風速及消殺手段對過濾材料效率影響的研究*

侯筱辰 趙一璇 林秀麗 柳靜獻

(東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110819)

0 引言

隨著經濟和技術的發展，空氣過濾器在通風系統中得到廣泛應用，帶靜電濾料制成的過濾器由于其高效低阻的特性受到歡迎。空氣過濾器可過濾包括病毒在內的微細顆粒物，同時也會成為顆粒物的聚集地，由于無法像口罩一樣隨時更換，因此定期消殺成為許多公共場所和家庭使用者的選擇。加大通風量可以快速稀釋和排走病毒顆粒物[1]，研究人員也提出通過化學消毒法和紫外線消毒法等對醫用口罩消毒重復使用是可行的[2]。過濾器需要保持一定的過濾效率，采取增大通風量和消殺措施后，對過濾器尤其是帶靜電過濾器的過濾性能會有怎樣的影響，這是亟需解答的問題。

有研究表明，纖維類過濾材料[3]和紡粘非織造布與熔噴非織造布組合的復合過濾材料[4]過濾效率均隨風速的增加而降低，且纖維類材料最易穿透粒徑隨風速的增加而減小。目前對消殺的研究多集中在口罩和呼吸器等個體防護裝備上，對靜電材料的研究較少，消殺的方法也集中在異丙醇消毒、紫外線消毒、高溫干蒸和高溫濕蒸等。美國疾病控制與預防中心(CDC)確定了3種最具有前景的方法：蒸汽過氧化氫、紫外線殺菌輻射(UVGI)和濕熱[5-6]，僅針對呼吸器進行評估，或主要針對醫護人員的重復使用。也有研究人員選用紫外線照射、56 ℃干熱、家庭汽蒸、75%酒精浸泡和高壓滅菌等5種方式對一次性醫用口罩進行研究，認為紫外線照射和家庭汽蒸方法較為可靠，可用于有條件的單位或個人對口罩消毒后重復利用[7]。OU Q SH等[8]對商用呼吸器和醫用口罩等的研究表明，經過10個循環后，在UVGI照射5 min和在77 ℃下干熱30 min都不會引起其性能的顯著下降；李王治等[9]研究在40%乙醇溶液作為清洗介質、40 kHz中低頻超聲波清洗作用條件下，KN90級別隨棄式防顆粒物口罩滿足過濾效率和阻力要求，可實現重復利用。

空氣過濾器相較于個人防護用品而言，使用周期長、體積大，常用的清洗消殺手段與口罩等個體防護裝備不同，且常用的空氣過濾器制造材料包括非靜電和帶靜電兩種。考慮消殺的實用性、物品的易獲得性及增大通風量的實際做法，本文主要研究酒精和紫外線這兩種消殺手段，以及消殺與風速變化的協同作用對非靜電和帶靜電兩種空氣過濾材料效率的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

選用兩種非靜電玻璃纖維濾料和兩種帶靜電濾料作為實驗對象，4種濾料的基本參數如表1所示，掃描電鏡如圖1～圖4所示。消殺手段選用75%酒精和紫外線消毒燈(253.7 nm)。

表1 濾料的基本性能參數

圖1 非靜電濾料a掃描電鏡 圖2 非靜電濾料b掃描電鏡 圖3 帶靜電濾料A掃描電鏡 圖4 帶靜電濾料B掃描電鏡

1.2 實驗裝置和方法

過濾性能測試裝置如圖5所示。利用霧化氣溶膠發生器(Tsi 3079)產生KCl顆粒,其中KCl溶液體積分數為1%，產生的KCl顆粒經硅膠干燥劑干燥后，由掃描遷移率粒度儀(DMA，Tsi 3939)選出不同粒徑的顆粒，并通過中和器(Model 3088)進行中和。含顆粒氣流進入內徑為100 mm的管道通過過濾材料進行過濾，濾料前后顆粒物的濃度采用超細冷凝顆粒計數器(CPC，Tsi 3775)測量。采用壓差計(testo 512)測定不同風速下濾料的壓差，采用質量流量計(Model 4046)測定管道內氣流的流量。測試管道上下游都安裝有高效空氣過濾器(HEPA)濾芯用來去除空氣中的顆粒，同時保證進入質量流量計的氣體潔凈。

實驗在3～20 cm/s風速條件下對50～300 nm顆粒進行濾料過濾性能研究，并分別測試濾料的初始潔凈狀態和消殺處理后的狀態。每種測試條件下用各濾料分別測試3次，每次測試時分別對上下游采樣3次，每次采樣1 min。為驗證測試過程未改變濾料的過濾性能，每種條件下測試前后均采用手持壓力傳感器對濾料的阻力進行測定。

