超低穿透粒径（MPPS）条件下高效颗粒空气过滤器的性能评估

概述

高效颗粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA过滤器）是现代空气净化系统中的关键组件，广泛应用于洁净室、医院、生物安全实验室、核电站、航空航天以及民用空气净化设备中。其核心功能是捕集空气中直径小于10微米（μm）的悬浮颗粒物，特别是对亚微米级颗粒具有极高的去除效率。

在评估HEPA过滤器性能时，一个关键指标是最易穿透粒径（Most Penetrating Particle Size，MPPS）。MPPS是指在特定测试条件下，过滤材料对颗粒的过滤效率最低时所对应的粒径，通常位于0.1–0.3 μm范围内。由于该粒径范围内的颗粒既不易通过惯性碰撞或重力沉降被捕集，也不易因扩散效应被有效拦截，因此成为衡量HEPA过滤器真实性能的“极限挑战”。

本文将围绕超低穿透粒径（MPPS）条件下高效颗粒空气过滤器的性能评估展开深入探讨，涵盖其工作原理、测试标准、关键性能参数、国内外研究进展，并结合权威文献与实际产品数据进行系统分析。

一、HEPA过滤器的工作原理与MPPS机制

1. 过滤机理

HEPA过滤器主要依赖四种物理机制实现对颗粒物的捕集：

过滤机制	作用原理	主要影响粒径范围
惯性碰撞（Inertial Impaction）	高速气流中较大颗粒因惯性偏离流线撞击纤维被捕获	>1 μm
拦截效应（Interception）	颗粒随气流运动时接触纤维表面而被捕集	0.3–1 μm
扩散沉积（Diffusion）	小颗粒受布朗运动影响偏离流线，增加与纤维接触概率	<0.1 μm
静电吸附（Electrostatic Attraction）	带电纤维或颗粒间的库仑力增强捕集效率（非所有HEPA具备）	全范围，尤其<0.3 μm

注：多数HEPA过滤器不依赖静电，以避免效率随时间衰减。

2. MPPS的形成原因

MPPS现象源于上述机制之间的“效率谷值”。当颗粒尺寸处于约0.1–0.3 μm时：

扩散效应较弱（粒径不够小）
惯性和拦截效应尚未显著增强（粒径不够大）

因此，在此区间内颗粒最易穿透滤材。研究表明，MPPS通常出现在0.15–0.25 μm之间，具体数值取决于滤材结构、纤维直径、填充密度及气流速度等因素（Hinds, 1999；中国建筑科学研究院，2020）。

二、国际与国内测试标准对比

为统一评估HEPA过滤器在MPPS条件下的性能，各国制定了相应的测试规范。以下是主要标准体系的比较：

标准编号	发布机构	适用地区	测试粒径	测试气溶胶	测试风速（m/s）	效率要求（MPPS）
EN 1822:2009	欧洲标准化委员会（CEN）	欧盟及全球多数国家	0.1–0.3 μm扫描	DEHS/石蜡油	0.5–1.0	H13: ≥99.95% H14: ≥99.995%
IEST-RP-CC001.5	美国环境科学与技术学会（IEST）	北美	0.1–0.3 μm扫描	DOP/DEHS	0.45–0.53	≥99.97%（对应H13）
GB/T 13554-2020	中国国家标准化管理委员会	中国大陆	0.1–0.3 μm扫描	PAO或DEHS	0.5–0.6	A类：≥99.995%（H14） B类：≥99.99%（H13）
JIS Z 8122:2015	日本工业标准委员会	日本	0.1–0.3 μm扫描	Dioctyl phthalate (DOP)	0.5	≥99.97%（Class HEPA）

来源：European Committee for Standardization (2009); IEST (2013); 国家市场监督管理总局（2020）; Japanese Standards Association (2015)

关键差异说明：

EN 1822 是目前最严格的标准之一，要求使用逐点扫描法（Scanning Method）检测局部穿透率，确保无“热点”缺陷。
GB/T 13554-2020 在2020年更新后，已全面接轨EN 1822，采用相同测试方法和分级体系，标志着中国HEPA标准的国际化。
美国IEST标准虽仍广泛使用，但正逐步向ISO/TC 209靠拢。

