高效過濾器濾料複合結構對顆粒物截留效率的影響研究 引言 隨著工業化進程的加快以及城市化水平的不斷提升，空氣汙染問題日益嚴重，尤其是可吸入顆粒物（PM10、PM2.5）和超細顆粒物（UFPs）對人體健康構...
高效過濾器濾料複合結構對顆粒物截留效率的影響研究
引言
隨著工業化進程的加快以及城市化水平的不斷提升，空氣汙染問題日益嚴重，尤其是可吸入顆粒物（PM10、PM2.5）和超細顆粒物（UFPs）對人體健康構成重大威脅。在醫療、製藥、電子製造、潔淨室及核電等對空氣質量要求極高的領域，高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air, HEPA）已成為保障室內空氣質量的核心設備。其中，濾料作為過濾器的核心功能部件，其性能直接決定了整個係統的過濾效率與使用壽命。
近年來，單一材質濾料已難以滿足複雜工況下的多尺度顆粒物捕集需求，因此複合型濾料結構逐漸成為研究熱點。通過將不同材料、孔徑、電荷特性或物理結構進行優化組合，複合濾料能夠在保持較低壓降的同時顯著提升對微米級乃至納米級顆粒物的截留能力。本文旨在係統探討高效過濾器中濾料複合結構的設計原理、關鍵參數及其對顆粒物截留效率的影響機製，並結合國內外新研究成果，分析不同類型複合結構的實際應用效果。
一、高效過濾器濾料的基本分類與工作機理
1.1 濾料的主要類型
目前廣泛應用於HEPA過濾器中的濾料主要包括以下幾類：
| 濾料類型 | 主要材料 | 特點 | 適用粒徑範圍 |
|---|---|---|---|
| 玻璃纖維濾料 | 硼矽酸鹽玻璃纖維 | 耐高溫、化學穩定性好、機械強度高 | 0.3 μm以上 |
| 聚丙烯熔噴濾料 | 聚丙烯（PP） | 成本低、易加工、帶靜電增強吸附 | 0.1–10 μm |
| 靜電駐極濾料 | 改性聚丙烯、PET等 | 具有永久電荷，提高亞微米顆粒捕集效率 | <1 μm |
| 複合多層濾料 | 玻璃纖維+熔噴PP+無紡布支撐層 | 結構穩定、綜合性能優異 | 0.01–10 μm |
資料來源：《空氣過濾技術》（張立誌，2018），ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)
1.2 過濾機理概述
高效濾料主要依靠以下四種物理機製實現顆粒物的捕集：
- 慣性碰撞（Inertial Impaction）：適用於較大顆粒（>0.5 μm），當氣流方向發生急劇變化時，顆粒因慣性偏離流線而撞擊纖維表麵。
- 攔截效應（Interception）：顆粒隨氣流運動至纖維附近一定距離內即被“攔截”附著。
- 擴散沉積（Brownian Diffusion）：對於粒徑小於0.1 μm的超細顆粒，熱運動劇烈，在靠近纖維時易發生隨機碰撞並被捕獲。
- 靜電吸引（Electrostatic Attraction）：帶電纖維可通過庫侖力主動吸附帶電或中性顆粒，尤其對0.01–0.3 μm區間顆粒效果顯著。
研究表明，複合結構濾料可通過協同上述多種機製，實現全粒徑範圍內的高效截留（Wang et al., 2021）。
二、複合濾料結構設計的關鍵要素
2.1 層狀複合結構設計
層狀複合是當前主流的複合方式，通常由預過濾層、主過濾層和支撐層構成。各層功能分工明確，形成“梯度過濾”體係。
表1：典型三層複合濾料結構參數對比
| 結構層級 | 材料組成 | 厚度（mm） | 克重（g/m²） | 平均孔徑（μm） | 功能定位 |
|---|---|---|---|---|---|
| 預過濾層 | 聚酯無紡布 | 0.3–0.5 | 30–50 | 20–50 | 攔截大顆粒，延長主濾層壽命 |
| 主過濾層 | 熔噴PP + 駐極處理 | 0.8–1.2 | 80–120 | 1–5 | 核心過濾單元，負責微粒捕集 |
| 支撐層 | 玻璃纖維網 + PET背襯 | 0.6–1.0 | 60–90 | — | 提供結構支撐，防止變形 |
數據參考：中國建築科學研究院《潔淨廠房設計規範》GB 50073-2013；美國Donaldson公司技術白皮書（2022）
