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空气过滤常识 洁净工程师培训教材 蔡杰，2011 年 2 月 蔡杰/空气过滤常识 2/100 培训教材/2011 空气过滤常识 目 录 前言.4第一章空气过滤基础知识.51.1过滤机理.51.2过滤器效率与阻力.81.3范德瓦尔斯力.131.4典型颗粒物尺度.141.5容尘量.151.6大气中的粉尘.151.7化学过滤器.171.8过滤器的能耗.191.9过滤器不是筛子.191.10思考题.20第二章过滤效率与过滤器规格.232.1过滤效率分级与标识.232.2效率规格比较.262.3一般通风过滤器试验方法.272.4高效过滤器试验方法.302.5常见过滤器规格.352.6过滤器尺寸.4227额定风量.442.8标准化动向.45第三章过滤器选用经验.473.1合理确定各级过滤器效率.473.2选择过滤面积大的过滤器.473.3高效过滤器必须经过逐台检验.483.4各种场所过滤器效率的配置.483.5调整各级过滤器的使用寿命.493.6过滤器没有多功能.493.7过滤器难以应付的场合.503.8清洗与一次性.51蔡杰/空气过滤常识 3/100 培训教材/2011 3.9防火与可燃.513.10洁净室高效过滤器.523.11洁净室 HEPA 过滤器的使用寿命.543.12过滤器误区.543.13典型场所过滤器配置.593.14使用化学过滤器的典型场所.61附录 A 空调与洁净室典型过滤器产品.62袋式过滤器.62有隔板过滤器.62无隔板高效过滤器.63无隔板通风过滤器.64低效率平板过滤器.64高效过滤风口.65滤扇（FFU）.66附录 B 空气过滤器与过滤材料标准目录.67附录 C 其他知识.71C.1 反弹与脱尘.71C.2 拦截.71C.3 液体过滤.71C.4 表面过滤与深层过滤.72C.6 静电过滤.73C.7 化学过滤器饱和之后.73C.8 高效滤纸试验.73C.9 中国早期高效过滤器.74C.10 试验气溶胶对高效过滤器的污染.75C.11 空气粒子计数器.76附录 D（课外读物）高效过滤器试验方法的变迁.78附录 E（课外读物）过滤七嘴八舌.82E.1 相信你自己 .82E.2 CRAA 标准募捐书.87E.3 空气净化新概念.89E.4 流行语.96E.5 大家来过老板瘾.98附录 F 资料性信息.99 蔡杰/空气过滤常识 4/100 培训教材/2011 空气过滤常识 蔡 杰*前言 过滤器是个“口罩”，它应该可靠、好用、顺眼、方便。我靠它吃饭，我说它口罩，没贬它的意思。过滤器诸多性能中，“可靠”应排在第一。过滤器伺候高精尖，性能靠不住，其他一切免谈。当用户对新技术或新创意的可靠性存在疑虑，他宁可保守些，选择经过多年实践确认可靠的老产品。数据也要可靠，过滤性能靠检测，说效率 99.99%，它就得是 99.99%，谁测都这数儿。其次是“好用”。芯片厂要求无挥发物；涂装厂要求无硅酮；去年一买主儿要防火，今年他改戏要环保可焚烧；路北纺织厂要防静电，对面化纤厂指定静电过滤。每个用户都有特定要求，过滤器要跟得上那些要求。第三是“顺眼”。过滤器是个简单配件，但使用场所万般讲究。为此，过滤器得贵族些，比如，生产环境像那么回事儿，检验手段得齐全。第四是“方便”。这是指，通用性强，操作简单，供货便利，交流容易。笔者曾搞过滤理论研究，在而后的产品推销活动中，习惯性地拿理论说事儿，说多了，发现挂嘴边儿的就那么一小段，即第一章开头的“过滤机理”。实际应用中，新技术不多，但新名词儿年年有。您得勤给过滤器换标签，否则卖不动。有些“戏说”收在附录 E 中，正文和其他附录中也有些。读者没必要对我的调侃认真。同过滤器打交道，更多靠经验。经验中，常见的就那么几条，如：效率的含义和试验方法，合理确定各级过滤器效率，预过滤器的优劣影响下一级过滤器的使用寿命，选择有效面积大的过滤器。针对国内现状，本文特别提到些本土经验，例如：高效过滤器必须经过逐台检测，过滤器没有多功能。这份讲义主要摘自笔者的专著 空气过滤 ABC（中国建筑工业出版社，2002 年 10 月）。洁净工程师资格培训，我负责空气过滤器的教材，从 2003 年到现在，这是第 6 版。培训教材本应规矩些，可我野路子，真规矩了别人反倒觉得不正常。培训，不管组织者是协会学会官办民间，不论听众是教授打工仔还是专家老总，我只有这一份讲义。我鼓励读者挑这份讲义的毛病。本人掌握过滤技术的过程就是个不断挑毛病的过程。