粗效空氣過濾器對抗病毒微粒的過濾機理 過濾機理概述 粗效空氣過濾器是空氣淨化係統中的第一道防線，主要作用是去除空氣中的大顆粒汙染物，如灰塵、花粉、毛發和部分微生物。雖然其過濾效率相對較低，...
粗效空氣過濾器對抗病毒微粒的過濾機理
過濾機理概述
粗效空氣過濾器是空氣淨化係統中的第一道防線，主要作用是去除空氣中的大顆粒汙染物，如灰塵、花粉、毛發和部分微生物。雖然其過濾效率相對較低，無法完全攔截納米級的病毒顆粒（通常在20–300 nm之間），但在實際應用中，它們仍然能夠通過多種物理機製對病毒微粒起到一定的過濾作用。粗效空氣過濾器的主要過濾機理包括慣性碰撞、攔截效應、擴散效應以及靜電吸附等。這些機製共同作用，使空氣中的懸浮顆粒物被有效捕獲並滯留在濾材內部或表麵，從而降低空氣中病毒微粒的濃度。
慣性碰撞（Inertial Impaction）
慣性碰撞是指空氣流速較高時，較大的顆粒由於慣性作用偏離氣流方向，撞擊到濾材纖維上並被截留的現象。對於病毒微粒而言，盡管單個病毒顆粒較小，但它們通常附著在較大的氣溶膠顆粒（如飛沫核）上，這些複合顆粒的直徑可能達到1 µm甚至更大。因此，在較高的空氣流速下，這些攜帶病毒的較大顆粒更容易因慣性碰撞而被捕獲。研究表明，空氣流速越高，慣性碰撞的貢獻越大，因此在通風量較大的環境中，粗效空氣過濾器的慣性碰撞作用更為顯著 [1]。
截留效應（Interception）
截留效應是指當空氣流經濾材纖維時，某些顆粒由於運動軌跡接近纖維表麵而被直接捕獲的現象。這一過程通常發生在顆粒尺寸與濾材纖維間隙相近的情況下。對於病毒微粒而言，如果它們附著在較大的顆粒上，或者自身形成聚集體，則更容易受到截留效應的影響。實驗數據顯示，當顆粒直徑大於0.5 µm時，截留效應的貢獻較為明顯 [2]。
擴散效應（Diffusion）
擴散效應主要影響亞微米級及以下的小顆粒，特別是納米級別的病毒微粒。由於布朗運動的作用，這些微小顆粒在空氣中隨機運動，增加了它們與濾材纖維接觸的機會，從而被吸附或沉積在濾材表麵。雖然粗效空氣過濾器的孔徑較大，擴散效應在其整體過濾性能中占比較低，但對於攜帶病毒的超細顆粒仍有一定的去除作用。研究表明，在空氣流速較低的情況下，擴散效應對小於0lµm的顆粒具有更高的捕獲效率 [3]。
靜電吸附（Electrostatic Attraction）
許多粗效空氣過濾器采用帶有靜電荷的濾材，以增強對微小顆粒的捕獲能力。靜電吸附機製能夠有效捕捉帶電粒子，即使它們的尺寸較小，也能夠在靜電場的作用下被吸附到濾材表麵。病毒微粒本身可能帶有一定電荷，尤其是在濕度較低的環境下，靜電吸附的作用更加明顯。研究發現，靜電增強型粗效空氣過濾器在處理納米級病毒微粒方麵比普通機械式過濾材料具有更高的效率 [4]。
多種機製協同作用
在實際應用中，粗效空氣過濾器的過濾過程通常是上述幾種機製共同作用的結果。例如，在較高的空氣流速下，慣性碰撞和截留效應占據主導地位；而在較低流速下，擴散效應和靜電吸附的作用更加顯著。此外，空氣濕度、溫度、顆粒物形態等因素也會對過濾效率產生影響。為了提高粗效空氣過濾器對病毒微粒的去除率，可以優化濾材結構、調整空氣流速，並結合靜電增強技術，使其在特定條件下發揮佳過濾效果 [5]。
參考文獻：
[1] Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. John Wiley & Sons.
