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PM2.5脱除与监测技术中国专利申请状况分析

【发布时间:2014-07-09 10:20:31】 【来源:中国发明与专利杂志】

      2013年以来,我国部分地区频发严重雾霾天气,致使多地空气受到重度污染,由此带来的环境、健康、出行等问题,引发了公众对空气质量关注度的骤然提升,一时间,PM2.5成为点击率最高的热词。

  PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物,也称为可入肺颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,富含大量的有毒、有害物质,且在大气中停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM2.5被吸入人体后,会进入支气管,干扰肺部的气体交换,引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等在内的疾病,还可以通过支气管和肺泡进入血液,其中的有害气体、重金属等溶解在血液中,对人体健康的伤害更大。世界卫生组织(WHO)规定,PM2.5标准年平均密度为10~35μg/m3,而2010年我国华北、华东、华中地区的PM2.5密度高于50μg/m3,接近80μg/m3。

  随着人们对PM2.5危害性的认识逐步加深,关于将PM2.5浓度值纳入环境空气质量评价的新标准一事开始广泛征求意见,国内各大商家也相继推出各种空气净化装置,并宣称能有效清除PM2.5,然而其效果往往局限于室内空间,要真正实现对整体空气质量的改进,降低大气中的PM2.5密度,首先需要从源头上控制PM2.5的过度排放。我国大城市的PM2.5主要来源于燃料的燃烧(以煤炭燃烧为主)及机动车尾气,因而,有效脱除工业烟气和汽车尾气中的PM2.5颗粒物,成为PM2.5监控体系中最为关键的一个环节;另一方面,PM2.5浓度监测技术是准确测量PM2.5排放浓度以及评估PM2.5脱除效率的有力保障。本文将对PM2.5的脱除与监测技术中国专利申请现状进行统计分析,以明确我国目前PM2.5脱除与监测技术的发展趋势,为有效改善我国空气质量、降低有害可吸入颗粒物PM2.5密度提供帮助。

  

  一、PM2.5脱除与监测技术中国专利申请概况

   

  1.申请量的时间分布

  笔者在中国专利文摘数据库(CNABS)中以关键词作为主要检索手段进行了检索。截至2013年10月18日,已公开的涉及PM2.5脱除与监测技术的中国专利申请共计215件。从图1可知,从1995年到2000年,与PM2.5脱除与监测技术相关的中国专利申请年申请量一直为零;从2001年到2011年,虽然每年基本都有少量申请,但早年的申请多与燃烧设备烟气中的PM2.5脱除相关,直接与大气中PM2.5脱除与监测技术相关的申请并不多;从2011年开始,与大气中PM2.5脱除与监测技术相关的中国专利申请量开始飙升,到2012年达到一个顶峰,全年共127件,占了十余年来相关中国专利申请总量的60%。这说明我国申请人逐步认识到了PM2.5脱除与监测技术的重要作用,也与近几年来我国PM2.5污染日益严重的现实密切相关。  

  

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  图1 PM2.5脱除与监测技术中国专利申请量的时间分布

  

  2.申请人分布

  PM2.5脱除与监测技术相关中国专利申请的申请人共有86个,其中申请量排名前5位的申请人分别为:江苏瑞丰科技实业有限公司(21件)、广东风华环保设备有限公司(13件)、绍兴文理学院(10件)、东南大学(5件)、宁波市镇海华泰电器厂(4件)。从图2所示的申请人类型整体分布情况来看,PM2.5脱除与监测技术相关中国专利申请的申请人分布比较分散,但大部分集中于企业中,而大学和科研机构的申请量与个人的申请量相当,这说明我国目前PM2.5脱除与监测技术的产业化速度相对较快,但还有相当一部分技术尚停留在实验室里或个人手中,尚未运用到实际生产中。

  

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  图2 PM2.5脱除与监测技术中国专利申请的申请人类型分布

  

