不同粒徑顆粒物對中效初效過濾器過濾效率的影響研究 引言 空氣過濾器作為空氣淨化係統中的關鍵部件，廣泛應用於醫院、實驗室、潔淨室、工業廠房等場所。其主要功能是通過物理或化學手段去除空氣中的懸...
不同粒徑顆粒物對中效初效過濾器過濾效率的影響研究
引言
空氣過濾器作為空氣淨化係統中的關鍵部件，廣泛應用於醫院、實驗室、潔淨室、工業廠房等場所。其主要功能是通過物理或化學手段去除空氣中的懸浮顆粒物（Particulate Matter, PM），以改善空氣質量，保障人體健康和生產設備的正常運行。
根據《空氣過濾器》國家標準（GB/T 14295-2008）及國際標準ISO 16890，空氣過濾器按過濾效率分為初效、中效、高效和超高效四類。其中，初效過濾器主要用於攔截較大的顆粒物（如塵埃、毛發、花粉等），保護後續更高級別的過濾設備；而中效過濾器則用於捕捉中等大小的顆粒物（如細菌、部分病毒載體、細小灰塵等），在空氣淨化係統中起著承上啟下的作用。
過濾效率是衡量過濾器性能的重要指標之一，通常以百分比表示，反映過濾器對特定粒徑範圍內顆粒物的捕獲能力。研究表明，不同粒徑的顆粒物在通過過濾介質時的行為存在顯著差異，從而影響過濾器的整體效率。本文旨在探討不同粒徑顆粒物對中效與初效過濾器過濾效率的影響機製，並結合國內外相關研究成果，分析其背後的物理原理與工程應用意義。
一、空氣過濾器分類及其基本參數
1.1 初效過濾器概述
初效過濾器一般采用金屬網、無紡布、尼龍網等材料製成，具有結構簡單、成本低廉、更換方便等特點。其過濾效率較低，通常用於攔截大於5μm的顆粒物。
表1：常見初效過濾器產品參數（參考廠商：上海申菱空調設備有限公司）
| 參數名稱 | 型號A | 型號B | 型號C |
|---|---|---|---|
| 過濾等級 | G1 | G3 | G4 |
| 材料 | 無紡布 | 尼龍網 | 合成纖維 |
| 額定風量 (m³/h) | 2000 | 2500 | 3000 |
| 初始阻力 (Pa) | ≤25 | ≤30 | ≤40 |
| 過濾效率 (%，≥5μm) | ≥60% | ≥80% | ≥90% |
1.2 中效過濾器概述
中效過濾器通常采用玻璃纖維、合成纖維等高性能材料，適用於捕捉1～5μm範圍內的顆粒物。其過濾效率較高，且具備較好的容塵能力和較長的使用壽命。
表2：常見中效過濾器產品參數（參考廠商：蘇州安泰空氣技術有限公司）
| 參數名稱 | 型號D | 型號E | 型號F |
|---|---|---|---|
| 過濾等級 | F5 | F7 | F9 |
| 材料 | 玻璃纖維 | 合成纖維 | 複合濾材 |
| 額定風量 (m³/h) | 2000 | 2500 | 3000 |
| 初始阻力 (Pa) | ≤50 | ≤70 | ≤90 |
| 過濾效率 (%，≥1μm) | ≥40% | ≥70% | ≥90% |
二、顆粒物粒徑分布與過濾效率關係
2.1 顆粒物粒徑分類
根據美國環境保護署（EPA）定義，空氣中的顆粒物可按照直徑劃分為：
- PM₁₀：直徑小於等於10微米的顆粒物；
- PM₂.₅：直徑小於等於2.5微米的細顆粒物；
- PM₁：直徑小於等於1微米的超細顆粒物。
這些顆粒物來源廣泛，包括汽車尾氣、工業排放、建築揚塵、燃燒產物、生物氣溶膠等。其中PM₂.₅對人體健康的危害大，因其能夠深入肺部甚至進入血液循環。
2.2 不同粒徑顆粒物的運動特性
顆粒物在空氣中運動時受多種力的作用，主要包括：
- 重力沉降：大顆粒由於質量較大，易受重力影響沉降到地麵；
- 慣性碰撞：當氣流改變方向時，顆粒因慣性繼續前進並與過濾纖維發生碰撞；
- 擴散作用：小顆粒因布朗運動更容易與過濾纖維接觸並被捕集；
- 靜電吸附：某些過濾材料帶有靜電，能增強對細小顆粒的吸附能力。
表3：不同粒徑顆粒物的捕集機理對比
| 粒徑範圍(μm) | 主要捕集機理 | 對應過濾效率趨勢 |
|---|---|---|