[2] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[3] Wang, S. C., & Otani, Y. (2001). Filtration efficiency of fibrous filters with charged particles. Journal of Aerosol Science, 32(1), 109–119.
[4] Zhao, B., & Wu, J. (2006). Experimental study on the filtration efficiency of fibrous filters with different particle sizes. Indoor and Built Environment, 15(2), 183–189.
[5] 吳吉祥. (2015). 空氣淨化器原理與應用. 北京: 科學出版社.
粗效空氣過濾器的性能參數及其對病毒微粒過濾的影響
粗效空氣過濾器的過濾性能主要取決於多個關鍵參數，包括過濾效率、壓降、容塵量和使用壽命。這些參數不僅決定了過濾器的整體性能，還直接影響其對病毒微粒的去除能力。合理選擇和優化這些參數有助於提升空氣過濾係統的淨化效果，尤其在應對病毒傳播風險較高的環境中尤為重要。
過濾效率
過濾效率是衡量空氣過濾器去除空氣中顆粒物能力的核心指標，通常以百分比表示，代表單位體積空氣中被過濾掉的顆粒比例。粗效空氣過濾器的過濾效率一般適用於5 µm以上的顆粒，但在特定條件下，也能對攜帶病毒的較大氣溶膠顆粒（如飛沫核）提供一定的去除作用。根據ASHRAE標準52.2，粗效空氣過濾器的過濾效率可按不同粒徑範圍進行分級，見表1。
| 過濾等級 | 過濾效率（針對3–10 µm顆粒） | 典型應用場景 |
|---|---|---|
| G1 | ≥30% | 工業車間、通風係統預過濾 |
| G2 | ≥35% | 商用建築、中央空調係統 |
| G3 | ≥50% | 醫療設施、潔淨室預過濾 |
| G4 | ≥80% | 高汙染環境、醫院手術室預處理 |
表1 不同G等級粗效空氣過濾器的過濾效率及適用場景
對於病毒微粒而言，雖然單個病毒的尺寸遠小於5 µm，但其通常依附於較大的飛沫核（約1–10 µm）或與其他顆粒物結合形成複合顆粒。因此，G3及以上等級的粗效空氣過濾器可以在一定程度上降低空氣中攜帶病毒的顆粒濃度。研究表明，G4級粗效空氣過濾器對1 µm以上顆粒的過濾效率可達80%以上，能有效減少空氣中病毒載體的濃度 [1]。
壓降
壓降（Pressure Drop）是指空氣流經過濾器時所受到的阻力，通常以帕斯卡（Pa）為單位。壓降越低，空氣流通性越好，能耗越低。然而，過高的壓降會導致風機負荷增加，影響整個通風係統的運行效率。粗效空氣過濾器的初始壓降一般在20–80 Pa之間，具體數值取決於濾材厚度、密度和空氣流速。表2列出了不同材質的粗效空氣過濾器在不同風速下的典型壓降值。
| 濾材類型 | 空氣流速（m/s） | 初始壓降（Pa） | 特點 |
|---|---|---|---|
| 聚酯纖維 | 1.5 | 30 | 成本低，更換周期短 |
| 玻璃纖維 | 1.5 | 50 | 過濾效率較高，耐高溫 |
| 靜電增強型 | 1.5 | 40 | 對納米級顆粒有較好吸附性 |
| 金屬網 | 2.0 | 20 | 可清洗重複使用，適合高濕環境 |
表2 不同材質粗效空氣過濾器的壓降特性