  3.相关中国专利申请的技术领域分布

  从图3可知,与PM2.5脱除与监测技术相关的中国发明专利申请和实用新型专利申请的分类号主要集中于国际专利分类中的B部(作业;运输)、G部(物理)、F部(机械工程;照明;加热;武器;爆破)及A部(农业)。

  

  

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  图3 PM2.5脱除与监测技术中国专利申请的技术领域分布

  

  笔者进一步对PM2.5脱除与监测技术中国专利申请的大组分类号进行分析,申请量排名前10位的大组分类号见表1所示。

  

  表1 PM2.5脱除与监测技术中国专利申请量排名前10位的大组分类号

 序号

  分类号大类

申请量(件)

申请量占比

1

B01D 53/00:气体或蒸气的分离;从气体中回收挥发性溶剂的蒸气;废气例如发动机废气、烟气、烟雾、烟道气或气溶胶的化学或生物净化

36

9.00%

2

F24F 13/00:空气调节、空气增湿、通风或空气流作为屏蔽的通用部件

27

6.75%

3

B01D 47/00:用液体作为分离剂从气体、空气或蒸气中分离弥散的粒子

25

6.25%

4

G01N 1/00:取样;制备测试用的样品

23

5.75%

5

B01D 46/00:专门用于把弥散粒子从气体或蒸气中分离出来的经过改进的过滤器和过滤方法

23

5.75%

6

G01N 15/00:测试颗粒的特性;测试多孔材料的渗透性,空隙体积或者空隙表面积

23

5.75%

7

B01D 50/00:用于从气体或蒸气中分离粒子的组合器械

21

5.25%

8

F24F 1/00:房间空调装置

18

4.50%

9

F24F 11/00:控制系统或设备;安全系统或设备

14

3.50%

10

A61L 9/00:空气的消毒、灭菌或除臭

11

2.70%

  

  从以上分析可知,与PM2.5脱除与监测技术相关的中国专利申请主要涉及PM2.5颗粒的检测方法、使用液体或静电分离PM2.5颗粒、对PM2.5进行物理屏蔽,以及带有PM2.5清除功能的空调或空气脱除设备,还有少量申请与阻隔PM2.5的个人防护品及预防PM2.5在肺部沉积的药物组合物相关。

  4.相关中国专利申请的法律状态分布

  图4显示了涉及PM2.5脱除与监测技术的中国发明专利申请和实用新型专利申请的法律状态分布,其中,有效专利中实用新型专利所占比例达到90%以上,2010年之后提交的大部分发明专利申请仍处于在审状态。由此可知,目前与PM2.5脱除与监测技术相关的有效中国专利中,含金量较高的发明专利相对较少。

  

  图4 PM2.5脱除与监测技术中国专利申请的法律状态分布

  

  二、PM2.5脱除与监测技术的应用特点及典型中国专利申请

  

  1.主要PM2.5脱除技术的应用特点及典型中国专利申请

  目前,气态污染物的脱除方法主要有湿法、干法、半干法3种。国内传统的除尘方法是利用旋风、电除尘器等,尤其以电除尘为主,如静电除尘器对10μm以上粒子的去除率能够达到99.9%以上,但对PM2.5的捕集效果并不理想,因为,从原理上来说,静电除尘器主要是靠颗粒荷电被吸附而脱出,而1μm附近的超细颗粒物处在场荷电和扩散荷电混合区,其荷电能力很差,从而难以去除。因此,改善电除尘器对PM2.5的捕集率成为PM2.5脱除技术的重要改进方向。通过对检索到的与PM2.5脱除技术相关的中国专利申请进行统计分析发现,涉及复合式除尘或交流凝并除尘技术的相关中国专利申请占据了主导地位,具体的技术改进主要有以下几个方面。