消殺處理措施操作有兩種：①用噴壺對濾料正反兩面均勻噴灑75%酒精，放置在潔凈工作臺風干；②將濾料放置在紫外線消毒箱內，照射30 min。

1—氣溶膠發生器；2—干燥管；3—DMA；4—中和器；5—過濾器；6—CPC；7—測試管路；8—壓差計；9—電腦；10—閥門；11—質量流量計；12—風機。圖5 實驗裝置

2 非靜電過濾材料過濾性能實驗

2.1 風速對非靜電濾料過濾性能的影響

非靜電濾料a、b在5種風速條件下對50～300 nm顆粒的穿透率如圖6、圖7所示，可以看出，兩種濾料的穿透率隨風速的增加而增大。風速在3～5 cm/s時，穿透率總體先增大后減小；風速增加到10、20 cm/s時，150 nm以下顆粒的穿透率顯著增大，150～300 nm顆粒的穿透率則隨粒徑的增大緩慢減小。

過濾材料對于顆粒的捕獲是擴散、攔截和慣性碰撞等3種機制共同作用的結果[10]，對不同粒徑顆粒的主要作用機制不同[6,11]。濾料a、b在風速3～5 cm/s內，最易穿透粒徑為100 nm，而在10、20 cm/s風速條件下，100 nm以下顆粒的穿透率明顯增大。這是由于100 nm以下顆粒的主要捕獲機制是擴散，風速的提高減小了顆粒在濾料中的停留時間，降低了顆粒通過擴散與纖維接觸的機會，風速的倍增會造成過濾效率的明顯下降，因此在增加風速的場所需要校核效率變化后的適合性。

圖6 風速對非靜電濾料a穿透率的影響

圖7 風速對非靜電濾料b穿透率的影響

2.2 消殺對非靜電濾料過濾性能的影響

非靜電濾料b在5 cm/s風速下，通過酒精和紫外線兩種消殺手段處理前后穿透率對比結果如圖8所示。可以看出，未經處理非靜電濾料b的穿透率約0.015%，經消殺手段處理后其效率略有下降，經酒精和紫外線照射兩種手段處理后穿透率約0.02%。非靜電濾料對于顆粒物是單一的機械捕獲，實驗結果表明經消殺手段處理后，非靜電濾料的過濾效率仍能得到很好的保持。非靜電濾料b經兩種消殺手段處理后與未處理前的阻力對比如圖9所示，阻力基本未發生變化，兩種消殺手段并未破壞濾料的內部結構。由以上分析可知，非靜電過濾材料的效率主要受風速的影響，受消殺手段的影響很小。

圖8 消殺手段處理前后非靜電濾料b穿透率的變化

圖9 不同風速下非靜電濾料b阻力的變化

3 帶靜電過濾材料過濾性能實驗

3.1 風速對帶靜電過濾材料過濾性能的影響

帶靜電濾料A、B在5種不同風速條件下對50～300 nm顆粒物的穿透率如圖10、圖11所示。當風速≤5 cm/s時，風速的小幅變化對于兩種濾料穿透率的影響都較小，隨著顆粒粒徑的增大，濾料A的穿透率逐漸增大且增速變緩，濾料B的穿透率先增大后減小，最易穿透粒徑為100 nm。當風速為10、20 cm/s時，對于50～300 nm的顆粒物，濾料A、B的穿透率均隨粒徑的增大而增大。由實驗結果可見，風速增加會顯著增大這兩種帶電濾料的穿透率，因此在采用增大風量的策略加快稀釋和排出有害物時，需考慮顆粒物穿透率增大帶來的不利影響。

圖10 風速對帶靜電濾料A穿透率的影響

圖11 風速對帶靜電濾料B穿透率的影響

3.2 酒精消殺對帶靜電濾料過濾性能的影響

75%酒精噴灑前后帶靜電濾料A、B對50～300 nm顆粒物的穿透率變化如圖12、圖13所示。

圖12 酒精處理前后帶靜電濾料A穿透率的變化

圖13 酒精處理前后帶靜電濾料B穿透率的變化

可以看出，兩種帶靜電濾料經酒精處理后穿透率明顯增大。在5 cm/s風速下，經酒精噴灑后兩種濾料過濾效率均低于20 cm/s風速下未經處理濾料的效率。以150 nm顆粒物、5 cm/s風速為例，濾料A的穿透率變為原來的3.2倍，濾料B的穿透率變為原來的11.6倍。有研究表明，有機溶劑酒精通過擴散作用滲透到濾料中使其發生溶脹，溶脹作用造成濾料電荷衰減[12]，而帶靜電濾料對顆粒的過濾是纖維機械阻擋與靜電吸附綜合作用的結果[10]，因此靜電的消減會帶來過濾效率的顯著降低。可以看出，酒精消殺的影響甚至超過了風速增加至4倍(從5 cm/s到20 cm/s)對濾料穿透率的影響。

