基於多級濾材的高效過濾器在潔淨室環境中的實踐研究 一、引言 隨著現代工業技術的迅猛發展，尤其是在半導體製造、生物醫藥、精密儀器、航空航天等高技術領域，對生產環境的潔淨度要求日益提高。潔淨室...
基於多級濾材的高效過濾器在潔淨室環境中的實踐研究
一、引言
隨著現代工業技術的迅猛發展，尤其是在半導體製造、生物醫藥、精密儀器、航空航天等高技術領域，對生產環境的潔淨度要求日益提高。潔淨室作為保障產品質量和生產安全的核心空間，其空氣質量控製至關重要。其中，空氣過濾係統是維持潔淨室環境穩定性的關鍵組成部分。高效過濾器（High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）作為潔淨室空氣處理係統中的核心設備，承擔著去除空氣中微粒汙染物的重要任務。
近年來，基於多級濾材結構的高效過濾器因其優異的過濾性能、較長的使用壽命及良好的壓降特性，在潔淨室工程中得到廣泛應用。與傳統單一濾材過濾器相比，多級濾材過濾器通過複合不同材質與層級結構，實現對不同粒徑顆粒物的分級捕集，顯著提升了整體過濾效率與係統穩定性。
本文旨在係統探討多級濾材高效過濾器在潔淨室環境中的應用實踐，分析其結構原理、關鍵技術參數、實際運行效果，並結合國內外研究成果，評估其在不同潔淨等級環境下的適用性與優化策略。
二、多級濾材高效過濾器的技術原理
2.1 過濾機製概述
高效過濾器主要依靠以下四種物理機製實現顆粒物的捕集：
- 慣性碰撞（Inertial Impaction）：較大顆粒因氣流方向改變而撞擊濾材纖維。
- 攔截效應（Interception）：中等顆粒隨氣流運動時與纖維表麵接觸並被捕獲。
- 擴散效應（Diffusion）：微小顆粒（<0.1μm）因布朗運動與纖維碰撞。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：帶電顆粒受濾材靜電場吸引而沉積。
多級濾材結構通過分層設計，使每一層針對特定粒徑範圍的顆粒發揮主導作用，從而實現“逐級淨化”。
2.2 多級濾材結構設計
典型的多級濾材高效過濾器通常由前預過濾層、主過濾層和後防護層構成，各層材料與功能如下表所示：
| 層級 | 材料類型 | 主要功能 | 過濾粒徑範圍（μm） | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 預過濾層 | 聚酯無紡布、玻璃纖維氈 | 捕集大顆粒粉塵（>5μm），延長主濾芯壽命 | >5 | 工業潔淨室、HVAC係統 |
| 主過濾層 | 超細玻璃纖維（HEPA級） | 高效去除0.3μm以上顆粒，過濾效率≥99.97% | 0.3–10 | ISO Class 5及以上潔淨室 |
| 活性炭層（可選） | 椰殼活性炭、改性碳纖維 | 吸附VOCs、異味氣體 | 氣態分子 | 生物製藥、實驗室 |
| 後置防護層 | 熔噴聚丙烯（PP）膜 | 防止濾材脫落，保護下遊設備 | — | 醫療器械裝配 |
該結構設計符合ASHRAE Standard 52.2（美國采暖、製冷與空調工程師學會標準）對多級過濾係統的要求，同時滿足中國國家標準GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》的相關規定。
三、產品關鍵參數與性能指標
為全麵評估多級濾材高效過濾器的性能，需關注以下核心參數：
| 參數名稱 | 定義 | 測試標準 | 典型值範圍 | 說明 |
|---|---|---|---|---|
| 過濾效率（Efficiency） | 對特定粒徑顆粒的去除率 | IEST-RP-CC001.5 / EN 1822 | ≥99.97% @ 0.3μm | HEPA H13級標準 |
| 初始阻力（Initial Resistance） | 新濾器在額定風量下的壓降 | GB/T 13554-2020 | 180–250 Pa | 影響能耗與風機選型 |
| 額定風量（Rated Airflow） | 設計大處理風量 | ISO 16890 | 500–2000 m³/h | 依型號而異 |
| 容塵量（Dust Holding Capacity） | 濾材可容納的總粉塵質量 | JIS Z 8122 | 500–1200 g/m² | 決定更換周期 |
| 泄漏率（Leakage Rate） | 局部穿透率大值 | MIL-STD-282 / EN 1822 | ≤0.01% | 密封性關鍵指標 |
| 使用壽命（Service Life） | 在標準工況下的運行時間 | 實際監測數據 | 12–36個月 | 受環境影響顯著 |
注：上述參數以某國產H13級多級濾材高效過濾器（型號：HF-HEPA-MC8）為例，製造商：蘇州安泰空氣技術有限公司
根據EN 1822:2019《High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)》標準，HEPA過濾器按效率分為H10–H14等級，其中H13級要求對MPPS（易穿透粒徑，約0.12–0.18μm）的過濾效率不低於99.95%，H14級則需達到99.995%以上。多級濾材結構有助於提升對MPPS顆粒的捕集能力，尤其在主過濾層采用納米級玻璃纖維與駐極體技術時，擴散效應顯著增強。