挑书本毛病，挑制造商毛病，挑设计师毛病，挑施工队毛病，挑操作工毛病，挑老总毛病。当然，挑自己毛病最方便。挑毛病成瘾了，您就能挑到点子上，您就专家了。*蔡杰，1954 年生，男，汉族，钳工，博士，自由职业。主要工作领域：热能工程，空气净化，设施农业。E-mail： 蔡杰/空气过滤常识 5/100 培训教材/2011 第一章 空气过滤基础知识 第一章 空气过滤基础知识 1.1 过滤机理 过滤机理 1.1.1 碰撞并粘住 空气中的尘埃粒子，或随气流运动，或作无规则运动，或受某种场力的作用而移动。当运动中的粒子撞到障碍物，粒子与障碍物表面间存在的范德瓦尔斯力使他们粘在一起。1.1.2 纤维过滤材料 空气过滤材料应能：既有效地拦截尘埃粒子，又不对气流形成过大阻力。无规则排列的纤维材料符合这些要求。杂乱交织的纤维形成对粉尘的无数道屏障，纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过，见图 1-1。1.1.3 惯性原理 大粒子在气流中作惯性运动。气流遇障绕行，粒子因惯性偏离气流方向并撞到障碍物上，见图 1-2。粒子越大，惯性力越强，撞击障碍物的可能性越大，因此过滤效果越好。图 1-1 过滤材料与粉尘的电镜照片 蔡杰/空气过滤常识 6/100 培训教材/2011 图 1-2 粉尘撞击过滤材料示意 1.1.4 扩散原理 小粒子作无规则的布朗运动，见图 1-3。小粒子因无规则的布朗运动撞击障碍物，见图1-2。对无规则运动作数学处理时使用传质学中的“扩散”理论，所以有扩散原理一说。粒子越小，无规则运动越剧烈，撞击障碍物的机会越多，因此过滤效果越好。气体分子 小颗粒物 图 1-3 气体分子与小颗粒物的运动轨迹 1.1.5 效率随尘粒大小而异 小于 0.1 m（微米）的粒子布朗运动剧烈，主要作扩散运动，粒子越小，撞击过滤介质的几率越大，因此过滤效率越高；大于 0.3 m 的粒子主要作惯性运动，粒子越大，效率越高。在惯性和扩散都不显著的 0.1 m0.3 m之间，效率有一处最低点，该粒径大小的粉尘最难过滤。见图 1-4。扩散惯性图 1-4 过滤效率与粒径的关系 过滤效率惯性为主粉尘粒径扩散为主最难过滤的粉尘最低效率蔡杰/空气过滤常识 7/100 培训教材/2011 1.1.6 阻力 纤维使气流绕行，产生微小阻力。无数纤维的阻力之和就是过滤器的阻力。过滤器阻力随气流量的增加而提高，通过增大过滤材料面积，可以降低穿过滤材的相对风速，以减小过滤器阻力。1.1.7 动态性能 被捕捉的粉尘与滤材成为一体，相当于滤材密实了。于是，使用中过滤器的阻力逐渐增加，过滤效率略有改善。被捕捉的粉尘大都聚集在过滤材料的迎风面上。滤料面积越大，能容纳的粉尘越多，过滤器的使用寿命越长。1.1.8 过滤器报废 滤材上积尘越多，阻力越大。当阻力大到设计所不允许的程度时，过滤器的寿命就到头了。有时，过大的阻力会使过滤器上已捕捉到的灰尘飞散，出现这种危险时，过滤器也该报废。1.1.9 静电 若过滤材料带静电或粉尘带静电，过滤效果可以明显改善。其原因：静电使粉尘改变运动轨迹并撞向障碍物，静电力增加材料与粉尘间的粘接力。图 1-5 粉尘通过驻极体（静电）滤材示意 1.1.10 其他机理 见附录 B。静电蔡杰/空气过滤常识 8/100 培训教材/2011 1.2 过滤器效率与阻力 过滤器效率与阻力 1.2.1 过滤效率 空气过滤器的“过滤效率”是被捕捉的粉尘量与过滤器上游空气含尘量之比：效率的意义看似简单，但它的数值却因试验方法的不同而大不一样。在决定过滤效率的因素中，粉尘“量”的含义多种多样，由此计算和测量出来的效率数值也就五花八门。实用中，有粉尘的总重量、粉尘的颗粒数量；有时是针对某一典型粒径粉尘的量，有时是所有粒径粉尘的量；还有用特定方法间接地反映浓度的采样纸的不透明度（比色法）、荧光量（荧光法）；有某种状态下的瞬时量，也有发尘试验全过程变化效率值的加权平均量。对同一只过滤器采用不同的方法进行测试，测得的效率值就会不一样。各国家、各厂商使用的试验方法不统一，对过滤器效率的解释和表达大相径庭。离开试验方法，过滤效率无从谈起。为了省事并减少误解，实用中有些用代号表示效率的方法，那些代号既明确了试验方法，也确定了效率指标。例如：HEPA、高中效、MERV9、H13、U15，等等。厂商为了向各种背景的用户推销产品，随心所欲地使用效率标识。如果您一定要知道具体的效率数值，请别忘记指定试验方法和计算方法。对各种效率的详细解释见第二章。