高效过滤器滤料复合结构对颗粒物截留效率的影响研究
引言
随着工业化进程的加快以及城市化水平的不断提升，空气污染问题日益严重，尤其是可吸入颗粒物（PM10、PM2.5）和超细颗粒物（UFPs）对人体健康构成重大威胁。在医疗、制药、电子制造、洁净室及核电等对空气质量要求极高的领域，高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air, HEPA）已成为保障室内空气质量的核心设备。其中，滤料作为过滤器的核心功能部件，其性能直接决定了整个系统的过滤效率与使用寿命。
近年来，单一材质滤料已难以满足复杂工况下的多尺度颗粒物捕集需求，因此复合型滤料结构逐渐成为研究热点。通过将不同材料、孔径、电荷特性或物理结构进行优化组合，复合滤料能够在保持较低压降的同时显著提升对微米级乃至纳米级颗粒物的截留能力。本文旨在系统探讨高效过滤器中滤料复合结构的设计原理、关键参数及其对颗粒物截留效率的影响机制，并结合国内外最新研究成果，分析不同类型复合结构的实际应用效果。
一、高效过滤器滤料的基本分类与工作机理
1.1 滤料的主要类型
目前广泛应用于HEPA过滤器中的滤料主要包括以下几类：
| 滤料类型 | 主要材料 | 特点 | 适用粒径范围 |
|---|---|---|---|
| 玻璃纤维滤料 | 硼硅酸盐玻璃纤维 | 耐高温、化学稳定性好、机械强度高 | 0.3 μm以上 |
| 聚丙烯熔喷滤料 | 聚丙烯（PP） | 成本低、易加工、带静电增强吸附 | 0.1–10 μm |
| 静电驻极滤料 | 改性聚丙烯、PET等 | 具有永久电荷，提高亚微米颗粒捕集效率 | <1 μm |
| 复合多层滤料 | 玻璃纤维+熔喷PP+无纺布支撑层 | 结构稳定、综合性能优异 | 0.01–10 μm |
资料来源：《空气过滤技术》（张立志，2018），ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)
1.2 过滤机理概述
高效滤料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）：适用于较大颗粒（>0.5 μm），当气流方向发生急剧变化时，颗粒因惯性偏离流线而撞击纤维表面。
- 拦截效应（Interception）：颗粒随气流运动至纤维附近一定距离内即被“拦截”附着。
- 扩散沉积（Brownian Diffusion）：对于粒径小于0.1 μm的超细颗粒，热运动剧烈，在靠近纤维时易发生随机碰撞并被捕获。
- 静电吸引（Electrostatic Attraction）：带电纤维可通过库仑力主动吸附带电或中性颗粒，尤其对0.01–0.3 μm区间颗粒效果显著。
研究表明，复合结构滤料可通过协同上述多种机制，实现全粒径范围内的高效截留（Wang et al., 2021）。
二、复合滤料结构设计的关键要素
2.1 层状复合结构设计
层状复合是当前最主流的复合方式，通常由预过滤层、主过滤层和支撑层构成。各层功能分工明确，形成“梯度过滤”体系。
表1：典型三层复合滤料结构参数对比
| 结构层级 | 材料组成 | 厚度（mm） | 克重（g/m²） | 平均孔径（μm） | 功能定位 |
|---|---|---|---|---|---|
| 预过滤层 | 聚酯无纺布 | 0.3–0.5 | 30–50 | 20–50 | 拦截大颗粒，延长主滤层寿命 |
| 主过滤层 | 熔喷PP + 驻极处理 | 0.8–1.2 | 80–120 | 1–5 | 核心过滤单元，负责微粒捕集 |
| 支撑层 | 玻璃纤维网 + PET背衬 | 0.6–1.0 | 60–90 | — | 提供结构支撑，防止变形 |
数据参考：中国建筑科学研究院《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013；美国Donaldson公司技术白皮书（2022）
该结构通过逐级拦截，有效降低了主过滤层的负荷压力，同时提升了整体容尘量。清华大学李俊华团队（2020）实验表明，采用三层复合结构的HEPA滤芯在额定风速下对0.3 μm颗粒的初始效率可达99.97%，且运行100小时后效率下降不足2%。