該結構通過逐級攔截，有效降低了主過濾層的負荷壓力，同時提升了整體容塵量。清華大學李俊華團隊（2020）實驗表明，采用三層複合結構的HEPA濾芯在額定風速下對0.3 μm顆粒的初始效率可達99.97%，且運行100小時後效率下降不足2%。
2.2 納米纖維覆層增強技術
為提升對亞微米顆粒的捕集能力，近年來興起將靜電紡絲製備的納米纖維（直徑50–500 nm）作為表層覆膜的技術。此類覆層具有極高的比表麵積和極小的孔隙尺寸，可顯著增強擴散和攔截作用。
表2：不同覆層結構對過濾性能的影響（測試條件：風速2.0 m/s，NaCl氣溶膠，粒徑0.3 μm）
| 濾料結構 | 初始效率（%） | 初始壓降（Pa） | 容塵量（g/m²） | PM0.1去除率（%） |
|---|---|---|---|---|
| 純熔噴PP | 95.2 | 85 | 12.3 | 68.4 |
| PP + 駐極處理 | 98.6 | 92 | 14.7 | 82.1 |
| PP + 靜電紡PAN納米覆層（200 nm） | 99.8 | 115 | 16.5 | 94.3 |
| 多層梯度納米纖維複合 | >99.99 | 148 | 18.9 | 98.7 |
注：PAN為聚丙烯腈；數據來源於Zhang et al., Separation and Purification Technology, 2023
可見，引入納米纖維覆層雖會略微增加壓降，但過濾精度大幅提升，尤其適用於半導體車間、生物安全實驗室等高潔淨度環境。
2.3 梯度孔隙結構設計
傳統均質濾料存在“表麵堵塞快、深層利用率低”的問題。為此，研究人員提出構建孔隙率由外向內遞增的梯度結構，使顆粒物在穿透過程中逐步沉降，從而延長使用壽命。
日本Toray Industries開發的Gradient Density Filter（GDF）采用雙組分共紡技術，外層為細旦纖維（直徑≤1 μm），內層為粗旦纖維（≥5 μm）。實驗證明，該結構在相同容塵條件下，壓降增長率僅為均質濾料的60%（Suzuki et al., 2019）。
三、複合結構對不同粒徑顆粒物的截留特性分析
3.1 對PM2.5與PM10的過濾表現
PM2.5（空氣動力學直徑≤2.5 μm）和PM10（≤10 μm）是我國空氣質量評價的重要指標。複合濾料憑借其多機製協同作用，在這兩類顆粒物的去除方麵表現出卓越性能。
表3：常見複合濾料對PM2.5/PM10的去除效率比較（依據GB/T 14295-2019標準測試）
| 濾料類型 | PM10去除率（%） | PM2.5去除率（%） | 阻力（Pa）@0.5 m/s | 使用壽命（h） |
|---|---|---|---|---|
| 單層玻璃纖維 | 99.5 | 98.2 | 130 | ~800 |
| 雙層PP+玻纖複合 | 99.8 | 99.0 | 118 | ~1000 |
| 三層梯度複合（含駐極層） | 99.9 | 99.6 | 105 | ~1200 |
| 納米纖維增強複合 | >99.97 | >99.9 | 135 | ~1500 |
結果顯示，複合結構不僅提高了對細顆粒物的捕集能力，還通過優化流場分布降低了單位麵積阻力，提升了能效比。
3.2 對超細顆粒物（UFPs, <0.1 μm）的捕集機製
超細顆粒物因其尺寸接近氣體分子，難以通過慣性或攔截機製有效去除，主要依賴擴散和靜電效應。複合結構中引入駐極體材料或納米纖維層，可極大增強對此類顆粒的捕集能力。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的一項研究指出，帶有駐極處理的複合濾料對0.03 μm顆粒的穿透率可控製在0.02%以下，遠優於未處理樣品的0.3%（Nazaroff et al., 2020）。此外，中科院過程工程研究所（2021）開發的一種TiO₂摻雜駐極複合濾料，不僅具備高效過濾能力，還能在紫外光照下實現部分有機汙染物的光催化降解，拓展了濾料的功能邊界。
四、影響複合濾料性能的關鍵參數分析
4.1 纖維直徑與孔隙結構
纖維直徑直接影響濾料的比表麵積和孔隙分布。一般而言，纖維越細，單位體積內的纖維數量越多，比表麵積越大，有利於提高顆粒物接觸概率。
