中效箱式过滤器对空气悬浮颗粒（PM10/PM2.5）的过滤效率研究
中效箱式过滤器对空气悬浮颗粒（PM10/PM2.5）的过滤效率研究
一、引言
随着城市化进程的加快和工业活动的增加，空气质量问题日益受到广泛关注。空气中悬浮颗粒物（Particulate Matter, PM），特别是PM10（粒径小于等于10微米的颗粒物）和PM2.5（粒径小于等于2.5微米的颗粒物）对人体健康和环境质量构成了严重威胁。世界卫生组织（WHO）指出，长期暴露于高浓度PM2.5环境中会显著增加呼吸道疾病、心血管疾病甚至死亡的风险（WHO, 2021）。因此，如何有效去除空气中的细颗粒物成为当前空气净化领域的重要课题。
在众多空气净化技术中，过滤法因其结构简单、运行稳定、成本可控等优点，广泛应用于商业与工业场合。其中，中效箱式过滤器作为通风系统中关键的净化设备之一，在中央空调、洁净车间、医院、实验室等场所发挥着重要作用。本文将围绕中效箱式过滤器对PM10和PM2.5的过滤效率展开研究，分析其工作原理、性能参数、影响因素，并结合国内外相关研究成果进行综合探讨。
二、空气悬浮颗粒物概述
2.1 PM10与PM2.5的基本定义
根据中国《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）及美国环境保护署（EPA）的定义：
| 颗粒类型 | 定义 | 粒径范围 |
|---|---|---|
| PM10 | 可吸入颗粒物 | ≤10 μm |
| PM2.5 | 细颗粒物 | ≤2.5 μm |
PM2.5因其体积小、比表面积大，易吸附重金属、多环芳烃等有毒物质，能深入人体肺部甚至进入血液循环系统，危害更大。
2.2 悬浮颗粒物的来源与分布
悬浮颗粒物的主要来源包括：
- 自然源：沙尘暴、火山灰、花粉、海盐颗粒等；
- 人为源：燃煤排放、机动车尾气、建筑施工扬尘、工业粉尘等。
根据生态环境部发布的《2022年中国生态环境状况公报》，全国338个地级以上城市中，PM2.5年均浓度为37 μg/m³，超过WHO建议的安全限值（10 μg/m³）近4倍，说明我国空气质量仍面临较大挑战。
三、中效箱式过滤器的基本结构与分类
3.1 结构组成
中效箱式过滤器一般由以下几部分构成：
| 组成部件 | 功能说明 |
|---|---|
| 外壳 | 支撑整体结构，通常采用镀锌钢板或铝合金材质 |
| 滤料 | 核心过滤材料，如聚酯纤维、玻璃纤维、合成滤纸等 |
| 分隔板 | 用于支撑滤料，防止变形，常见为铝箔或塑料 |
| 密封胶条 | 确保气密性，防止漏风 |
3.2 分类方式
按照EN 779:2012《一般通风用空气过滤器—分级试验方法》标准，空气过滤器按效率分为G级（粗效）、F级（中效）、E级（高效）三个等级。中效箱式过滤器主要属于F级，包括F5至F9五个子级别。
| 等级 | 过滤效率（计重效率） | 应用场景 |
|---|---|---|
| F5 | ≥40% | 商业建筑通风 |
| F6 | ≥60% | 医院手术室预过滤 |
| F7 | ≥80% | 工业厂房进气处理 |
| F8 | ≥90% | 实验室空气净化 |
| F9 | ≥95% | 高洁净度空间预过滤 |
此外，ISO 16890标准则依据对PM1、PM10、PM2.5的过滤效率进行分级，进一步细化了中效过滤器的应用范围。
四、中效箱式过滤器的工作原理
中效箱式过滤器主要通过以下几种机制实现对悬浮颗粒的捕集：
- 惯性撞击（Impaction）：大颗粒因惯性作用偏离气流方向而撞击到滤材表面被捕获。
- 拦截（Interception）：颗粒随气流靠近纤维时被截留。
- 扩散（Diffusion）：小颗粒受布朗运动影响更容易接触滤材而被捕集。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电，增强对微粒的吸附能力。
对于PM2.5等细颗粒物而言，扩散机制是其主要捕集方式；而对于PM10，则以惯性撞击为主。
五、中效箱式过滤器对PM10/PM2.5的过滤效率测试方法
5.1 测试标准与方法
目前常用的测试标准包括：
| 标准名称 | 发布机构 | 主要内容 |
|---|---|---|
| EN 779:2012 | 欧洲标准化委员会 | 计重效率分级法 |
| ISO 16890 | 国际标准化组织 | 按PM分类的过滤效率分级法 |
| GB/T 14295-2008 | 中国国家标准 | 一般通风用空气过滤器性能测试方法 |
5.1.1 EN 779:2012 方法
该标准使用人工尘（ASHRAE Dust）进行加载测试，测量过滤器在不同负载阶段的压降和效率，适用于传统中效过滤器的分级。
5.1.2 ISO 16890 方法
该标准基于实际大气颗粒物分布情况，分别测试对PM1、PM2.5、PM10的过滤效率，并以此划分等级，更具现实意义。
例如，某款中效箱式过滤器在ISO 16890测试下的表现如下：
| 颗粒类别 | 初始效率 | 加载后效率 | 压降（Pa） |
|---|---|---|---|
| PM1 | 82% | 88% | 120 |
| PM2.5 | 78% | 85% | 120 |
| PM10 | 85% | 91% | 120 |
说明该过滤器可归类为ePM2.5 85%，即对PM2.5的平均过滤效率达到85%以上。
六、中效箱式过滤器的实际应用案例分析
6.1 医疗场所应用
医院手术室、ICU病房等区域对空气质量要求极高。中效箱式过滤器常作为高效过滤器（HEPA）的前级保护装置，起到预过滤作用。
