纳米纤维材料在高校专用空气过滤器中的过滤性能提升研究 一、引言 随着我国高等教育事业的快速发展，高校教学与科研环境对空气质量的要求日益提高。教室、实验室、图书馆等人员密集场所的室内空气质量...
纳米纤维材料在高校专用空气过滤器中的过滤性能提升研究
一、引言
随着我国高等教育事业的快速发展，高校教学与科研环境对空气质量的要求日益提高。教室、实验室、图书馆等人员密集场所的室内空气质量直接影响师生健康与学习效率。据《中国环境状况公报》显示，近年来城市空气中PM2.5、PM10、挥发性有机物（VOCs）等污染物浓度虽有所下降，但在密闭空间内仍存在显著累积现象。特别是在北方冬季供暖期间，室内通风受限，污染物浓度可高达室外数倍。
传统空气过滤器多采用玻璃纤维、聚丙烯熔喷非织造布等材料，虽然具备一定的颗粒物拦截能力，但在亚微米级颗粒物（如PM0.1–PM2.5）和病毒气溶胶的捕集效率方面表现有限。为应对这一挑战，纳米纤维材料因其独特的物理结构和优异的过滤性能，逐渐成为新一代高效空气过滤技术的研究热点。
本文系统探讨纳米纤维材料在高校专用空气过滤器中的应用潜力，分析其过滤机理、关键参数优化路径，并结合国内外研究成果评估其实际应用效果，旨在为高校空气净化系统的升级提供理论支持与技术参考。
二、纳米纤维材料的基本特性与制备方法
（一）纳米纤维的定义与分类
纳米纤维是指直径在1 nm至1000 nm范围内的连续纤维材料，通常由聚合物、陶瓷或金属构成。根据材质不同，可分为以下几类：
| 类型 | 主要材料 | 特点 | 应用领域 |
|---|---|---|---|
| 聚合物纳米纤维 | 聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF） | 可降解、柔韧性好 | 医疗防护、空气过滤 |
| 无机纳米纤维 | 二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、碳纳米管 | 高热稳定性、抗菌性强 | 高温过滤、光催化净化 |
| 复合纳米纤维 | PAN/TiO₂、PLA/Ag纳米粒子 | 多功能集成 | 智能过滤器 |
资料来源：Wang et al., Advanced Materials, 2021；国家纳米科学中心官网
（二）主要制备技术
目前，静电纺丝（Electrospinning）是制备纳米纤维成熟且广泛应用的技术。其原理是在高压电场作用下，使聚合物溶液或熔体形成带电射流，经拉伸固化后沉积成纳米级纤维膜。
表1：常见纳米纤维制备方法对比
| 方法 | 原理简述 | 纤维直径范围 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 静电纺丝 | 高压电场驱动液滴喷射 | 50–800 nm | 工艺成熟、孔隙率高 | 生产效率低 |
| 离心纺丝 | 高速旋转甩出纤维 | 200–1500 nm | 量产能力强 | 直径控制难 |
| 模板法 | 利用多孔模板成型 | 50–600 nm | 结构规整 | 材料受限 |
| 自组装法 | 分子自发排列成纤维 | <100 nm | 精度极高 | 成本高昂 |
数据来源：Huang ZM et al., Nanotechnology, 2003；Zhang X et al., Journal of Membrane Science, 2020
其中，静电纺丝因可调控纤维直径、孔隙结构及表面功能化，在空气过滤领域占据主导地位。
三、纳米纤维过滤机理分析
纳米纤维材料的高效过滤性能源于其独特的三维网络结构与多种物理捕集机制协同作用。主要包括以下四种机制：
- 惯性碰撞（Inertial Impaction）：适用于粒径较大的颗粒（>0.5 μm），当气流方向改变时，颗粒因惯性无法跟随流线而撞击纤维被捕获。
- 拦截效应（Interception）：当颗粒运动轨迹接近纤维表面一定距离时，直接接触并被吸附。
- 扩散沉降（Diffusion Deposition）：针对粒径小于0.1 μm的超细颗粒（如病毒、烟尘），布朗运动增强，增加与纤维接触概率。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：通过驻极处理赋予纤维永久电荷，吸引带电或极性颗粒。
研究表明，纳米纤维膜由于比表面积大（可达普通滤材的10倍以上）、平均孔径小（<300 nm）、孔隙率高（70%–90%），在综合上述机制方面表现出显著优势。
表2：不同过滤材料对PM2.5的去除效率比较（测试条件：风速0.5 m/s）
| 材料类型 | 平均纤维直径（nm） | 孔隙率（%） | PM2.5去除率（%） | 初始压降（Pa） |
|---|---|---|---|---|
