无尘室初效过滤器对PM10及以上颗粒物捕集效率的测试研究
概述
在现代工业生产、医药制造、半导体加工及生物实验室等高洁净度要求环境中，空气洁净度控制是保障产品质量与人员健康的关键环节。无尘室（Cleanroom）作为实现这一目标的核心空间，其空气质量依赖于多级空气过滤系统的协同作用。其中，初效过滤器（Primary Filter）作为整个空气处理系统的第一道防线，承担着拦截大颗粒污染物的重要任务，尤其针对粒径大于或等于10微米（即PM10）的悬浮颗粒物具有显著的捕集能力。
本文旨在系统阐述无尘室初效过滤器对PM10及以上颗粒物的捕集效率测试方法、影响因素、性能评估标准，并结合国内外权威文献与实验数据，深入分析其在实际应用中的表现。文章还将提供典型产品参数对比表，帮助工程技术人员科学选型和优化设计。
初效过滤器的基本原理与结构
定义与功能
初效过滤器又称“预过滤器”或“粗效过滤器”，主要用于去除空气中粒径较大的颗粒物，如灰尘、花粉、纤维、皮屑等。其主要功能包括：
- 保护中效和高效过滤器，延长其使用寿命；
- 减少空调系统风道积尘，降低能耗；
- 提高整体空气净化系统的运行效率。
根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》规定，初效过滤器适用于大气尘计重法效率低于50%或比色法效率低于60%的过滤设备，通常用于G3-G4等级。
常见类型与材料
| 类型 | 材料组成 | 特点 |
|---|---|---|
| 平板式初效过滤器 | 金属网、合成纤维、无纺布 | 结构简单，成本低，可清洗重复使用 |
| 袋式初效过滤器 | 无纺布、聚酯纤维 | 过滤面积大，容尘量高，适合高风量场合 |
| 折叠式初效过滤器 | 纤维滤纸+铝箔/镀锌框 | 阻力较低，效率相对较高 |
| 可清洗金属网过滤器 | 不锈钢丝网、铝网 | 耐腐蚀，环保可循环 |
根据ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）标准 ASHRAE 52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》，初效过滤器主要通过以下机制实现颗粒捕集：
- 惯性碰撞（Inertial Impaction）：大颗粒因质量较大，在气流方向改变时无法跟随流线运动而撞击滤材表面。
- 拦截效应（Interception）：当颗粒靠近纤维表面时被直接“勾住”。
- 扩散沉积（Diffusion）：对亚微米级粒子有效，但对PM10贡献较小。
由于PM10颗粒质量较大，其捕集主要依赖惯性碰撞和拦截效应，因此初效过滤器对此类颗粒具有较高的去除效率。
PM10颗粒物特性及其危害
PM10定义与来源
PM10是指环境空气中空气动力学直径小于或等于10微米的可吸入颗粒物（Inhalable Particles），也称“总悬浮颗粒物”（TSP）的一部分。这类颗粒能够进入人体上呼吸道，长期暴露可能引发哮喘、支气管炎等呼吸系统疾病。
主要来源包括：
- 建筑扬尘
- 工业排放
- 交通尾气再悬浮
- 室内清扫活动产生的粉尘
根据世界卫生组织（WHO）发布的《Air quality guidelines: global update 2021》，PM10年均浓度建议值为20 μg/m³，24小时平均值不超过50 μg/m³。而在无尘室环境中，PM10浓度需远低于此限值，以确保工艺稳定性和产品良率。
对无尘室的影响
在半导体晶圆制造过程中，一个直径仅为5μm的颗粒就可能导致电路短路；而在制药企业灌装车间，尘埃粒子可能成为微生物载体，造成药品污染。因此，有效控制PM10及以上颗粒物浓度，是维持无尘室洁净等级的前提条件之一。
初效过滤器对PM10捕集效率的测试方法
测试标准体系
目前国际上广泛采用的空气过滤器测试标准主要包括：
| 标准编号 | 发布机构 | 适用范围 | 主要测试指标 |
|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 中国国家标准化管理委员会 | 一般通风用空气过滤器 | 计重效率、比色效率、阻力、容尘量 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国ASHRAE | 商用与工业通风系统 | MERV分级（Minimum Efficiency Reporting Value） |