在實際應用中，應根據通風係統的風機功率和空氣流量需求選擇合適的過濾器，以確保在保證過濾效率的同時盡可能降低能耗。例如，在醫院、實驗室等需要持續高效通風的場所，通常會選擇壓降較低的金屬網或靜電增強型粗效空氣過濾器，以減少風機負擔並維持穩定的空氣流通 [2]。
容塵量
容塵量（Dust Holding Capacity, DHC）是指過濾器在達到額定終壓降前能夠容納的顆粒物總量，通常以克（g）為單位。容塵量越高，過濾器的使用壽命越長，維護頻率越低。粗效空氣過濾器的容塵量一般在200–800 g/m²之間，具體數值受濾材結構、空氣汙染程度和運行條件的影響。表3展示了不同類型的粗效空氣過濾器在不同空氣汙染環境下的容塵量表現。
| 濾材類型 | 清潔空氣環境（g/m²） | 中度汙染環境（g/m²） | 重度汙染環境（g/m²） |
|---|---|---|---|
| 聚酯纖維 | 600 | 400 | 200 |
| 玻璃纖維 | 700 | 500 | 300 |
| 靜電增強型 | 500 | 350 | 200 |
| 金屬網 | 300 | 200 | 100 |
表3 不同濾材粗效空氣過濾器在不同汙染環境下的容塵量
在醫院、公共交通等人員密集且空氣汙染較嚴重的環境中，選擇容塵量較高的玻璃纖維或聚酯纖維粗效空氣過濾器可以延長更換周期，降低運維成本。同時，定期監測壓降變化，及時更換飽和過濾器，有助於維持係統的穩定運行 [3]。
使用壽命
使用壽命是指過濾器在正常使用條件下能夠保持良好過濾性能的時間，通常以周或月為單位。粗效空氣過濾器的使用壽命受空氣汙染程度、壓降變化、容塵量等因素影響。一般來說，在空氣質量較好的環境中，粗效空氣過濾器的使用壽命可達3–6個月，而在汙染較重的工業環境中，使用壽命可能縮短至1–2個月。表4列出了不同類型粗效空氣過濾器在不同環境下的平均使用壽命。
| 濾材類型 | 清潔環境（月） | 中度汙染環境（月） | 重度汙染環境（月） |
|---|---|---|---|
| 聚酯纖維 | 6 | 4 | 2 |
| 玻璃纖維 | 8 | 5 | 3 |
| 靜電增強型 | 5 | 3 | 1.5 |
| 金屬網 | 4（可清洗） | 2（可清洗） | 1（可清洗） |
表4 不同濾材粗效空氣過濾器在不同環境下的使用壽命
在實際應用中，應結合空氣質量和運行條件選擇適當的過濾器，並製定合理的更換計劃。例如，在醫院或實驗室等對空氣質量要求較高的場所，建議每2–3個月更換一次粗效空氣過濾器，以確保空氣過濾係統的穩定性和安全性 [4]。
綜上所述，粗效空氣過濾器的過濾效率、壓降、容塵量和使用壽命是決定其性能的關鍵參數。通過合理優化這些參數，可以在不影響通風係統正常運行的前提下，提高對病毒微粒的去除能力，從而降低病毒傳播的風險。
參考文獻：
[1] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[2] 吳吉祥. (2015). 空氣淨化器原理與應用. 北京: 科學出版社.
[3] Zhao, B., & Wu, J. (2006). Experimental study on the filtration efficiency of fibrous filters with different particle sizes. Indoor and Built Environment, 15(2), 183–189.
[4] Wang, S. C., & Otani, Y. (2001). Filtration efficiency of fibrous filters with charged particles. Journal of Aerosol Science, 32(1), 109–119.
