基于多级滤材的高效过滤器在洁净室环境中的实践研究
一、引言
随着现代工业技术的迅猛发展，尤其是在半导体制造、生物医药、精密仪器、航空航天等高技术领域，对生产环境的洁净度要求日益提高。洁净室作为保障产品质量和生产安全的核心空间，其空气质量控制至关重要。其中，空气过滤系统是维持洁净室环境稳定性的关键组成部分。高效过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）作为洁净室空气处理系统中的核心设备，承担着去除空气中微粒污染物的重要任务。
近年来，基于多级滤材结构的高效过滤器因其优异的过滤性能、较长的使用寿命及良好的压降特性，在洁净室工程中得到广泛应用。与传统单一滤材过滤器相比，多级滤材过滤器通过复合不同材质与层级结构，实现对不同粒径颗粒物的分级捕集，显著提升了整体过滤效率与系统稳定性。
本文旨在系统探讨多级滤材高效过滤器在洁净室环境中的应用实践，分析其结构原理、关键技术参数、实际运行效果，并结合国内外研究成果，评估其在不同洁净等级环境下的适用性与优化策略。
二、多级滤材高效过滤器的技术原理
2.1 过滤机制概述
高效过滤器主要依靠以下四种物理机制实现颗粒物的捕集：
- 惯性碰撞（Inertial Impaction）：较大颗粒因气流方向改变而撞击滤材纤维。
- 拦截效应（Interception）：中等颗粒随气流运动时与纤维表面接触并被捕获。
- 扩散效应（Diffusion）：微小颗粒（<0.1μm）因布朗运动与纤维碰撞。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：带电颗粒受滤材静电场吸引而沉积。
多级滤材结构通过分层设计，使每一层针对特定粒径范围的颗粒发挥主导作用，从而实现“逐级净化”。
2.2 多级滤材结构设计
典型的多级滤材高效过滤器通常由前预过滤层、主过滤层和后防护层构成，各层材料与功能如下表所示：
| 层级 | 材料类型 | 主要功能 | 过滤粒径范围（μm） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 预过滤层 | 聚酯无纺布、玻璃纤维毡 | 捕集大颗粒粉尘（>5μm），延长主滤芯寿命 | >5 | 工业洁净室、HVAC系统 |
| 主过滤层 | 超细玻璃纤维（HEPA级） | 高效去除0.3μm以上颗粒，过滤效率≥99.97% | 0.3–10 | ISO Class 5及以上洁净室 |
| 活性炭层（可选） | 椰壳活性炭、改性碳纤维 | 吸附VOCs、异味气体 | 气态分子 | 生物制药、实验室 |
| 后置防护层 | 熔喷聚丙烯（PP）膜 | 防止滤材脱落，保护下游设备 | — | 医疗器械装配 |
该结构设计符合ASHRAE Standard 52.2（美国采暖、制冷与空调工程师学会标准）对多级过滤系统的要求，同时满足中国国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》的相关规定。
三、产品关键参数与性能指标
为全面评估多级滤材高效过滤器的性能，需关注以下核心参数：
| 参数名称 | 定义 | 测试标准 | 典型值范围 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 过滤效率（Efficiency） | 对特定粒径颗粒的去除率 | IEST-RP-CC001.5 / EN 1822 | ≥99.97% @ 0.3μm | HEPA H13级标准 |
| 初始阻力（Initial Resistance） | 新滤器在额定风量下的压降 | GB/T 13554-2020 | 180–250 Pa | 影响能耗与风机选型 |
| 额定风量（Rated Airflow） | 设计最大处理风量 | ISO 16890 | 500–2000 m³/h | 依型号而异 |
| 容尘量（Dust Holding Capacity） | 滤材可容纳的总粉尘质量 | JIS Z 8122 | 500–1200 g/m² | 决定更换周期 |
| 泄漏率（Leakage Rate） | 局部穿透率最大值 | MIL-STD-282 / EN 1822 | ≤0.01% | 密封性关键指标 |
| 使用寿命（Service Life） | 在标准工况下的运行时间 | 实际监测数据 | 12–36个月 | 受环境影响显著 |
注：上述参数以某国产H13级多级滤材高效过滤器（型号：HF-HEPA-MC8）为例，制造商：苏州安泰空气技术有限公司
根据EN 1822:2019《High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)》标准，HEPA过滤器按效率分为H10–H14等级，其中H13级要求对MPPS（最易穿透粒径，约0.12–0.18μm）的过滤效率不低于99.95%，H14级则需达到99.995%以上。多级滤材结构有助于提升对MPPS颗粒的捕集能力，尤其在主过滤层采用纳米级玻璃纤维与驻极体技术时，扩散效应显著增强。
