风速及消杀手段对过滤材料效率影响的研究*

侯筱辰 赵一璇 林秀丽 柳静献

(东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110819)

0 引言

随着经济和技术的发展，空气过滤器在通风系统中得到广泛应用，带静电滤料制成的过滤器由于其高效低阻的特性受到欢迎。空气过滤器可过滤包括病毒在内的微细颗粒物，同时也会成为颗粒物的聚集地，由于无法像口罩一样随时更换，因此定期消杀成为许多公共场所和家庭使用者的选择。加大通风量可以快速稀释和排走病毒颗粒物[1]，研究人员也提出通过化学消毒法和紫外线消毒法等对医用口罩消毒重复使用是可行的[2]。过滤器需要保持一定的过滤效率，采取增大通风量和消杀措施后，对过滤器尤其是带静电过滤器的过滤性能会有怎样的影响，这是亟需解答的问题。

有研究表明，纤维类过滤材料[3]和纺粘非织造布与熔喷非织造布组合的复合过滤材料[4]过滤效率均随风速的增加而降低，且纤维类材料最易穿透粒径随风速的增加而减小。目前对消杀的研究多集中在口罩和呼吸器等个体防护装备上，对静电材料的研究较少，消杀的方法也集中在异丙醇消毒、紫外线消毒、高温干蒸和高温湿蒸等。美国疾病控制与预防中心(CDC)确定了3种最具有前景的方法：蒸汽过氧化氢、紫外线杀菌辐射(UVGI)和湿热[5-6]，仅针对呼吸器进行评估，或主要针对医护人员的重复使用。也有研究人员选用紫外线照射、56 ℃干热、家庭汽蒸、75%酒精浸泡和高压灭菌等5种方式对一次性医用口罩进行研究，认为紫外线照射和家庭汽蒸方法较为可靠，可用于有条件的单位或个人对口罩消毒后重复利用[7]。OU Q SH等[8]对商用呼吸器和医用口罩等的研究表明，经过10个循环后，在UVGI照射5 min和在77 ℃下干热30 min都不会引起其性能的显著下降；李王治等[9]研究在40%乙醇溶液作为清洗介质、40 kHz中低频超声波清洗作用条件下，KN90级别随弃式防颗粒物口罩满足过滤效率和阻力要求，可实现重复利用。

空气过滤器相较于个人防护用品而言，使用周期长、体积大，常用的清洗消杀手段与口罩等个体防护装备不同，且常用的空气过滤器制造材料包括非静电和带静电两种。考虑消杀的实用性、物品的易获得性及增大通风量的实际做法，本文主要研究酒精和紫外线这两种消杀手段，以及消杀与风速变化的协同作用对非静电和带静电两种空气过滤材料效率的影响。

1 实验方案

1.1 实验材料

选用两种非静电玻璃纤维滤料和两种带静电滤料作为实验对象，4种滤料的基本参数如表1所示，扫描电镜如图1～图4所示。消杀手段选用75%酒精和紫外线消毒灯(253.7 nm)。

表1 滤料的基本性能参数

图1 非静电滤料a扫描电镜 图2 非静电滤料b扫描电镜 图3 带静电滤料A扫描电镜 图4 带静电滤料B扫描电镜

1.2 实验装置和方法

过滤性能测试装置如图5所示。利用雾化气溶胶发生器(Tsi 3079)产生KCl颗粒,其中KCl溶液体积分数为1%，产生的KCl颗粒经硅胶干燥剂干燥后，由扫描迁移率粒度仪(DMA，Tsi 3939)选出不同粒径的颗粒，并通过中和器(Model 3088)进行中和。含颗粒气流进入内径为100 mm的管道通过过滤材料进行过滤，滤料前后颗粒物的浓度采用超细冷凝颗粒计数器(CPC，Tsi 3775)测量。采用压差计(testo 512)测定不同风速下滤料的压差，采用质量流量计(Model 4046)测定管道内气流的流量。测试管道上下游都安装有高效空气过滤器(HEPA)滤芯用来去除空气中的颗粒，同时保证进入质量流量计的气体洁净。

实验在3～20 cm/s风速条件下对50～300 nm颗粒进行滤料过滤性能研究，并分别测试滤料的初始洁净状态和消杀处理后的状态。每种测试条件下用各滤料分别测试3次，每次测试时分别对上下游采样3次，每次采样1 min。为验证测试过程未改变滤料的过滤性能，每种条件下测试前后均采用手持压力传感器对滤料的阻力进行测定。

