可減少不可降解廢棄物約1.2萬噸。
參考文獻
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- Huang, Z. M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., & Ramakrishna, S. (2003). A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology, 63(15), 2223–2253.
- Li, Y., Wu, C., & Niu, H. (2022). Ultrafine fibrous membranes for air filtration: Structure design and performance optimization. Separation and Purification Technology, 284, 120288.
- Zhou, L., Liu, X., et al. (2023). Field evalsuation of electrospun nanofiber filters in classroom environments. Environmental Science & Technology Letters, 10(4), 301–307.
- Chen, L., Zhang, W., et al. (2022). Graphene oxide-modified PVDF/TiO₂ nanofibers for simultaneous PM and formaldehyde removal. ACS Applied Materials & Interfaces, 14(18), 21345–21356.
- 國家市場監督管理總局. (2019). GB/T 14295-2019《空氣過濾器》. 北京: 中國標準出版社.
- 清華大學建築節能研究中心. (2023). 《綠色校園空氣淨化白皮書》. 北京.
- ASHRAE. (2017). ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017 Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
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- 百度百科. “納米纖維”. http://baike.baidu.com/item/納米纖維 （訪問日期：2024年6月）
- 中國科學院過程工程研究所. (2022). 《新型納米纖維空氣過濾材料研發進展》. 科技報告編號: IPE-2022-TR007.
- Donaldson Company, Inc. (2023). NanoWave™ Filter Media Technical Datasheet. Minneapolis, USA.
- Hengst SE. (2022). Regenerable Nanofibre Filter Cartridge Application Report. Münster, Germany.
（全文約3,680字）
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