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     作者：吳波

    本文重點(diǎn)介紹PM2.5的脫除與監(jiān)測(cè)專利申請(qǐng)狀況分析的主要內(nèi)容

隨著人們對(duì)PM2.5危害性的認(rèn)識(shí)逐步加深，關(guān)于將PM2.5濃度值納入環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的新標(biāo)準(zhǔn)一事開始廣泛征求意見，國(guó)內(nèi)各大商家也相繼推出各種空氣凈化裝置，并宣稱能有效清除PM2.5，然而其效果往往局限于室內(nèi)空間，要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)整體空氣質(zhì)量的改進(jìn)，降低大氣中的PM2.5密度，首先需要從源頭上控制PM2.5的過度排放。我國(guó)大城市的PM2.5主要來源于燃料的燃燒（以煤炭燃燒為主）及機(jī)動(dòng)車尾氣，因而，有效脫除工業(yè)煙氣和汽車尾氣中的PM2.5顆粒物，成為PM2.5監(jiān)控體系中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)；另一方面，PM2.5濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)是準(zhǔn)確測(cè)量PM2.5排放濃度以及評(píng)估PM2.5脫除效率的有力保障。本文將對(duì)PM2.5的脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以明確我國(guó)目前PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為有效改善我國(guó)空氣質(zhì)量、降低有害可吸入顆粒物PM2.5密度提供幫助。

2013年以來，我國(guó)部分地區(qū)頻發(fā)嚴(yán)重霧霾天氣，致使多地空氣受到重度污染，由此帶來的環(huán)境、健康、出行等問題，引發(fā)了公眾對(duì)空氣質(zhì)量關(guān)注度的驟然提升，一時(shí)間，PM2.5成為點(diǎn)擊率最高的熱詞。

    PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。PM2.5被吸人人體后，會(huì)進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等在內(nèi)的疾病，還可以通過支氣管和肺泡進(jìn)入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對(duì)人體健康的傷害更大。世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定，PM2.5標(biāo)準(zhǔn)年平均密度為10～35μg/m3，而2010年我國(guó)華北、華東、華中地區(qū)的PM2.5密度高于50 μg/m3，接近80 μg/m3。    

    一、PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)概況

    1．申請(qǐng)量的時(shí)間分布

    筆者在中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(CNABS)中以關(guān)鍵詞作為主要檢索手段進(jìn)行了檢索。截至2013年10月18日，已公開的涉及PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的中國(guó)專利申請(qǐng)共計(jì)215件。從圖1可知，從1995年到2000年，與PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的中國(guó)專利申請(qǐng)年申請(qǐng)量一直為零；從2001年到2011年，雖然每年基本都有少量申請(qǐng)，但早年的申請(qǐng)多與燃燒設(shè)備煙氣中的PM2.5脫除相關(guān)，直接與大氣中PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的申請(qǐng)并不多；從2011年開始，與大氣中PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的中國(guó)專利申請(qǐng)量開始飆升，到2012年達(dá)到一個(gè)頂峰，全年共127件，占了十余年來相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)總量的60%。這說明我國(guó)申請(qǐng)人逐步認(rèn)識(shí)到了PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要作用，也與近幾年來我國(guó)PM2.5污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)密切相關(guān)。

    2．申請(qǐng)人分布

    PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人共有86個(gè)，其中申請(qǐng)量排名前5位的申請(qǐng)人分別為：江蘇瑞豐科技實(shí)業(yè)有限公司（21件）、廣東風(fēng)華環(huán)保設(shè)備有限公司（13件）、紹興文理學(xué)院（10件）、東南大學(xué)（5件）、寧波市鎮(zhèn)海華泰電器廠（4件）。從圖2所示的申請(qǐng)人類型整體分布情況來看，PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人分布比較分散，但大部分集中于企業(yè)中，而大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的申請(qǐng)量與個(gè)人的申請(qǐng)量相當(dāng)，這說明我國(guó)目前PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化速度相對(duì)較快，但還有相當(dāng)一部分技術(shù)尚停留在實(shí)驗(yàn)室里或個(gè)人手中，尚未運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