消杀处理措施操作有两种：①用喷壶对滤料正反两面均匀喷洒75%酒精，放置在洁净工作台风干；②将滤料放置在紫外线消毒箱内，照射30 min。

1—气溶胶发生器；2—干燥管；3—DMA；4—中和器；5—过滤器；6—CPC；7—测试管路；8—压差计；9—电脑；10—阀门；11—质量流量计；12—风机。图5 实验装置

2 非静电过滤材料过滤性能实验

2.1 风速对非静电滤料过滤性能的影响

非静电滤料a、b在5种风速条件下对50～300 nm颗粒的穿透率如图6、图7所示，可以看出，两种滤料的穿透率随风速的增加而增大。风速在3～5 cm/s时，穿透率总体先增大后减小；风速增加到10、20 cm/s时，150 nm以下颗粒的穿透率显著增大，150～300 nm颗粒的穿透率则随粒径的增大缓慢减小。

过滤材料对于颗粒的捕获是扩散、拦截和惯性碰撞等3种机制共同作用的结果[10]，对不同粒径颗粒的主要作用机制不同[6,11]。滤料a、b在风速3～5 cm/s内，最易穿透粒径为100 nm，而在10、20 cm/s风速条件下，100 nm以下颗粒的穿透率明显增大。这是由于100 nm以下颗粒的主要捕获机制是扩散，风速的提高减小了颗粒在滤料中的停留时间，降低了颗粒通过扩散与纤维接触的机会，风速的倍增会造成过滤效率的明显下降，因此在增加风速的场所需要校核效率变化后的适合性。

图6 风速对非静电滤料a穿透率的影响

图7 风速对非静电滤料b穿透率的影响

2.2 消杀对非静电滤料过滤性能的影响

非静电滤料b在5 cm/s风速下，通过酒精和紫外线两种消杀手段处理前后穿透率对比结果如图8所示。可以看出，未经处理非静电滤料b的穿透率约0.015%，经消杀手段处理后其效率略有下降，经酒精和紫外线照射两种手段处理后穿透率约0.02%。非静电滤料对于颗粒物是单一的机械捕获，实验结果表明经消杀手段处理后，非静电滤料的过滤效率仍能得到很好的保持。非静电滤料b经两种消杀手段处理后与未处理前的阻力对比如图9所示，阻力基本未发生变化，两种消杀手段并未破坏滤料的内部结构。由以上分析可知，非静电过滤材料的效率主要受风速的影响，受消杀手段的影响很小。

图8 消杀手段处理前后非静电滤料b穿透率的变化

图9 不同风速下非静电滤料b阻力的变化

3 带静电过滤材料过滤性能实验

3.1 风速对带静电过滤材料过滤性能的影响

带静电滤料A、B在5种不同风速条件下对50～300 nm颗粒物的穿透率如图10、图11所示。当风速≤5 cm/s时，风速的小幅变化对于两种滤料穿透率的影响都较小，随着颗粒粒径的增大，滤料A的穿透率逐渐增大且增速变缓，滤料B的穿透率先增大后减小，最易穿透粒径为100 nm。当风速为10、20 cm/s时，对于50～300 nm的颗粒物，滤料A、B的穿透率均随粒径的增大而增大。由实验结果可见，风速增加会显著增大这两种带电滤料的穿透率，因此在采用增大风量的策略加快稀释和排出有害物时，需考虑颗粒物穿透率增大带来的不利影响。

图10 风速对带静电滤料A穿透率的影响

图11 风速对带静电滤料B穿透率的影响

3.2 酒精消杀对带静电滤料过滤性能的影响

75%酒精喷洒前后带静电滤料A、B对50～300 nm颗粒物的穿透率变化如图12、图13所示。

图12 酒精处理前后带静电滤料A穿透率的变化

图13 酒精处理前后带静电滤料B穿透率的变化

可以看出，两种带静电滤料经酒精处理后穿透率明显增大。在5 cm/s风速下，经酒精喷洒后两种滤料过滤效率均低于20 cm/s风速下未经处理滤料的效率。以150 nm颗粒物、5 cm/s风速为例，滤料A的穿透率变为原来的3.2倍，滤料B的穿透率变为原来的11.6倍。有研究表明，有机溶剂酒精通过扩散作用渗透到滤料中使其发生溶胀，溶胀作用造成滤料电荷衰减[12]，而带静电滤料对颗粒的过滤是纤维机械阻挡与静电吸附综合作用的结果[10]，因此静电的消减会带来过滤效率的显著降低。可以看出，酒精消杀的影响甚至超过了风速增加至4倍(从5 cm/s到20 cm/s)对滤料穿透率的影响。