高效过滤器试验发展史的非官方介绍见附录 D。1.2.2 过滤器阻力 过滤器对气流形成阻力。过滤器积灰，阻力增加，当阻力增大到某一规定值时，过滤器报废。新过滤器的阻力称“初阻力”；对应过滤器报废的阻力值称“终阻力”，见图1-6。工程设计中，常需要个名义阻力，习惯的做法是取初阻力和终阻力的平均值。终阻力的选择直接关系到过滤器的使用寿命、系统风量变化范围、系统能耗。一般情况下，终阻力的选取是空调设计师的事。有经验的工程师可以根据现场情况改变原设计的终阻力值。多数情况下，一般通风过滤器使用现场的终阻力控制在初阻力的 24 倍；高效过滤器终阻力是初阻力的 1.52 倍。上游空气含尘量下游空气含尘量上游空气含尘量过滤器捕集粉尘量过滤效率=1阻力时间终阻力初阻力报废 图 1-6 过滤器阻力 蔡杰/空气过滤常识 9/100 培训教材/2011 低效率过滤器常使用粗纤维滤料，由于纤维间空隙大，过大的阻力有可能将过滤器上的积灰吹散，此时，阻力不再增高，但过滤效率降为零，见图 1-9。因此，要严格限制 G4 以下过滤器的终阻力值。表 1-1 中给出一些建议的终阻力，它来自经验，没多少道理好讲。过滤器达到终阻力，可能意味着要立刻更换过滤器，也可能意味着要做计划在明天、下星期、或下个月更换过滤器。使用者怎样看待终阻力取决于现场具体规定和操作者的经验，终阻力的取值高低也取决于使用者对终阻力的解释。1.2.3 阻力监测 每个过滤段都应安装阻力监测装置。终阻力要靠仪表判定，不能仅凭操作者的感觉。1.2.4 例外情况 少数情况下，过滤器的使用寿命靠人为规定，而不是靠终阻力。例如，生物安全实验室进行新菌种试验前可能要更换过滤器；有些微生物敏感企业每年梅雨过后更换过滤器。如果没有阻力监测装置，那只好人为规定过滤器更换周期。出现这种情况，操作者与上司、供应商与用户、技术与生产之间，有扯不清的皮。表 1-1 终阻力建议值 过滤效率规格 中国 CRAA（欧洲 EN）建议终阻力 Pa 常用名称 G3 75200 CRAA 粗效，国标粗效 G4 150250 CRAA 粗效，国标中效 F5F6 250300 CRAA 中效，国标中效 F7F9 300400 CARR 中效，国标高中效 Y10Y12（E10E12）400450 CRAA 亚高效，国标亚高效 高效和超高效 400600，或 1.52 倍初阻力HEPA 和 ULPA 注：若无特别说明，本讲义中的效率规格使用CRAA规格。蔡杰/空气过滤常识 10/100 培训教材/2011 1.2.5 使用期间效率与阻力变化 多数情况下，使用中过滤器的阻力不断攀升，效率也有所增加。这是由于，粉尘成为附加的滤材，见图 1-7 和图 1-8。图 1-7 粉尘在过滤材料上的堆积 几种典型的效率与阻力变化见图 1-9图 1-13。图 1-8 粉尘在过滤材料上的堆积，计算机模拟 蔡杰/空气过滤常识 11/100 培训教材/2011 图 1-11 某些低效率过滤器的效率与阻力 图 1-12 效率与阻力周期波动的过滤器 效率不断上升，过滤器寿命将尽时，效率比最高值略有 自动卷绕式过滤器，带自动清灰功能的过滤装 下降。置。阻力效率时间时间阻力时间时间效率终阻力上限阻力下限阻力 图 1-9 大多数过滤器的效率与阻力变化 图 1-10 某些很低效率过滤器的效率与阻力变化新过滤器，阻力增长缓慢，而后增长速度加快。纤维间空隙大，过滤风速高，纤维间堆积的粉尘可能被吹过滤器的终阻力定在迅速增长之前。散。过滤器终阻力定在粉尘被吹散风险的阻力之下。效率时间时间阻力阻力时间时间效率终阻力100%终阻力蔡杰/空气过滤常识 12/100 培训教材/2011 图 1-9 给出的效率上升趋势是实验室测量情况。多年来，人们认为现场使用中过滤器的效率也是这样变化的。近些年，有人对此提出质疑，并通过监测表明，过滤器的现场效率曲线变化并不那么规矩，见图 1-14，对带静电的化纤过滤材料来说，现场曲线与实验曲线相差比较大。图 1-14 实验效率曲线与现场使用情况 阻力时间时间效率过滤效率使用时间实验室试验曲线使用现场情况图 1-13 效率下降的过滤器 过去曾有人盲目地为化纤滤材加静电，而滤材的静电不稳定，致使效率迅速下降。静电过滤器（或称电子过滤器）因极板集灰电场减弱也会出现效率下降现象。但下降不像本图所示那样明显。蔡杰/空气过滤常识 13/100 培训教材/2011 1.3 范德瓦尔斯力 范德瓦尔斯力 两个物体接触时，表面间存在一种微小的引力，它不是人们熟悉的万有引力，不是磁力，也不是静电力，它是一种分子与分子、分子团与分子团之间的力，课本上管它叫“范德瓦尔斯力”，或“范德华力”。