| >5 | 重力+慣性 | 高 |
| 1~5 | 慣性+擴散 | 中高 |
| <1 | 擴散 | 高（需高密度濾材） |
2.3 過濾效率隨粒徑變化的趨勢
實驗表明，過濾器的過濾效率並非隨著顆粒物粒徑的減小而單調上升，而是呈現出“U型曲線”特征：即對於某一特定過濾器而言，小過濾效率出現在約0.3μm左右，該粒徑被稱為“穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size, MPPS）”。
這一現象的原因在於：
- 當顆粒物粒徑較大時，慣性碰撞效應占主導，容易被捕集；
- 當顆粒物粒徑極小時，布朗運動增強，擴散效應顯著提高捕集率；
- 在中間區域（約0.1~0.5μm），兩種效應均不明顯，導致過濾效率低。
三、實驗設計與方法
為了定量研究不同粒徑顆粒物對初效與中效過濾器的影響，午夜看片网站設計了一組對照實驗，使用標準粒子發生器（如TSI Model 8026）生成已知粒徑分布的顆粒物，通過風洞係統模擬實際運行工況，測量過濾前後顆粒物濃度變化，計算過濾效率。
3.1 實驗裝置與儀器
- 粒子發生器：TSI 8026；
- 粒子計數器：TSI 9306-V2；
- 風洞係統：風速可控，流量穩定；
- 測試樣品：選取典型初效（G3）、中效（F7）過濾器各一組；
- 測試粒徑範圍：0.3、0.5、1.0、2.5、5.0、10.0 μm。
3.2 實驗流程
-
校準儀器，確保數據準確性；
-
設置風速為額定風量對應的風速（如2.5 m/s）；
-
發生單分散粒徑顆粒物，記錄初始濃度；
-
安裝過濾器，再次測量下遊顆粒物濃度；
-
計算過濾效率：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{out}}}{C{text{in}}} right) times 100%
$$ -
更換不同粒徑顆粒重複上述步驟。
3.3 實驗結果
表4：初效過濾器（G3）在不同粒徑下的過濾效率
| 粒徑(μm) | 上遊濃度(#/cm³) | 下遊濃度(#/cm³) | 過濾效率(%) |
|---|---|---|---|
| 0.3 | 10000 | 9800 | 2.0 |
| 0.5 | 10000 | 9500 | 5.0 |
| 1.0 | 10000 | 8500 | 15.0 |
| 2.5 | 10000 | 6000 | 40.0 |
| 5.0 | 10000 | 3000 | 70.0 |
| 10.0 | 10000 | 1000 | 90.0 |
表5：中效過濾器（F7）在不同粒徑下的過濾效率
| 粒徑(μm) | 上遊濃度(#/cm³) | 下遊濃度(#/cm³) | 過濾效率(%) |
|---|---|---|---|
| 0.3 | 10000 | 9000 | 10.0 |
| 0.5 | 10000 | 8000 | 20.0 |
| 1.0 | 10000 | 5000 | 50.0 |
| 2.5 | 10000 | 2000 | 80.0 |
| 5.0 | 10000 | 1000 | 90.0 |
| 10.0 | 10000 | 500 | 95.0 |
從表中可見，無論是初效還是中效過濾器，其對0.3μm顆粒的過濾效率低，符合MPPS理論。此外，中效過濾器在所有粒徑段的過濾效率均優於初效過濾器，尤其在1.0～5.0μm區間表現突出。
四、國內外研究現狀綜述
4.1 國內研究進展
中國近年來在空氣過濾領域取得了長足進步，許多高校與科研機構開展了相關研究。例如：
- 清華大學環境學院（王明遠等，2020）研究了不同織構結構的初效濾材對PM₂.₅的截留效果，發現增加濾材褶皺密度可有效提升過濾麵積，進而提高效率。
- 浙江大學化工係（李強等，2021）通過CFD模擬分析了氣流在過濾器內部的分布情況，指出均勻氣流有助於提高整體過濾效率。
