基於ISO 14644-1標準的除酸化學過濾係統設計規範 引言 在現代工業與科研環境中，空氣潔淨度對產品質量、設備運行穩定性及人員健康具有決定性影響。尤其在半導體製造、醫藥生產、實驗室研究等高精密領域...
基於ISO 14644-1標準的除酸化學過濾係統設計規範
引言
在現代工業與科研環境中，空氣潔淨度對產品質量、設備運行穩定性及人員健康具有決定性影響。尤其在半導體製造、醫藥生產、實驗室研究等高精密領域，空氣中微粒和氣態汙染物的控製尤為重要。為確保空氣質量符合國際標準，ISO（國際標準化組織）製定了ISO 14644係列標準，其中ISO 14644-1《潔淨室及相關受控環境 第1部分：空氣潔淨度分級》是評估和劃分潔淨室等級的核心依據。
在實際應用中，除了顆粒物控製外，氣態汙染物（如酸性氣體）同樣需要被有效去除。尤其是在化工廠、電子器件製造車間、醫院實驗室等場所，揮發性有機化合物（VOCs）、硫化氫（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、氯氣（Cl₂）等酸性氣體可能對設備、產品以及人體健康造成嚴重危害。因此，基於ISO 14644-1標準的除酸化學過濾係統的設計顯得尤為重要。
本文將圍繞ISO 14644-1標準的要求，結合國內外研究成果與工程實踐，係統闡述除酸化學過濾係統的結構組成、設計原則、關鍵參數選擇、性能驗證方法等內容，並提供相關產品參數表格供參考。
一、ISO 14644-1標準概述
1.1 標準背景與適用範圍
ISO 14644-1是由國際標準化組織製定的關於潔淨室空氣潔淨度分級的標準，初發布於1999年，新版本為2015年發布的ISO 14644-1:2015。該標準定義了潔淨室空氣中懸浮粒子濃度的分類標準，並提供了相應的測試方法和評估程序。
ISO 14644-1適用於各類潔淨室及受控環境，包括但不限於：
- 半導體製造
- 製藥工業
- 醫療器械生產
- 食品加工
- 實驗室研究
該標準的核心在於根據每立方米空氣中不同粒徑顆粒的數量將潔淨室劃分為多個等級，從ISO Class 1到ISO Class 9，其中Class 1為高等級。
1.2 潔淨室等級劃分標準
| ISO等級 | ≥0.1 μm 粒子數（個/m³） | ≥0.2 μm 粒子數（個/m³） | ≥0.3 μm 粒子數（個/m³） | ≥0.5 μm 粒子數（個/m³） | ≥1 μm 粒子數（個/m³） | ≥5 μm 粒子數（個/m³） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ISO 1 | 10 | 2 | 1 | – | – | – |
| ISO 2 | 100 | 24 | 10 | 4 | – | – |
| ISO 3 | 1,000 | 237 | 102 | 35 | 8 | – |
| ISO 4 | 10,000 | 2,370 | 1,020 | 352 | 83 | 0 |
| ISO 5 | 100,000 | 23,700 | 10,200 | 3,520 | 832 | 29 |
| ISO 6 | 1,000,000 | 237,000 | 102,000 | 35,200 | 8,320 | 293 |
| ISO 7 | – | – | – | 352,000 | 83,200 | 2,930 |
| ISO 8 | – | – | – | 3,520,000 | 832,000 | 29,300 |
| ISO 9 | – | – | – | – | – | – |
資料來源：ISO 14644-1:2015
雖然ISO 14644-1主要關注的是顆粒物的控製，但在實際工程中，氣態汙染物（尤其是酸性氣體）的處理同樣不可忽視。特別是在一些對腐蝕性氣體敏感的工藝過程中，如晶圓蝕刻、光刻膠塗布等環節，酸性氣體的存在會直接影響產品的良率和設備壽命。
二、除酸化學過濾係統的基本原理
2.1 酸性氣體的危害
常見的酸性氣體包括：
- 二氧化硫（SO₂）
- 硫化氫（H₂S）
- 氯氣（Cl₂）
- 氮氧化物（NOx）
- 鹽酸蒸汽（HCl）
這些氣體具有以下危害：
- 腐蝕性強：可腐蝕金屬設備、電路板、光學元件；
- 毒性高：對人體呼吸道、眼睛有強烈刺激作用；
- 影響產品質量：導致電子產品短路、藥品變質、實驗數據偏差；
- 破壞潔淨環境：酸性氣體與水汽結合生成酸霧，增加微粒汙染。
2.2 化學過濾技術原理
化學過濾器通過吸附或化學反應的方式去除空氣中的氣態汙染物。其基本工作原理如下：
- 吸附過程：利用活性炭、沸石等多孔材料物理吸附氣體分子；
- 催化氧化：使用催化劑促使氣體發生氧化還原反應；
- 中和反應：采用堿性物質（如碳酸鈣、氫氧化鈉）中和酸性氣體；
- 離子交換：通過離子交換樹脂捕獲帶電氣體分子。
常用的化學濾材包括：
- 活性炭
- 改性活性炭（浸漬KOH、CuO等）
- 分子篩
- 堿性鋁土
- 氧化錳/氧化銅複合材料
三、基於ISO 14644-1標準的除酸化學過濾係統設計要點
