室内空气净化技术是在洁净室技术的基础上发展起来的。
从上世纪50~60年代开始发展的洁净室技术是一门迎合现代电子、航天、精密机械发展而逐步形成的一门综合性技术。以后,又发现现代的其他工业、制药、医院治疗白血病、烧伤或进行大手术都对室内环境的洁净度有很高的要求。目前,可以说:空气洁净与空气净化技术水平的高低,已经直接影响到现代科技水平的提高与发展。空气洁净学,就其基本控制对象而言,也可以叫做气溶胶学。洁净室要控制的就是这种成为气溶胶的粒状物质。差不多与洁净室技术发展的同一时候,人们发现了室内空气的污染。室内空气污染是由于大量使用空调,现代建筑的密闭性越来越好。密闭环境空气不流通,造成了各式各样的室内空气污染问题。有人将室内空气污染归纳为四种污染,分别为:物理污染、化学污染、生物污染与放射性污染。后来,有人发现,气溶胶污染呈现了上述4种污染。
气溶胶是呈粒状的,它的尺寸决定了它可以随气流进入我们的呼吸系统,其中的细颗粒还可能进入人的循环系统,对人体的健康产生影响。气溶胶会成为许多化学污染物的载体,金属元素及其化合物和放射性物质、硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐以及众多的复杂的有机化合物都会通过气溶胶载体对人体造成侵害。必须重点指出,各种病原微生物(细菌、病毒和真菌)在室内空气中也是以气溶胶的形态存在与对人体的健康构成威胁的。气溶胶成为室内空气最主要的污染物,控制室内空气中的气溶胶污染,成为室内空气净化的首要问题。2001年以来的很多年,在我国,由于住房热引起的装修热,凸显了甲醛等化学污染对室内空气的污染问题。这一时期,装饰装修引起的甲醛等化学污染问题成为室内空气净化的头等大事,一时间,甲醛替代气溶胶成为室内空气首要被关注的污染物,在大量的宣传包围中,气溶胶的污染似乎淡出了人们的意识。现在又回归到认真对待气溶胶污染的时候了。
世界卫生组织没有给出过空气中的甲醛与城市死亡率的关系数据,但世界卫生组织推导出在周围环境空气中监测到的颗粒物和臭氧浓度和特定的健康结局(通常为死亡率)之间的定量关系。这些定量关系很有价值,可用于健康影响评价,从而认识在当前空气污染水平下的死亡率和发病率负担,以及预测在不同的空气污染降低的情况下可获得的健康改善程度(这方面的研究与流行病调查还很鲜有,上海复策在做)。我国政府以及科研部门对装饰装修产生的甲醛等污染物深入研究了十多年,可以这样说:我们在技术上已经找到了控制空气中甲醛污染的有效办法,现在民众需要的是提高意识的问题。甲醛污染的控制已经没有技术方面的问题。但是,在我国,气溶胶的控制问题还远远没有解决。能够有效解决室内气溶胶污染的空气净化器产品的用户占有率远远低于空调、除油烟机、加湿器、冰箱等家用电器,与发达国家的占有率相比有很大的距离。特别是在新冠疫情肆虐的这几年,能够有效控制室内病毒气溶胶传染疾病的空气消毒机没有得到合理的推广使用。
从治理的角度出发,空气污染物可以广义地分为两大类,即气溶胶与气态污染物。两者的分界线是粒子的直径。大于等于0.01微米的称为气溶胶,小于0.01微米的统称为气态污染物。去除气溶胶称为除尘,去除气态污染物称为气体净化。在工业上,经典的高效除尘技术有过滤、静电除尘与文丘里;经典的气体净化的技术有吸附、吸收、燃烧、催化、冷凝、膜分离、生物滴滤等。一般情况下,气体净化的难度与成本高于除尘。无论是除尘还是气体净化,现代的净化技术足于将这些污染物控制在合理的标准以下。