四、多級濾材高效過濾器在潔淨室中的應用實踐
4.1 半導體製造潔淨室案例
在某上海集成電路製造廠的ISO Class 4（原百級）潔淨室中，采用多級濾材高效過濾器組合係統，具體配置如下：
| 過濾階段 | 濾材類型 | 效率等級 | 風量（m³/h） | 更換周期 |
|---|---|---|---|---|
| 初效過濾 | G4級無紡布 | ≥90% @ 5μm | 15,000 | 3個月 |
| 中效過濾 | F8級合成纖維 | ≥85% @ 1μm | 15,000 | 6個月 |
| 高效過濾 | H13級多級濾材 | ≥99.97% @ 0.3μm | 15,000 | 24個月 |
運行數據顯示，在連續運行24個月內，潔淨室內懸浮粒子濃度（≥0.5μm）始終控製在每立方米≤10個，遠優於ISO 14644-1 Class 4標準限值（每立方米≤352個）。同時，係統壓降增長緩慢，年均增幅低於15 Pa，表明多級結構有效延緩了濾材堵塞。
該案例參考了清華大學王如竹教授團隊（2021）在《暖通空調》期刊發表的研究成果，指出多級預處理可降低HEPA濾芯負荷達40%以上，顯著提升係統經濟性[1]。
4.2 生物製藥潔淨室應用
在廣東某GMP認證生物製藥企業A級潔淨區（相當於ISO Class 5），采用集成活性炭層的多級高效過濾器，用於控製微生物與揮發性有機物（VOCs）。設備參數如下：
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 過濾器型號 | CAMF-H13-AC |
| 結構組成 | 預濾層（PET）+ HEPA層（玻纖）+ 活性炭層（椰殼碳） |
| 活性炭填充量 | 1.2 kg/m² |
| VOC去除率（甲苯） | ≥85% @ 1 ppm |
| 微生物截留率 | ≥99.9%（MS2噬菌體測試） |
據《中國藥學雜誌》報道，該係統在為期一年的監測中，潔淨室沉降菌數平均為0.5 CFU/皿（培養基暴露4小時），遠低於GMP A級區≤1 CFU/皿的要求[2]。此外，TVOC濃度從初始的0.3 mg/m³降至0.05 mg/m³以下，顯著改善了操作人員的工作環境。
此結果與美國ASHRAE Journal（2020）中Johnson等人關於“複合過濾係統在生命科學設施中的應用”研究結論一致，強調了多級濾材在氣溶膠與氣態汙染物協同控製中的優勢[3]。
五、國內外研究進展與技術對比
5.1 國內研究現狀
中國在高效過濾器領域的研究起步較晚，但近年來發展迅速。中國建築科學研究院（CABR）牽頭編製了GB/T 13554-2020新版標準，首次引入掃描法檢測局部效率，提高了對過濾器均勻性的要求。浙江大學能源工程學院張信榮教授團隊開發了基於駐極體改性聚丙烯纖維的新型濾材，使H13級過濾器在0.1μm粒徑下的效率提升至99.99%[4]。
此外，中科院過程工程研究所研發的納米TiO₂光催化複合濾材，可在過濾同時分解甲醛等有害氣體，已在部分醫院潔淨手術室試點應用。
5.2 國外先進技術
歐美國家在高效過濾技術方麵長期處於領先地位。德國曼胡默爾（MANN+HUMMEL）公司推出的“ePA”係列多級濾材過濾器，采用三維立體波紋結構，比表麵積增加30%，阻力降低18%。其新產品ePA 12 Pro在風量2000 m³/h下，初始壓降僅為198 Pa，容塵量達1100 g/m²[5]。
美國3M公司開發的“Filterite™”係列采用靜電增強玻璃纖維，即使在高濕度環境下（RH > 80%）仍能保持99.95%以上的過濾效率，解決了傳統HEPA濾材在潮濕環境中性能衰減的問題[6]。
日本Toray Industries則專注於ULPA（超高效）過濾器研發，其ULPA U15級產品對0.12μm顆粒的過濾效率高達99.9995%，廣泛應用於平板顯示與光刻工藝環境[7]。
六、性能影響因素分析
6.1 氣流速度
氣流速度直接影響過濾效率與壓降。研究表明，當麵風速從0.5 m/s增至1.0 m/s時，H13級過濾器的阻力近似呈平方關係上升，而對0.3μm顆粒的過濾效率略有下降（約1.2個百分點）[8]。因此，潔淨室設計中應合理匹配送風量與過濾器麵積，推薦麵風速控製在0.45–0.6 m/s之間。
6.2 環境溫濕度
高濕度環境可能導致玻璃纖維濾材吸濕結塊，降低透氣性。實驗數據顯示，在相對濕度超過85%時，普通HEPA濾器的阻力在運行100小時後增加約40%。采用疏水性塗層或PTFE覆膜可有效緩解此問題[9]。
6.3 顆粒物濃度與成分
空氣中顆粒物的濃度與化學成分也會影響濾材壽命。例如，含油霧或腐蝕性氣體的工業環境會加速濾材老化。此時需在前端增設油霧分離器或化學過濾段。
七、典型產品參數對比表
下表選取國內外五款主流多級濾材高效過濾器進行性能對比：