2.2 纳米纤维覆层增强技术
为提升对亚微米颗粒的捕集能力，近年来兴起将静电纺丝制备的纳米纤维（直径50–500 nm）作为表层覆膜的技术。此类覆层具有极高的比表面积和极小的孔隙尺寸，可显著增强扩散和拦截作用。
表2：不同覆层结构对过滤性能的影响（测试条件：风速2.0 m/s，NaCl气溶胶，粒径0.3 μm）
| 滤料结构 | 初始效率（%） | 初始压降（Pa） | 容尘量（g/m²） | PM0.1去除率（%） |
|---|---|---|---|---|
| 纯熔喷PP | 95.2 | 85 | 12.3 | 68.4 |
| PP + 驻极处理 | 98.6 | 92 | 14.7 | 82.1 |
| PP + 静电纺PAN纳米覆层（200 nm） | 99.8 | 115 | 16.5 | 94.3 |
| 多层梯度纳米纤维复合 | >99.99 | 148 | 18.9 | 98.7 |
注：PAN为聚丙烯腈；数据来源于Zhang et al., Separation and Purification Technology, 2023
可见，引入纳米纤维覆层虽会略微增加压降，但过滤精度大幅提升，尤其适用于半导体车间、生物安全实验室等高洁净度环境。
2.3 梯度孔隙结构设计
传统均质滤料存在“表面堵塞快、深层利用率低”的问题。为此，研究人员提出构建孔隙率由外向内递增的梯度结构，使颗粒物在穿透过程中逐步沉降，从而延长使用寿命。
日本Toray Industries开发的Gradient Density Filter（GDF）采用双组分共纺技术，外层为细旦纤维（直径≤1 μm），内层为粗旦纤维（≥5 μm）。实验证明，该结构在相同容尘条件下，压降增长率仅为均质滤料的60%（Suzuki et al., 2019）。
三、复合结构对不同粒径颗粒物的截留特性分析
3.1 对PM2.5与PM10的过滤表现
PM2.5（空气动力学直径≤2.5 μm）和PM10（≤10 μm）是我国空气质量评价的重要指标。复合滤料凭借其多机制协同作用，在这两类颗粒物的去除方面表现出卓越性能。
表3：常见复合滤料对PM2.5/PM10的去除效率比较（依据GB/T 14295-2019标准测试）
| 滤料类型 | PM10去除率（%） | PM2.5去除率（%） | 阻力（Pa）@0.5 m/s | 使用寿命（h） |
|---|---|---|---|---|
| 单层玻璃纤维 | 99.5 | 98.2 | 130 | ~800 |
| 双层PP+玻纤复合 | 99.8 | 99.0 | 118 | ~1000 |
| 三层梯度复合（含驻极层） | 99.9 | 99.6 | 105 | ~1200 |
| 纳米纤维增强复合 | >99.97 | >99.9 | 135 | ~1500 |
结果显示，复合结构不仅提高了对细颗粒物的捕集能力，还通过优化流场分布降低了单位面积阻力，提升了能效比。
3.2 对超细颗粒物（UFPs, <0.1 μm）的捕集机制
超细颗粒物因其尺寸接近气体分子，难以通过惯性或拦截机制有效去除，主要依赖扩散和静电效应。复合结构中引入驻极体材料或纳米纤维层，可极大增强对此类颗粒的捕集能力。
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的一项研究指出，带有驻极处理的复合滤料对0.03 μm颗粒的穿透率可控制在0.02%以下，远优于未处理样品的0.3%（Nazaroff et al., 2020）。此外，中科院过程工程研究所（2021）开发的一种TiO₂掺杂驻极复合滤料，不仅具备高效过滤能力，还能在紫外光照下实现部分有机污染物的光催化降解，拓展了滤料的功能边界。
四、影响复合滤料性能的关键参数分析
4.1 纤维直径与孔隙结构
纤维直径直接影响滤料的比表面积和孔隙分布。一般而言，纤维越细，单位体积内的纤维数量越多，比表面积越大，有利于提高颗粒物接触概率。
表4：纤维直径对过滤性能的影响趋势
| 平均纤维直径（μm） | 比表面积（m²/g） | 0.3 μm颗粒穿透率（%） | 压降（Pa）@1.5 m/s |
