空氣過濾器的發展及其應用
1 空氣過濾器的發展
空氣過濾器的原型是人們為保護呼吸而使用的呼吸保護器具。據記載, 早在一世紀的羅馬, 人們在提純水銀的時候就用粗麻制成的面具進行保護。在此之后的漫長時間里, 空氣過濾器也取得了進展, 但其主要是作為呼吸保護器具用于一些危險的行業, 如有害化學品的生產。1827 年布朗發現了微小粒子的運動規律,人們對空氣過濾的機理有了進一步的認識。
空氣過濾器的迅速發展是與軍事工業和電子工業的發展緊密相關的。在第一次世界大戰期間, 由于各種化學毒劑的使用, 以石棉纖維過濾紙作為濾煙層的軍用防毒面具應運而生。玻璃纖維過濾介質用于空氣過濾于1940 年10 月在美國取得專利。50 年代, 美國對玻璃纖維過濾紙的生產工藝進行了深入的研究, 使空氣過濾器得到了改善和發展。60 年代, HEPA 過濾器問世; 70 年代, 采用微細玻璃纖維過濾紙作為過濾介質的HEPA 過濾器, 對013 微米粒徑的粒子過濾效率高達99.9998%。八十年代以來, 隨著新的測試方法的出現、使用評價的提高及對過濾性能要求的提高, 發現HEPA 過濾器存在著嚴重的問題, 于是又產生了性能更高的UL PA 過濾器。目前, 各國仍在努力研究, 估計不久就會出現更先進的空氣過濾器。
過濾器本身的設計也取得了顯著進展, 其中最重要的是分隔板的去除, 即無隔板過濾器的發展。無隔板過濾器不僅消除了分隔板損壞過濾介質的危險, 而且有效地增加了過濾面積, 提高了過濾效率, 并降低了氣流阻力, 從而減少了能量消耗。此外, 空氣過濾器在耐高溫、耐腐蝕以及防水、防菌等方面也取很大的進展,滿足了一些特殊的需求。
2 空氣過濾器的應用
隨著環境污染的日益嚴重和人們環境意識的加強, 空氣質量已成為全世界關注的焦點。現在人們認識到空氣過濾系統不僅要保護機械設備, 還要保護人。因此, 空氣過濾的應用范圍越來越廣泛。
空氣過濾的最大應用是住宅樓, 其次是商業和工業建筑。此外, 過濾設備還常用行下列場合: 潔凈室; 復印設備; 室內空氣凈化器; 麻醉氣體過濾設備; 激光外科手術應用; HVAC 系統(供暖、通風和空調系統) 恒溫室; 計算機打印機; 工作室空氣過濾系統; 空調器等。
2.1 住宅市場
由于人們對生活質量的要求不斷提高, 住宅原有的空氣過濾系統已不能滿足人們的需要, 性能更高的靜電過濾器則成了原有空氣過濾器的首選替代品。但與普通玻璃纖過濾器相比, 由于過濾介質成本較高, 靜電過濾器的應用也受到一定的限制。
3M 公司是靜電過濾器市場的領頭羊, 正積極銷售其產品。3M 公司的靜電過濾器采用波紋結構, 介質裝填較松散, 因而氣流阻力較小。3M 公司稱他們過濾器的裝填密度是最適宜的, 而且具有很長的壽命。波紋結構還會提高過濾效率, 且能夠比平板過濾器捕集更多的粒子。
在中國, 住宅絕大多數沒有空氣過濾系統, 但中國的住宅數量巨大, 且每年以數百萬套的速度遞增。隨著居室內空氣質量的日益惡劣和人們環境意識的不斷加強, 空氣過濾系統在住宅的應用是有前途的, 存在著潛在的巨大市場。
2.2 辦公樓應用
要求改善辦公室空氣質量的推動力是先進的辦公設備的廣泛應用。計算機終端是產生臭氧和揮發性有機化合物的來源。噴墨打印機是碳氫化合物和臭氧的來源。干法照相復制機產生碳氫化合物、可吸入懸浮粒子和臭氧; 傳真機產生臭氧和揮發性有機化合物; 激光打印機產生碳氫化合物、臭氧和可吸入粒子; 等等。這些產物已經嚴重地污染了室內環境, 并給人身和辦公設備造成了一定的危害。
據估計, 在美國的辦公樓和公共建筑中有30% 存在室內空氣污染問題, 尤其公共建筑如機場、車站等所面臨的挑戰遠大于辦公樓。芝加哥D‘Hare 機場大廳空氣流量為每分鐘約5166 萬m 3, 為改善空氣質量, 該處共裝有1100 個預濾器, 1100 個終濾器和2200 個炭濾器(其中的炭每10—12 個月需更換一次)。
預計2000 年辦公室、商業及公共建筑對空氣過濾器的需求在全球將達到五億美元。
2.3 室內空氣凈化器