三、MPPS条件下的性能参数分析

1. 关键性能指标

参数名称	定义	单位	测试方法
初始效率（Initial Efficiency）	新滤器在MPPS下的颗粒去除率	%	光学粒子计数器测量上下游浓度
阻力（Pressure Drop）	气流通过滤芯产生的压降	Pa	差压传感器
容尘量（Dust Holding Capacity）	滤器在效率下降前可容纳的灰尘总量	g/m²	ASHRAE 52.2或类似方法
穿透率（Penetration）	下游颗粒浓度与上游之比	%	Pen = (C_down / C_up) × 100%
过滤质量因子（Quality Factor, QF）	综合效率与阻力的比值，用于评价能效	m⁻¹	QF = -ln(Pen) / ΔP

参考文献：Kesavan & Gupta (2014), "Performance evaluation of fibrous filters at MPPS", Aerosol Science and Technology; 吴志军等（2021），《高效空气过滤材料研究进展》，《环境工程学报》

2. 典型HEPA滤材性能对比表

材料类型	纤维直径（μm）	填充密度（kg/m³）	MPPS（μm）	初始效率（%@MPPS）	初始阻力（Pa @ 0.5 m/s）	使用寿命（h）
熔喷聚丙烯（常规）	1–5	50–100	0.22	99.95	180	3,000–5,000
超细玻璃纤维	0.5–1.5	80–120	0.18	99.995	220	6,000–8,000
静电增强复合材料	1–3（带驻极体）	60–90	0.15	99.98	150	2,000–4,000（湿度敏感）
纳米纤维涂层滤纸	0.1–0.5（表层）	70–100	0.12	99.999	250	5,000–7,000

数据来源：3M公司技术白皮书（2022）；Camfil集团产品手册（2023）；中科院生态环境研究中心实验数据（2021）

注：纳米纤维涂层通过在传统滤材表面叠加一层纳米级纤维（如PVDF、PAN），显著提升对MPPS颗粒的扩散捕集能力。

四、MPPS测试方法详解

1. 气溶胶发生与粒径控制

为准确测定MPPS，需使用单分散或窄分布气溶胶。常用发生装置包括：

冷发生器：如TSI Model 3076，产生DEHS（二乙基己基癸二酸酯）气溶胶，粒径可控在0.1–0.5 μm。
热发生器：如Palas RBG系列，生成石蜡油气溶胶，适用于高温稳定性测试。
钠焰法（仅限旧标准）：基于NaCl颗粒火焰光度检测，已被淘汰。

2. 扫描测试流程（以EN 1822为例）

预处理：滤芯在标准温湿度下平衡24小时。
气溶胶引入：在上游稳定输送浓度均匀的DEHS气溶胶（质量中位径约0.2 μm，几何标准差<1.3）。
粒径扫描：使用DMA（差分迁移率分析仪）配合CNC（凝聚核粒子计数器）逐点扫描0.1–0.3 μm范围。
效率计算：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} right) times 100%
$$
确定MPPS：找出效率最低点对应的粒径。
局部扫描：对滤面进行网格化扫描（如每10 cm × 10 cm），检测是否存在局部泄漏。

实例：某H14级滤芯经扫描发现整体效率为99.996%，MPPS为0.19 μm，但在边缘区域出现0.008%的局部穿透，提示密封工艺需改进（见图1，此处省略图像描述）。

五、影响MPPS性能的关键因素

1. 滤材结构参数

因素	影响方向	机制解释
纤维直径↓	MPPS左移，效率↑	更小纤维增强扩散捕集，降低最易穿透点
填充密度↑	阻力↑，MPPS略左移	纤维网络更密集，提高拦截概率
滤层厚度↑	效率↑，阻力↑	增加颗粒与纤维接触机会
层间结构优化（梯度过滤）	MPPS效率显著提升	前层粗纤维捕大颗粒，后层细纤维专攻MPPS

引用：Liu et al. (2017), "Structure optimization of gradient electrospun nanofiber membranes for PM0.3 filtration", Journal of Membrane Science

2. 操作条件

条件	对MPPS的影响
风速↑（>0.8 m/s）	MPPS右移，效率下降	气流缩短颗粒停留时间，削弱扩散作用
相对湿度↑（>80%RH）	静电型滤材效率骤降	水分子屏蔽电荷，驻极体失效
初始积尘	短期内效率↑（“自清洁”效应），后期阻力剧增	小颗粒堵塞孔隙，改变流场分布

实验数据：清华大学环境学院（2022）研究表明，在90% RH下，静电增强HEPA对0.2 μm颗粒的效率从99.9%降至92.3%，而纯机械式玻璃纤维滤材仅下降至99.5%。