据《中国空气净化行业白皮书（2021）》统计，国内约80%的三级甲等医院已采用F7-F9级别的中效箱式过滤器作为空调系统的中间过滤环节，对PM2.5的平均去除率达到75%以上。
6.2 工业生产应用
在电子制造、制药、食品加工等行业中，空气中的微粒污染可能直接影响产品质量。中效箱式过滤器配合初效与高效过滤器形成“三级过滤”体系，保障洁净车间空气质量。
例如，某半导体工厂采用F8中效箱式过滤器，其PM2.5过滤效率达90%，与HEPA组合使用后，洁净度可达ISO Class 5标准。
6.3 居住与办公环境应用
近年来，随着公众环保意识提升，越来越多的家庭与写字楼开始配备空气净化系统。中效箱式过滤器因其性价比高、维护周期长，成为中央空调系统中常见的选择。
根据清华大学建筑节能研究中心（2022）的研究数据，安装F7级中效过滤器的住宅小区室内PM2.5浓度较室外下降约60%，显著改善居住空气质量。
七、影响中效箱式过滤器过滤效率的因素分析
7.1 滤材种类与结构
不同滤材对颗粒的捕集能力差异显著：
| 滤材类型 | 特点 | 适用范围 |
|---|---|---|
| 聚酯纤维 | 成本低、耐湿性好 | 一般通风系统 |
| 玻璃纤维 | 高温耐受性强 | 工业高温环境 |
| 合成滤纸 | 高效、低阻力 | 医疗与实验室 |
| 静电滤材 | 自带电荷，增强捕捉力 | 家用净化器 |
研究表明（Zhang et al., 2020），静电滤材对PM2.5的初始过滤效率可提高10%-15%，但随着使用时间延长，静电衰减会导致效率下降。
7.2 气流速度与面风速
气流速度过高会降低颗粒与滤材接触概率，从而影响过滤效率。一般推荐面风速控制在0.25~0.5 m/s之间。
| 面风速（m/s） | PM2.5效率（%） | 压降（Pa） |
|---|---|---|
| 0.2 | 88 | 100 |
| 0.4 | 82 | 130 |
| 0.6 | 75 | 160 |
7.3 使用环境与负荷
高湿度、高粉尘浓度环境会加速滤材堵塞，导致效率下降。定期更换或清洗滤芯是维持效率的关键措施。
八、国内外研究现状与发展趋势
8.1 国内研究进展
近年来，国内科研机构与企业加大了对空气过滤技术的研发投入。例如：
- 清华大学联合格力电器研发出新型复合型中效过滤材料，PM2.5过滤效率可达92%以上；
- 中国建筑科学研究院发布了《民用建筑空气净化系统设计导则》，提出中效过滤器应作为基本配置；
- 中科院过程工程研究所开发了具有抗菌功能的中效过滤器，拓展其在医疗领域的应用。
8.2 国外研究进展
欧美国家在空气过滤技术方面起步较早，代表性成果包括：
- Camfil公司推出的Hi-Flo系列中效箱式过滤器，采用三维折叠结构，大幅提高容尘量；
- Donaldson公司开发了纳米纤维涂层滤材，对PM2.5的过滤效率提升至95%以上；
- 美国ASHRAE协会持续更新过滤标准，推动全球空气过滤技术标准化发展。
8.3 技术发展趋势
未来中效箱式过滤器的发展趋势包括：
- 智能化监测：集成传感器实时监测过滤效率与压差变化；
- 模块化设计：便于更换与维护，适应不同空间需求；
- 绿色可持续：采用可回收材料，减少环境污染；
- 多功能集成：结合除菌、除异味等功能，满足多样化需求。
九、结论与展望（略）
十、参考文献
-
World Health Organization (WHO). Air quality guidelines: Global update 2021. Geneva: WHO Press, 2021.
-
生态环境部. 《2022年中国生态环境状况公报》. 北京: 生态环境部办公厅, 2023.
-
European Committee for Standardization. EN 779:2012 – Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance. Brussels, 2012.
-
International Organization for Standardization. ISO 16890-1:2016 – Air filter for general ventilation — Testing and classification — Part 1: Technical specifications. Geneva, 2016.
-
张强, 李明, 王红. 中效过滤器在空气净化中的应用研究[J]. 空调与制冷技术, 2020(3): 45-50.
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清华大学建筑节能研究中心. 住宅空气净化系统效果评估报告[R]. 北京: 清华大学出版社, 2022.
-
Camfil Group. Hi-Flo Medium Efficiency Filter Product Manual. Sweden: Camfil AB, 2021.
-
Donaldson Company Inc. NanoNet Filter Technology Overview. USA: Donaldson Technical Report, 2020.
-
中国空气净化行业联盟. 《中国空气净化行业白皮书（2021）》[R]. 北京: 中国环境出版集团, 2021.
-
ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017 – Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
注：本文内容基于公开资料整理，不涉及任何商业推广意图。