隨著建筑標準的日益嚴格, 消費者對室內空氣質量越來越重視。尤其是患有過敏癥、哮喘病或呼吸道疾病的人, 因為空氣污染影響了他們的正常生活。人們在室內度過90% 的時間, 而室內空氣污染水平可能是室外的2—5 倍。室內幾乎所有空間都含有花粉、霉菌、孢子、動物毛發、煙霧、細菌、病毒和包括石棉在內的有害纖維及灰塵。惡劣的空氣質量使得哮喘和過敏癥更加嚴重。用空氣凈化器除去室內空氣污染物是一種有效的方法。
在便攜式室內空氣凈化器市場上有多種產品。發展最快的是使用高效過濾介質的靜電空氣過濾器如3M 公司的F ilt rete, 和更高效的微細玻璃纖維HEPA過濾器, 它們占據了市場的大部分。在美國空氣凈化器市場以每年10% 以上的速度遞增。日本是繼美國之后的第二大市場。在中國, 空氣凈化器的需求也在增加,隨著空氣質量的不斷惡化和家庭辦公的出現, 空氣凈化器將有一個巨大的潛在市場。
2.4 生產工廠
不同工廠對空氣質量的要求差別很大。裝有排煙罩和污染控制設備的工廠需要補充大量的空氣, 如果這些工廠所在地區環境空氣受到污染, 那么在將補充的空氣分布到工作場所之前必須先進行過濾。在半導體生產和制藥工業中, 對空氣的潔凈度要求較高。典型的工作環境中, 每立方英尺空氣中含有500000 個粒子, 而半導體生產的最新要求是每立方英尺空氣中只有1 個粒子。因此, 工作間需要用經過HEPA 過濾器過濾的潔凈空氣不斷地循環清洗。為保持HEPA 過濾器的潔凈和壽命, 還需要幾段效率較低的預濾器聯合使用。
工業用潔凈室要求連續有效地去除粒徑更小的粒子。HEPA 過濾器一度是效率最高的過濾器, 現在UL PA 過濾器則是效率最高的過濾器, 以后更高效率的新一代過濾器也將得以開發應用。微細玻璃纖維過濾介質是過濾器介質的主要選擇, 但膜和靜電增強介質已向該領域滲透, 并獲得部分應用。
對于工廠排放的廢氣, 要求最嚴格的是毒性。某些重金屬如汞、砷、鉻、鈹等毒性很大, 其排放限制非常嚴格。在空氣毒性方面, 美國和德國已經通過了新的更嚴格的立法。執行新的立法后, 空氣毒性的限制由原來的20 m g/m 3 (標準) 降低到010004 m g/m 3 (標準)。為達到這一目標, 工廠需要更先進的過濾器以除去亞微粒子。一些德國公司使用傳統的折疊式微細玻璃纖維HEPA 過濾器用于過濾系統, 同脈沖空氣潔凈機理相互配合, 并使過濾介質的波紋更密。一家美國公司則通過設計管式微細玻璃纖維HEPA 過濾器又向前進了一步。
2.5 醫院
衛生行業是一個很龐大而特殊的行業, 它對空氣的潔凈度要求也很高。通常, 對醫院空氣的最低要求用效率為30% 的預濾器和效率為90% 的終濾器結合使用進行過濾。一般情況下不需要HEPA 過濾器過濾, 但在特殊情況下如隔離室、特定的測試和護理區域則需要HEPA 過濾器過濾。
醫院的許多HVAC 系統使用100% 的室外空氣,這對于防止病人通過HVAC 系統中的懸浮微生物進行交叉感染是很好的策略。但100% 使用室外空氣并不能消除微生物在空氣過濾介質中的生長及其對護理環境產生的不良影響。因此, 現在許多醫院仍極需先進的HVAC 系統。
衛生系統的潔凈室最先用于手術室。開始它只是在矯形手術中獲得廣泛應用, 因為矯形手術時間較長,易于引起感染。控制水平較理想的是使用手術臺附近的空氣潔凈度達到100 級。一般建議使用頂部HEPA過濾系統, 它能覆蓋至少3 m ×3 m 的面積, 從而將手術臺和人包括在內。
潔凈室獲得應用的其它領域有分娩室、保育室、燒傷室、心臟病人護理單元等。最新進展之一是牙外科手術潔凈室的應用, 它降低了在長期手術過程中醫務人員被感染的危險。
2.6 食品加工
食品工業對于空氣過濾設備來說, 正在成為一個不斷擴大的市場。為保持食品的新鮮口味, 用消毒來消除污染的方法已逐漸不被使用。這使得消除與產品相關的空氣污染更加重要。國家規定、保險意識和公眾關注正促使肉加工者、奶制品生產者及其它食品生產者更新他們的空氣過濾系統。
在歐洲, 酸奶的罐裝是在潔凈室條件下進行的, 其結果是在不用添加價格昂貴的化學保鮮劑, 產品可以保存較長的時間。
啤酒廠發現為保護它們的生啤酒, 必須控制灌裝車間周圍環境的空氣污染。在潔凈室進行灌裝是最佳選擇。這類工廠需要100000 級的潔凈室, 可以采用頂部通風系統, 用HEPA 過濾器過濾。
在法國北部的亞眠市, Su lzer 先生為其廚房設計了潔凈室。Su lzer 的廚房潔凈室級別為100 級, 并配有必要的加熱和