無塵室初效過濾器對PM10及以上顆粒物捕集效率的測試研究 概述 在現代工業生產、醫藥製造、半導體加工及生物實驗室等高潔淨度要求環境中，空氣潔淨度控製是保障產品質量與人員健康的關鍵環節。無塵室（C...
無塵室初效過濾器對PM10及以上顆粒物捕集效率的測試研究
概述
在現代工業生產、醫藥製造、半導體加工及生物實驗室等高潔淨度要求環境中，空氣潔淨度控製是保障產品質量與人員健康的關鍵環節。無塵室（Cleanroom）作為實現這一目標的核心空間，其空氣質量依賴於多級空氣過濾係統的協同作用。其中，初效過濾器（Primary Filter）作為整個空氣處理係統的第一道防線，承擔著攔截大顆粒汙染物的重要任務，尤其針對粒徑大於或等於10微米（即PM10）的懸浮顆粒物具有顯著的捕集能力。
本文旨在係統闡述無塵室初效過濾器對PM10及以上顆粒物的捕集效率測試方法、影響因素、性能評估標準，並結合國內外權威文獻與實驗數據，深入分析其在實際應用中的表現。文章還將提供典型產品參數對比表，幫助工程技術人員科學選型和優化設計。
初效過濾器的基本原理與結構
定義與功能
初效過濾器又稱“預過濾器”或“粗效過濾器”，主要用於去除空氣中粒徑較大的顆粒物，如灰塵、花粉、纖維、皮屑等。其主要功能包括：
- 保護中效和高效過濾器，延長其使用壽命；
- 減少空調係統風道積塵，降低能耗；
- 提高整體空氣淨化係統的運行效率。
根據中國國家標準《GB/T 14295-2019 空氣過濾器》規定，初效過濾器適用於大氣塵計重法效率低於50%或比色法效率低於60%的過濾設備，通常用於G3-G4等級。
常見類型與材料
| 類型 | 材料組成 | 特點 |
|---|---|---|
| 平板式初效過濾器 | 金屬網、合成纖維、無紡布 | 結構簡單，成本低，可清洗重複使用 |
| 袋式初效過濾器 | 無紡布、聚酯纖維 | 過濾麵積大，容塵量高，適合高風量場合 |
| 折疊式初效過濾器 | 纖維濾紙+鋁箔/鍍鋅框 | 阻力較低，效率相對較高 |
| 可清洗金屬網過濾器 | 不鏽鋼絲網、鋁網 | 耐腐蝕，環保可循環 |
根據ASHRAE（美國采暖、製冷與空調工程師學會）標準 ASHRAE 52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》，初效過濾器主要通過以下機製實現顆粒捕集：
- 慣性碰撞（Inertial Impaction）：大顆粒因質量較大，在氣流方向改變時無法跟隨流線運動而撞擊濾材表麵。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒靠近纖維表麵時被直接“勾住”。
- 擴散沉積（Diffusion）：對亞微米級粒子有效，但對PM10貢獻較小。
由於PM10顆粒質量較大，其捕集主要依賴慣性碰撞和攔截效應，因此初效過濾器對此類顆粒具有較高的去除效率。
PM10顆粒物特性及其危害
PM10定義與來源
PM10是指環境空氣中空氣動力學直徑小於或等於10微米的可吸入顆粒物（Inhalable Particles），也稱“總懸浮顆粒物”（TSP）的一部分。這類顆粒能夠進入人體上呼吸道，長期暴露可能引發哮喘、支氣管炎等呼吸係統疾病。
主要來源包括：
- 建築揚塵
- 工業排放
- 交通尾氣再懸浮
- 室內清掃活動產生的粉塵
根據世界衛生組織（WHO）發布的《Air quality guidelines: global update 2021》，PM10年均濃度建議值為20 μg/m³，24小時平均值不超過50 μg/m³。而在無塵室環境中，PM10濃度需遠低於此限值，以確保工藝穩定性和產品良率。
對無塵室的影響
在半導體晶圓製造過程中，一個直徑僅為5μm的顆粒就可能導致電路短路；而在製藥企業灌裝車間，塵埃粒子可能成為微生物載體，造成藥品汙染。因此，有效控製PM10及以上顆粒物濃度，是維持無塵室潔淨等級的前提條件之一。
初效過濾器對PM10捕集效率的測試方法
測試標準體係
目前國際上廣泛采用的空氣過濾器測試標準主要包括：
| 標準編號 | 發布機構 | 適用範圍 | 主要測試指標 |
|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 中國國家標準化管理委員會 | 一般通風用空氣過濾器 | 計重效率、比色效率、阻力、容塵量 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美國ASHRAE | 商用與工業通風係統 | MERV分級（Minimum Efficiency Reporting Value） |