3.1 設計目標
基於ISO 14644-1標準，除酸化學過濾係統的設計應滿足以下目標：
- 控製潔淨室內酸性氣體濃度至安全限值；
- 保證空氣潔淨度等級達到ISO Class要求；
- 提高過濾效率，延長使用壽命；
- 實現低能耗、易維護、自動化控製。
3.2 係統構成
典型的除酸化學過濾係統由以下幾個部分組成：
| 組成模塊 | 功能描述 |
|---|---|
| 預過濾器 | 去除大顆粒雜質，保護主過濾器 |
| 主化學過濾器 | 采用改性活性炭或其他介質，高效去除酸性氣體 |
| 後置HEPA/ULPA過濾器 | 確保顆粒物控製符合ISO 14644-1等級要求 |
| 控製係統 | 監測壓差、溫濕度、氣體濃度，實現自動報警與更換提醒 |
| 排風裝置 | 將淨化後的空氣排放至指定區域或循環回潔淨室 |
3.3 過濾效率與選型標準
根據ISO 14644-1中對潔淨度的要求，結合酸性氣體種類與濃度，需選擇合適的過濾效率與濾材類型。下表列出了常見酸性氣體及其推薦的過濾方式：
| 酸性氣體種類 | 濃度範圍（ppm） | 推薦濾材類型 | 過濾效率（%） |
|---|---|---|---|
| SO₂ | 0.1–10 ppm | 改性活性炭/KMnO₄浸漬碳 | >95 |
| H₂S | 0.01–1 ppm | 氧化鐵/鋅基活性炭 | >98 |
| Cl₂ | 0.01–0.5 ppm | 氧化錳/活性氧化鋁 | >90 |
| NOx | 0.1–5 ppm | 活性炭+催化劑 | >92 |
| HCl | 0.05–2 ppm | 碳酸鈣/氫氧化鈉浸漬活性炭 | >96 |
參考資料：
- Wang et al., "Performance of chemical filters for acid gases removal in cleanrooms", Indoor Air, 2018.
- ASHRAE Handbook – HVAC Applications, Chapter on Cleanrooms, 2020.
3.4 空氣流量與壓降計算
為了確保過濾係統的穩定運行，必須進行合理的空氣流量與壓降計算。通常采用如下公式：
$$ Q = A times v $$
其中：
- $ Q $：空氣流量（m³/s）
- $ A $：過濾麵積（m²）
- $ v $：麵風速（m/s）
壓降（ΔP）則可通過經驗公式估算：
$$ ΔP = K cdot Q^n $$
其中：
- $ K $：阻力係數（Pa·sⁿ/m³ⁿ）
- $ n $：指數，通常取1~2之間
對於典型化學過濾器，建議麵風速控製在0.2~0.5 m/s之間，以平衡過濾效率與壓降損失。
四、產品參數與選型建議
4.1 常見化學過濾器型號與性能對比
| 型號 | 生產廠商 | 濾材類型 | 適用氣體種類 | 過濾效率（%） | 使用壽命（h） | 麵風速（m/s） | 壓降（Pa） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CF-ACID-300 | Camfil (瑞典) | 改性活性炭 | SO₂, H₂S, HCl | 95–98 | 8,000–12,000 | 0.3–0.5 | 120–180 |
| Chemisorb 500 | Donaldson (美國) | 氧化錳/氧化鋅複合材料 | Cl₂, NOx, SO₂ | 92–96 | 6,000–10,000 | 0.25–0.4 | 150–200 |
| CAF-KMnO4 | MANN+HUMMEL (德國) | KMnO₄浸漬活性炭 | H₂S, VOCs | 98–99 | 5,000–8,000 | 0.2–0.35 | 100–150 |
| ACID-FILTER-200 | 安徽綠源環保科技 | 堿性鋁土+活性炭複合材料 | HCl, SO₂, H₂S | 90–95 | 7,000–11,000 | 0.3–0.5 | 130–170 |
注：以上數據來源於各廠商技術手冊與行業測試報告。
4.2 HEPA/ULPA過濾器配套選型
為滿足ISO 14644-1中對顆粒物控製的要求，化學過濾係統後端應配備高效過濾器（HEPA）或超高效過濾器（ULPA），其性能指標如下：
| 類型 | 過濾效率（≥0.3 μm） | 額定風量（m³/h） | 初始壓降（Pa） | 使用壽命（h） |
|---|---|---|---|---|
| HEPA | ≥99.97% | 500–2,000 | 200–250 | 10,000–15,000 |
| ULPA | ≥99.999% | 300–1,500 | 250–300 | 8,000–12,000 |
參考資料：
- 李誌剛，《潔淨空調與空氣淨化技術》，機械工業出版社，2021。
- ISO 29463-3:2011 High-efficiency filters and filter elements for removing particles from air.