  (1)静电旋风除尘器:传统除尘技术的改进

  静电增强旋风分离器的基本思想就是在旋风分离器空腔主轴上加入电晕极,下行流区未能被旋风分离的小颗粒将随气流进入上行区,上行区离电晕极较近,这将使其受到更强的电场力而径向运动到下行流区直至撞到壁面被捕获。例如,南京师范大学的专利申请CN2749577Y提供了一种高温静电旋风除尘器,其利用高温烟气本身的热量使发射头加热而发射出电子,由于发射电流密度高,对尘粒尤其是0.2μm以下的细小颗粒的捕捉效率大大提高。

  (2)电袋复合式除尘器:传统除尘技术的组合

  静电和布袋除尘是现在电厂利用最多的两种除尘方式,为了高效脱除PM2.5,技术人员逐步开发出将二者结合起来的静电-布袋复合除尘器,其基本原理是在原有静电除尘器后面加一个脉冲式布袋除尘器,从而大大提高了除尘效率特别是PM2.5的脱除效率。例如,北京龙电宏泰环保科技有限公司的专利申请CN202219126U提供了一种一体化脱除工业排放超细和微量污染物的电袋复合净化装置,其中的布袋除尘装置继续对烟气中未团聚或吸附的超细颗粒、汞等重金属以及二噁英等起到吸附作用,均匀覆盖在滤袋表面的吸附剂对烟气中的超细和微量污染物进行最终吸附和过滤,从而获得高效净化效果。

  (3)湿法静电沉降技术:两相除尘技术的协同

  东南大学、山东大学等开展了一系列将湿法与静电同时用于PM2.5脱除的研究。例如,东南大学的专利申请CN100594051C提供了一种应用蒸汽相变协同脱除高温高湿烟气中PM2.5和气态污染物的方法及装置,其结合高温高湿烟气的特点,应用蒸汽相变原理促使PM2.5凝结长大,不仅可协同脱除PM2.5和气态污染物,还可回收水蒸气冷凝放出的汽化潜热及烟气降温显热。

  (4)双极静电凝聚技术:电凝并技术的改进

  双极静电凝聚技术是近年来提出的一种利用不同极性放电导致粉尘颗粒荷不同电荷,进而在湍流输运和静电力共同作用下凝聚变大的技术,应用该技术不仅可提高除尘器的除尘效率、降低本体积及制造成本,还能减少微小颗粒尤其是PM2.5的排放,从而降低微小颗粒的危害。例如,专利申请CN201329311Y提供了一种双极高压静电凝聚器,其能有效捕集工业烟尘或粉状粒径小于10μm的细微颗粒,减少各类工业尾气、烟气中细微尘粒的含量,PM2.5颗粒减少达到80%以上,改善了传统袋式和电袋复合式除尘器对PM2.5微细颗粒的收集效果。

  2.主要PM2.5监测技术的应用特点及典型中国专利申请

  对PM2.5质量浓度的测量可通过手工重量法和自动监测仪进行。由于颗粒物细粒子PM2.5的组成与机理的特殊性,对其实现自动监测的难度远远大于对传统的PM10。在我国环境监测领域应用的PM10自动监测仪器主要采用β射线法和振荡天平法,PM2.5自动监测仪亦主要采用β射线法和振荡天平法,还有一部分采用的是重量法、光散射法和压电晶体法,典型中国专利申请的分布情况如表2所示。

  

  表2 PM2.5监测技术典型中国专利申请

   

监测原理

典型中国专利申请的申请号

β射线法

201210333482201210363933201220430839201310141512201310155515

振荡天平法

200710020401200820150997201220420105

光散射法

201020662562201210275567201310131880

重量法

201210089570201310118537

压电晶体法

200610052460

 
  

  

  (1)β射线法

  β射线法的原理在于利用β射线衰减量测试采样期间增加的颗粒物质量。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管,经过滤膜后排出,颗粒物沉淀在采样滤膜上。当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时,β射线能量衰减,其衰减的程度与PM2.5的重量成正比。因此,根据射线的衰减程度,即可计算出PM2.5的重量。

