在当前比较常见的几种净化技术里,HEPA净化技术是最为常见的一种,这与它发展较为成熟在去除PM2.5上有不俗表现有关。

HEPA是High Efficient Particulate AirFilters的英文缩写,意为高效空气过滤器,由非常细小的纤维交织形成,对微粒的捕捉能力很强,即使是对直径约为0.3um号称最为调皮微粒的捕捉也可以达到99.9%以上。额定负载风量下,HEPA的入门槛净化效率为99.95%。之所以可以达到如此高的效率,与两点有关。



首先,与它本身的结构有关。用电子显微镜观察HEPA的微观结构,会发现它是一张由直径约0.2~2.0um的纤维交织构成的絮状网。纤维的直径和微粒差不多,加之层层排列错综交织,细小的颗粒物在随气流运动过程中撞上某根纤维并被其吸附难以避免。


其次,与HEPA捕捉微粒的方法有关。除了通过布置“天罗地网”像筛子那样利用介质之间小于粒子直径的缺口对流经的粒子进行拦截外,还有就是借助分子间的范德华力进行“抓取”。

范德华力,发生于分子之间的能聚集分子的一种作用力。由于范德华力的存在,不论微粒是因为惯性运动或是因为做布朗运动(悬浮微粒永不停息地做无规则运动的一种现象,粒子越小,布朗运动就越剧烈)而碰到的纤维,都会被其牢牢吸附,难以逃脱。而且这些被吸附在纤维上的微粒在范德华力的作用下会继续充当【粘钩】,吸附周围过往的微粒(这也叫灰尘搭桥)。

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除了超强捕捉微粒的能力,较大容尘量也是HEPA的一大特点。拆过滤网的大都知道HEPA是前后折叠呈波浪形状,将滤网折叠有助于最大限度增大滤网面积从而扩大滤网的吸附容量,在承载滤网长宽空间固定的条件下。需要注意的是滤网的折层数与褶深度并不能无限度增加,不管是折层数或是深度,都存在一个最佳值,过了这个值,净化效果就开始下降。这里涉及到滤材阻力的概念。


滤材阻力即气流在穿过滤材时发生的能量损失。滤材阻力越小,相同能耗下净化效果越好。


在过滤器外型尺寸一定的情况下,减小褶间距,可以增加滤料面积,降低滤速,进而降低气流穿透滤料的阻力。但随着折层的增加褶间距的缩短,气流通道也在变窄,通道变窄,又会使得气流穿透滤料的阻力增加。一减一增,存在这么一个理想折层数:滤材阻力随折层数的增加达到最低。

同样的道理适用于褶深度。在对过滤器深度尺寸没有要求的情况下,增加滤料褶深度可以有效增加滤料面积,从而降低气流穿透滤料的阻力。但滤料褶深度的增加,同样会导致气流通道内摩擦阻力的增大。


其实,不光是折层数、褶深度会影响滤材阻力,滤料材质的选用对滤材阻力的影响也是存在。当前高效过滤器大都采用玻纤滤纸、聚丙烯(PP)、涤纶树脂(PET)等通过熔喷技术加工制造或是聚四氟乙烯(PTFE)拉延而成。


不同材质有不同的优缺点,底下按时间先后罗列。


玻璃纤维是最传统的,也就是最初用于核工业领域时所使用的滤纸。相比塑料纤维,玻璃纤维具有耐高温、容尘量大、稳定性好、耐用性强、寿命长等特点。但其最重要的优点,是可以保证单次的过滤效率足够高。直到今天,最高效率的U15~U17滤网,基本上还是以玻璃纤维为主。不过玻璃纤维也有缺点:风阻大、高噪音、高能耗以及易碎容易进入肺中对人体造成危害等。


PP纤维的过滤效果最高可以做到H14级别(99.995%)。


PET硬度高,挺度好(对滤网保持形状有好处),性能稳定,容尘量较大。不过PET是10μm以上的粗纤维,空隙大,单次过滤效率比较低,一般只能做到E10-E11级别(85%~95%)。


复合滤纸(PP-PET),即熔喷一层PP再熔喷一层PET,融合了PP的优点和PET的优点:有挺度,容易成型,过滤效率可以达到H13级别(99.95%)。但最大的特点还在于阻力相对纯PP要小很多。

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PTFE,俗称“塑料王”,性能极其稳定。利用拉延方法,将PTFE薄膜拉成类似纤维的多孔膜。PTFE的纤维丝径可以细至0.02-0.05微米(20~50 纳米),是传统玻璃纤维的1/10,也是目前最细的纤维之一。纤维细,使得滤网更细密增加了颗粒物穿过的障碍,在同样过滤效率下,阻力也得以降低很多。但PTFE价格相对较贵,生产技术为少数厂家垄断,暂未普及。


材质的更替衍变,是HEPA技术发展的一个缩影。从20世纪40年代科学领域的应用到20世纪60年代工业领域的普及以及20世纪80年代转向民用领域,至今HEPA已有近80年的历史,发展比较成熟,净化效果显著,产生的『副作用』比较少也比较小,但HEPA技术并非没有缺陷。


首先,HEPA技术能除的污染物只是PM2.5,当然如果将附着在微粒上的细菌病毒也算进去的话,那是不只。当前我们面临的空气污染物,不管是室内或是室外,不仅是PM2.5,还有甲醛甲苯等TVOC、微生物、细菌病毒等。单靠HEPA技术,所能起到的净化效果是有限的,还是需要结合其它的净化技术。


其次,高额的后期维护成本。虽然HEPA技术的容尘量相比其它技术算大,但还是折腾不过严重的空气污染,污染严重点的更换频率2~3个月一次,正常点的也要5~6个月一次。不过高更换频率是导致维护成本高的一个原因却不是唯一原因,高造价是另一个原因,一套滤网的价格有时能达到净化器的10~20%,仔细算算,还真是一笔不小的费用!

Ps:为降低后期维护成本,有人尝试向第三方采购可定制的HEPA回来自个加工,这确实可以大大降低成本,但因为滤材与机子不能完全贴合使得整体密封性降低,不少污浊空气未经净化直接穿过孔隙出去,虽然可以循环过滤,但一定程度仍会降低过滤效率。

 

随着技术的发展,市场的逐渐成熟,解决以上问题也许就在不久后,也许还会迎来其它方面的重大突破。