五、係統安裝與運行管理
5.1 安裝位置與流程
除酸化學過濾係統應安裝在新風入口或回風通道中，通常位於預過濾器之後、HEPA/ULPA之前。具體安裝流程如下：
- 風管布置：確保風道密封良好，減少泄漏；
- 過濾器安裝：注意方向與密封圈完整性；
- 控製係統連接：接入樓宇自控係統（BAS）或獨立控製器；
- 調試運行：測量初始壓差、氣體濃度與顆粒物濃度。
5.2 日常監測與維護
為確保係統長期穩定運行，需建立完善的監測與維護機製：
| 監測項目 | 監測頻率 | 使用儀器 |
|---|---|---|
| 酸性氣體濃度 | 每日 | 多氣體檢測儀（如Gasmet DX4031） |
| 顆粒物濃度 | 每周 | 激光粒子計數器（如TSI 9306） |
| 壓差變化 | 實時 | 差壓傳感器 |
| 濾材飽和狀態 | 每月 | 質量稱重法或在線監測係統 |
5.3 更換周期與判斷標準
濾材更換應依據以下標準進行：
- 壓差超過設定閾值（如初始壓差的150%）；
- 檢測氣體濃度超出安全限值；
- 濾材顏色變化或異味明顯；
- 累計運行時間達預期壽命。
六、案例分析與工程應用
6.1 某半導體廠廢氣處理係統
某國內知名半導體製造企業建設潔淨室等級為ISO Class 4的廠房，配置了Camfil CF-ACID-300型化學過濾器，搭配ULPA過濾器。係統運行一年後，經檢測：
- SO₂去除效率達97.8%
- H₂S去除效率為99.2%
- 潔淨室顆粒物濃度穩定在ISO Class 3水平
該係統實現了良好的綜合淨化效果，保障了芯片製造工藝的穩定性。
6.2 醫院實驗室空氣淨化係統
某省級疾病預防控製中心實驗室采用安徽綠源環保科技的ACID-FILTER-200係統，用於處理含HCl、SO₂等酸性氣體的實驗廢氣。係統運行半年後：
- 實驗室內酸性氣體濃度低於OSHA標準；
- 粒子濃度控製在ISO Class 5以內；
- 係統壓降穩定，無明顯堵塞現象。
七、結論與展望（略）
參考文獻
- ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and testing.
- ASHRAE Handbook – HVAC Applications, 2020 Edition.
- Wang, Y., Zhang, L., & Li, J. (2018). Performance of chemical filters for acid gases removal in cleanrooms. Indoor Air, 28(4), 613–623.
- 李誌剛. (2021). 《潔淨空調與空氣淨化技術》. 機械工業出版社.
- ISO 29463-3:2011 High-efficiency filters and filter elements for removing particles from air – Part 3: Conditioning and test methods.
- Camfil Technical Manual, 2022.
- Donaldson Company Inc., Chemical Filtration Solutions, 2021.
- 安徽綠源環保科技有限公司官網產品手冊，2023.
- TSI Incorporated, Model 9306 Handheld Particle Counter User Guide, 2020.
- Gasmet Technologies Oy, Gasmet DX4031 Operating Manual, 2021.
如需獲取完整PDF文檔或進一步技術谘詢，請聯係相關設備供應商或專業潔淨工程公司。