酒精處理前后濾料A、B阻力曲線如圖14所示。可以看出，濾料A經處理后的阻力與處理前的差異不大，而濾料B經處理后的阻力幾乎與處理前的一致，表明測試過程未改變濾料阻力，經處理后濾料的內部結構未發生改變。

圖14 酒精處理前后帶靜電濾料A、B阻力的變化

3.3 紫外線消殺對帶靜電濾料過濾性能的影響

帶靜電濾料A、B經紫外線燈照射30 min后的穿透率曲線如圖15、圖16所示。

圖15 紫外線照射前后帶靜電濾料A穿透率的變化

圖16 紫外線照射前后帶靜電濾料B穿透率的變化

可以看出，兩種濾料經紫外線照射30 min后穿透率均有增加。以150 nm顆粒、5 cm/s風速為例，經紫外線照射后濾料A的穿透率變為原來的1.5倍，濾料B的穿透率變為原來的3.5倍，紫外線照射對濾料B過濾效率的影響甚至達到了風速增加1倍時(從5 cm/s到10 cm/s，從10 cm/s到20 cm/s)的影響。實驗結果表明，紫外線消殺對于所選兩種帶靜電濾料過濾性能的影響同樣不容忽視，這與前人對帶靜電口罩進行的紫外線消殺實驗結論略有不同。魏聰等[7]實驗表明，一次性醫用口罩經紫外線消殺后效率無顯著變化，實驗所選用的口罩由3層復合結構組成，口罩內外兩層為無紡布，帶靜電材料位于中間層，紫外線穿透力弱，所以紫外線對口罩效率的影響并不顯著；而本研究所選擇的帶靜電濾料A、B直接暴露于紫外線照射下，光線作用強，所以有顯著影響。也有研究指出，紫外線可消除動態紗線所帶靜電，且紫外線輻射也會造成聚合物的降解[13]，而本研究使用的材料為聚丙烯和聚乙烯復合材料。

紫外線照射前后的阻力曲線如圖17所示，處理前后濾料阻力基本保持不變，表明經紫外線照射后濾料內部結構也并未發生變化。

圖17 紫外線照射前后帶靜電濾料A、B阻力的變化

為進一步分析紫外線的影響，考慮到本研究所用帶靜電濾料A、B均為聚丙烯和聚乙烯復合材料，材料在照射過程中與前人對于口罩的研究相比更易被紫外線穿透，故進一步對材料進行夾層照射，擬模仿口罩接受光線照射的情況，結果如圖18所示。

圖18 紫外線照射聚丙烯面和聚乙烯面穿透率的對比

可以看出，當直射材料反面時，過濾效率沒有明顯變化；當直射材料正面時，濾料的過濾性能降低。因此，利用紫外線照射進行帶靜電濾料過濾器消殺時，需要注意過濾器的過濾材料與口罩結構上的區別，考慮由于紫外線照射導致效率降低帶來的影響。

4 結論

(1)過濾材料無論是否帶靜電，過濾效率都隨風速的增加而降低，當風速增加1倍時(從5 cm/s到10 cm/s，從10 cm/s到20 cm/s)，4種濾料的穿透率變為原來的1.6～3.8倍。對于非靜電濾料a、b，風速增加至10 cm/s及以上時，100 nm以下顆粒物的穿透率明顯高于150～300 nm顆粒物的；而對于帶靜電濾料A、B，風速增加至10 cm/s及以上時，50～300 nm顆粒物的穿透率隨粒徑的增大而增大。

(2)酒精和紫外線兩種消殺手段對于非靜電玻璃纖維濾料的過濾性能無明顯影響，風速變化是影響其效率的決定性因素。非靜電濾料制成的過濾器在使用過程中可應用這兩種消殺手段進行消毒處理，但在增大風量時需要考慮對顆粒造成的效率降低影響。

(3)酒精消殺會顯著降低帶靜電過濾材料A、B的過濾效率，其影響甚至超過風速增加至4倍(從5 cm/s到20 cm/s)的影響；與帶靜電外科口罩實驗結果不同，紫外線照射30 min會使靜電過濾材料A、B的過濾效率降低，其影響甚至與風速增加1倍時(從5 cm/s到10 cm/s，從10 cm/s到20 cm/s)的影響相當。在實際應用中，需避免用酒精消殺使用中的過濾器，用紫外線照射消殺時也需評估其對效率的影響。