论口罩防雾霾的效果

郑元昊

摘 要：雾霾对人体的健康产生了不良影响。不少人为了健康，戴口罩出行。本文从理论和实验数据分析来看，口罩对于防雾霾的效果。

关键词：雾霾；口罩

1 前言

空气污染是经济发展带来的负面效应之一。这个代价所有人都得承担。人们为了自身健康，戴口罩出门，以此来达到防雾霾的效果。但是也有人质疑此种做法，称口罩纤维的筛孔远大于PM2.5的颗粒，对于防雾霾根本没有效果。本文主要从理论依据和实验结果来分析，口罩对于净化空气的作用。

2 口罩防雾霾的科学依据

2.1 “雾霾”的物理性质

粒子的分类：粉尘——固体物质的细小微粒。烟——由燃烧和凝结生成的细小微粒。烟雾——是烟的一个类型，由升华，凝结，氧化而形成。雾——由水蒸气及其他气体凝结而成的悬浮液滴。

粒子的形状：近似立方体——粒子的3个方向的尺寸有大致相同的大小；板状——在两个方向上有比第3个方向上更大的尺寸；针状——在一个方向上有比其他方向更大的长度。

粒径分布：通过直方图、频率和累计百分数、密度函数来估算粒径分布，有时也利用单一粒径来描述气溶胶的粒子分布，如形态直径、中位直径和平均直径。

粒径分布函数：正态分布——符合正态分布的气溶胶是极少见的，但它是各种分布的基础；对数正态分布——是广泛使用的分布，可用来描述大气中气溶胶及生产过程中的粉尘；具有尘粒上限的对数正态分布——描述最大粒径适用，如喷雾的粒径分布；韦布尔分布——适用生产过程中的粉尘，具有一极限最小粒径的气溶胶分布；洛森-莱姆莱尔分布——用来描述比较粗的粉尘和雾是韦布尔分布的特殊情况；洛莱尔分布——描述粉状工业材料；贯山-棚泽分布——雾化产生的气溶胶。

气溶胶粒子粒径范围的分类：自由分子区、过渡区、滑动区、连续区。

2.2 纤维过滤理论

过滤就是借助于多孔介质从分散介质中分离分散粒子的过程。对于气溶胶粒子的纤维过滤，参与过滤的因素为分散介质、分散粒子和纤维材料。

分散粒子以以下因素決定其特征：粒子的大小，粒子的粒径分布，粒子形状、密度，电荷、粒子的化学组成和浓度。

分散介质的因素：气流速度，气体密度，绝对温度、压力、粘性和湿度。 纤维材料的因素：几何尺寸——过滤面积和厚度、纤维的直径、组成过滤器的纤维结构、过滤器的孔隙率和荷电情况。

过滤过程的基本参数是收集效率、过滤阻力和容尘特性（更换与再生的时间）。分为稳定过滤和非稳定过滤两个状态。初期属于稳定过滤，随着容尘量的增加，逐渐进入非稳定过滤状态。

纤维过滤器分为充填过滤器和单层过滤器，后者又称为袋式过滤器，纤维过滤器的捕尘机理是截留——粒子到纤维的距离小于粒子的半径时，被捕获。

惯性沉降——纤维大多垂直放置在气流方向上，在纤维附近气流流线发生弯曲，由于粒子的惯性，粒子将不随流线的弯曲而射向纤维并沉降到纤维表面。随着粒子直径的增大和气流流速的增加，惯性沉降作用也随之增大。

扩散沉降——由于布朗运动，粒子的运动轨迹不予气体流线一致，粒子从气流中可以扩散到纤维上并沉降到纤维的表面，直径越小，布朗运动越明显，扩散沉降越显著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，将从而是粒子的轨迹偏离流线轨迹接触到纤维表面而沉降。

静电沉降——过滤器中的纤维和流经过滤器的粒子都有可能带电，由于库仑力的作用，也同样可以发生粒子在纤维上的沉降。

总之，粒子在纤维上的沉降室几个捕获机理共同作用的结果，其中有一两个占优势，而总的沉降效率是单一沉降机理沉降效率的函数。

2.3 真正有效过滤因素

当颗粒非常微小的时候，物理的阻隔（类似与筛孔）将对颗粒物起的作用非常有限。真正起作用的是及其微小的颗粒物在布朗扩散（颗粒物的无规则运动），拦截（来不及随着气流改变方向，正好撞上），碰撞（这里特别注意湍流的影响，比如说圆柱扰流的影响）、重力沉降等等过程中，撞上了过滤层的物质，被吸附了。

为什么能够被吸附？各种微观的力起作用，主要是范德华力，这个力对于细颗粒来说很大的，由于颗粒物本来就小，基本上撞上就会聚集起来，当然，可能还有电磁力等等。举个极端一点的例子，用一个吸管吸空气，当吸管够长，气流够湍，有可能一点颗粒物都吸不到。

3 口罩防雾霾的效果

3.1 口罩的过滤性能

为了回答这个问题，有一位叫Jeremy Langrish的科学家发表了科学研究。他设计了一个实验，用柴油发动机排出的废气来模仿街边的空气污染，然后让它的排气穿过不同的口罩。然后用检测仪检测通过口罩后出来的空气有多少颗粒物。他的测试仪能测到0.007?m的颗粒，比PM2.5的2.5?m小多了。

在使用棉布口罩后，实验数据显示，捕捉了28%的颗粒。接着采用普通医用口罩，测试效果为40%～60%之间。然后是自行车口罩，结果表明能够阻挡80%的颗粒物。最后是我们平时购买的3M口罩，结果最为优秀，成功阻挡了95%以上的颗粒物。

结论显而易见，口罩可以捕捉特别微小的颗粒。

3.2 关于口罩的密封性

有不少人认为，测试是在实验环境下进行的，就算口罩能捕捉颗粒，我们戴上的时候密封性太低了，所以没用。关于这个质疑，有研究人员再一次进行了数据测试，实验结果表明。口罩的过滤效果并没有受到影响。但还是有人提出，实验是外国人做的，外国人脸型和亚洲人不一样，所以，亚洲人的效果没那么好。于是实验人员又一次针对亚洲人脸型进行了测试，测试数据表明，效果确实没有那么好，但是效果也只是差了1%。所以，选择口罩的时候，大小是否适合自己的脸型也是影响口罩效果的因素之一。

3.3 口罩更换频率

有人指出，戴口罩会很浪费，戴一两天就扔。实验数据表明，新的口罩和戴了2周的口罩，数据相差不到1%，效果几乎没有差别。所以，一个口罩戴上2周至少是没有问题的。

参考文献

[1]李卫军，邵龙义.雾霾和沙尘污染天气气溶胶单颗粒研究[M].科学出版社，2013.

（作者单位：山东省新泰市第一中学北校）