六、国内外代表性产品性能对比

以下选取全球主流厂商的HEPA产品，在MPPS条件下进行横向比较：

品牌	型号	等级	MPPS（μm）	效率（%@MPPS）	初始阻力（Pa）	额定风量（m³/h）	适用场景
Camfil	Hi-Flo ES	H14	0.18	99.997%	190	1,200	医院手术室、制药
Donaldson	Ultra-Web® Z	H13	0.21	99.98%	160	1,000	工业除尘、数据中心
3M	Filtrete™ A+ True HEPA	H13	0.23	99.97%	140	600	家用空气净化器
AAF International	NanoWave™	H14	0.15	99.999%	240	800	生物安全实验室
苏州安泰空气技术	AT-CHE-1200	H14	0.19	99.995%	200	1,200	国产替代主力型号
北京科净源	KN-HV100	H13	0.22	99.96%	175	900	中端商用净化设备

数据来源：各厂商官网技术文档（2023年更新）；中国质量认证中心（CQC）抽检报告（2022）

分析：国产滤芯在基础性能上已接近国际水平，但在长期稳定性、一致性及高端纳米材料应用方面仍有提升空间。

七、前沿研究与技术创新

1. 纳米纤维增强技术

通过静电纺丝制备直径<500 nm的聚合物纤维（如聚乳酸PLA、聚酰亚胺PI），作为表层过滤层，可使MPPS效率提升至99.999%以上。中科院过程工程研究所（2023）开发的“双网络纳米纤维膜”在0.15 μm粒径下实现穿透率低于0.001%。

2. 智能响应材料

新型温敏/湿敏聚合物可在高湿度环境下自动收缩孔隙，防止水汽渗透导致效率下降。MIT团队（2021）报道了一种基于PNIPAM的智能滤材，在80% RH下仍保持99.99%的MPPS效率。

3. 数值模拟与AI优化

利用CFD（计算流体力学）模拟气流与颗粒在纤维网络中的运动轨迹，结合机器学习算法优化滤材结构。浙江大学（2022）构建了“MPPS预测模型”，误差小于±0.02 μm，显著缩短研发周期。

八、应用场景与行业需求

1. 医疗卫生领域

手术室、ICU病房要求H13级以上过滤，MPPS效率≥99.99%，防止细菌、病毒气溶胶传播。
方舱医院应急通风系统采用模块化HEPA单元，强调快速部署与高效密封。

2. 半导体与精密制造

ISO Class 1–5洁净室必须使用H14级过滤器，MPPS穿透率控制在0.005%以内。
台积电南京厂采用Camfil定制滤芯，实现全年颗粒浓度波动<0.1%。

3. 民用市场爆发

疫情后家用空气净化器销量激增，京东大数据显示2023年HEPA类净化器占比达78%。
消费者关注“真HEPA”认证，即符合GB/T 13554或EN 1822标准。

九、挑战与发展趋势

尽管HEPA技术日趋成熟，但仍面临以下挑战：

能耗问题：高效率往往伴随高阻力，增加风机能耗。未来发展方向是“低阻高效”滤材。
可持续性：传统玻璃纤维难以降解，欧美推动可再生材料（如纤维素纳米纤维）替代。
实时监测：缺乏在线MPPS效率监测手段，多数依赖定期抽检。

据MarketsandMarkets（2023）预测，全球HEPA过滤器市场规模将从2022年的48亿美元增长至2028年的76亿美元，年复合增长率达8.1%，其中亚太地区增速最快。

参考文献

Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. Wiley-Interscience.
European Committee for Standardization. (2009). EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA).
国家市场监督管理总局. (2020). 《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》. 中国标准出版社.
IEST. (2013). IEST-RP-CC001.5 HEPA and ULPA Filters.
Kesavan, L., & Gupta, S. (2014). Performance evaluation of fibrous filters at MPPS. Aerosol Science and Technology, 48(6), 613–622.
Liu, B., et al. (2017). Structure optimization of gradient electrospun nanofiber membranes for PM0.3 filtration. Journal of Membrane Science, 528, 15–24.
Camfil Group. (2023). Technical Data Sheet: Hi-Flo ES Series.
中科院生态环境研究中心. (2021). 《高效低阻空气过滤材料研发进展》. 环境科学学报, 41(5), 1678–1689.
清华大学环境学院. (2022). 《高湿环境下HEPA过滤性能衰减机制研究》. 中国环境科学, 42(3), 1021–1030.
MarketsandMarkets. (2023). HEPA Filter Market by Type, Grade, Application – Global Forecast to 2028.