从微观上讲，单个原子或分子中带负电的电子云有个中心，带正电的原子核也有个中心，当这两个中心不重合，就产生电偶矩。单个偶极可能瞬息万变，也可能相对稳定，但多个偶极凑在一起，就会对周围物体产生引力。这种引力很微弱，其量值比化学键小 12 个数量级。它的作用区间也很窄，距离大了引力消失；距离太近（7）时电子云重叠，相邻分子又互相排斥。粉笔末留在黑板上，因为范德瓦尔斯力可以对付那些粉末；粉笔头不会被黑板粘住，因为与重力相比，范德瓦尔斯力微不足道。空气中的粉尘互相碰撞，因范德瓦尔斯力而合为一体，聚成大颗粒粉尘，即所谓“凝并”。室内的粉尘撞到墙上并留在那里，使壁面“褪色”或形成黑渍。粗糙表面因粉尘的接触面大，更容易粘住粉尘。在过滤器中的过滤介质是迷宫，置身其中的粉尘比平时有更多机会撞击障碍物，并因过滤介质中无处不在的范德瓦尔斯力而留下来。在特定情况下，静电力也参与捕捉粉尘的过程。如果过滤介质带静电，过滤效果会明显改善，其原因之一是静电力使粉尘改变轨迹而撞击障碍物，之二是静电力比范德瓦尔斯力更容易将粉尘粘住。粉尘也可以被人为地加上静电，使他们容易被其他物体吸附，例如静电过滤器和电除尘器。范德瓦尔斯力太小，我们感觉不到，但我们可以注意到它的存在。玻璃窗上沾灰，那是范德瓦尔斯力。房间装修的褪色，那也是。房间不打扫，屋内挂满“蜘蛛网”。那“蜘蛛网”跟蜘蛛没关系。室内空气中有很多纤维状粉尘，来自服装、纸张等。纤维粉尘接触天花板，因范德瓦尔斯力粘在那里。下一根纤维粉尘撞上前一根纤维，也挂在那。纤维多了，就搭成蜘蛛网了。不信，您可以做个实验：蜘蛛编的网有强度，而粉尘搭成的蜘蛛网一碰就散。图 1-15 范德瓦尔斯力作用范围 0距离受力蔡杰/空气过滤常识 14/100 培训教材/2011 1.4 典型颗粒物尺度典型颗粒物尺度 美国斯坦福研究所（Stanford Research Institute）的研究人员曾勾画了一张粉尘颗粒度比较图，几十年来，那张图被广泛引用，斯坦福研究所也在不断地修改、补充那张图。图 1-16就是那张著名的图表。图 1-16 典型颗粒物尺度 0.00010.0010.010.1101100100010000引发肺病的颗粒物海盐核碱雾高空粉尘面粉花粉冶金粉尘与烟雾烟草烟雾碳黑海滩细沙接触硫磺奶粉煤尘颜料粉末细菌毛发病毒燃烧核气喷液滴成人红血球,7.5m 0.3m喷雾器雾化水滴滑石粉氧化锌烟雾杀虫药粉矿砂粉碎性煤粉沉降硫磺燃油烟雾燃烧飞灰水泥灰尘漂白粉松香烟雾肥料，石灰0.01(1A)0.00010.001(1nm)颗粒物尺寸，m0.1110(1mm)1001000(1cm)10000大气悬浮物霾云与云雾细雨雨雾状液态烟固态滴状尘土壤黏土空气颗粒物颗粒物技术定义淤泥细沙粗沙沙砾X射线紫外线近红外线远红外线微波太阳辐射电磁波典型颗粒物与气体分子雾粒度分析方法凝结核计数器电导测量光散射机械方法，千分尺，卡尺等吸附色谱扫描法X光衍射光透射肉眼可辨浊度法超速离心分离沉降法离心法淋洗法电子显微镜超微显微镜普通显微镜撞击采样电子筛分筛分估计平均粒径，但不能 测量粒径分布。经过特殊标定后，可以 测量粒径分布。空气净化方法超声波分离（工业上很少应用）沉降室旋风除尘湿法除尘布袋除尘器过滤床普通过滤器高性能过滤器惯性除尘装置热沉降（只用于采样）机械除尘静电吸附颗粒物尺寸，m(1nm)(1A)(1mm)(1cm)H2气态分子直径CO0时气态分子当量直径O2F2CO2C4H6Cl2N2C4H10SO2H2OHClCH4胶体氧化硅艾肯核（高空凝雾核）可见光植物孢子oo蔡杰/空气过滤常识 15/100 培训教材/2011 1.5 容尘量 容尘量 容尘量是过滤器在特定试验条件下容纳特定试验粉尘的重量。这里的“特定”是指：a.标准试验风洞，以及相关试验与测量设备；b.比实际大气粉尘颗粒大得多的“标准尘”；c.委托方与试验方商定、或标准规定的试验方法与试验数据处理方法；d.委托方与试验方商定的终止试验条件。容尘量与过滤器实际容纳粉尘的重量没有直接对应关系，孤立的容尘量数据对用户没任何意义。例如，一只过滤器的试验容尘量为 600 g，实际使用中它可能会容纳 2.5 kg 的大气粉尘；另一只的容尘量为 900 g，到你手里它也许只能兜住 1.5 kg 粉尘。只有试验条件和试验粉尘相同时，才能根据容尘量数据来估计哪只过滤器会比另一只的使用寿命更长一些。