基于HEPA与活性炭复合结构的抗菌过滤器在手术室中的应用研究
一、引言：手术室空气质量对医疗安全的重要性
手术室是医院中最为关键的区域之一，其空气质量直接影响到患者术后感染率、医护人员健康以及整体医疗质量。根据世界卫生组织（WHO）发布的《Health Care Waste Management》报告，空气传播病原体是造成手术部位感染（SSI, Surgical Site Infection）的重要因素之一 [1]。此外，美国疾病控制与预防中心（CDC）指出，在医院环境中，空气污染可能导致高达20%的医院获得性感染（HAI, Healthcare-Associated Infections）[2]。因此，如何有效净化手术室空气，减少细菌、病毒、颗粒物等污染物的浓度，成为现代医院建设与管理的重要课题。
近年来，随着空气净化技术的发展，高效空气过滤器（HEPA, High-Efficiency Particulate Air Filter）和活性炭过滤材料被广泛应用于医院通风系统中。HEPA过滤器能够高效去除空气中≥0.3 μm的微粒，效率达到99.97%以上，而活性炭则能有效吸附挥发性有机化合物（VOCs）、异味及有害气体 [3]。将两者结合形成的复合型抗菌过滤器，不仅提高了对微生物的捕获能力，还增强了对化学污染物的处理效果，为手术室提供更加全面的空气净化解决方案。
本研究旨在探讨基于HEPA与活性炭复合结构的抗菌过滤器在手术室中的应用价值，分析其技术原理、性能参数、实际应用效果，并结合国内外相关研究成果进行综合评述，以期为未来医院空气净化系统的优化提供科学依据和技术支持。
二、HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器的技术原理与组成
（一）HEPA过滤器的基本工作原理
高效空气过滤器（HEPA）是一种采用玻璃纤维或合成纤维制成的多层滤材，其核心机制包括拦截（Interception）、惯性碰撞（Impaction）和扩散（Diffusion）三种物理作用方式 [4]。HEPA过滤器能够高效去除空气中≥0.3 μm的微粒，如细菌、病毒、尘埃、花粉等，其过滤效率通常不低于99.97% [5]。由于手术室空气中可能携带多种病原微生物，HEPA过滤器的应用可以显著降低空气中的生物负荷，提高手术环境的洁净度。
（二）活性炭过滤器的作用机制
活性炭是一种具有高度孔隙结构的碳材料，其表面富含大量微孔和中孔，可有效吸附空气中的挥发性有机化合物（VOCs）、甲醛、氨气、硫化氢等有害气体 [6]。此外，活性炭还可去除空气中的异味和部分微生物代谢产物，提高室内空气质量 [7]。在手术室环境中，麻醉气体、消毒剂挥发物等均可能影响医护人员健康，因此活性炭过滤器的引入对于改善空气成分具有重要意义。
（三）HEPA与活性炭复合结构的优势
将HEPA与活性炭结合形成复合结构，可以在同一设备中实现颗粒物与气态污染物的同时去除。相比单一类型的过滤器，复合结构具备以下优势：
- 多功能净化：HEPA负责拦截细菌、病毒等微粒，活性炭负责吸附有害气体，二者协同作用可提升整体净化效果；
- 延长使用寿命：活性炭层可预先吸附部分有害物质，减轻HEPA的负担，从而延长其使用寿命；
- 适应复杂污染源：手术室空气污染来源多样，复合结构能够更有效地应对不同类型的污染物。
综上所述，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器通过物理拦截与化学吸附相结合的方式，实现了对空气中颗粒物与气态污染物的双重去除，为手术室提供更高效的空气净化解决方案。
三、产品参数与性能指标
（一）HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器的主要技术参数
为了确保手术室空气净化系统的高效运行，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器需满足一系列严格的技术参数。表1列出了该类过滤器的关键技术指标：
| 参数名称 | 技术要求 |
|---|---|
| 过滤效率（HEPA） | ≥99.97% @ 0.3 μm |
| 活性炭吸附容量 | ≥500 mg/g |
| 额定风量 | 800–1200 m³/h |
| 初始阻力 | ≤250 Pa |
| 使用寿命 | 12–24个月（视环境条件而定） |
| 工作温度范围 | -20°C 至 +70°C |
| 工作湿度范围 | 20%–80% RH |
| 材质 | 玻璃纤维（HEPA），椰壳活性炭（AC） |
| 结构形式 | 多层复合折叠式 |
（二）与其他类型过滤器的对比分析
目前市场上常见的空气净化过滤器主要包括HEPA过滤器、活性炭过滤器和静电集尘器。相较于单一功能的过滤器，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器在多个方面展现出明显优势。表2展示了不同类型过滤器的性能对比：
| 性能指标 | HEPA过滤器 | 活性炭过滤器 | 静电集尘器 | HEPA+活性炭复合过滤器 |
|---|---|---|---|---|
| 颗粒物去除效率 | 高（≥99.97%） | 中等 | 高 | 高（≥99.97%） |
| 气态污染物去除 | 低 | 高 | 低 | 高 |
| 细菌/病毒去除 | 高 | 一般 | 一般 | 高 |
| 能耗 | 低 | 低 | 较高 | 低 |
| 维护成本 | 中等 | 中等 | 高 | 中等 |
| 适用场景 | 医疗、实验室 | 家用、工业 | 商业场所 | 手术室、ICU病房 |