    3．相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)的技術(shù)領(lǐng)域分布

    從圖3可知，與PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)和實(shí)用新型專利申請(qǐng)的分類號(hào)主要集中于國(guó)際專利分類中的B部（作業(yè)；運(yùn)輸）、G部（物理）、F部（機(jī)械工程；照明；加熱；武器；爆破）及A部（農(nóng)業(yè)）。

    筆者進(jìn)一步對(duì)PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)的大組分類號(hào)進(jìn)行分析，申請(qǐng)量排名前10位的大組分類號(hào)見表l所示。

    從以上分析可知，與PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的中國(guó)專利申請(qǐng)主要涉及PM2.5顆粒的檢測(cè)方法、使用液體或靜電分離PM2.5顆粒、對(duì)PM2.5進(jìn)行物理屏蔽，以及帶有PM2.5清除功能的空調(diào)或空氣脫除設(shè)備，還有少量申請(qǐng)與阻隔PM2.5的個(gè)人防護(hù)品及預(yù)防PM2.5在肺部沉積的藥物組合物相關(guān)。

    4．相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)的法律狀態(tài)分布

圖4顯示了涉及PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)和實(shí)用新型專利申請(qǐng)的法律狀態(tài)分布，其中，有效專利中實(shí)用新型專利所占比例達(dá)到90%以上，2010年之后提交的大部分發(fā)明專利申請(qǐng)仍處于在審狀態(tài)。由此可知，目前與PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的有效中國(guó)專利中，含金量較高的發(fā)明專利相對(duì)較少。

    二、PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及典型中國(guó)專利申請(qǐng)

    1．主要PM2.5脫除技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及典型中國(guó)專利申請(qǐng)

    目前，氣態(tài)污染物的脫除方法主要有濕法、干法、半干法3種。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的除塵方法是利用旋風(fēng)、電除塵器等，尤其以電除塵為主，如靜電除塵器對(duì)10 μm以上粒子的去除率能夠達(dá)到99.9%以上，但對(duì)PM2.5的捕集效果并不理想，因?yàn)椋瑥脑�理上來說，靜電除塵器主要是靠顆粒荷電被吸附而脫出，而1μm附近的超細(xì)顆粒物處在場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電混合區(qū)，其荷電能力很差，從而難以去除。因此，改善電除塵器對(duì)PM2.5的捕集率成為PM2.5脫除技術(shù)的重要改進(jìn)方向。通過對(duì)檢索到的與PM2.5脫除技術(shù)相關(guān)的中國(guó)專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，涉及復(fù)合式除塵或交流凝并除塵技術(shù)的相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，具體的技術(shù)改進(jìn)主要有以下幾個(gè)方面。

    (1)靜電旋風(fēng)除塵器：傳統(tǒng)除塵技術(shù)的改進(jìn)靜電增強(qiáng)旋風(fēng)分離器的基本思想就是在旋風(fēng)分離器空腔主軸上加入電暈極，下行流區(qū)未能被旋風(fēng)分離的小顆粒將隨氣流進(jìn)入上行區(qū)，上行區(qū)離電暈極較近，這將使其受到更強(qiáng)的電場(chǎng)力而徑向運(yùn)動(dòng)到下行流區(qū)直至撞到壁面被捕獲。例如，南京師范大學(xué)的專利申請(qǐng)CN2749577Y提供了一種高溫靜電旋風(fēng)除塵器，其利用高溫?zé)煔獗旧淼臒崃渴拱l(fā)射頭加熱而發(fā)射出電子，由于發(fā)射電流密度高，對(duì)塵粒尤其是0.2μm以下的細(xì)小顆粒的捕捉效率大大提高。