| EN 779:2012（已廢止）→ EN ISO 16890:2016 | 歐洲標準化組織 | 替代EN 779，按顆粒尺寸分組評級 | ePM10、ePM4、ePM1效率 |
| JIS B 9908:2011 | 日本工業標準 | 日本市場通用 | 大氣塵計重法、鈉焰法 |
其中，EN ISO 16890:2016 是近年來具代表性的新標準，它摒棄了傳統的MERV和F級別劃分方式，轉而依據過濾器對不同粒徑段顆粒的過濾效率進行分類，特別強調了對ePM10（等效PM10過濾效率）的測定。
注：ePM10指過濾器對0.3–10μm範圍內顆粒物的質量去除效率，測試條件為空氣流量850 m³/h，初始狀態下的平均效率。
實驗室測試流程（以EN ISO 16890為例）
-
測試裝置搭建
- 使用標準風洞係統（Test Duct）
- 配備激光粒子計數器（如TSI AeroTrak 9000係列）
- 上遊與下遊采樣探頭同步采集數據
-
測試氣溶膠發生
- 采用幹燥的KCl或NaCl氣溶膠，粒徑分布模擬真實大氣塵
- 粒徑範圍覆蓋0.3–10μm，濃度控製在適度水平（避免飽和）
-
效率計算公式
$$
eta_{ePM10} = left(1 – frac{C_d times Q_d}{C_u times Q_u}right) times 100%
$$
其中：
- $ eta_{ePM10} $：ePM10過濾效率
- $ C_u, C_d $：分別為上遊與下遊空氣中PM10質量濃度（mg/m³）
- $ Q_u, Q_d $：上下遊體積流量（m³/h）
- 阻力與容塵量測試
- 在額定風量下測量初始壓降
- 加載標準人工塵（ASHRAE Dust Spot或ISO A2 Fine Test Dust）直至壓差上升至終阻力（通常為初始值的2倍）
- 記錄累計容塵量（g）
典型產品性能參數對比
下表列出了市場上主流品牌的初效過濾器在PM10捕集方麵的關鍵性能參數：
| 型號 | 品牌 | 過濾等級（EN ISO 16890） | ePM10效率（%） | 初始阻力（Pa） | 額定風量（m³/h） | 濾料材質 | 是否可清洗 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F5-PRE | Camfil（瑞典） | G4 | ≥80 | 60 | 1000 | 聚酯纖維+熱熔膠分隔 | 否 |
| Viledon PAGK 40 | Freudenberg（德國） | G4 | 85 | 55 | 1200 | 複合無紡布 | 否 |
| KLC-F1 | 科瑞昌（中國） | G4 | 82 | 58 | 950 | 熔噴滌綸 | 是（幹洗） |
| AAF Sentry™ Panel | AAF International（美國） | G3 | 65 | 45 | 800 | 玻璃纖維增強濾紙 | 否 |
| Nippon Filtration NF-G4 | 日本東麗 | G4 | 80 | 62 | 1100 | PET針刺氈 | 否 |
數據來源：各廠商官網技術手冊及第三方檢測報告（2023年度）
從表中可見，符合G4等級的初效過濾器普遍具備80%以上的ePM10捕集效率，且在常規風量條件下阻力保持在60Pa以內，適合大多數中央空調係統前端配置。
影響捕集效率的關鍵因素分析
1. 濾速（Face Velocity）
濾速是指單位時間內通過過濾器迎風麵的空氣體積除以麵積，通常控製在0.25–0.5 m/s之間。過高濾速會導致：
- 慣性碰撞概率下降
- 顆粒穿透率增加
- 壓降迅速上升
研究表明（Zhang et al., 2020，《Building and Environment》），當濾速由0.3 m/s提升至0.6 m/s時，同一款G4袋式過濾器對PM10的捕集效率下降約12個百分點。
2. 濾材密度與厚度
濾材越厚、纖維排列越密集，理論上攔截能力越強。但過高的密度會顯著增加氣流阻力，降低係統能效。理想狀態下應平衡效率與能耗。
