侯筱辰 趙一璇 林秀麗 柳靜獻(xiàn)

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，空氣過濾器在通風(fēng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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?？諝膺^濾器可過濾包括病毒在內(nèi)的微細(xì)顆粒物，同時(shí)也會(huì)成為顆粒物的聚集地，由于無(wú)法像口罩一樣隨時(shí)更換，因此定期消殺成為許多公共場(chǎng)所和家庭使用者的選擇。加大通風(fēng)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(xué)消毒法和紫外線消毒法等對(duì)醫(yī)用口罩消毒重復(fù)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(fēng)量和消殺措施后，對(duì)過濾器尤其是帶靜電過濾器的過濾性能會(huì)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(fù)合過濾材料[4]過濾效率均隨風(fēng)速的增加而降低，且纖維類材料最易穿透粒徑隨風(fēng)速的增加而減小。目前對(duì)消殺的研究多集中在口罩和呼吸器等個(gè)體防護(hù)裝備上，對(duì)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(guó)疾病控制與預(yù)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(duì)呼吸器進(jìn)行評(píng)估，或主要針對(duì)醫(yī)護(hù)人員的重復(fù)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(duì)一次性醫(yī)用口罩進(jìn)行研究，認(rèn)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(gè)人對(duì)口罩消毒后重復(fù)利用[7]。OU Q SH等[8]對(duì)商用呼吸器和醫(yī)用口罩等的研究表明，經(jīng)過10個(gè)循環(huán)后，在UVGI照射5 min和在77 ℃下干熱30 min都不會(huì)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(zhì)、40 kHz中低頻超聲波清洗作用條件下，KN90級(jí)別隨棄式防顆粒物口罩滿足過濾效率和阻力要求，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

空氣過濾器相較于個(gè)人防護(hù)用品而言，使用周期長(zhǎng)、體積大，常用的清洗消殺手段與口罩等個(gè)體防護(hù)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?？紤]消殺的實(shí)用性、物品的易獲得性及增大通風(fēng)量的實(shí)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(fēng)速變化的協(xié)同作用對(duì)非靜電和帶靜電兩種空氣過濾材料效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，4種濾料的基本參數(shù)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(shù)

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(shí)驗(yàn)裝置和方法

過濾性能測(cè)試裝置如圖5所示。利用霧化氣溶膠發(fā)生器(Tsi 3079)產(chǎn)生KCl顆粒,其中KCl溶液體積分?jǐn)?shù)為1%，產(chǎn)生的KCl顆粒經(jīng)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(jìn)行中和。含顆粒氣流進(jìn)入內(nèi)徑為100 mm的管道通過過濾材料進(jìn)行過濾，濾料前后顆粒物的濃度采用超細(xì)冷凝顆粒計(jì)數(shù)器(CPC，Tsi 3775)測(cè)量。采用壓差計(jì)(testo 512)測(cè)定不同風(fēng)速下濾料的壓差，采用質(zhì)量流量計(jì)(Model 4046)測(cè)定管道內(nèi)氣流的流量。測(cè)試管道上下游都安裝有高效空氣過濾器(HEPA)濾芯用來(lái)去除空氣中的顆粒，同時(shí)保證進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)的氣體潔凈。

實(shí)驗(yàn)在3～20 cm/s風(fēng)速條件下對(duì)50～300 nm顆粒進(jìn)行濾料過濾性能研究，并分別測(cè)試濾料的初始潔凈狀態(tài)和消殺處理后的狀態(tài)。每種測(cè)試條件下用各濾料分別測(cè)試3次，每次測(cè)試時(shí)分別對(duì)上下游采樣3次，每次采樣1 min。為驗(yàn)證測(cè)試過程未改變?yōu)V料的過濾性能，每種條件下測(cè)試前后均采用手持壓力傳感器對(duì)濾料的阻力進(jìn)行測(cè)定。

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

1—?dú)馊苣z發(fā)生器；2—干燥管；3—DMA；4—中和器；5—過濾器；6—CPC；7—測(cè)試管路；8—壓差計(jì)；9—電腦；10—閥門；11—質(zhì)量流量計(jì)；12—風(fēng)機(jī)。圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

2 非靜電過濾材料過濾性能實(shí)驗(yàn)

2.1 風(fēng)速對(duì)非靜電濾料過濾性能的影響

非靜電濾料a、b在5種風(fēng)速條件下對(duì)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(fēng)速的增加而增大。風(fēng)速在3～5 cm/s時(shí)，穿透率總體先增大后減??；風(fēng)速增加到10、20 cm/s時(shí)，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(duì)于顆粒的捕獲是擴(kuò)散、攔截和慣性碰撞等3種機(jī)制共同作用的結(jié)果[10]，對(duì)不同粒徑顆粒的主要作用機(jī)制不同[6,11]。濾料a、b在風(fēng)速3～5 cm/s內(nèi)，最易穿透粒徑為100 nm，而在10、20 cm/s風(fēng)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(jī)制是擴(kuò)散，風(fēng)速的提高減小了顆粒在濾料中的停留時(shí)間，降低了顆粒通過擴(kuò)散與纖維接觸的機(jī)會(huì)，風(fēng)速的倍增會(huì)造成過濾效率的明顯下降，因此在增加風(fēng)速的場(chǎng)所需要校核效率變化后的適合性。