粗效空氣過濾器在病毒防控中的應用
醫院環境中的應用
醫院作為疫情防控的重要場所，對空氣質量的要求極高。粗效空氣過濾器通常作為醫院通風係統的第一道屏障，用於去除空氣中的大顆粒汙染物，如灰塵、毛發、皮屑等，從而減輕後續高效過濾器（如HEPA過濾器）的負擔。在疫情期間，粗效空氣過濾器的應用尤為關鍵，因為它可以初步攔截攜帶病毒的較大氣溶膠顆粒，如飛沫核（通常直徑為1–10 µm），從而降低病房、手術室和候診區等區域的病毒傳播風險。研究表明，在醫院通風係統中安裝G4級粗效空氣過濾器，可將空氣中1 µm以上顆粒的濃度降低80%以上，有效減少病毒傳播的可能性 [1]。
此外，粗效空氣過濾器還可應用於醫院負壓隔離病房的空氣循環係統，以防止病毒微粒在不同區域之間擴散。這類病房通常配備多級空氣過濾係統，其中粗效空氣過濾器負責預處理空氣，去除較大顆粒，以確保後續HEPA過濾器的長期穩定運行。實驗數據顯示，在負壓病房中使用玻璃纖維材質的粗效空氣過濾器，其容塵量可達700 g/m²，可維持3–5個月的有效運行時間，大幅降低維護頻率 [2]。
公共交通中的應用
公共交通係統（如地鐵、公交車和機場航站樓）由於人員密集、空氣流通性較差，容易成為病毒傳播的高風險區域。粗效空氣過濾器廣泛應用於公共交通工具的空調係統中，以改善車廂和候車大廳的空氣質量。在疫情高峰期，許多城市軌道交通係統升級了空氣過濾設備，采用G3或G4級粗效空氣過濾器，以提高對攜帶病毒顆粒的攔截能力。
以北京地鐵為例，其列車空調係統普遍采用靜電增強型粗效空氣過濾器，該類過濾器不僅能有效攔截5 µm以上的顆粒物，還能通過靜電吸附作用提高對0.3–1 µm顆粒的去除率。實驗數據顯示，在空氣流速為1.5 m/s的條件下，靜電增強型粗效空氣過濾器的初始壓降約為40 Pa，過濾效率可達75%以上，特別適用於人流量大的公共空間 [3]。
此外，在機場航站樓等大型公共場所，粗效空氣過濾器通常與中效過濾器（F7–F9）和高效過濾器（H13–H14）配合使用，以構建多級空氣過濾體係。這種組合方式既能有效去除大顆粒汙染物，又能進一步攔截納米級病毒微粒，提高整體空氣淨化效果。例如，上海浦東國際機場在新冠疫情期間加強了通風係統的改造，采用G4級粗效空氣過濾器作為預過濾層，使空氣中的PM10和PM2.5濃度分別降低了60%和45%，顯著改善了室內空氣質量 [4]。
教育機構中的應用
學校、大學等教育機構是人群高度聚集的場所，空氣流通狀況直接影響學生的健康。近年來，隨著疫情防控措施的加強，越來越多的學校開始在教室、圖書館和食堂等區域安裝空氣過濾係統，其中粗效空氣過濾器作為基礎過濾層，承擔著去除空氣中的粉塵、細菌和部分病毒微粒的任務。
在中小學環境中，由於兒童免疫係統尚未完全發育，空氣中的病毒傳播風險較高。因此，許多學校采用金屬網材質的粗效空氣過濾器，因其可清洗、耐用性強，適合高濕度環境，且維護成本較低。實驗數據顯示，在空氣流速為2.0 m/s的條件下，金屬網粗效空氣過濾器的初始壓降僅為20 Pa，過濾效率可達60%以上，適用於長時間運行的校園空氣調節係統 [5]。
此外，一些高校實驗室和科研機構也在通風係統中使用粗效空氣過濾器，以防止實驗過程中產生的生物氣溶膠擴散。例如，清華大學生命科學學院的實驗室通風係統配備了玻璃纖維材質的粗效空氣過濾器，該類過濾器具有較高的容塵量（約700 g/m²），可在中度汙染環境下連續運行5個月以上，減少了頻繁更換帶來的維護壓力 [6]。
綜上所述，粗效空氣過濾器在醫院、公共交通和教育機構等場所的應用，為降低病毒傳播風險提供了有效的技術支持。通過合理選擇過濾材料和優化空氣流動設計，可以進一步提升其對病毒微粒的去除效率，為公眾健康提供更有力的保障。
參考文獻：
[1] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[2] 吳吉祥. (2015). 空氣淨化器原理與應用. 北京: 科學出版社.
[3] Zhao, B., & Wu, J. (2006). Experimental study on the filtration efficiency of fibrous filters with different particle sizes. Indoor and Built Environment, 15(2), 183–189.
[4] Wang, S. C., & Otani, Y. (2001). Filtration efficiency of fibrous filters with charged particles. Journal of Aerosol Science, 32(1), 109–119.
[5] Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. John Wiley & Sons.
[6] Zhang, Y., et al. (2020). Air filtration strategies in educational institutions during the COVID-19 pandemic. Building and Environment, 176, 106850.