表4：纖維直徑對過濾性能的影響趨勢
| 平均纖維直徑（μm） | 比表麵積（m²/g） | 0.3 μm顆粒穿透率（%） | 壓降（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（納米級） | 8.0–12.0 | <0.1 | 120–160 |
數據整合自：Filtration & Separation Journal, Vol. 58, Issue 3 (2021)
值得注意的是，過細的纖維會導致結構脆弱、易斷裂，且壓降迅速上升。因此，實際設計中常采用“粗骨架+細功能層”的複合模式以平衡性能。
4.2 濾料厚度與層數配置
適當增加濾料厚度可延長顆粒物在介質中的停留時間，提升捕集概率。然而，厚度過大會導致氣阻過高，影響係統能耗。
表5：不同厚度複合濾料性能對比（測試風速1.0 m/s）
| 總厚度（mm） | 效率（%）@0.3 μm | 初始壓降（Pa） | 容塵量（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 |
建議在常規應用場景中選擇2.5–3.5 mm厚度區間，兼顧效率與能耗。
4.3 表麵電荷密度與駐極穩定性
駐極濾料依靠內部儲存的電荷產生靜電吸引力。電荷密度越高，對微小顆粒的吸附能力越強。但長期使用或高濕環境下電荷易衰減，影響壽命。
德國TÜV認證數據顯示，優質駐極複合濾料在相對濕度80%、連續運行30天後，電荷保留率仍可達初始值的85%以上；而普通產品則可能降至60%以下。因此，選用耐溫耐濕的駐極材料（如氟化聚合物）並輔以封裝保護層，是提升穩定性的關鍵。
五、國內外典型複合濾料產品性能對比
為更直觀展示複合結構的應用成果，選取國內外代表性廠商的產品進行橫向比較。
表6：主流高效複合濾料產品參數一覽
| 品牌/型號 | 國家 | 濾料結構 | 標準效率（%） | 初始壓降（Pa） | 大風速（m/s） | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil NanoCell | 瑞典 | 熔噴PP+納米纖維覆層 | ≥99.995 | 110 | 2.5 | 醫院、數據中心 |
| 3M Filtrete AERUS | 美國 | 多層駐極靜電複合 | ≥99.97 | 95 | 2.0 | 家用空氣淨化器 |
| Honeywell HEPASilent | 美國 | 機械過濾+靜電模塊 | ≥99.97 | 80 | 1.8 | 商用樓宇通風 |
| 蘇州捷風 JF-HEPA80 | 中國 | 玻纖+駐極PP梯度層 | ≥99.99 | 105 | 2.2 | 潔淨室、製藥廠 |
| 上海科欣 KX-NF200 | 中國 | 靜電紡納米纖維複合 | ≥99.999 | 130 | 1.5 | 實驗室、核設施 |
從表中可以看出，歐美品牌注重係統集成與智能調控，而國產高端產品已在核心濾材性能上接近國際先進水平，部分指標甚至實現超越。
六、複合結構優化方向與未來發展趨勢
6.1 智能響應型複合濾料
新興智能材料如溫敏/濕敏高分子、形狀記憶合金纖維正被嚐試用於濾料開發。例如，韓國KAIST團隊研製出一種溫度響應型複合濾料，可在高溫環境下自動收縮孔隙，防止有害氣體滲透（Park et al., 2022）。
6.2 生物兼容與抗菌複合結構
針對醫療環境，添加銀離子、二氧化鈦或殼聚糖等功能材料的抗菌複合濾料受到關注。複旦大學團隊開發的Ag⁺/石墨烯複合塗層濾料，在抑製大腸杆菌和金黃色葡萄球菌方麵表現出>99%的滅活率（Chen et al., 2023）。
6.3 可再生與環保型複合材料
隨著綠色製造理念普及，可降解材料（如PLA聚乳酸）與回收玻璃纖維的複合使用成為新趨勢。歐盟Horizon 2020項目支持的“EcoFilter”計劃已成功試製出生物基HEPA濾材，其生命周期碳排放較傳統產品降低40%以上。
七、結語（略）
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