四、多级滤材高效过滤器在洁净室中的应用实践
4.1 半导体制造洁净室案例
在某上海集成电路制造厂的ISO Class 4（原百级）洁净室中，采用多级滤材高效过滤器组合系统，具体配置如下：
| 过滤阶段 | 滤材类型 | 效率等级 | 风量（m³/h） | 更换周期 |
|---|---|---|---|---|
| 初效过滤 | G4级无纺布 | ≥90% @ 5μm | 15,000 | 3个月 |
| 中效过滤 | F8级合成纤维 | ≥85% @ 1μm | 15,000 | 6个月 |
| 高效过滤 | H13级多级滤材 | ≥99.97% @ 0.3μm | 15,000 | 24个月 |
运行数据显示，在连续运行24个月内，洁净室内悬浮粒子浓度（≥0.5μm）始终控制在每立方米≤10个，远优于ISO 14644-1 Class 4标准限值（每立方米≤352个）。同时，系统压降增长缓慢，年均增幅低于15 Pa，表明多级结构有效延缓了滤材堵塞。
该案例参考了清华大学王如竹教授团队（2021）在《暖通空调》期刊发表的研究成果，指出多级预处理可降低HEPA滤芯负荷达40%以上，显著提升系统经济性[1]。
4.2 生物制药洁净室应用
在广东某GMP认证生物制药企业A级洁净区（相当于ISO Class 5），采用集成活性炭层的多级高效过滤器，用于控制微生物与挥发性有机物（VOCs）。设备参数如下：
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 过滤器型号 | CAMF-H13-AC |
| 结构组成 | 预滤层（PET）+ HEPA层（玻纤）+ 活性炭层（椰壳碳） |
| 活性炭填充量 | 1.2 kg/m² |
| VOC去除率（甲苯） | ≥85% @ 1 ppm |
| 微生物截留率 | ≥99.9%（MS2噬菌体测试） |
据《中国药学杂志》报道，该系统在为期一年的监测中，洁净室沉降菌数平均为0.5 CFU/皿（培养基暴露4小时），远低于GMP A级区≤1 CFU/皿的要求[2]。此外，TVOC浓度从初始的0.3 mg/m³降至0.05 mg/m³以下，显著改善了操作人员的工作环境。
此结果与美国ASHRAE Journal（2020）中Johnson等人关于“复合过滤系统在生命科学设施中的应用”研究结论一致，强调了多级滤材在气溶胶与气态污染物协同控制中的优势[3]。
五、国内外研究进展与技术对比
5.1 国内研究现状
中国在高效过滤器领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速。中国建筑科学研究院（CABR）牵头编制了GB/T 13554-2020新版标准，首次引入扫描法检测局部效率，提高了对过滤器均匀性的要求。浙江大学能源工程学院张信荣教授团队开发了基于驻极体改性聚丙烯纤维的新型滤材，使H13级过滤器在0.1μm粒径下的效率提升至99.99%[4]。
此外，中科院过程工程研究所研发的纳米TiO₂光催化复合滤材，可在过滤同时分解甲醛等有害气体，已在部分医院洁净手术室试点应用。
5.2 国外先进技术
欧美国家在高效过滤技术方面长期处于领先地位。德国曼胡默尔（MANN+HUMMEL）公司推出的“ePA”系列多级滤材过滤器，采用三维立体波纹结构，比表面积增加30%，阻力降低18%。其最新产品ePA 12 Pro在风量2000 m³/h下，初始压降仅为198 Pa，容尘量达1100 g/m²[5]。
美国3M公司开发的“Filterite™”系列采用静电增强玻璃纤维，即使在高湿度环境下（RH > 80%）仍能保持99.95%以上的过滤效率，解决了传统HEPA滤材在潮湿环境中性能衰减的问题[6]。
日本Toray Industries则专注于ULPA（超高效）过滤器研发，其ULPA U15级产品对0.12μm颗粒的过滤效率高达99.9995%，广泛应用于平板显示与光刻工艺环境[7]。
六、性能影响因素分析
6.1 气流速度
气流速度直接影响过滤效率与压降。研究表明，当面风速从0.5 m/s增至1.0 m/s时，H13级过滤器的阻力近似呈平方关系上升，而对0.3μm颗粒的过滤效率略有下降（约1.2个百分点）[8]。因此，洁净室设计中应合理匹配送风量与过滤器面积，推荐面风速控制在0.45–0.6 m/s之间。
6.2 环境温湿度
高湿度环境可能导致玻璃纤维滤材吸湿结块，降低透气性。实验数据显示，在相对湿度超过85%时，普通HEPA滤器的阻力在运行100小时后增加约40%。采用疏水性涂层或PTFE覆膜可有效缓解此问题[9]。
6.3 颗粒物浓度与成分
空气中颗粒物的浓度与化学成分也会影响滤材寿命。例如，含油雾或腐蚀性气体的工业环境会加速滤材老化。此时需在前端增设油雾分离器或化学过滤段。
七、典型产品参数对比表
下表选取国内外五款主流多级滤材高效过滤器进行性能对比：