  (2)振荡天平法

  振荡天平法是近年来发展起来的颗粒物浓度测量方法,测量原理是基于专利技术的锥形元件振荡微量天平原理,是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管,在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜,振荡频率取决于锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜时,其中的颗粒物沉积在滤膜上,滤膜质量变化导致振荡频率变化,根据振荡频率的变化,即可推算出截留的PM2.5的重量。

  振荡天平法是比较经典的测量颗粒物浓度的一种方法,具有较灵敏的测量特性,通过这种方法可以直接测量颗粒物的浓度,与颗粒物粒径、颜色等无关,但是受温度、湿度、振动、噪声等影响比较大。

  (3)光散射法

  光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质量浓度。光通过颗粒物质时,对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒,光散射是光能衰减的主要形式。其原理是颗粒物质量浓度与光度计接收到的散射光通量成线性关系。

  光散射测尘仪属浮游测定法,使用其可以实时在线监测空气中颗粒物的浓度,根据颗粒物性质预先设K值,可以现场直接显示质量浓度,且其体积小、重量轻、操作简便、噪声低、稳定性好,可直接测定结果,适于在公共场所及生产现场等场合和大气质量监测中使用。

  (4)重量法

  重量法是通过具有一定切割特性的采样器,以恒速抽取定量体积空气,使环境空气中的PM2.5被截留在已知质量的滤膜上,根据采样前后滤膜的重量差和采样体积,计算出PM2.5的浓度。

  该方法是将0.3μm以上的颗粒截留效率大于99%作为过滤的标准,未能截流的细小颗粒物对PM2.5的测定结果几乎无影响,因而是一种最直接、最可靠的方法。其缺点是需要人工操作,过程比较烦琐,需要消耗大量的时间和人力。

  (5)压电晶体法

  压电晶体法采用石英谐振器为测量敏感元件,其工作原理是使空气以恒定流量通过切割器,进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器,在高压电晕放电的作用下,气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面,因电极上增加了颗粒物的质量,其振荡频率发生变化,根据频率变化可测定PM2.5的质量浓度。

  使用压电晶体法仪器可以实现实时在线检测。石英谐振器对其表面质量的变化十分敏感,使用一段时间后需要进行清洁。

  

   三、总结

   

  2011年以来,随着我国对PM2.5监控力度的加大,与PM2.5脱除与监测技术相关的中国专利申请量出现了较快增长。在PM2.5脱除技术方面,相关中国专利申请主要集中在对电除尘技术的工艺改进上,通过静电与其他方式结合的混合除尘技术已经趋于成熟,同时,新型的电凝并技术在捕集工业尾气、烟气中PM2.5细微尘粒中的应用也初现端倪,这也将是PM2.5脱除技术未来的研究方向之一。在PM2.5监测技术方面,相关中国专利申请主要集中在将β射线法、振荡天平法、光散射法等常规检测技术用于开发自动检测设备上,由于我国在PM2.5细粒子监测方面的研究起步较晚,核心技术大多掌握在国外申请人手中,尤其是高精密度的检测仪器,其中的核心部件国内目前还无法自主生产,只能依靠进口,因此,在关注局部创新的基础上,进一步开发出真正由我国独创的核心技术,是目前国内相关研究的重点。

  从2011年部分试点监测城市的监测结果来看,目前我国多数城市空气中的细颗粒物PM2.5年均值为58μg/m3,按新的环境空气质量标准(即PM2.5年均值的二级标准为35μg/m3)进行评价,多数城市细颗粒物超标。可见,我国防治PM2.5的任务是极为严峻和紧迫的,除了借鉴国外防治PM2.5的经验外,国内相关技术的研发以及自主知识产权的取得是确保我国PM2.5防治计划能够顺利推进的关键因素。希望本文能够为我国该领域的技术进步提供参考。

  

  (作者:国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心医药生物部 陈莹 张丽颖 郝建欣;第二作者所作贡献与第一作者等同)

  

  参考文献:

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