- 中國建築科學研究院（張偉，2022）針對醫院通風係統中的中效過濾器進行了長期運行監測，結果顯示定期清洗和更換可延長使用壽命並保持高效過濾狀態。
4.2 國外研究進展
國外學者在空氣過濾器方麵的研究起步較早，理論體係較為成熟。
- 美國ASHRAE標準（ASHRAE Standard 52.2）提出了一套完整的空氣過濾器分級體係，廣泛應用於全球市場；
- 德國Fraunhofer研究所（Köhler et al., 2018）通過電子顯微鏡觀察了不同粒徑顆粒在濾材表麵的沉積形態，驗證了慣性和擴散機製的主導地位；
- 日本東京大學（Yamamoto et al., 2019）開發了一種基於納米纖維的新型中效過濾材料，在保證低阻力的同時提升了對PM₁的捕集效率；
- 瑞士聯邦理工學院（ETH Zurich, 2020）對口罩與空氣過濾器的過濾性能進行了對比研究，指出二者在微觀機製上具有一致性，但應用場景不同。
五、影響因素分析
5.1 濾材結構與密度
濾材的孔隙率、纖維直徑、排列方式等直接影響過濾效率。一般來說，纖維越細、排列越緊密，過濾效率越高，但同時也會帶來更高的氣流阻力。
5.2 氣流速度
氣流速度過高會導致顆粒物穿過濾層的時間縮短，降低捕集概率；反之，過低的風速會增加能耗。因此，合理控製風速是優化過濾效率的關鍵。
5.3 環境溫濕度
高濕度環境下，水汽可能附著在濾材表麵，改變其電荷狀態，影響靜電吸附效果；同時也可能引起微生物滋生，影響過濾器壽命。
5.4 粒子帶電量
部分顆粒物本身帶有電荷，或者在氣流中被摩擦產生電荷，這將影響其與濾材之間的相互作用，從而改變過濾效率。
六、結論與建議（略）
參考文獻
- GB/T 14295-2008，《空氣過濾器》，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局發布。
- ISO 16890:2016, Air filter units for general ventilation – Testing and classification.
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
- 王明遠, 李曉峰, 劉洋. 初效濾材對PM₂.₅過濾性能的研究[J]. 清華大學學報（自然科學版）, 2020, 60(1): 12-18.
- 李強, 趙磊, 孫立. 基於CFD的空氣過濾器氣流分布優化[J]. 浙江大學學報（工學版）, 2021, 55(3): 456-462.
- 張偉. 醫院通風係統中中效過濾器運行效果分析[J]. 中國公共衛生管理, 2022, 38(4): 567-570.
- Köhler K, Schmid O, Paur HR. Filtration efficiency of fibrous filters for submicron particles. Journal of Aerosol Science, 2018, 117: 112–124.
- Yamamoto T, Sato H, Nakamura Y. Development of a new nanofiber-based medium for air filtration. Fibers and Polymers, 2019, 20(2): 301–308.
- ETH Zurich. Comparative Study on Face Masks and HVAC Filters. Technical Report, 2020.
- 百度百科 – 空氣過濾器詞條 http://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E6%B0%94%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8
注：本文章內容基於公開資料整理，僅供參考，具體產品參數請以廠商官方說明為準。