专业实验室和过滤器厂在评估一般通风过滤器产品时，对过滤器进行破坏性发尘试验，其目的是按相关试验标准评价过滤器在试验全过程的平均效率，容尘量是这类试验得出的一批数据中的一个数据。试验者可以利用大量历史数据来比较过滤器的优劣，若试验条件相同，各实验室间的数据可以对比。外人很难搞清容尘量数据的实际意义。欧美一些标准中规定的试验终止条件是：阻力达到初阻力的 2 倍或更高时；瞬时过滤效率低于最高效率值的 85%时。大多数过滤器的阻力只升不降，只有用蓬松的粗纤维（10 m）材料制成的低效率过滤器可能出现第 2 种情况。显然，试验时终阻力定得越高，得到的容尘量数值就越大。所以，委托人和试验者要明确规定终止试验的条件，否则，容尘量数据就没多少意义。欧洲 EN 779:2002 标准规定的 F 级过滤器终止试验的阻力为 450 Pa，这个数据远远高于 2 倍初阻力，但那是效率试验而不是容尘量试验。中国标准只规定对“粗效”过滤器进行发尘试验，其目的是获得计重效率而不是容尘量。欧美标准规定的试验粉尘俗称 ASHRAE 尘，见附录 F，其主要成分为“AC 细灰”，AC细灰如今纳入了国际标准，称“ISO A2”细灰。那是美国亚利桑那盐河谷荒漠地带的浮尘（Arizona Road Dust），在 AC 细灰中混入规定比例的细炭黑和短纤维后就成了 ASHRAE 尘。中国曾规定用黄土高原的浮尘，日本规定用自己的“关东亚黏土”1.6 大气中的粉尘 大气中的粉尘 1.6.1 粉尘粒度分布 在自然界，微小粉尘因布朗运动相互碰撞而聚成大颗粒，大颗粒粉尘又因重力而沉降，碰撞不那么频繁、又不容易沉降的粉尘相对稳定地悬浮在大气中。室外空气中，按颗粒数量计 99.9%的粉尘粒径小于 1 m；若按重量计，占总重量 50%95%的粉尘小于 10 m。古时候，粉尘主要来自于自然界的运动，如刮风、火山、森林大火、海浪、花粉、大气蔡杰/空气过滤常识 16/100 培训教材/2011 光化学反应。现代，人类活动扬起大量灰尘，如燃烧、工业污染、建筑活动、汽车、核试验。与祖先相比，我们遇到的粉尘，数量多了，粒径小了，性质也不那么友好了。空气中的氮氧化物和碳氢化合物，遇到阳光照射，产生光化学反应，气体分子变成颗粒物。反应多了，就形成“霾”。天气预报中总是将霾列为“可吸入颗粒物”污染，但它重要来源可能是氮氧化物和碳氢化合物污染。1.6.2 粉尘浓度的差异 城市空气污染主要源于人的活动。城市人口多寡直接影响市区空气含尘浓度。粗略地讲，城市越大，污染越严重。由于采暖和气候干燥，北方城市冬季的大气含尘量明显高于其他季节。雨季，由于雨水的洗涤，空气中的粉尘浓度低于其他季节。多数情况下，室内粉尘颗粒浓度和重量浓度都比室外高，室内的粉尘颗粒更小。从健康角度考虑，室内环境会比室外恶劣。海浪和海水蒸发产生微小盐粒（氯化钠），沿海地区盐雾浓度高。城市的空气微生物浓度并不比乡村高，但城市中对人体有害的空气微生物浓度高。当北京的沙尘暴严重到中午汽车需要开大灯时，其浓度高达到 10 mg/m315 mg/m3。1.6.3 可吸入颗粒物 人的鼻子是个“过滤器”，那里的鼻毛、分泌物和黏膜可以将大多数大于 10 m 的粉尘过滤掉，只有小于 10 m 的颗粒物才可能进入气管和肺部。因此，官方将“可吸入颗粒物”定义为“空气中10 m 的颗粒物”，标为 PM10。空气中的全部粉尘量为“总悬浮颗粒物”，去掉其表 1-2 典型环境粉尘数量浓度 场所 浓度，粒/升 香烟燃烟 高速公路 城市 乡间小路 乡村 海洋 北极 100 亿 10 亿 1 亿 1000 万 100 万 10 万 1 万 图 1-17 大气粉尘浓度分布示意 粉尘粒径，m污染严重0.1粉尘数量10.010.00110轻微污染过滤器对付的粉尘 图 1-18 城市人口与粉尘浓度 优秀城市普通环保脏乱差0.010.111101001000城市人口，万粉尘浓度，mg/m3蔡杰/空气过滤常识 17/100 培训教材/2011 中 10 m 以上的粉尘，剩下的就是“可吸入颗粒物”。另有人说2.5 m 的颗粒物更容易进入肺部，对人更有害，于是将可吸入颗粒物定义为2.5 m 的物质，标为 PM2.5。对于室外环境，国家标准（GB3095-1996 环境空气质量标准）规定的总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物见表 1-3。国家标准（GB/T18883-2002 室内空气质量标准）规定，室内环境中可吸入颗粒物 PM10 的浓度应0.15 mg/m3。