圖6 風(fēng)速對(duì)非靜電濾料a穿透率的影響

圖7 風(fēng)速對(duì)非靜電濾料b穿透率的影響

2.2 消殺對(duì)非靜電濾料過濾性能的影響

非靜電濾料b在5 cm/s風(fēng)速下，通過酒精和紫外線兩種消殺手段處理前后穿透率對(duì)比結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，未經(jīng)處理非靜電濾料b的穿透率約0.015%，經(jīng)消殺手段處理后其效率略有下降，經(jīng)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(duì)于顆粒物是單一的機(jī)械捕獲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)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(jīng)兩種消殺手段處理后與未處理前的阻力對(duì)比如圖9所示，阻力基本未發(fā)生變化，兩種消殺手段并未破壞濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由以上分析可知，非靜電過濾材料的效率主要受風(fēng)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(fēng)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(shí)驗(yàn)

3.1 風(fēng)速對(duì)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(fēng)速條件下對(duì)50～300 nm顆粒物的穿透率如圖10、圖11所示。當(dāng)風(fēng)速≤5 cm/s時(shí)，風(fēng)速的小幅變化對(duì)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(dāng)風(fēng)速為10、20 cm/s時(shí)，對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，風(fēng)速增加會(huì)顯著增大這兩種帶電濾料的穿透率，因此在采用增大風(fēng)量的策略加快稀釋和排出有害物時(shí)，需考慮顆粒物穿透率增大帶來(lái)的不利影響。

圖10 風(fēng)速對(duì)帶靜電濾料A穿透率的影響

圖11 風(fēng)速對(duì)帶靜電濾料B穿透率的影響

3.2 酒精消殺對(duì)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(duì)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(jīng)酒精處理后穿透率明顯增大。在5 cm/s風(fēng)速下，經(jīng)酒精噴灑后兩種濾料過濾效率均低于20 cm/s風(fēng)速下未經(jīng)處理濾料的效率。以150 nm顆粒物、5 cm/s風(fēng)速為例，濾料A的穿透率變?yōu)樵瓉?lái)的3.2倍，濾料B的穿透率變?yōu)樵瓉?lái)的11.6倍。有研究表明，有機(jī)溶劑酒精通過擴(kuò)散作用滲透到濾料中使其發(fā)生溶脹，溶脹作用造成濾料電荷衰減[12]，而帶靜電濾料對(duì)顆粒的過濾是纖維機(jī)械阻擋與靜電吸附綜合作用的結(jié)果[10]，因此靜電的消減會(huì)帶來(lái)過濾效率的顯著降低?？梢钥闯觯凭麣⒌挠绊懮踔脸^了風(fēng)速增加至4倍(從5 cm/s到20 cm/s)對(duì)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(jīng)處理后的阻力與處理前的差異不大，而濾料B經(jīng)處理后的阻力幾乎與處理前的一致，表明測(cè)試過程未改變?yōu)V料阻力，經(jīng)處理后濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)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(duì)帶靜電濾料過濾性能的影響

帶靜電濾料A、B經(jīng)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(jīng)紫外線照射30 min后穿透率均有增加。以150 nm顆粒、5 cm/s風(fēng)速為例，經(jīng)紫外線照射后濾料A的穿透率變?yōu)樵瓉?lái)的1.5倍，濾料B的穿透率變?yōu)樵瓉?lái)的3.5倍，紫外線照射對(duì)濾料B過濾效率的影響甚至達(dá)到了風(fēng)速增加1倍時(shí)(從5 cm/s到10 cm/s，從10 cm/s到20 cm/s)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紫外線消殺對(duì)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(duì)帶靜電口罩進(jìn)行的紫外線消殺實(shí)驗(yàn)結(jié)論略有不同。魏聰?shù)萚7]實(shí)驗(yàn)表明，一次性醫(yī)用口罩經(jīng)紫外線消殺后效率無(wú)顯著變化，實(shí)驗(yàn)所選用的口罩由3層復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，口罩內(nèi)外兩層為無(wú)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(duì)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(qiáng)，所以有顯著影響。也有研究指出，紫外線可消除動(dòng)態(tài)紗線所帶靜電，且紫外線輻射也會(huì)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(fù)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(jīng)紫外線照射后濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)也并未發(fā)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(jìn)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(fù)合材料，材料在照射過程中與前人對(duì)于口罩的研究相比更易被紫外線穿透，故進(jìn)一步對(duì)材料進(jìn)行夾層照射，擬模仿口罩接受光線照射的情況，結(jié)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(duì)比

可以看出，當(dāng)直射材料反面時(shí)，過濾效率沒有明顯變化；當(dāng)直射材料正面時(shí)，濾料的過濾性能降低。因此，利用紫外線照射進(jìn)行帶靜電濾料過濾器消殺時(shí)，需要注意過濾器的過濾材料與口罩結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，考慮由于紫外線照射導(dǎo)致效率降低帶來(lái)的影響。

4 結(jié)論

(1)過濾材料無(wú)論是否帶靜電，過濾效率都隨風(fēng)速的增加而降低，當(dāng)風(fēng)速增加1倍時(shí)(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?yōu)樵瓉?lái)的1.6～3.8倍。對(duì)于非靜電濾料a、b，風(fēng)速增加至10 cm/s及以上時(shí)，100 nm以下顆粒物的穿透率明顯高于150～300 nm顆粒物的；而對(duì)于帶靜電濾料A、B，風(fēng)速增加至10 cm/s及以上時(shí)，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(duì)于非靜電玻璃纖維濾料的過濾性能無(wú)明顯影響，風(fēng)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(yīng)用這兩種消殺手段進(jìn)行消毒處理，但在增大風(fēng)量時(shí)需要考慮對(duì)顆粒造成的效率降低影響。

(3)酒精消殺會(huì)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(fēng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，紫外線照射30 min會(huì)使靜電過濾材料A、B的過濾效率降低，其影響甚至與風(fēng)速增加1倍時(shí)(從5 cm/s到10 cm/s，從10 cm/s到20 cm/s)的影響相當(dāng)。在實(shí)際應(yīng)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(shí)也需評(píng)估其對(duì)效率的影響。