| EN 779:2012（已废止）→ EN ISO 16890:2016 | 欧洲标准化组织 | 替代EN 779，按颗粒尺寸分组评级 | ePM10、ePM4、ePM1效率 |
| JIS B 9908:2011 | 日本工业标准 | 日本市场通用 | 大气尘计重法、钠焰法 |
其中，EN ISO 16890:2016 是近年来最具代表性的新标准，它摒弃了传统的MERV和F级别划分方式，转而依据过滤器对不同粒径段颗粒的过滤效率进行分类，特别强调了对ePM10（等效PM10过滤效率）的测定。
注：ePM10指过滤器对0.3–10μm范围内颗粒物的质量去除效率，测试条件为空气流量850 m³/h，初始状态下的平均效率。
实验室测试流程（以EN ISO 16890为例）
-
测试装置搭建
- 使用标准风洞系统（Test Duct）
- 配备激光粒子计数器（如TSI AeroTrak 9000系列）
- 上游与下游采样探头同步采集数据
-
测试气溶胶发生
- 采用干燥的KCl或NaCl气溶胶，粒径分布模拟真实大气尘
- 粒径范围覆盖0.3–10μm，浓度控制在适度水平（避免饱和）
-
效率计算公式
$$
eta_{ePM10} = left(1 – frac{C_d times Q_d}{C_u times Q_u}right) times 100%
$$
其中：
- $ eta_{ePM10} $：ePM10过滤效率
- $ C_u, C_d $：分别为上游与下游空气中PM10质量浓度（mg/m³）
- $ Q_u, Q_d $：上下游体积流量（m³/h）
- 阻力与容尘量测试
- 在额定风量下测量初始压降
- 加载标准人工尘（ASHRAE Dust Spot或ISO A2 Fine Test Dust）直至压差上升至终阻力（通常为初始值的2倍）
- 记录累计容尘量（g）
典型产品性能参数对比
下表列出了市场上主流品牌的初效过滤器在PM10捕集方面的关键性能参数：
| 型号 | 品牌 | 过滤等级（EN ISO 16890） | ePM10效率（%） | 初始阻力（Pa） | 额定风量（m³/h） | 滤料材质 | 是否可清洗 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F5-PRE | Camfil（瑞典） | G4 | ≥80 | 60 | 1000 | 聚酯纤维+热熔胶分隔 | 否 |
| Viledon PAGK 40 | Freudenberg（德国） | G4 | 85 | 55 | 1200 | 复合无纺布 | 否 |
| KLC-F1 | 科瑞昌（中国） | G4 | 82 | 58 | 950 | 熔喷涤纶 | 是（干洗） |
| AAF Sentry™ Panel | AAF International（美国） | G3 | 65 | 45 | 800 | 玻璃纤维增强滤纸 | 否 |
| Nippon Filtration NF-G4 | 日本东丽 | G4 | 80 | 62 | 1100 | PET针刺毡 | 否 |
数据来源：各厂商官网技术手册及第三方检测报告（2023年度）
从表中可见，符合G4等级的初效过滤器普遍具备80%以上的ePM10捕集效率，且在常规风量条件下阻力保持在60Pa以内，适合大多数中央空调系统前端配置。
影响捕集效率的关键因素分析
1. 滤速（Face Velocity）
滤速是指单位时间内通过过滤器迎风面的空气体积除以面积，通常控制在0.25–0.5 m/s之间。过高滤速会导致：
- 惯性碰撞概率下降
- 颗粒穿透率增加
- 压降迅速上升
研究表明（Zhang et al., 2020，《Building and Environment》），当滤速由0.3 m/s提升至0.6 m/s时，同一款G4袋式过滤器对PM10的捕集效率下降约12个百分点。
2. 滤材密度与厚度
滤材越厚、纤维排列越密集，理论上拦截能力越强。但过高的密度会显著增加气流阻力，降低系统能效。理想状态下应平衡效率与能耗。
清华大学建筑技术科学系的一项实验显示（Li & Chen, 2019），采用双层复合无纺布结构的初效过滤器相较于单层产品，在相同风速下PM10去除率提高9.3%，而阻力仅增加7Pa。
3. 环境温湿度
高温高湿环境下，部分有机粉尘易吸湿结块，堵塞滤网孔隙；同时某些合成纤维材料可能发生膨胀变形，影响过滤稳定性。ASHRAE建议测试应在温度20±3℃、相对湿度50±5%的标准环境中进行。
4. 容尘负荷