表 1-3 大气平均颗粒物与空气质量级别（GB3095-1996）空气质量级别 总悬浮颗粒物，mg/m3 年平均 0.08 0.20 0.30 日平均 0.12 0.30 0.50 可吸入颗粒物 PM10，mg/m3年平均 0.04 0.10 0.15 日平均 0.05 0.15 0.25 1.6.4 谁关心什么浓度 搞环保的关心粉尘的重量浓度，搞洁净室的关心粉尘的颗粒计数浓度，搞医药和卫生的要额外操心空气微生物的浓度。搞过滤器产品的要应付所有人的提问，所以要对各种浓度指标都有些了解。1.7 化学过滤器 化学过滤器 化学过滤器清除空气中的分子污染物。在通风和空调领域，化学过滤器使用活性炭作为主要过滤材料。化学过滤器的典型应用场所有：芯片厂、核工业、飞机场、环保、博物馆、汽车空调等，有些家电中也使用了化学过滤材料。随着工业发展和城市扩大，我们身边有害气体的浓度在增加，而随着技术进步和生活改善，人们对纯净空气的要求却在提高，于是，人们对化学过滤器的需求也就逐年增加。1.7.1 化学过滤原理 化学过滤器有选择性地吸附有害气体分子，而不是像普通过滤器那样机械地清除杂质。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，其中绝大部分孔径在 5500 之间（1=0.1纳米单位重量材料中微孔的总内表面积可高达 700 m2/g2300 m2/g，也就是说，在一个米粒大小的活性炭颗粒中，微孔的内表面积相当于一个大客厅内墙面。根据材料的处理方法，活性炭吸附分“物理吸附”和“化学吸附”。习惯上，人们将没有明显化学反应的吸附称为物理吸附，这种吸附主要靠的是范德瓦尔斯力。空气中沸点高（常温或更高）的游离分子接触活性炭后，有些在微孔中凝聚成液体并蔡杰/空气过滤常识 18/100 培训教材/2011 因毛细管原理呆在那儿，有些填满与分子尺寸相当的微孔而与材料成为一体。大气中的氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氩气等主要成分的沸点都很低，活性炭管不了他们。普通活性炭是疏水性材料，所以对水蒸汽的吸附能力也有限。从原则上讲，所有多孔物质都是吸附材料，活性炭并不是惟一的，但活性炭吸附的那些物质刚好是空调领域要对付的那些有害气体。物理吸附难以有效地清除所有化学污染物，有些场合，人们对活性炭材料进行化学处理，以增强他们对特定污染物的清除能力。经化学处理而使材料与有害气体产生化学反应的吸附称化学吸附。活性炭靠范德瓦尔斯力抓到气体分子，材料上的化学成分与污染物起反应，生成固体成分或无害的气体。进行化学处理的主要方法是在活性炭中均匀地掺入特定的试剂，所以经化学处理的活性炭也称“浸渍炭”。除吸附外，多孔材料本身可以成为促进化学反应的催化剂（参与反应但材料本身不消耗），例如对臭氧的催化，也可以作为其他催化剂的载体。涉及吸附时，空气中的有害气体称“吸附质”，活性炭为“吸附剂”。在吸附剂抓住吸附质的同时，也会有部分吸附质逃离。使用过程中，吸附能力会不断减弱，当减弱到某一程度，过滤器报废。如果仅为物理吸附，用加热或水蒸汽熏蒸的办法可使有害气体脱离活性炭，使活性炭再生。1.7.2 活性炭材料 活性炭材料分颗粒炭、粉炭、纤维炭。传统的颗粒活性炭有煤质炭、木质炭、果壳炭、骨炭。纤维活性炭由含碳有机纤维制成。它的孔径小（50）、吸附容量大、吸附快、再生快。常用的纤维基材有酚醛、植物纤维、聚丙烯腈、沥青。有时，人们将粉炭或纤维炭粘在其他材料上或混入其他材料中，再加工成型。普通木炭和焦炭本身就是多孔物质，人们最初使用的吸附材料就是那些普通炭。为了增加吸附性能，人们对普通炭进行“活化”，使材料中的微孔更多、更小，活化后的炭就是活性炭。除活性炭之外，硅胶、氧化铝、沸石等也是吸附材料。与活性炭相比，那些材料或吸水、或成本高、或比表面积小而不宜被用来做空气过滤材料。在自然界，大地是最好的吸附材料。1.7.3 吸附性能 吸附容量。单位质量吸附剂所能吸附污染物的最大量称吸附容量。不同材料的吸附容量会不同；同一材料对不同气体的吸附容量会不同；温度、背景浓度改变，吸附容量也会变化。所有吸附材料中，活性炭的吸附容量最大。滞留时间。空气穿过吸附剂的时间称滞留时间。滞留时间越长，吸附越充分。为保持足够的滞留时间，吸附材料要足够厚，过滤风速要尽可能低。使用寿命。新材料附效率高，使用中效率不断衰减，当过滤器下游有害气体接近允许的浓度极限时，过滤器报废。报废前的使用时间就是使用寿命，也称有效防护时间。