酒精处理前后滤料A、B阻力曲线如图14所示。可以看出，滤料A经处理后的阻力与处理前的差异不大，而滤料B经处理后的阻力几乎与处理前的一致，表明测试过程未改变滤料阻力，经处理后滤料的内部结构未发生改变。

图14 酒精处理前后带静电滤料A、B阻力的变化

3.3 紫外线消杀对带静电滤料过滤性能的影响

带静电滤料A、B经紫外线灯照射30 min后的穿透率曲线如图15、图16所示。

图15 紫外线照射前后带静电滤料A穿透率的变化

图16 紫外线照射前后带静电滤料B穿透率的变化

可以看出，两种滤料经紫外线照射30 min后穿透率均有增加。以150 nm颗粒、5 cm/s风速为例，经紫外线照射后滤料A的穿透率变为原来的1.5倍，滤料B的穿透率变为原来的3.5倍，紫外线照射对滤料B过滤效率的影响甚至达到了风速增加1倍时(从5 cm/s到10 cm/s，从10 cm/s到20 cm/s)的影响。实验结果表明，紫外线消杀对于所选两种带静电滤料过滤性能的影响同样不容忽视，这与前人对带静电口罩进行的紫外线消杀实验结论略有不同。魏聪等[7]实验表明，一次性医用口罩经紫外线消杀后效率无显著变化，实验所选用的口罩由3层复合结构组成，口罩内外两层为无纺布，带静电材料位于中间层，紫外线穿透力弱，所以紫外线对口罩效率的影响并不显著；而本研究所选择的带静电滤料A、B直接暴露于紫外线照射下，光线作用强，所以有显著影响。也有研究指出，紫外线可消除动态纱线所带静电，且紫外线辐射也会造成聚合物的降解[13]，而本研究使用的材料为聚丙烯和聚乙烯复合材料。

紫外线照射前后的阻力曲线如图17所示，处理前后滤料阻力基本保持不变，表明经紫外线照射后滤料内部结构也并未发生变化。

图17 紫外线照射前后带静电滤料A、B阻力的变化

为进一步分析紫外线的影响，考虑到本研究所用带静电滤料A、B均为聚丙烯和聚乙烯复合材料，材料在照射过程中与前人对于口罩的研究相比更易被紫外线穿透，故进一步对材料进行夹层照射，拟模仿口罩接受光线照射的情况，结果如图18所示。

图18 紫外线照射聚丙烯面和聚乙烯面穿透率的对比

可以看出，当直射材料反面时，过滤效率没有明显变化；当直射材料正面时，滤料的过滤性能降低。因此，利用紫外线照射进行带静电滤料过滤器消杀时，需要注意过滤器的过滤材料与口罩结构上的区别，考虑由于紫外线照射导致效率降低带来的影响。

4 结论

(1)过滤材料无论是否带静电，过滤效率都随风速的增加而降低，当风速增加1倍时(从5 cm/s到10 cm/s，从10 cm/s到20 cm/s)，4种滤料的穿透率变为原来的1.6～3.8倍。对于非静电滤料a、b，风速增加至10 cm/s及以上时，100 nm以下颗粒物的穿透率明显高于150～300 nm颗粒物的；而对于带静电滤料A、B，风速增加至10 cm/s及以上时，50～300 nm颗粒物的穿透率随粒径的增大而增大。

(2)酒精和紫外线两种消杀手段对于非静电玻璃纤维滤料的过滤性能无明显影响，风速变化是影响其效率的决定性因素。非静电滤料制成的过滤器在使用过程中可应用这两种消杀手段进行消毒处理，但在增大风量时需要考虑对颗粒造成的效率降低影响。

(3)酒精消杀会显著降低带静电过滤材料A、B的过滤效率，其影响甚至超过风速增加至4倍(从5 cm/s到20 cm/s)的影响；与带静电外科口罩实验结果不同，紫外线照射30 min会使静电过滤材料A、B的过滤效率降低，其影响甚至与风速增加1倍时(从5 cm/s到10 cm/s，从10 cm/s到20 cm/s)的影响相当。在实际应用中，需避免用酒精消杀使用中的过滤器，用紫外线照射消杀时也需评估其对效率的影响。