粗效空气过滤器对抗病毒微粒的过滤机理
过滤机理概述
粗效空气过滤器是空气净化系统中的第一道防线，主要作用是去除空气中的大颗粒污染物，如灰尘、花粉、毛发和部分微生物。虽然其过滤效率相对较低，无法完全拦截纳米级的病毒颗粒（通常在20–300 nm之间），但在实际应用中，它们仍然能够通过多种物理机制对病毒微粒起到一定的过滤作用。粗效空气过滤器的主要过滤机理包括惯性碰撞、拦截效应、扩散效应以及静电吸附等。这些机制共同作用，使空气中的悬浮颗粒物被有效捕获并滞留在滤材内部或表面，从而降低空气中病毒微粒的浓度。
惯性碰撞（Inertial Impaction）
惯性碰撞是指空气流速较高时，较大的颗粒由于惯性作用偏离气流方向，撞击到滤材纤维上并被截留的现象。对于病毒微粒而言，尽管单个病毒颗粒较小，但它们通常附着在较大的气溶胶颗粒（如飞沫核）上，这些复合颗粒的直径可能达到1 µm甚至更大。因此，在较高的空气流速下，这些携带病毒的较大颗粒更容易因惯性碰撞而被捕获。研究表明，空气流速越高，惯性碰撞的贡献越大，因此在通风量较大的环境中，粗效空气过滤器的惯性碰撞作用更为显著 [1]。
截留效应（Interception）
截留效应是指当空气流经滤材纤维时，某些颗粒由于运动轨迹接近纤维表面而被直接捕获的现象。这一过程通常发生在颗粒尺寸与滤材纤维间隙相近的情况下。对于病毒微粒而言，如果它们附着在较大的颗粒上，或者自身形成聚集体，则更容易受到截留效应的影响。实验数据显示，当颗粒直径大于0.5 µm时，截留效应的贡献较为明显 [2]。
扩散效应（Diffusion）
扩散效应主要影响亚微米级及以下的小颗粒，特别是纳米级别的病毒微粒。由于布朗运动的作用，这些微小颗粒在空气中随机运动，增加了它们与滤材纤维接触的机会，从而被吸附或沉积在滤材表面。虽然粗效空气过滤器的孔径较大，扩散效应在其整体过滤性能中占比较低，但对于携带病毒的超细颗粒仍有一定的去除作用。研究表明，在空气流速较低的情况下，扩散效应对小于0lµm的颗粒具有更高的捕获效率 [3]。
静电吸附（Electrostatic Attraction）
许多粗效空气过滤器采用带有静电荷的滤材，以增强对微小颗粒的捕获能力。静电吸附机制能够有效捕捉带电粒子，即使它们的尺寸较小，也能够在静电场的作用下被吸附到滤材表面。病毒微粒本身可能带有一定电荷，尤其是在湿度较低的环境下，静电吸附的作用更加明显。研究发现，静电增强型粗效空气过滤器在处理纳米级病毒微粒方面比普通机械式过滤材料具有更高的效率 [4]。
多种机制协同作用
在实际应用中，粗效空气过滤器的过滤过程通常是上述几种机制共同作用的结果。例如，在较高的空气流速下，惯性碰撞和截留效应占据主导地位；而在较低流速下，扩散效应和静电吸附的作用更加显著。此外，空气湿度、温度、颗粒物形态等因素也会对过滤效率产生影响。为了提高粗效空气过滤器对病毒微粒的去除率，可以优化滤材结构、调整空气流速，并结合静电增强技术，使其在特定条件下发挥最佳过滤效果 [5]。
参考文献：
[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] 吴吉祥. (2015). 空气净化器原理与应用. 北京: 科学出版社.
