論口罩防霧霾的效果

鄭元昊

摘 要：霧霾對(duì)人體的健康產(chǎn)生了不良影響。不少人為了健康，戴口罩出行。本文從理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，口罩對(duì)于防霧霾的效果。

關(guān)鍵詞：霧霾；口罩

1 前言

空氣污染是經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的負(fù)面效應(yīng)之一。這個(gè)代價(jià)所有人都得承擔(dān)。人們?yōu)榱俗陨斫】?，戴口罩出門，以此來達(dá)到防霧霾的效果。但是也有人質(zhì)疑此種做法，稱口罩纖維的篩孔遠(yuǎn)大于PM2.5的顆粒，對(duì)于防霧霾根本沒有效果。本文主要從理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析，口罩對(duì)于凈化空氣的作用。

2 口罩防霧霾的科學(xué)依據(jù)

2.1 “霧霾”的物理性質(zhì)

粒子的分類：粉塵——固體物質(zhì)的細(xì)小微粒。煙——由燃燒和凝結(jié)生成的細(xì)小微粒。煙霧——是煙的一個(gè)類型，由升華，凝結(jié)，氧化而形成。霧——由水蒸氣及其他氣體凝結(jié)而成的懸浮液滴。

粒子的形狀：近似立方體——粒子的3個(gè)方向的尺寸有大致相同的大??；板狀——在兩個(gè)方向上有比第3個(gè)方向上更大的尺寸；針狀——在一個(gè)方向上有比其他方向更大的長度。

粒徑分布：通過直方圖、頻率和累計(jì)百分?jǐn)?shù)、密度函數(shù)來估算粒徑分布，有時(shí)也利用單一粒徑來描述氣溶膠的粒子分布，如形態(tài)直徑、中位直徑和平均直徑。

粒徑分布函數(shù)：正態(tài)分布——符合正態(tài)分布的氣溶膠是極少見的，但它是各種分布的基礎(chǔ)；對(duì)數(shù)正態(tài)分布——是廣泛使用的分布，可用來描述大氣中氣溶膠及生產(chǎn)過程中的粉塵；具有塵粒上限的對(duì)數(shù)正態(tài)分布——描述最大粒徑適用，如噴霧的粒徑分布；韋布爾分布——適用生產(chǎn)過程中的粉塵，具有一極限最小粒徑的氣溶膠分布；洛森-萊姆萊爾分布——用來描述比較粗的粉塵和霧是韋布爾分布的特殊情況；洛萊爾分布——描述粉狀工業(yè)材料；貫山-棚澤分布——霧化產(chǎn)生的氣溶膠。

氣溶膠粒子粒徑范圍的分類：自由分子區(qū)、過渡區(qū)、滑動(dòng)區(qū)、連續(xù)區(qū)。

2.2 纖維過濾理論

過濾就是借助于多孔介質(zhì)從分散介質(zhì)中分離分散粒子的過程。對(duì)于氣溶膠粒子的纖維過濾，參與過濾的因素為分散介質(zhì)、分散粒子和纖維材料。

分散粒子以以下因素決定其特征：粒子的大小，粒子的粒徑分布，粒子形狀、密度，電荷、粒子的化學(xué)組成和濃度。

分散介質(zhì)的因素：氣流速度，氣體密度，絕對(duì)溫度、壓力、粘性和濕度。 纖維材料的因素：幾何尺寸——過濾面積和厚度、纖維的直徑、組成過濾器的纖維結(jié)構(gòu)、過濾器的孔隙率和荷電情況。

過濾過程的基本參數(shù)是收集效率、過濾阻力和容塵特性（更換與再生的時(shí)間）。分為穩(wěn)定過濾和非穩(wěn)定過濾兩個(gè)狀態(tài)。初期屬于穩(wěn)定過濾，隨著容塵量的增加，逐漸進(jìn)入非穩(wěn)定過濾狀態(tài)。

纖維過濾器分為充填過濾器和單層過濾器，后者又稱為袋式過濾器，纖維過濾器的捕塵機(jī)理是截留——粒子到纖維的距離小于粒子的半徑時(shí)，被捕獲。

慣性沉降——纖維大多垂直放置在氣流方向上，在纖維附近氣流流線發(fā)生彎曲，由于粒子的慣性，粒子將不隨流線的彎曲而射向纖維并沉降到纖維表面。隨著粒子直徑的增大和氣流流速的增加，慣性沉降作用也隨之增大。