蔡杰/空气过滤常识 19/100 培训教材/2011 选择性。一般说来，在物理吸附中易被吸附的有：分子量大的气体、沸点高的气体、挥发性有机气体。若经化学浸渍，吸附材料还可以清除平时难以对付的气体，或突出对某类气体的吸附能力。1.7.4 化学过滤器的选用 影响化学过滤器吸附效果和使用寿命的主要因素有：污染物的种类和浓度、气流在过滤材料中的滞留时间、空气的温度和湿度。实际选用时，要根据污染物种类、浓度和处理风量等条件，确定过滤器形式和吸附剂种类。缺少可信检测数据时，可以比较过滤器中活性炭材料的多少来粗略估计过滤器的能力。例如，一只迎风面为 610 mm610 mm 过滤器中含 30 kg 最普通的颗粒活性炭，另一只所谓高科技新产品中含 2 kg 活性炭，那个高科技的单位吸附容量可能比普通颗粒炭大许多，但它的使用寿命只是那只普通颗粒炭过滤器的 1/51/10。借用个偏激的外行话：重量决定一切。通过监测过滤器前后污染物的浓度变化，可以判定活性炭是否应更换。但目前国内尚无实用、方便的监测手段，因此，用户只能按规定周期或凭经验决定活性炭过滤器的使用寿命。活性炭本身发尘。活性炭过滤器的上下游均应设置普通过滤器，其效率规格应不低于 F7。上游过滤器防止灰尘堵塞活性炭材料；下游过滤器拦住活性炭本身的发尘。活性炭很便宜，活性炭过滤器的制作也很简单。但空调工程师中明白化学的人并不是很多，所以化学过滤器（绝大多数是活性炭过滤器）的选用需要专家参与。1.8 过滤器的能耗 过滤器的能耗 空气过滤器阻截空气中的污染物，当然也就阻挡空气。于是，过滤器对气流有阻力。过滤器阻力乘以体积风量，就是过滤器自身的能耗。若气流的动力源自电能，上述能耗还要除以一个能源系数，即电能转换成机械能的比率。例如，对于风量 36 000 m3/h 的通风系统，过滤器阻力 300 Pa，能源系数为 75%，过滤器的能耗就是：kW 4 m/sN 000475%1Pa300s/h6003/hm000363=若一刻不停地运行，每年的电耗就是：hkW04035d365h/d24kW 4=1.9 过滤器不是筛子 过滤器不是筛子 筛子，筛孔大小决定颗粒物的去留。例如，100 目（每英寸长度上有 100 个孔）筛网截留 0.25 mm 以上的颗粒物，20 目的纱窗挡蚊子。有个词儿叫“过滤精度”，这使人想到筛子，由此产生了很多误会。蔡杰/空气过滤常识 20/100 培训教材/2011 过滤机理与网筛原理无关。细小颗粒物碰到静止物体，两者表面间的引力将他们粘在一起。如果用电子显微镜观察用过的过滤材料，你会看到，被捕捉的颗粒物比材料的孔隙小的多，如图 1-1 所示。想一想口罩，它可能稀松透亮，但确实挡住了肉眼看不见的微生物。过滤器效率可以是 99%，99.99%，99.99999%，但永远达不到 100%。只是，达到某种程度时，人们就认为它是 100%了。即使是多孔过滤材料如陶瓷、核孔膜，用显微镜看到的孔径可能比较均匀，但他们的孔径也不代表过滤精度。粘住粉尘的力仍是范德瓦尔斯力，粉尘撞击过滤介质的原因仍是惯性和扩散。孔径均匀的材料对大于孔径的杂物有筛阻效果，但它照样能过滤掉比孔径小得多的粉尘。在造纸等行业，人们将多孔材料假想成无数毛细管，并用相应的方法测出毛细管等效“孔径”，用以评估材料的透气性能。试验中，材料表面罩上一层水膜，材料下面接触可调整压力的空气，提高压力，材料上开始鼓气泡。出现第一组气泡时，与气压对应的毛细管直径就是材料的“最大孔径”；继续增压，出现第 N 组气泡时（如第三组），与气压对应的毛细管直径定义为“平均孔径”。材料的孔径是个对应毛细管的假想值，它比被过滤颗粒物大数十倍，孔径与被捕捉颗粒物的粒径之间没有直接对应关系。您可以说，孔径小的那张滤纸比大的过滤效果好些，但您还是不知道具体的过滤效率。液体过滤与气体过滤原理类似，那也不是筛子，也没有绝对的 100%。涉及空气过滤，应该举一反三。但当遇到“精度”、“孔径”等词汇时，请别顾名思义。能解释清楚过滤器不是筛子，您已经是半个过滤专家了。能说服我过滤器确实有点筛子作用（见附录 C 中的“液体过滤”），您已经是专家了。1.10 思考题 思考题 利用前面介绍的过滤常识，可以分析一些因素变化对过滤器性能的影响。表 1-4 是一组练习，表中给出的答案并不绝对正确，它只是帮助读者复习本章介绍的基础知识。工程中，读者根据练习题中的分析思路，估计各种工况参数对过滤性能的影响。蔡杰/空气过滤常识 21/100 培训教材/2011 表 1-4 过滤性能随工况参数的变化 1.10.1 过滤风速的影响 风速提高阻力增加，风速降低阻力减小。