粗效空气过滤器的性能参数及其对病毒微粒过滤的影响
粗效空气过滤器的过滤性能主要取决于多个关键参数，包括过滤效率、压降、容尘量和使用寿命。这些参数不仅决定了过滤器的整体性能，还直接影响其对病毒微粒的去除能力。合理选择和优化这些参数有助于提升空气过滤系统的净化效果，尤其在应对病毒传播风险较高的环境中尤为重要。
过滤效率
过滤效率是衡量空气过滤器去除空气中颗粒物能力的核心指标，通常以百分比表示，代表单位体积空气中被过滤掉的颗粒比例。粗效空气过滤器的过滤效率一般适用于5 µm以上的颗粒，但在特定条件下，也能对携带病毒的较大气溶胶颗粒（如飞沫核）提供一定的去除作用。根据ASHRAE标准52.2，粗效空气过滤器的过滤效率可按不同粒径范围进行分级，见表1。
| 过滤等级 | 过滤效率（针对3–10 µm颗粒） | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| G1 | ≥30% | 工业车间、通风系统预过滤 |
| G2 | ≥35% | 商用建筑、中央空调系统 |
| G3 | ≥50% | 医疗设施、洁净室预过滤 |
| G4 | ≥80% | 高污染环境、医院手术室预处理 |
表1 不同G等级粗效空气过滤器的过滤效率及适用场景
对于病毒微粒而言，虽然单个病毒的尺寸远小于5 µm，但其通常依附于较大的飞沫核（约1–10 µm）或与其他颗粒物结合形成复合颗粒。因此，G3及以上等级的粗效空气过滤器可以在一定程度上降低空气中携带病毒的颗粒浓度。研究表明，G4级粗效空气过滤器对1 µm以上颗粒的过滤效率可达80%以上，能有效减少空气中病毒载体的浓度 [1]。
压降
压降（Pressure Drop）是指空气流经过滤器时所受到的阻力，通常以帕斯卡（Pa）为单位。压降越低，空气流通性越好，能耗越低。然而，过高的压降会导致风机负荷增加，影响整个通风系统的运行效率。粗效空气过滤器的初始压降一般在20–80 Pa之间，具体数值取决于滤材厚度、密度和空气流速。表2列出了不同材质的粗效空气过滤器在不同风速下的典型压降值。
| 滤材类型 | 空气流速（m/s） | 初始压降（Pa） | 特点 |
|---|---|---|---|
| 聚酯纤维 | 1.5 | 30 | 成本低，更换周期短 |
| 玻璃纤维 | 1.5 | 50 | 过滤效率较高，耐高温 |
| 静电增强型 | 1.5 | 40 | 对纳米级颗粒有较好吸附性 |
| 金属网 | 2.0 | 20 | 可清洗重复使用，适合高湿环境 |
表2 不同材质粗效空气过滤器的压降特性
在实际应用中，应根据通风系统的风机功率和空气流量需求选择合适的过滤器，以确保在保证过滤效率的同时尽可能降低能耗。例如，在医院、实验室等需要持续高效通风的场所，通常会选择压降较低的金属网或静电增强型粗效空气过滤器，以减少风机负担并维持稳定的空气流通 [2]。
容尘量
容尘量（Dust Holding Capacity, DHC）是指过滤器在达到额定终压降前能够容纳的颗粒物总量，通常以克（g）为单位。容尘量越高，过滤器的使用寿命越长，维护频率越低。粗效空气过滤器的容尘量一般在200–800 g/m²之间，具体数值受滤材结构、空气污染程度和运行条件的影响。表3展示了不同类型的粗效空气过滤器在不同空气污染环境下的容尘量表现。
| 滤材类型 | 清洁空气环境（g/m²） | 中度污染环境（g/m²） | 重度污染环境（g/m²） |
|---|---|---|---|
| 聚酯纤维 | 600 | 400 | 200 |
| 玻璃纤维 | 700 | 500 | 300 |
| 静电增强型 | 500 | 350 | 200 |
| 金属网 | 300 | 200 | 100 |
表3 不同滤材粗效空气过滤器在不同污染环境下的容尘量
在医院、公共交通等人员密集且空气污染较严重的环境中，选择容尘量较高的玻璃纤维或聚酯纤维粗效空气过滤器可以延长更换周期，降低运维成本。同时，定期监测压降变化，及时更换饱和过滤器，有助于维持系统的稳定运行 [3]。
使用寿命
使用寿命是指过滤器在正常使用条件下能够保持良好过滤性能的时间，通常以周或月为单位。粗效空气过滤器的使用寿命受空气污染程度、压降变化、容尘量等因素影响。一般来说，在空气质量较好的环境中，粗效空气过滤器的使用寿命可达3–6个月，而在污染较重的工业环境中，使用寿命可能缩短至1–2个月。表4列出了不同类型粗效空气过滤器在不同环境下的平均使用寿命。
| 滤材类型 | 清洁环境（月） | 中度污染环境（月） | 重度污染环境（月） |
|---|---|---|---|
| 聚酯纤维 | 6 | 4 | 2 |
| 玻璃纤维 | 8 | 5 | 3 |
| 静电增强型 | 5 | 3 | 1.5 |
| 金属网 | 4（可清洗） | 2（可清洗） | 1（可清洗） |
表4 不同滤材粗效空气过滤器在不同环境下的使用寿命
在实际应用中，应结合空气质量和运行条件选择适当的过滤器，并制定合理的更换计划。例如，在医院或实验室等对空气质量要求较高的场所，建议每2–3个月更换一次粗效空气过滤器，以确保空气过滤系统的稳定性和安全性 [4]。
综上所述，粗效空气过滤器的过滤效率、压降、容尘量和使用寿命是决定其性能的关键参数。通过合理优化这些参数，可以在不影响通风系统正常运行的前提下，提高对病毒微粒的去除能力，从而降低病毒传播的风险。
参考文献：
[1] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[2] 吴吉祥. (2015). 空气净化器原理与应用. 北京: 科学出版社.