    (2)電袋復(fù)合式除塵器：傳統(tǒng)除塵技術(shù)的組合

    靜電和布袋除塵是現(xiàn)在電廠利用最多的兩種除塵方式，為了高效脫除PM2.5，技術(shù)人員逐步開發(fā)出將二者結(jié)合起來的靜電，布袋復(fù)合除塵器，其基本原理是在原有靜電除塵器后面加一個(gè)脈沖式布袋除塵器，從而大大提高了除塵效率特別是PM2.5的脫除效率。例如，北京龍電宏泰環(huán)�？萍加邢薰�司的專利申請(qǐng)CN202219126U提供了一種一體化脫除工業(yè)排放超細(xì)和微量污染物的電袋復(fù)合凈化裝置，其中的布袋除塵裝置繼續(xù)對(duì)煙氣中未團(tuán)聚或吸附的超細(xì)顆粒、汞等重金屬以及二噁英等起到吸附作用，均勻覆蓋在濾袋表面的吸附劑對(duì)煙氣中的超細(xì)和微量污染物進(jìn)行最終吸附和過濾，從而獲得高效凈化效果。

    (3)濕法靜電沉降技術(shù)：兩相除塵技術(shù)的協(xié)同

    東南大學(xué)、山東大學(xué)等開展了一系列將濕法與靜電同時(shí)用于PM2.5脫除的研究。例如，東南大學(xué)的專利申請(qǐng)CN100594051C提供了一種應(yīng)用蒸汽相變協(xié)同脫除高溫高濕煙氣中PM2.5和氣態(tài)污染物的方法及裝置，其結(jié)合高溫高濕煙氣的特點(diǎn)，應(yīng)用蒸汽相變?cè)�理促使PM2.5凝結(jié)長(zhǎng)大，不僅可協(xié)同脫除PM2.5和氣態(tài)污染物，還可回收水蒸氣冷凝放出的汽化潛熱及煙氣降溫顯熱。

    (4)雙極靜電凝聚技術(shù)：電凝并技術(shù)的改進(jìn)

    雙極靜電凝聚技術(shù)是近年來提出的一種利用不同極性放電導(dǎo)致粉塵顆粒荷不同電荷，進(jìn)而在湍流輸運(yùn)和靜電力共同作用下凝聚變大的技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)不僅可提高除塵器的除塵效率、降低本體積及制造成本，還能減少微小顆粒尤其是PM2.5的排放，從而降低微小顆粒的危害。例如，專利申請(qǐng)CN201329311Y提供了一種雙極高壓靜電凝聚器，其能有效捕集工業(yè)煙塵或粉狀粒徑小于10llm的細(xì)微顆粒，減少各類工業(yè)尾氣、煙氣中細(xì)微塵粒的含量，PM2.5顆粒減少達(dá)到80%以上，改善了傳統(tǒng)袋式和電袋復(fù)合式除塵器對(duì)PM2.5微細(xì)顆粒的收集效果。

    2．主要PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及典型中國(guó)專利申請(qǐng)

對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的測(cè)量可通過手工重量法和自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行。由于顆粒物細(xì)粒子PM2.5的組成與機(jī)理的特殊性，對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)傳統(tǒng)的PM10。在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器主要采用β射線法和振蕩天平法，PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀亦主要采用β射線法和振蕩天平法，還有一部分采用的是重量法、光散射法和壓電晶體法，典型中國(guó)專利申請(qǐng)的分布情況如表2所示。

    (1) β射線法

    β射線法的原理在于利用β射線衰減量測(cè)試采樣期間增加的顆粒物質(zhì)量。環(huán)境空氣由采樣泵經(jīng)切割器吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出，顆粒物沉淀在采樣濾膜上。當(dāng)β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時(shí)，β射線能量衰減，其衰減的程度與PM2.5的重量成正比。因此，根據(jù)射線的衰減程度，即可計(jì)算出PM2.5的重量。