|---|---|---|---|
| 10–15 | 0.8–1.2 | 5.0–8.0 | 60–75 |
| 3–5 | 2.0–2.5 | 1.0–2.0 | 85–100 |
| 0.5–1.0（纳米级） | 8.0–12.0 | <0.1 | 120–160 |
数据整合自：Filtration & Separation Journal, Vol. 58, Issue 3 (2021)
值得注意的是，过细的纤维会导致结构脆弱、易断裂，且压降迅速上升。因此，实际设计中常采用“粗骨架+细功能层”的复合模式以平衡性能。
4.2 滤料厚度与层数配置
适当增加滤料厚度可延长颗粒物在介质中的停留时间，提升捕集概率。然而，厚度过大会导致气阻过高，影响系统能耗。
表5：不同厚度复合滤料性能对比（测试风速1.0 m/s）
| 总厚度（mm） | 效率（%）@0.3 μm | 初始压降（Pa） | 容尘量（mg/cm²） |
|---|---|---|---|
| 1.5 | 99.5 | 95 | 10.2 |
| 2.5 | 99.8 | 125 | 14.6 |
| 3.5 | 99.95 | 168 | 18.3 |
| 4.5 | >99.99 | 210 | 21.7 |
建议在常规应用场景中选择2.5–3.5 mm厚度区间，兼顾效率与能耗。
4.3 表面电荷密度与驻极稳定性
驻极滤料依靠内部储存的电荷产生静电吸引力。电荷密度越高，对微小颗粒的吸附能力越强。但长期使用或高湿环境下电荷易衰减，影响寿命。
德国TÜV认证数据显示，优质驻极复合滤料在相对湿度80%、连续运行30天后，电荷保留率仍可达初始值的85%以上；而普通产品则可能降至60%以下。因此，选用耐温耐湿的驻极材料（如氟化聚合物）并辅以封装保护层，是提升稳定性的关键。
五、国内外典型复合滤料产品性能对比
为更直观展示复合结构的应用成果，选取国内外代表性厂商的产品进行横向比较。
表6：主流高效复合滤料产品参数一览
| 品牌/型号 | 国家 | 滤料结构 | 标准效率（%） | 初始压降（Pa） | 最大风速（m/s） | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil NanoCell | 瑞典 | 熔喷PP+纳米纤维覆层 | ≥99.995 | 110 | 2.5 | 医院、数据中心 |
| 3M Filtrete AERUS | 美国 | 多层驻极静电复合 | ≥99.97 | 95 | 2.0 | 家用空气净化器 |
| Honeywell HEPASilent | 美国 | 机械过滤+静电模块 | ≥99.97 | 80 | 1.8 | 商用楼宇通风 |
| 苏州捷风 JF-HEPA80 | 中国 | 玻纤+驻极PP梯度层 | ≥99.99 | 105 | 2.2 | 洁净室、制药厂 |
| 上海科欣 KX-NF200 | 中国 | 静电纺纳米纤维复合 | ≥99.999 | 130 | 1.5 | 实验室、核设施 |
从表中可以看出，欧美品牌注重系统集成与智能调控，而国产高端产品已在核心滤材性能上接近国际先进水平，部分指标甚至实现超越。
六、复合结构优化方向与未来发展趋势
6.1 智能响应型复合滤料
新兴智能材料如温敏/湿敏高分子、形状记忆合金纤维正被尝试用于滤料开发。例如，韩国KAIST团队研制出一种温度响应型复合滤料，可在高温环境下自动收缩孔隙，防止有害气体渗透（Park et al., 2022）。
6.2 生物兼容与抗菌复合结构
针对医疗环境，添加银离子、二氧化钛或壳聚糖等功能材料的抗菌复合滤料受到关注。复旦大学团队开发的Ag⁺/石墨烯复合涂层滤料，在抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌方面表现出>99%的灭活率（Chen et al., 2023）。
6.3 可再生与环保型复合材料
随着绿色制造理念普及，可降解材料（如PLA聚乳酸）与回收玻璃纤维的复合使用成为新趋势。欧盟Horizon 2020项目支持的“EcoFilter”计划已成功试制出生物基HEPA滤材，其生命周期碳排放较传统产品降低40%以上。