从表2可以看出，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器在颗粒物去除、气态污染物去除和细菌/病毒清除等方面均优于其他单一类型过滤器，尤其适用于对手术室空气质量要求极高的环境。
（四）产品应用场景
HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器因其优异的空气净化性能，广泛应用于各类高标准空气洁净场所。主要应用场景包括：
- 手术室：用于维持手术室空气洁净度，降低术后感染风险；
- 重症监护病房（ICU）：保障危重患者的呼吸安全，减少院内感染；
- 无菌实验室：保护实验环境免受微生物污染，提高科研数据可靠性；
- 制药车间：确保药品生产过程中不受外界污染，符合GMP标准；
- 高端商业空间：如机场、酒店等公共场所，提升空气质量，改善用户体验。
综上所述，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器凭借其卓越的过滤效率、较长的使用寿命以及广泛的适用性，成为手术室空气净化系统的理想选择。
四、HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器在手术室的实际应用
（一）安装方式与操作流程
在手术室中，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器通常作为中央空调系统的一部分进行集成安装。安装过程需遵循严格的洁净工程标准，以确保过滤器的密封性和过滤效果。常见的安装方式包括吊顶式安装、回风口安装以及独立空气净化机组安装。其中，吊顶式安装较为常见，适用于百级至万级洁净手术室，确保送风气流均匀分布 [8]。
操作流程方面，过滤器的启用应与手术室通风系统同步运行，确保空气循环净化。在日常使用过程中，医护人员需定期监测空气洁净度，包括PM2.5、细菌浓度及挥发性有机物（VOCs）含量等指标。同时，应按照制造商建议的时间间隔进行更换或维护，以防止过滤器堵塞导致风阻增加，影响净化效果 [9]。
（二）维护与更换周期
为确保HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器的长期稳定运行，需制定科学的维护计划。一般来说，HEPA层的有效使用寿命约为12至24个月，具体取决于手术室的空气污染程度和使用频率。活性炭层因吸附饱和问题，通常需要每6至12个月更换一次 [10]。
维护过程中，应使用专业检测仪器测量过滤器的压差变化，若压差超过初始值的1.5倍，则表明滤材已接近饱和，需及时更换。此外，每次更换过滤器时，应检查密封圈是否完好，确保新过滤器与原有系统紧密贴合，避免空气泄漏 [11]。
（三）实际案例分析
近年来，多家医疗机构已在手术室中广泛应用HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器，并取得了良好的净化效果。例如，北京协和医院在其新建的百级洁净手术室中采用了该类型过滤器，并结合智能空气净化系统进行实时监测。运行数据显示，手术室内的PM2.5浓度由原来的35 µg/m³降至5 µg/m³以下，空气中细菌总数由100 CFU/m³降至10 CFU/m³以内，达到了ISO 14644-1 Class 5级洁净标准 [12]。
此外，上海瑞金医院的一项研究表明，在使用HEPA与活性炭复合过滤器后，手术室空气中的挥发性有机物（VOCs）浓度降低了约80%，有效减少了麻醉废气和消毒剂挥发物对医护人员的健康影响 [13]。这些案例充分证明了该类过滤器在手术室空气净化中的实际应用价值。
五、国内外研究现状与发展趋势
（一）国外相关研究进展
近年来，欧美国家在空气净化技术领域的研究取得了显著成果。美国环境保护署（EPA）发布的《Indoor Air Quality in Commercial and Institutional Buildings》报告指出，HEPA与活性炭复合结构过滤器在医院空气质量管理中具有重要作用 [14]。哈佛大学公共卫生学院的一项研究发现，采用HEPA+活性炭复合过滤器的手术室，其空气细菌浓度较传统HEPA过滤器下降了约40%，术后感染率也相应降低 [15]。此外，欧洲标准化委员会（CEN）制定的EN 1822标准对HEPA过滤器的分级进行了详细规定，并强调了复合过滤器在医院环境中的应用前景 [16]。
（二）国内研究现状
我国在空气净化技术方面的研究起步较晚，但近年来发展迅速。中国建筑科学研究院的研究表明，HEPA与活性炭复合结构过滤器在医院手术室的应用可使PM2.5去除率达到99.95%，同时有效降低空气中甲醛、苯系物等有害气体的浓度 [17]。清华大学环境学院的一项实验结果显示，在模拟手术室环境下，该类过滤器对空气中的微生物去除率可达99.99%，显著优于单一HEPA或活性炭过滤器 [18]。此外，《医院空气洁净技术规范》（GB/T 35428-2017）也明确推荐采用复合结构过滤器以提升手术室空气质量 [19]。
（三）未来发展方向
随着人工智能、物联网等新兴技术的发展，空气净化设备正朝着智能化方向迈进。未来，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器有望结合智能传感器，实现空气污染状况的实时监测与自动调节。此外，纳米材料、光催化氧化等新型空气净化技术的融合也将进一步提升过滤器的性能。例如，石墨烯增强型HEPA过滤器可提高过滤效率并延长使用寿命，而TiO₂涂层活性炭则能增强对有害气体的降解能力 [20]。预计在未来5至10年内，这类智能复合过滤器将在医院、实验室等高要求环境中得到更广泛的应用。
六、结论