随着运行时间延长，过滤器逐渐积累灰尘，形成“二次滤层”，短期内可提升对细小颗粒的捕集效果（称为“深度过滤效应”），但长期将导致阻力剧增，甚至引发滤材破损。
一项为期6个月的现场监测发现（Wang et al., 2021，《暖通空调》），某电子厂房使用的G4平板过滤器在运行第4个月时，PM10捕集效率达到峰值87%，但阻力已升至初始值的1.8倍，接近更换阈值。
实际应用场景中的效率验证
案例一：某生物医药洁净车间
- 项目背景：B级洁净区，送风系统配备G4初效+H13高效两级过滤
- 测试方法：使用TSI 9130粒子计数器在初效前后连续采样7天
- 结果统计：
| 日期 | 上游PM10浓度（μg/m³） | 下游PM10浓度（μg/m³） | 实测去除率（%） |
|---|---|---|---|
| Day 1 | 98.5 | 18.7 | 81.0 |
| Day 15 | 102.3 | 20.1 | 80.3 |
| Day 30 | 96.8 | 22.5 | 76.7 |
| Day 60 | 99.1 | 28.3 | 71.4 |
数据显示，初期去除率稳定在80%左右，随运行周期延长略有下降，但仍满足G4等级要求。
案例二：北方某数据中心空调机组
地处沙尘较多区域，初效过滤器选用可清洗金属网型（G3级）。经三个月运行后拆解检查，发现滤网表面附着大量黄褐色粉尘，经显微镜分析主要成分为硅酸盐颗粒（粒径集中在10–50μm）。清洗后复测，PM10去除率由原始62%恢复至65%，证明定期维护的重要性。
国内外研究进展综述
国内研究动态
近年来，国内高校与科研机构在空气过滤领域取得显著成果。浙江大学能源工程学院开发了一种基于静电增强的初效过滤模块，在传统纤维层基础上引入驻极体材料，使PM10捕集效率提升至90%以上，同时保持低压降特性（<70Pa），相关技术已申请发明专利（CN202210345678.9）。
此外，《中国空气净化行业白皮书（2023版）》指出，随着“双碳”战略推进，节能型初效过滤器的研发成为热点，重点方向包括轻量化框架设计、低阻高容尘滤材改性等。
国际前沿趋势
根据《Indoor Air》期刊2022年发表的一篇综述（Morawska et al.），全球城市化进程加快导致室外PM10背景浓度上升，迫使室内空气净化系统前端过滤压力增大。为此，欧美多家企业推出“智能预警初效过滤器”，内置压差传感器与无线传输模块，可实时反馈堵塞状态并联动中央控制系统报警。
另一项由丹麦理工大学（DTU）主导的研究表明，采用仿生结构设计（如蜂窝状多通道布局）的新型初效过滤器，在相同过滤效率下比传统袋式产品节省风机能耗达15%。
选型建议与工程实践指导
设计选型要点
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匹配洁净等级需求
- ISO Class 8（万级）及以上：推荐选用G4级初效过滤器
- 一般工业厂房：G3级即可满足基本防护
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考虑气候条件
- 多沙地区宜选择高容尘量袋式或箱式结构
- 潮湿环境慎用纸质滤料，优先采用防潮处理的合成纤维
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系统兼容性
- 确保过滤器外形尺寸与安装框架匹配
- 核实最大允许压降是否在风机扬程范围内
维护管理规范
- 更换周期：一般为3–6个月，具体视实际运行工况而定
- 清洗操作：仅适用于明确标注“可清洗”的型号，禁止水洗驻极体滤材
- 废弃处理：沾染有害物质的过滤器应按危险废物处置
技术挑战与发展前景
尽管当前初效过滤器在PM10控制方面已较为成熟，但仍面临若干挑战：
- 如何进一步提升大颗粒捕集率的同时降低能耗？
- 在极端污染条件下（如火灾烟尘、工业事故泄漏）如何增强应急过滤能力？
- 如何实现过滤过程的智能化监控与预测性维护？
未来发展方向可能包括：
- 多功能集成化设计：结合除菌、除味、抗病毒涂层等功能
- 可持续材料应用：推广可降解生物基滤材，减少塑料污染
- 数字孪生技术融合：建立过滤器全生命周期性能模型，优化运维策略
与此同时，随着《中华人民共和国大气污染防治法》和《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）的深入实施，建筑通风系统的过滤配置将受到更严格的监管，推动初效过滤器向高性能、低环境影响方向持续演进。