[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.
粗效空气过滤器在病毒防控中的应用
医院环境中的应用
医院作为疫情防控的重要场所，对空气质量的要求极高。粗效空气过滤器通常作为医院通风系统的第一道屏障，用于去除空气中的大颗粒污染物，如灰尘、毛发、皮屑等，从而减轻后续高效过滤器（如HEPA过滤器）的负担。在疫情期间，粗效空气过滤器的应用尤为关键，因为它可以初步拦截携带病毒的较大气溶胶颗粒，如飞沫核（通常直径为1–10 µm），从而降低病房、手术室和候诊区等区域的病毒传播风险。研究表明，在医院通风系统中安装G4级粗效空气过滤器，可将空气中1 µm以上颗粒的浓度降低80%以上，有效减少病毒传播的可能性 [1]。
此外，粗效空气过滤器还可应用于医院负压隔离病房的空气循环系统，以防止病毒微粒在不同区域之间扩散。这类病房通常配备多级空气过滤系统，其中粗效空气过滤器负责预处理空气，去除较大颗粒，以确保后续HEPA过滤器的长期稳定运行。实验数据显示，在负压病房中使用玻璃纤维材质的粗效空气过滤器，其容尘量可达700 g/m²，可维持3–5个月的有效运行时间，大幅降低维护频率 [2]。
公共交通中的应用
公共交通系统（如地铁、公交车和机场航站楼）由于人员密集、空气流通性较差，容易成为病毒传播的高风险区域。粗效空气过滤器广泛应用于公共交通工具的空调系统中，以改善车厢和候车大厅的空气质量。在疫情高峰期，许多城市轨道交通系统升级了空气过滤设备，采用G3或G4级粗效空气过滤器，以提高对携带病毒颗粒的拦截能力。
以北京地铁为例，其列车空调系统普遍采用静电增强型粗效空气过滤器，该类过滤器不仅能有效拦截5 µm以上的颗粒物，还能通过静电吸附作用提高对0.3–1 µm颗粒的去除率。实验数据显示，在空气流速为1.5 m/s的条件下，静电增强型粗效空气过滤器的初始压降约为40 Pa，过滤效率可达75%以上，特别适用于人流量大的公共空间 [3]。
此外，在机场航站楼等大型公共场所，粗效空气过滤器通常与中效过滤器（F7–F9）和高效过滤器（H13–H14）配合使用，以构建多级空气过滤体系。这种组合方式既能有效去除大颗粒污染物，又能进一步拦截纳米级病毒微粒，提高整体空气净化效果。例如，上海浦东国际机场在新冠疫情期间加强了通风系统的改造，采用G4级粗效空气过滤器作为预过滤层，使空气中的PM10和PM2.5浓度分别降低了60%和45%，显著改善了室内空气质量 [4]。
教育机构中的应用
学校、大学等教育机构是人群高度聚集的场所，空气流通状况直接影响学生的健康。近年来，随着疫情防控措施的加强，越来越多的学校开始在教室、图书馆和食堂等区域安装空气过滤系统，其中粗效空气过滤器作为基础过滤层，承担着去除空气中的粉尘、细菌和部分病毒微粒的任务。
在中小学环境中，由于儿童免疫系统尚未完全发育，空气中的病毒传播风险较高。因此，许多学校采用金属网材质的粗效空气过滤器，因其可清洗、耐用性强，适合高湿度环境，且维护成本较低。实验数据显示，在空气流速为2.0 m/s的条件下，金属网粗效空气过滤器的初始压降仅为20 Pa，过滤效率可达60%以上，适用于长时间运行的校园空气调节系统 [5]。
此外，一些高校实验室和科研机构也在通风系统中使用粗效空气过滤器，以防止实验过程中产生的生物气溶胶扩散。例如，清华大学生命科学学院的实验室通风系统配备了玻璃纤维材质的粗效空气过滤器，该类过滤器具有较高的容尘量（约700 g/m²），可在中度污染环境下连续运行5个月以上，减少了频繁更换带来的维护压力 [6]。
综上所述，粗效空气过滤器在医院、公共交通和教育机构等场所的应用，为降低病毒传播风险提供了有效的技术支持。通过合理选择过滤材料和优化空气流动设计，可以进一步提升其对病毒微粒的去除效率，为公众健康提供更有力的保障。
参考文献：
[1] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[2] 吴吉祥. (2015). 空气净化器原理与应用. 北京: 科学出版社.
[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.