一部洁净室技术发展的历史,可以说是过滤技术发展的历史。洁净室理论认为,只要采取过滤器就能控制气溶胶。现在已经能有效控制0.1微米的气溶胶了,将来还能控制更小尺寸的气溶胶。控制气溶胶的计重效率已经逼近100%。过滤器的优点是不言而喻的。美国专业研究机构已经将静电技术与过滤技术巧妙地结合起来,在保证控制气溶胶粒子直径与效率的前提下,不仅降低了过滤系统的阻力,减小了动力的能耗,而且大大提高了容尘量。纤维过滤与静电除尘两种方法是典型的除尘方法,对于气态污染物几乎是无能为力的。因此,包括洁净室内,单纯依靠高效过滤技术是无法去除洁净室内的气态污染物。洁净室与所有其他的室内环境或局部环境,除了使用高效过滤或静电除尘技术控制气溶胶污染外,还一定要有控制气态污染物的部件。
室内空气中,气溶胶影响健康与寿命的是最主要的污染物。空气中的气溶胶浓度一定程度上决定了空气的品质。我国最新颁布的室内空气质量标准规定气溶胶PM2.5的浓度标准为日平均50μg/m3,而世界卫生组织最近更新的全球空气质量指导值规定为日平均15μg/m3,年平均5μg/m3,这是一个十分悬殊的差别。我国大多数中心城市的大气污染还将持续较长的时期,但是,我国室内环境与局部环境气溶胶控制技术已经达到国际先进水平。
不论是发达国家还是发展中国家,气溶胶对公众健康影响的证据都是一致的,即目前城市人群所暴露的气溶胶浓度水平,会对健康产生有害效应。气溶胶对健康的影响是多方面的,但主要影响呼吸系统和心血管系统;所有人群都可受到气溶胶的影响,其易感性视健康状况或年龄而异。
随着气溶胶暴露水平的增加,各种健康效应的风险也会随之增大,但很少有证据提供气溶胶的阈值,即低于该浓度的暴露不会出现预期的健康危害效应。事实上低浓度范围颗粒物的暴露虽然会产生健康危害效应,但其浓度值并没有显著高于环境背景值。例如,在美国和西欧国家,产生健康危害效应的细颗粒物(粒径小于 2.5 μm的颗粒物,PM2.5)浓度估计只比环境背景高3~5 μg/m3。流行病学研究表明,气溶胶的短期或长期暴露都会对人体产生不利的健康效应。最近,北京大学携手复旦大学、中国疾病预防控制中心、中国环境科学研究院、能源基金会等多家单位共同发起了“空气-气候-健康(AiR-Climate-Health, ARCH)集成研究计划与交流平台”,以期提供空气-气候-健康综合决策支撑,并将基于健康保护的环境空气质量标准研究作为近期重点方向之一,以提供国家修订环境空气质量标准的健康方面的依据。 选择指示性气溶胶也是需要考虑的。
目前,大多数常规空气质量监测系统的数据均基于对 PM10的监测,其它粒径的气溶胶则没有被监测。PM10代表了可进入人体呼吸道的气溶胶,包括两种粒径,即颗粒物(粒径在 2.5~10μm之间)和细颗粒物(粒径小于 2.5μm,PM2.5),这些颗粒物被认为与城市中观察到的人群健康效应有关。前者主要产生于机械过程,如建筑活动,道路扬尘和风;而后者主要来源于燃料燃烧。
在大多数的城市环境中,粗颗粒物和细颗粒物同时存在,但这两种颗粒物的构成比例在世界不同城市间因当地的地理条件、气象因素以及存在特殊颗粒物污染源而有明显差异。在一些地区,木材和其它生物质燃料的燃烧可能是颗粒物的重要来源,其产生的颗粒物主要是细颗粒物( PM2.5)。尽管对矿物燃料和生物质燃料燃烧产物的相对毒性几乎没有开展流行病学比较研究,但在发展中国家和发达国家的许多城市发现其健康效应是相似的。因而,我们有理由假设两种不同来源的PM2.5所具有的健康效应是大致相同的。由于同样的原因,WHO颗粒物的空气质量准则也可以用于室内环境,特别是在发展中国家,因为那里有大量人群暴露于室内高浓度气溶胶。在我国,室内气溶胶主要来自大气污染物的侵入与吸烟、烹调与燃烧等。