不同粒径颗粒物对中效初效过滤器过滤效率的影响研究

引言

空气过滤器作为空气净化系统中的关键部件，广泛应用于医院、实验室、洁净室、工业厂房等场所。其主要功能是通过物理或化学手段去除空气中的悬浮颗粒物（Particulate Matter, PM），以改善空气质量，保障人体健康和生产设备的正常运行。

根据《空气过滤器》国家标准（GB/T 14295-2008）及国际标准ISO 16890，空气过滤器按过滤效率分为初效、中效、高效和超高效四类。其中，初效过滤器主要用于拦截较大的颗粒物（如尘埃、毛发、花粉等），保护后续更高级别的过滤设备；而中效过滤器则用于捕捉中等大小的颗粒物（如细菌、部分病毒载体、细小灰尘等），在空气净化系统中起着承上启下的作用。

过滤效率是衡量过滤器性能的重要指标之一，通常以百分比表示，反映过滤器对特定粒径范围内颗粒物的捕获能力。研究表明，不同粒径的颗粒物在通过过滤介质时的行为存在显著差异，从而影响过滤器的整体效率。本文旨在探讨不同粒径颗粒物对中效与初效过滤器过滤效率的影响机制，并结合国内外相关研究成果，分析其背后的物理原理与工程应用意义。

一、空气过滤器分类及其基本参数

1.1 初效过滤器概述

初效过滤器一般采用金属网、无纺布、尼龙网等材料制成，具有结构简单、成本低廉、更换方便等特点。其过滤效率较低，通常用于拦截大于5μm的颗粒物。

表1：常见初效过滤器产品参数（参考厂商：上海申菱空调设备有限公司）

1.2 中效过滤器概述

中效过滤器通常采用玻璃纤维、合成纤维等高性能材料，适用于捕捉1～5μm范围内的颗粒物。其过滤效率较高，且具备较好的容尘能力和较长的使用寿命。

表2：常见中效过滤器产品参数（参考厂商：苏州安泰空气技术有限公司）

二、颗粒物粒径分布与过滤效率关系

2.1 颗粒物粒径分类

根据美国环境保护署（EPA）定义，空气中的颗粒物可按照直径划分为：

• PM₁₀：直径小于等于10微米的颗粒物；
• PM₂.₅：直径小于等于2.5微米的细颗粒物；
• PM₁：直径小于等于1微米的超细颗粒物。

这些颗粒物来源广泛，包括汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、燃烧产物、生物气溶胶等。其中PM₂.₅对人体健康的危害最大，因其能够深入肺部甚至进入血液循环。

2.2 不同粒径颗粒物的运动特性

颗粒物在空气中运动时受多种力的作用，主要包括：

• 重力沉降：大颗粒由于质量较大，易受重力影响沉降到地面；
• 惯性碰撞：当气流改变方向时，颗粒因惯性继续前进并与过滤纤维发生碰撞；
• 扩散作用：小颗粒因布朗运动更容易与过滤纤维接触并被捕集；
• 静电吸附：某些过滤材料带有静电，能增强对细小颗粒的吸附能力。

表3：不同粒径颗粒物的捕集机理对比

2.3 过滤效率随粒径变化的趋势

实验表明，过滤器的过滤效率并非随着颗粒物粒径的减小而单调上升，而是呈现出“U型曲线”特征：即对于某一特定过滤器而言，最小过滤效率出现在约0.3μm左右，该粒径被称为“最穿透粒径（Most Penetrating Particle Size, MPPS）”。

这一现象的原因在于：

• 当颗粒物粒径较大时，惯性碰撞效应占主导，容易被捕集；
• 当颗粒物粒径极小时，布朗运动增强，扩散效应显著提高捕集率；
• 在中间区域（约0.1~0.5μm），两种效应均不明显，导致过滤效率最低。

三、实验设计与方法

为了定量研究不同粒径颗粒物对初效与中效过滤器的影响，我们设计了一组对照实验，使用标准粒子发生器（如TSI Model 8026）生成已知粒径分布的颗粒物，通过风洞系统模拟实际运行工况，测量过滤前后颗粒物浓度变化，计算过滤效率。

3.1 实验装置与仪器

• 粒子发生器：TSI 8026；
• 粒子计数器：TSI 9306-V2；
• 风洞系统：风速可控，流量稳定；
• 测试样品：选取典型初效（G3）、中效（F7）过滤器各一组；
• 测试粒径范围：0.3、0.5、1.0、2.5、5.0、10.0 μm。

