船舶舱室空气净化方式应用分析

船舶舱室空气净化方式应用分析

何伟刚，杨建东，刘广家，徐升堂，陈一凡

（中国卫星海上测控部，江苏，江阴 214431）

【摘 要】本文分析了船舶舱室中空气污染的主要类型、产生来源和对人体的危害。阐述了当前主要的空气净化技术及原理，并结合某远洋船舱室空气污染情况，介绍了空气净化装置在空调通风系统中的应用。

【关键词】船舶舱室；空调通风；空气净化

0 引言

船舶舱室是船员海上居住生活、工作活动的主要场所。船舶海上航运期间，船员每天绝大部分时间都是在舱室内度过，因此呼吸的大部分空气都是舱室内的空气。国内外大量实地调查资料都证实了：室内空气污染程度往往比室外高。

人体的主观感受是空气品质可接受程度的重要指标，但在如何量化主观感受上，现有的研究结果从理论到实践都存在较大缺陷。人体对空气品质的主观感受受到环境温度、湿度、照度、噪声、以及人体热感觉等因素的影响而异常复杂。有研究表明，当环境温度超过26℃时，人体对空气品质的满意程度将大幅下降；当环境湿度过高时，无论空气是干净的还是污染的，人体对空气品质的主观感受都是不好的，此时提高环境的通风量并不能有效地提高人体对空气品质的接受程度，反而造成能量的浪费；室内照度水平低会使人体感觉空气更加沉闷，且降低对空气品质的接受程度，但这种差异会随着温度的降低而减小。大量研究结果显示，提升人体对空气品质的接受程度是各种环境因素综合作用的结果。

船舶舱室由于船舶本身的特殊性，一方面，船舶舱室普遍存在空间狭小、分布密集、新风量不足等特点；另一方面，有机合成材料广泛应用在船舶舱室装修，散发大量挥发性有机物，以上两点都加剧了船舶舱室空气污染。船员若长期处于室内空气污染中，将会感到头晕、目眩、胸闷、恶心，影响工作效率，甚至会引起或加剧亚急性或慢性呼吸道疾病的发生、发展，如气管炎、支气管炎、过敏性肺炎、哮喘、肺纤维化、肺癌等。因此，创造良好的舱室空气环境对船员的身心健康尤为必要。

1 船舶舱室空气污染特点

船舶舱室空气污染极其复杂，污染物主要来源有动力设备的运作、油料的燃烧挥发、船体本身的油漆涂料、舱室装饰材料、船员舱室内的活动等。而船舶舱室具有相对封闭的特点，这就导致船舶舱室空气污染更加严重。但按照舱室污染源散发污染物的特性，可将舱室主要污染物归纳为物理类、化学类、生物类三大类。物理类主要为悬浮颗粒物，化学类主要为挥发性有机物，生物类主要为菌类微生物。

1.1悬浮颗粒物

总悬浮颗粒物通常是漂浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称，其粒径范围约为0.1-100μm。通常又把粒径在 10μm以下的颗粒物称为可吸入颗粒物，又称 PM10。舱室悬浮颗粒物的主要来源有动力装置燃料燃烧、舱室内船员吸烟、舱室内清洁等。可吸入颗粒物将影响人体呼吸系统和消化系统疾病。

1.2挥发性有机物（VOCs)

在我国挥发性有机物主要是指常温下饱和蒸气压大于 70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或等于10Pa且具有挥发性的全部有机化合物。主要包括如甲醛、苯等。舱室挥发性有机物的主要来源有油漆涂料、装饰材料、废气、地毯等纤维材料等。甲醛和苯已被世界卫生组织确定为致癌物质，主要刺激眼睛和呼吸道，是皮肤过敏，使人产生头痛、咽痛和乏力，严重危害人体健康。

1.3菌类微生物

菌类微生物主要指细菌、霉菌和病毒等。由于船舶长期在海上航行，空气湿度大，潮湿环境更易滋生霉菌、细菌等微生物，通过空调通风系统在舱室间进行传播。如 2020 年新冠病毒在"钻石公主号"传播并造成大面积爆发引起了社会的广泛关注。

2 船用空气净化技术原理

当前船用空气净化技术发展的主要方向是复合净化技术，它通过各种空气净化手段的综合运用达到空气洁净的效果。一般来说，室内空气净化的主要手段有：通风换气式、过滤式、吸附式、光催化式、静电以及负离子式等。虽然运用各种空气净化手段所开发的室内空气净化装置的种类、功能不尽相同，但追根溯源，其工作原理主要有以下两种：

2.1被动吸附过滤式空气净化

被动吸附过滤式空气净化是目前船舶舱室空气净化常用的方式。被动式的空气净化大多采用风机＋滤网的模式进行空气净化，用风机将空气抽入机器，通过内置的滤网过滤空气，主要能够起到过滤粉尘、异味、消毒等作用。这种滤网式空气净化器多采用HEPA滤网＋活性炭滤网＋光触媒（冷触媒、多远触媒）＋紫外线杀菌消毒＋静电吸附滤网等方式来处理空气。其中HEPA滤网有过滤粉尘颗粒物的作用，其它活性炭等主要是吸附异味的作用。