擴(kuò)散沉降——由于布朗運(yùn)動(dòng)，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不予氣體流線一致，粒子從氣流中可以擴(kuò)散到纖維上并沉降到纖維的表面，直徑越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯，擴(kuò)散沉降越顯著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，將從而是粒子的軌跡偏離流線軌跡接觸到纖維表面而沉降。

靜電沉降——過濾器中的纖維和流經(jīng)過濾器的粒子都有可能帶電，由于庫侖力的作用，也同樣可以發(fā)生粒子在纖維上的沉降。

總之，粒子在纖維上的沉降室?guī)讉€(gè)捕獲機(jī)理共同作用的結(jié)果，其中有一兩個(gè)占優(yōu)勢(shì)，而總的沉降效率是單一沉降機(jī)理沉降效率的函數(shù)。

2.3 真正有效過濾因素

當(dāng)顆粒非常微小的時(shí)候，物理的阻隔（類似與篩孔）將對(duì)顆粒物起的作用非常有限。真正起作用的是及其微小的顆粒物在布朗擴(kuò)散（顆粒物的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)），攔截（來不及隨著氣流改變方向，正好撞上），碰撞（這里特別注意湍流的影響，比如說圓柱擾流的影響）、重力沉降等等過程中，撞上了過濾層的物質(zhì)，被吸附了。

為什么能夠被吸附？各種微觀的力起作用，主要是范德華力，這個(gè)力對(duì)于細(xì)顆粒來說很大的，由于顆粒物本來就小，基本上撞上就會(huì)聚集起來，當(dāng)然，可能還有電磁力等等。舉個(gè)極端一點(diǎn)的例子，用一個(gè)吸管吸空氣，當(dāng)吸管夠長，氣流夠湍，有可能一點(diǎn)顆粒物都吸不到。

3 口罩防霧霾的效果

3.1 口罩的過濾性能

為了回答這個(gè)問題，有一位叫Jeremy Langrish的科學(xué)家發(fā)表了科學(xué)研究。他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣來模仿街邊的空氣污染，然后讓它的排氣穿過不同的口罩。然后用檢測儀檢測通過口罩后出來的空氣有多少顆粒物。他的測試儀能測到0.007?m的顆粒，比PM2.5的2.5?m小多了。

在使用棉布口罩后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，捕捉了28%的顆粒。接著采用普通醫(yī)用口罩，測試效果為40%～60%之間。然后是自行車口罩，結(jié)果表明能夠阻擋80%的顆粒物。最后是我們平時(shí)購買的3M口罩，結(jié)果最為優(yōu)秀，成功阻擋了95%以上的顆粒物。

結(jié)論顯而易見，口罩可以捕捉特別微小的顆粒。

3.2 關(guān)于口罩的密封性

有不少人認(rèn)為，測試是在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行的，就算口罩能捕捉顆粒，我們戴上的時(shí)候密封性太低了，所以沒用。關(guān)于這個(gè)質(zhì)疑，有研究人員再一次進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明?？谡值倪^濾效果并沒有受到影響。但還是有人提出，實(shí)驗(yàn)是外國人做的，外國人臉型和亞洲人不一樣，所以，亞洲人的效果沒那么好。于是實(shí)驗(yàn)人員又一次針對(duì)亞洲人臉型進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)表明，效果確實(shí)沒有那么好，但是效果也只是差了1%。所以，選擇口罩的時(shí)候，大小是否適合自己的臉型也是影響口罩效果的因素之一。

3.3 口罩更換頻率

有人指出，戴口罩會(huì)很浪費(fèi)，戴一兩天就扔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新的口罩和戴了2周的口罩，數(shù)據(jù)相差不到1%，效果幾乎沒有差別。所以，一個(gè)口罩戴上2周至少是沒有問題的。

參考文獻(xiàn)

[1]李衛(wèi)軍，邵龍義.霧霾和沙塵污染天氣氣溶膠單顆粒研究[M].科學(xué)出版社，2013.

（作者單位：山東省新泰市第一中學(xué)北校）