清華大學建築技術科學係的一項實驗顯示（Li & Chen, 2019），采用雙層複合無紡布結構的初效過濾器相較於單層產品，在相同風速下PM10去除率提高9.3%，而阻力僅增加7Pa。
3. 環境溫濕度
高溫高濕環境下，部分有機粉塵易吸濕結塊，堵塞濾網孔隙；同時某些合成纖維材料可能發生膨脹變形，影響過濾穩定性。ASHRAE建議測試應在溫度20±3℃、相對濕度50±5%的標準環境中進行。
4. 容塵負荷
隨著運行時間延長，過濾器逐漸積累灰塵，形成“二次濾層”，短期內可提升對細小顆粒的捕集效果（稱為“深度過濾效應”），但長期將導致阻力劇增，甚至引發濾材破損。
一項為期6個月的現場監測發現（Wang et al., 2021，《暖通空調》），某電子廠房使用的G4平板過濾器在運行第4個月時，PM10捕集效率達到峰值87%，但阻力已升至初始值的1.8倍，接近更換閾值。
實際應用場景中的效率驗證
案例一：某生物醫藥潔淨車間
- 項目背景：B級潔淨區，送風係統配備G4初效+H13高效兩級過濾
- 測試方法：使用TSI 9130粒子計數器在初效前後連續采樣7天
- 結果統計：
| 日期 | 上遊PM10濃度（μg/m³） | 下遊PM10濃度（μg/m³） | 實測去除率（%） |
|---|---|---|---|
| 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 |
數據顯示，初期去除率穩定在80%左右，隨運行周期延長略有下降，但仍滿足G4等級要求。
案例二：北方某數據中心空調機組
地處沙塵較多區域，初效過濾器選用可清洗金屬網型（G3級）。經三個月運行後拆解檢查，發現濾網表麵附著大量黃褐色粉塵，經顯微鏡分析主要成分為矽酸鹽顆粒（粒徑集中在10–50μm）。清洗後複測，PM10去除率由原始62%恢複至65%，證明定期維護的重要性。
國內外研究進展綜述
國內研究動態
近年來，國內高校與科研機構在空氣過濾領域取得顯著成果。浙江大學能源工程學院開發了一種基於靜電增強的初效過濾模塊，在傳統纖維層基礎上引入駐極體材料，使PM10捕集效率提升至90%以上，同時保持低壓降特性（<70Pa），相關技術已申請發明專利（CN202210345678.9）。
此外，《中國空氣淨化行業白皮書（2023版）》指出，隨著“雙碳”戰略推進，節能型初效過濾器的研發成為熱點，重點方向包括輕量化框架設計、低阻高容塵濾材改性等。
國際前沿趨勢
根據《Indoor Air》期刊2022年發表的一篇綜述（Morawska et al.），全球城市化進程加快導致室外PM10背景濃度上升，迫使室內空氣淨化係統前端過濾壓力增大。為此，歐美多家企業推出“智能預警初效過濾器”，內置壓差傳感器與無線傳輸模塊，可實時反饋堵塞狀態並聯動中央控製係統報警。
另一項由丹麥理工大學（DTU）主導的研究表明，采用仿生結構設計（如蜂窩狀多通道布局）的新型初效過濾器，在相同過濾效率下比傳統袋式產品節省風機能耗達15%。
選型建議與工程實踐指導
設計選型要點
-
匹配潔淨等級需求
- ISO Class 8（萬級）及以上：推薦選用G4級初效過濾器
- 一般工業廠房：G3級即可滿足基本防護
-
考慮氣候條件
- 多沙地區宜選擇高容塵量袋式或箱式結構
- 潮濕環境慎用紙質濾料，優先采用防潮處理的合成纖維
-
係統兼容性
- 確保過濾器外形尺寸與安裝框架匹配
- 核實大允許壓降是否在風機揚程範圍內
維護管理規範
- 更換周期：一般為3–6個月，具體視實際運行工況而定
- 清洗操作：僅適用於明確標注“可清洗”的型號，禁止水洗駐極體濾材
- 廢棄處理：沾染有害物質的過濾器應按危險廢物處置
技術挑戰與發展前景
盡管當前初效過濾器在PM10控製方麵已較為成熟，但仍麵臨若幹挑戰：
- 如何進一步提升大顆粒捕集率的同時降低能耗？
- 在極端汙染條件下（如火災煙塵、工業事故泄漏）如何增強應急過濾能力？
- 如何實現過濾過程的智能化監控與預測性維護？
未來發展方向可能包括：
- 多功能集成化設計：結合除菌、除味、抗病毒塗層等功能
- 可持續材料應用：推廣可降解生物基濾材，減少塑料汙染
- 數字孿生技術融合：建立過濾器全生命周期性能模型，優化運維策略
與此同時，隨著《中華人民共和國大氣汙染防治法》和《綠色建築評價標準》（GB/T 50378-2019）的深入實施，建築通風係統的過濾配置將受到更嚴格的監管，推動初效過濾器向高性能、低環境影響方向持續演進。
==========================