2.2主动式空气净化

主动式空气净化方式目前在船舶上常应用于冷库等食品、蔬果保鲜。主动式空气净化器摆脱了风机与滤网的限制，不是被动等待室内空气被抽入净化器内进行过滤净化，之后再通过风机排出，而是有效、主动地向空气中释放净化灭菌因子，通过空气弥漫性的特点，将净化因子送达到对室内各个角落的空气无死角净化效果。在技术上比较成熟的主动净化技术主要是利用负氧离子和利用臭氧作为净化因子处理空气。基于主动式空气净化原理的负离子空气净化技术能够去除空气中的小颗粒物，而且对于直径小于0.01μm、在工业上难以除去的微粒飘尘，也有沉降去除效果，使室内空气质量达到健康空气的标准。

表1 被动式和主动式空气净化原理比较

3空气净化技术在某远洋船空调系统中的应用

目前船舶舱室空调系统一般使用的是被动式空气净化，常用的净化技术主要有三类：(1）过滤除尘类，主要为纤维过滤式除尘；(2）吸附净化类，主要为活性炭过滤法；(3）消毒杀菌类，主要为紫外光消杀。某远洋船船用空调系统新风端采用静电式净化技术、送风端采用光催化净化技术，该技术可消除进舱空气中的细菌、霉菌、病毒等有毒微生物，分体染粉尘过滤能力大于75%;杀菌能力大于95%;VOC去除率大于65%。

3.1新风端空气净化技术

空调新风端安装静电式净化装置，采用多重处理技术，通过预过滤、电离、集尘、冷触媒、VOC净化等净化技术，可有效消除新风系统中的有机气溶胶和其他空气内的固、液杂质、分解有害气体、杀灭细菌病毒等有害物质，降低和减轻外界粉尘颗粒和病菌油漆、油气、油烟等进入空调区域，从而达到净化舱室空气质量的目的。

在某远洋船空调系统中，静电式空气净化装置安装在空调器新风口，利用空调器的送风功能将净化后的空气送出（图1），装置采用多模块集中控制，具有控制单元多、使用安全和可靠性高等突出特点。

图1 新风端空气净化流程图

(1）预过滤器

预过滤器采用多层金属丝网过滤器。金属丝网过滤器用于清除入口空气中的大粒径气溶胶，减少灭活段工作负担，保证设备的绝缘性能和灭菌效率。

(2）电离段

电离段的作用主要使空气中的微小固态或者液态的悬浮杂质离子化，在通过的路径上形成许多离子对。给气溶胶颗粒荷电，在净化装置中，人为的在电晕极和集尘极间附加一个足够强度的电压，即制造一个高压电场。颗粒在获得足够强的能力时，装置内部的气体会发生电离。其中电子会向正极移动，正离子会向负极移动，同时高压电离产生氧化性极强的氧离子，形成臭氧，可以杀死细菌，降解VOCs。

(3）集尘段

集尘段主要作用是吸附空气中的微小固态或者液态的悬浮杂质和气溶胶。集尘段是正、负交替排列的极板，电场方向与气流和极板表面垂直，颗粒电离后使电离区聚集许多带电的离子，在正电晕放电的情况下，负离子被正极板吸引并与其中和，正离子则在电场力作用下向负极板运动，正离子在定向移动过程中会与中性颗粒结合，从而荷电，并吸附在集尘段极板上。

(4）冷触媒过滤网

采用贵金属（铂﹣钯﹣锰）与过渡金属氧化物混合催化剂合成工艺技术，常温下催化、分解臭氧，达到去除臭氧的目的。

(5)VOC净化段

VOC净化段催化网通过紫外灯的催化作用产生电子空穴、氢氧自由基分解有害气体和灭活病毒，弥补紫外线无法长距离传播的缺点，增强了该净化段的消杀能力和范围，同时能够实现净化去除甲醛、VOC、异味等能力。

3.2送风端空气净化技术

空调送风端采用光氢离子净化技术，其基本原理是在宽光谱紫外线与特种金属催化剂纳米级TiO2作用下，将空气中的氧气和水转化为含羟基的物质，羟基物质几乎能与所有的有机物发生快速链式反应，将有机物彻底分解。

该技术能在较短的时间内通过空调系统对船舱内空气的多次循环，有效杀灭空气中超过90％的细菌和病毒，同时生成负离了和净化因子还可分解和消除空气中的多种有害气体成分，净化过程中使金属催化剂外电子层结构的电子发生跃迁，从而使原来的空带上获得带负电的高活性电子，而在原来的满带上形成带正电的空穴。这种正电空穴具有强氧化性，它能够将吸附于TiO2粒子表面的OH—和H2O氧化为羟基自由基等。而羟基是一种很强的氧化剂，能够分解许多有机物，使其最终转变为二氧化碳和水，不产生二次污染，对人体和环境无害。

在远洋船空调系统中，光催化净化单元安装在各空调器的送风口（图2），利用空调器的送风功能将净化后的空气送出，该项技术将治理源头集中在空调器上，避免在各舱室分别加装空气净化器。

图2送风端空气净化示意图

4 总结与展望

本文通过对船舶舱室空气污染物进行分析，舱室空气污染物种类多、来源广、危害大 通过被动式和主动式空气净化原理，介绍常用的空气净化技术在远洋船空调通风系统中的运用。当前空气净化技术已在不断发展，后续还应结合船舶实际现状，开发研究更先进、更高效的船用空调通风空气净化技术，为船员提供更舒心的工作生活环境，为其身心健康提供有力保障。

参考文献

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