| 型号 | 制造商 | 国家 | 效率等级 | 初始阻力（Pa） | 容尘量（g/m²） | 是否集成活性炭 | 适用标准 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HF-HEPA-MC8 | 苏州安泰 | 中国 | H13 | 220 | 950 | 否 | GB/T 13554-2020 |
| ePA 12 Pro | MANN+HUMMEL | 德国 | H13 | 198 | 1100 | 可选 | DIN 24183 |
| Filterite™ 2500 | 3M | 美国 | H13 | 210 | 880 | 否 | ASHRAE 52.2 |
| ULPA-U15 | Toray | 日本 | U15 | 260 | 750 | 否 | JIS Z 8122 |
| CAMF-H13-AC | 净化之光 | 中国 | H13+AC | 240 | 800 | 是 | YY 0569-2011 |
数据来源：各厂商官网技术手册（2023年更新）
从上表可见，德国与美国产品在阻力控制与容尘量方面表现更优，而国产产品在性价比和本地化服务方面具备优势。集成活性炭的产品虽初阻较高，但在特殊应用场景中不可或缺。
八、安装与维护建议
为确保多级滤材高效过滤器的长期稳定运行，需遵循以下规范：
- 安装前检查：确认框架密封条完好，避免漏风；使用气溶胶光度计进行现场扫描检漏。
- 定期更换：依据压差计读数或运行时间更换，一般当终阻力达到初阻力2倍时应更换。
- 环境监控：配合粒子计数器、温湿度传感器实时监测洁净室状态。
- 废弃处理：HEPA滤芯可能吸附有害颗粒，应按医疗或工业废弃物规范处置。
中国电子工程设计院编写的《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013明确要求，高效过滤器应设置在净化空调系统的末端，并采用液槽密封或刀口密封结构，确保严密性[10]。
参考文献
[1] 王如竹, 李强. 多级空气过滤系统在半导体洁净室中的节能优化[J]. 暖通空调, 2021, 51(3): 45-50.
[2] 陈晓红, 黄伟. 复合型高效过滤器在GMP洁净室中的应用研究[J]. 中国药学杂志, 2022, 57(8): 672-676.
[3] Johnson, D., et al. "Performance Evaluation of Multi-stage Filtration in Pharmaceutical Cleanrooms." ASHRAE Journal, 2020, 62(4): 33–41.
[4] Zhang, X., et al. "Development of Electret-modified PP Fiber for High-efficiency Air Filtration." Journal of Materials Science, 2023, 58(12): 5123–5135.
[5] MANN+HUMMEL. Technical Data Sheet: ePA 12 Pro Filter Module. Ludwigsburg: MANN+HUMMEL GmbH, 2023.
[6] 3M Company. Filterite™ HEPA Filters: Product Specifications. St. Paul, MN: 3M, 2022.
[7] Toray Industries, Inc. ULPA Filter Performance Report. Tokyo: Toray, 2023.
[8] Lee, K. W., et al. "Effect of Air Velocity on the Performance of HEPA Filters." Aerosol Science and Technology, 1985, 4(3): 307–314.
[9] Kim, J. H., et al. "Hydrophobic Coating for Glass Fiber Filters in High Humidity Conditions." Separation and Purification Technology, 2021, 267: 118621.
[10] 中国电子工程设计院. 《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.
[11] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[12] European Committee for Standardization. EN 1822:2019: High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2019.
[13] 国家市场监督管理总局. 《高效空气过滤器》GB/T 13554-2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
（全文约3,800字）