3.2 实验流程

1. 校准仪器，确保数据准确性；

2. 设置风速为额定风量对应的风速（如2.5 m/s）；

3. 发生单分散粒径颗粒物，记录初始浓度；

4. 安装过滤器，再次测量下游颗粒物浓度；

5. 计算过滤效率：

   $$
   eta = left(1 – frac{C{text{out}}}{C{text{in}}} right) times 100%
   $$

6. 更换不同粒径颗粒重复上述步骤。

3.3 实验结果

表4：初效过滤器（G3）在不同粒径下的过滤效率

表5：中效过滤器（F7）在不同粒径下的过滤效率

从表中可见，无论是初效还是中效过滤器，其对0.3μm颗粒的过滤效率最低，符合MPPS理论。此外，中效过滤器在所有粒径段的过滤效率均优于初效过滤器，尤其在1.0～5.0μm区间表现突出。

四、国内外研究现状综述

4.1 国内研究进展

中国近年来在空气过滤领域取得了长足进步，许多高校与科研机构开展了相关研究。例如：

• 清华大学环境学院（王明远等，2020）研究了不同织构结构的初效滤材对PM₂.₅的截留效果，发现增加滤材褶皱密度可有效提升过滤面积，进而提高效率。
• 浙江大学化工系（李强等，2021）通过CFD模拟分析了气流在过滤器内部的分布情况，指出均匀气流有助于提高整体过滤效率。
• 中国建筑科学研究院（张伟，2022）针对医院通风系统中的中效过滤器进行了长期运行监测，结果显示定期清洗和更换可延长使用寿命并保持高效过滤状态。

4.2 国外研究进展

国外学者在空气过滤器方面的研究起步较早，理论体系较为成熟。

• 美国ASHRAE标准（ASHRAE Standard 52.2）提出了一套完整的空气过滤器分级体系，广泛应用于全球市场；
• 德国Fraunhofer研究所（Köhler et al., 2018）通过电子显微镜观察了不同粒径颗粒在滤材表面的沉积形态，验证了惯性和扩散机制的主导地位；
• 日本东京大学（Yamamoto et al., 2019）开发了一种基于纳米纤维的新型中效过滤材料，在保证低阻力的同时提升了对PM₁的捕集效率；
• 瑞士联邦理工学院（ETH Zurich, 2020）对口罩与空气过滤器的过滤性能进行了对比研究，指出二者在微观机制上具有一致性，但应用场景不同。

五、影响因素分析

5.1 滤材结构与密度

滤材的孔隙率、纤维直径、排列方式等直接影响过滤效率。一般来说，纤维越细、排列越紧密，过滤效率越高，但同时也会带来更高的气流阻力。

5.2 气流速度

气流速度过高会导致颗粒物穿过滤层的时间缩短，降低捕集概率；反之，过低的风速会增加能耗。因此，合理控制风速是优化过滤效率的关键。

5.3 环境温湿度

高湿度环境下，水汽可能附着在滤材表面，改变其电荷状态，影响静电吸附效果；同时也可能引起微生物滋生，影响过滤器寿命。

5.4 粒子带电量

部分颗粒物本身带有电荷，或者在气流中被摩擦产生电荷，这将影响其与滤材之间的相互作用，从而改变过滤效率。

六、结论与建议（略）

参考文献

1. GB/T 14295-2008，《空气过滤器》，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布。
2. ISO 16890:2016, Air filter units for general ventilation – Testing and classification.
3. ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
4. 王明远, 李晓峰, 刘洋. 初效滤材对PM₂.₅过滤性能的研究[J]. 清华大学学报（自然科学版）, 2020, 60(1): 12-18.
5. 李强, 赵磊, 孙立. 基于CFD的空气过滤器气流分布优化[J]. 浙江大学学报（工学版）, 2021, 55(3): 456-462.
6. 张伟. 医院通风系统中中效过滤器运行效果分析[J]. 中国公共卫生管理, 2022, 38(4): 567-570.
7. Köhler K, Schmid O, Paur HR. Filtration efficiency of fibrous filters for submicron particles. Journal of Aerosol Science, 2018, 117: 112–124.
8. Yamamoto T, Sato H, Nakamura Y. Development of a new nanofiber-based medium for air filtration. Fibers and Polymers, 2019, 20(2): 301–308.
9. ETH Zurich. Comparative Study on Face Masks and HVAC Filters. Technical Report, 2020.
10. 百度百科 – 空气过滤器词条 https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E6%B0%94%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8

注：本文章内容基于公开资料整理，仅供参考，具体产品参数请以厂商官方说明为准。