    (2)振蕩天平法

    振蕩天平法是近年來發(fā)展起來的顆粒物濃度測(cè)量方法，測(cè)量原理是基于專利技術(shù)的錐形元件振蕩微量天平原理，是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個(gè)振蕩空心錐形管，在空心錐形管振蕩端上安放可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特性和它的質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過濾膜時(shí)，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率變化，根據(jù)振蕩頻率的變化，即可推算出截留的PM2.5的重量。

    振蕩天平法是比較經(jīng)典的測(cè)量顆粒物濃度的一種方法，具有較靈敏的測(cè)量特性，通過這種方法可以直接測(cè)量顆粒物的濃度，與顆粒物粒徑、顏色等無關(guān)，但是受溫度、濕度、振動(dòng)、噪聲等影響比較大。

    (3)光散射法

    光散射法是通過測(cè)量顆粒物受光照射后所發(fā)出的散射光信號(hào)的大小來測(cè)量顆粒物的質(zhì)量濃度。光通過顆粒物質(zhì)時(shí)，對(duì)于數(shù)量級(jí)與使用光波長(zhǎng)相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。其原理是顆粒物質(zhì)量濃度與光度計(jì)接收到的散射光通量成線性關(guān)系。

    光散射測(cè)塵儀屬浮游測(cè)定法，使用其可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物的濃度，根據(jù)顆粒物性質(zhì)預(yù)先設(shè)K值，可以現(xiàn)場(chǎng)直接顯示質(zhì)量濃度，且其體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便、噪聲低、穩(wěn)定性好，可直接測(cè)定結(jié)果，適于在公共場(chǎng)所及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)合和大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中使用。

    (4)重量法

    重量法是通過具有一定切割特性的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的重量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5的濃度。

    該方法是將0.3μm以上的顆粒截留效率大于99%作為過濾的標(biāo)準(zhǔn)，未能截流的細(xì)小顆粒物對(duì)PM2.5的測(cè)定結(jié)果幾乎無影響，因而是一種最直接、最可靠的方法。其缺點(diǎn)是需要人工操作，過程比較煩瑣，需要消耗大量的時(shí)間和人力。

    (5)壓電晶體法

    壓電晶體法采用石英諧振器為測(cè)量敏感元件，其工作原理是使空氣以恒定流量通過切割器，進(jìn)入由高壓放電針和微量石英諧振器組成的靜電采樣器，在高壓電暈放電的作用下，氣流中的顆粒物全部沉降于測(cè)量諧振器的電極表面，因電極上增加了顆粒物的質(zhì)量，其振蕩頻率發(fā)生變化，根據(jù)頻率變化可測(cè)定PM2.5的質(zhì)量濃度。

    使用壓電晶體法儀器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。石英諧振器對(duì)其表面質(zhì)量的變化十分敏感，使用一段時(shí)間后需要進(jìn)行清潔。

    三、綜述

    在PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)主要集中在將β射線法、振蕩天平法、光散射法等常規(guī)檢測(cè)技術(shù)用于開發(fā)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備上，由于我國(guó)在PM2.5細(xì)粒子監(jiān)測(cè)方面的研究起步較晚，核心技術(shù)大多掌握在國(guó)外申請(qǐng)人手中，尤其是高精密度的檢測(cè)儀器，其中的核心部件國(guó)內(nèi)目前還無法自主生產(chǎn)，只能依靠進(jìn)口，因此，在關(guān)注局部創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)出真正由我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的核心技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的重點(diǎn)。

2011年以來，隨著我國(guó)對(duì)PM2.5監(jiān)控力度的加大，與PM2.5脫除與監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的中國(guó)專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了較快增長(zhǎng)。在PM2.5脫除技術(shù)方面，相關(guān)中國(guó)專利申請(qǐng)主要集中在對(duì)電除塵技術(shù)的工藝改進(jìn)上，通過靜電與其他方式結(jié)合的混合除塵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，同時(shí)，新型的電凝并技術(shù)在捕集工業(yè)尾氣、煙氣中PM2.5細(xì)微塵粒中的應(yīng)用也初現(xiàn)端倪，這也將是PM2.5脫除技術(shù)未來的研究方向之一。