| 普通熔喷布 | 2000–5000 | 40–60 | 65–75 | 80–100 |
| 静电纺PAN纳米纤维 | 150–300 | 80–88 | 98.7 | 120–150 |
| PVDF/TiO₂复合膜 | 200–400 | 85 | 99.3（含光催化） | 140 |
| 商用HEPA滤纸 | —— | 60–70 | 99.97 | 250 |
数据来源：Li Y et al., Separation and Purification Technology, 2022；ASHRAE Standard 52.2-2017
值得注意的是，尽管纳米纤维膜初始压降略高于传统材料，但其“高效率-低压损”平衡优于多数商用产品，尤其适合长期运行的高校空调系统。
四、高校应用场景需求分析
高校建筑具有使用强度高、人流量大、功能多样等特点，对空气过滤系统提出特殊要求：
- 教室与报告厅：高峰时段每立方米人均新风量需≥30 m³/h（GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》），需高效去除飞沫与粉尘。
- 化学与生物实验室：存在有害气体（如甲醛、氨气）及微生物气溶胶，要求兼具颗粒物与VOCs净化能力。
- 图书馆与自习室：长时间封闭运行，强调低噪音与节能特性。
因此，理想的高校专用空气过滤器应满足如下性能指标：
表3：高校专用空气过滤器推荐技术参数
| 参数 | 推荐值 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 过滤效率（NaCl气溶胶，0.3 μm） | ≥95% | GB/T 6165-2008 |
| 初始阻力 | ≤150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 容尘量 | ≥500 g/m² | ISO 16890 |
| 抗菌率（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌） | ≥90% | GB/T 21510-2008 |
| 使用寿命 | ≥6个月（日均运行8小时） | 自定义工况测试 |
| 可回收性 | ≥80%（PLA基材料） | ASTM D6400 |
注：部分参数参照清华大学建筑节能研究中心2023年发布的《绿色校园空气净化白皮书》
五、纳米纤维过滤器在高校的实际应用案例
（一）清华大学环境学院实验项目
2022年，清华大学联合中科院过程工程研究所开展“基于PAN纳米纤维的教室空气净化系统改造”试点工程。在主楼B区四层五个教室安装定制化纳米纤维过滤模块，替换原有G4初效+F7中效组合滤网。
监测数据显示，在相同风量条件下：
- PM2.5浓度由平均78 μg/m³降至12 μg/m³；
- CO₂浓度下降约18%，表明通风效率提升；
- 噪音水平维持在42 dB以下，符合教学环境标准；
- 单位能耗降低11.3%，得益于更低的长期压降增长速率。
该研究发表于《Environmental Science & Technology Letters》（Zhou et al., 2023），指出纳米纤维滤材在容尘阶段表现出更平缓的压力上升曲线，延长了更换周期。
（二）浙江大学医学院附属实验室应用
浙江大学在P2级生物安全实验室部署了含银离子掺杂的PLA/Ag纳米纤维过滤装置。该材料通过静电纺丝制备，银含量为0.8 wt%，具备广谱抗菌功能。
实验测得：
- 对MS2噬菌体（模拟病毒气溶胶）的截留率达99.5%；
- 经10次循环使用后，抗菌率仍保持在92%以上；
- 未检测到银离子泄漏（ICP-MS检测限<0.01 mg/L）。
相关成果获2023年中国环保科技二等奖，并被纳入《高等学校实验室安全管理指南》推荐技术清单。
六、关键性能优化策略
（一）纤维直径与膜厚调控
纤维直径直接影响过滤精度与压降。过细纤维虽提高捕集效率，但易断裂且压降剧增；过粗则丧失纳米效应。研究建议优直径区间为100–300 nm。
同时，膜厚度需权衡效率与阻力。一般认为，10–30 μm厚度可在效率与透气性之间取得佳平衡。
表4：PAN纳米纤维膜厚度对性能的影响（风速0.3 m/s）
| 厚度（μm） | 过滤效率（%） | 压降（Pa） | 质量因子（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：质量因子 QF = -ln(1-η)/ΔP，用于评价过滤综合性能
数据来源：Kim JH et al., Filtration Journal, 2021
（二）表面功能化改性
为进一步提升多功能性，可通过以下方式对纳米纤维进行表面修饰：
- 亲水化处理：引入磺酸基团或聚乙二醇链段，增强对水溶性VOCs的吸附；