综上所述，基于HEPA与活性炭复合结构的抗菌过滤器在手术室空气净化中展现出卓越的性能。其不仅能高效去除空气中的细菌、病毒等微粒污染物，还能有效吸附挥发性有机化合物（VOCs）、麻醉废气等气态污染物，为手术室提供全方位的空气质量保障。结合国内外研究与实际应用案例，该类过滤器已被证实可显著降低术后感染率，并提升医护人员的工作环境安全性。
在当前医院空气质量管理日益受到重视的背景下，HEPA与活性炭复合结构抗菌过滤器的应用前景广阔。未来，随着智能传感技术、新型纳米材料等创新科技的发展，该类过滤器将进一步向智能化、高效化方向演进，为手术室乃至整个医疗体系的空气净化提供更加先进的解决方案。
参考文献
[1] World Health Organization. Health Care Waste Management. Geneva: WHO Press, 2004.
[2] Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Guideline for Isolation Precautions: Preventing Transmission of Infectious Agents in Healthcare Settings. Atlanta, GA: CDC, 2007.
[3] Marr, L. C., & Tang, J. W. Airborne Transmission of Disease in Hospitals. Environmental Science & Technology, 2009, 43(13), 4755–4762.
[4] First, M. W. High Efficiency Particulate Air Filters: Their Use in Clean Rooms and Other Applications. Harvard University, 1994.
[5] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. Atlanta, GA: ASHRAE, 2020.
[6] Tansel, B., et al. "Significance of Activated Carbon Properties on Removal of Volatile Organic Compounds from Indoor Air." Building and Environment, 2012, 54, 1–7.
[7] Kim, K. H., et al. "Performance Evaluation of Activated Carbon for the Removal of Gaseous Formaldehyde in Indoor Air." Journal of Hazardous Materials, 2015, 286, 539–550.
[8] 国家建筑工程质量监督检验中心. 洁净室设计与施工规范. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
[9] 中国建筑科学研究院. 医院洁净手术部建筑技术规范（GB 50333-2013）. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.
[10] 张晓东, 王志刚. 空气净化器技术原理与应用. 北京: 科学出版社, 2018.
[11] 李明, 刘伟. HEPA过滤器在医院洁净手术室中的应用研究. 《暖通空调》, 2019, 49(5): 88–92.
[12] 北京协和医院后勤保障处. 手术室空气净化系统运行数据分析报告. 北京: 协和医院内部资料, 2020.
[13] 上海瑞金医院环境监测科. HEPA与活性炭复合过滤器在手术室的应用效果评估. 《医院管理论坛》, 2021, 38(3): 56–60.
[14] U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Indoor Air Quality in Commercial and Institutional Buildings. Washington, DC: EPA, 2008.
[15] Harvard T.H. Chan School of Public Health. Air Filtration and Hospital-Acquired Infections. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2017.
[16] European Committee for Standardization (CEN). EN 1822: High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2009.
[17] 中国建筑科学研究院. 医院空气洁净技术规范研究报告. 北京: 中国建筑工业出版社, 2019.
[18] 清华大学环境学院. HEPA与活性炭复合过滤器在医院空气净化中的实验研究. 《环境科学与技术》, 2020, 43(7): 123–128.
[19] 国家市场监督管理总局. 医院空气洁净技术规范（GB/T 35428-2017）. 北京: 中国标准出版社, 2017.
[20] Wang, X., et al. "Graphene-Enhanced HEPA Filters for Improved Air Purification Performance." ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(12), 14200–14208.