| 型號 | 製造商 | 國家 | 效率等級 | 初始阻力（Pa） | 容塵量（g/m²） | 是否集成活性炭 | 適用標準 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HF-HEPA-MC8 | 蘇州安泰 | 中國 | H13 | 220 | 950 | 否 | GB/T 13554-2020 |
| ePA 12 Pro | MANN+HUMMEL | 德國 | H13 | 198 | 1100 | 可選 | DIN 24183 |
| Filterite™ 2500 | 3M | 美國 | H13 | 210 | 880 | 否 | ASHRAE 52.2 |
| ULPA-U15 | Toray | 日本 | U15 | 260 | 750 | 否 | JIS Z 8122 |
| CAMF-H13-AC | 淨化之光 | 中國 | H13+AC | 240 | 800 | 是 | YY 0569-2011 |
數據來源：各廠商官網技術手冊（2023年更新）
從上表可見，德國與美國產品在阻力控製與容塵量方麵表現更優，而國產產品在性價比和本地化服務方麵具備優勢。集成活性炭的產品雖初阻較高，但在特殊應用場景中不可或缺。
八、安裝與維護建議
為確保多級濾材高效過濾器的長期穩定運行，需遵循以下規範：
- 安裝前檢查：確認框架密封條完好，避免漏風；使用氣溶膠光度計進行現場掃描檢漏。
- 定期更換：依據壓差計讀數或運行時間更換，一般當終阻力達到初阻力2倍時應更換。
- 環境監控：配合粒子計數器、溫濕度傳感器實時監測潔淨室狀態。
- 廢棄處理：HEPA濾芯可能吸附有害顆粒，應按醫療或工業廢棄物規範處置。
中國電子工程設計院編寫的《潔淨廠房設計規範》GB 50073-2013明確要求，高效過濾器應設置在淨化空調係統的末端，並采用液槽密封或刀口密封結構，確保嚴密性[10]。
參考文獻
[1] 王如竹, 李強. 多級空氣過濾係統在半導體潔淨室中的節能優化[J]. 暖通空調, 2021, 51(3): 45-50.
[2] 陳曉紅, 黃偉. 複合型高效過濾器在GMP潔淨室中的應用研究[J]. 中國藥學雜誌, 2022, 57(8): 672-676.
[3] Johnson, D., et al. "Performance evalsuation of Multi-stage Filtration in Pharmaceutical Cleanrooms." ASHRAE Journal, 2020, 62(4): 33–41.
[4] Zhang, X., et al. "Development of Electret-modified PP Fiber for High-efficiency Air Filtration." Journal of Materials Science, 2023, 58(12): 5123–5135.
[5] MANN+HUMMEL. Technical Data Sheet: ePA 12 Pro Filter Module. Ludwigsburg: MANN+HUMMEL GmbH, 2023.
[6] 3M Company. Filterite™ HEPA Filters: Product Specifications. St. Paul, MN: 3M, 2022.
[7] Toray Industries, Inc. ULPA Filter Performance Report. Tokyo: Toray, 2023.
[8] Lee, K. W., et al. "Effect of Air Velocity on the Performance of HEPA Filters." Aerosol Science and Technology, 1985, 4(3): 307–314.
[9] Kim, J. H., et al. "Hydrophobic Coating for Glass Fiber Filters in High Humidity Conditions." Separation and Purification Technology, 2021, 267: 118621.
[10] 中國電子工程設計院. 《潔淨廠房設計規範》GB 50073-2013[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2013.
[11] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[12] European Committee for Standardization. EN 1822:2019: High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2019.
[13] 國家市場監督管理總局. 《高效空氣過濾器》GB/T 13554-2020[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
（全文約3,800字）
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