- 光催化涂层：负载TiO₂或g-C₃N₄，在紫外或可见光下分解甲醛、NOx；
- 驻极充电：采用电晕放电或摩擦起电法，赋予纤维长期静电势，提升对亚微米颗粒的捕获能力。
例如，东华大学团队开发的“PVDF/TiO₂@rGO”三元复合纳米纤维膜，在模拟太阳光照射下，对甲醛的降解率可达87%（1小时内），同时保持PM0.3过滤效率98.4%（Chen L et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2022）。
七、国内外研究进展对比
（一）国际前沿动态
美国Donaldson公司已推出NanoWave™系列纳米纤维复合滤材，应用于医疗与洁净室领域，其核心为聚酯支撑层上沉积PAN纳米纤维层，实现“深层过滤+表面捕集”双重机制。产品标称MPPS（易穿透粒径）效率达99.995%，压降仅180 Pa。
德国Hengst SE公司则开发出可再生式纳米纤维滤芯，采用热塑性材料制成，支持高温清洗重复使用，已在柏林工业大学中央空调系统中试运行。
日本东京大学研究团队利用DNA模板引导合成肽类纳米纤维，构建仿生呼吸膜结构，展现出极高的选择透过性与生物相容性（Nature Nanotechnology, 2023）。
（二）国内研发现状
我国在纳米纤维空气过滤领域的研究起步较晚但发展迅速。中国科学院苏州纳米所、天津工业大学、浙江理工大学等机构已建立完整研发链条。
代表性成果包括：
- 天津工业大学研发的“梯度结构纳米纤维膜”，外层粗纤维支撑，内层细纤维精滤，实现“低阻高效”突破；
- 南京工业大学团队开发出基于壳聚糖/PEO体系的可降解纳米纤维滤材，6个月内自然降解率超过85%；
- 深圳市清控人居环境研究院推出“智慧纳米滤墙”系统，集成传感器实时监控滤材状态，已在南方科技大学投入使用。
然而，国产材料在规模化生产稳定性、成本控制及长期耐久性方面仍与国际领先水平存在一定差距。
八、经济性与可持续性评估
尽管纳米纤维过滤器初期投入较高，但从全生命周期角度分析仍具优势。
表5：传统滤材与纳米纤维滤材成本效益对比（以1000 m²教学楼为例）
| 项目 | 传统F8滤材 | 纳米纤维复合滤材 |
|---|---|---|
| 单价（元/㎡） | 80 | 220 |
| 更换周期 | 3个月 | 6–8个月 |
| 年更换次数 | 4 | 1.5 |
| 年材料成本（元） | 38,400 | 39,600 |
| 节能收益（电费节省，元/年） | —— | 12,000 |
| 维护人工成本（元/年） | 6,000 | 3,000 |
| 总运营成本（元/年） | 44,400 | 39,600 |
数据估算依据：电价0.8元/kWh，风机功率降低15%，年运行2000小时
此外，采用生物基可降解材料（如PLA、纤维素）有助于减少塑料污染。据估算，若全国高校每年更换100万平方米空气滤材，全部采用可降解纳米纤维，可减少不可降解废弃物约1.2万吨。
参考文献
- Wang, X., Ding, B., & Yu, J. (2021). Electrospun nanofibers for high-efficiency particulate air filtration: A review. Advanced Materials, 33(12), 2007070. http://doi.org/10.1002/adma.202007070
- 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.
- 国家市场监督管理总局. (2019). GB/T 14295-2019《空气过滤器》. 北京: 中国标准出版社.
- 清华大学建筑节能研究中心. (2023). 《绿色校园空气净化白皮书》. 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.
- Kim, J. H., Lee, K. Y., & Joo, S. H. (2021). Optimization of electrospun nanofiber web thickness for high-efficiency low-resistance air filtration. Filtration Journal, 61(3), 45–52.
- 百度百科. “纳米纤维”. http://baike.baidu.com/item/纳米纤维 （访问日期：2024年6月）
- 中国科学院过程工程研究所. (2022). 《新型纳米纤维空气过滤材料研发进展》. 科技报告编号: 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.
（全文约3,680字）
==========================