对于以惯性运动为主的大颗粒物，风速提高，颗粒物的惯性增大，撞击障碍物的可能性增加，因此过滤效率提高。但惯性大了，障碍物对颗粒物的反弹力也增大，若范德瓦尔斯力不能克服反弹力，颗粒物会跑掉，因此，有时提高风速，过滤器对大颗粒物的过滤效率反而降低。对于以扩散运动为主的小颗粒物，过滤效率取决于颗粒物在过滤介质中的滞留时间，滞留时间缩短（提高风速），颗粒物撞击障碍物的几率减小，过滤效率越低。若材料带静电，过滤效率取决于气流在材料中的滞留时间。过滤风速越低，过滤效率越高，对大、小颗粒物都是如此。带静电材料对过滤风速非常敏感。例如，在 1 cm/s 风速下测量，0.3 m 粉尘的透过率为0.01%（过滤效率 99.99%），将过滤风速提高到 5.3 cm/s 时，测得的透过率为 1.5%（过滤效率仅为 98.5%），透过率差了两个数量级。1.10.2 湿度的影响 一般情况下，改变湿度不会影响过滤器的效率和阻力。但空气湿度很高时，过滤介质可能结露，颗粒物与障碍物的接触表面有一层水膜，两者接触面大了，粘结力也大了，大颗粒物也不再那么容易反弹了，所以对大颗粒物的过滤效率可能会有所改善。参数变化 过滤效率 阻力 说明 小颗粒（扩散）大颗粒（惯性）风速 ()风速加大，惯性增加，气流滞留时间缩短。风速（驻极体）风速加大，气流滞留时间缩短，静电效果减弱。湿度 （湿润）纤维表面湿润后，反弹现象减少。大气 压力 ()()()空调系统用体积流量，动力设备用质量流量，流量单位不同，变化趋势也不同。()()()粉尘 浓度 粉尘浓度对效率无影响。但若试验手段有缺陷，浓度变化可能影响测量值。温度 温度提高，空气黏度提高。蔡杰/空气过滤常识 22/100 培训教材/2011 现实中，如果潮湿到过滤器带水，过滤器的性能可能会发生各种难以预料的变化。例如，对于植物纤维制造的过滤纸，如果纸的抗水性欠佳，水使纸张变软，纤维压缩，过滤器的阻力会迅速增加，直到过滤器被堵死。再例如，高效过滤器带水，粉尘会被水运送到材料的背风面，风干后，过滤器成了发尘器。1.10.3 大气压力的影响 设想空气是一锅粥。压力降低，粥稀了（黏度降低）。颗粒物在稀薄的介质中更容易走直线（惯性），过滤器对大颗粒物过滤效率提高。粥稀了，小颗粒物的布朗运动更自由，撞击过滤介质的几率也越高，所以过滤效率也越高。对空调来说，可能没必要考虑大气压力变化对过滤器的影响。但对有些用途，必须考虑大气压力与过滤器阻力的关系。对制氧机、燃气轮机来说，设备的输出取决于吸入空气的质量而不是体积风量。对于上海与海拔 1900 m 的昆明，同样输出的设备所需的体积风量大不相同。海拔升高，大气压降低，为保证出功，要提高体积风量来保证质量风量。于是，过滤器阻力会提高，效率也会因体积风量加大而相应改变，其变化趋势与体积风量不变是的趋势正相反。搞空调的人常在的岗位在工厂的动力部门，遇到以空气为原料的动力设备，有可能在体积风量与质量风量上乱套。1.10.4 粉尘浓度的影响 理论上讲，粉尘浓度对过滤性能没有影响。但许多实验员坚持认为粉尘浓度影响过滤效率，因为他们一改变试验台的发尘浓度，测出的过滤效率值就会漂移。这里，实验员要处理的是试验设备的误差，而不是过滤器性能真有什么变化。1.10.5 温度的影响“设想空气是一锅粥。温度提高，粥变稀了，流动性好了，过滤器对那锅粥的阻力就小了”。我在课堂上讲这番话，北方讲课时是“一锅粥”，到了广东改“一锅汤”。我自以为那种比喻很形象。一次，一位学员说蔡工您错了，应该是温度上升空气黏度增加。我一查手册，果真是那样，空气与液体的黏度系数变化趋势不一样。那位学员是同济大学的叶海博士。我狡辩，说温度对空气黏度的影响微乎其微。但我确实错了。蔡杰/空气过滤常识 23/100 培训教材/2011 第二章 过滤效率与过滤器规格 第二章 过滤效率与过滤器规格 历史原因，行业原因，地域原因，试验方法原因，过滤效率的定义多种多样。撇开方法，仅仅一个效率值，不能说明任何东西。为了交流的方便，人们赋予过滤效率简单的标识体系。本章介绍中国市场上目前可能遇到的各种标识体系和试验方法，并介绍过滤器的各种规定和惯用规格。2005 年以来，过滤器的标准化活动很活跃。本章的最后介绍国内和国外的标准化活动。2.1 过滤效率分级与标识 过滤效率分级与标识 2.1.1 欧美情况 美国最先搞出过滤器效率试验方法标准。20 世纪 70 年代，当时的西欧学了美国的试验方法，并顺便加了个 EU 标识