HEPA过滤原理分析

1.HEPA
HEPA 是高效率空气微粒过滤网的简称，英文High Efficiency Particulate Air。

HEPA 应用于核产业、生物医学领域、吸尘器等。

对组成HEPA 的材料有：PP 高效滤纸、PET 滤纸、PP 和PET 复合高效滤纸、玻璃纤维高效滤纸等。

PP 高效滤纸是以聚丙烯为原料经专用热熔法制成的型过滤材料，产品耐酸碱，耐腐蚀，熔点高，性能稳定，无毒，无味，分布均匀，具有低阻，高效，高强度，环保等特点。

PP 是纸类，一般不能水洗。

PET 滤纸是承受涤纶树脂等材料熔喷而制成的，硬度高，挺度好，耐腐蚀，耐高温，性能稳定，常用在扫地机，吸尘器等过滤精度要求不高的家用电器或者大型清洁机器上面。

PP 和PET 复合高效滤纸是熔喷一层PP，然后再熔喷一层PET，融合了PP 的优点和PET 的优点，特点是简洁成型，过滤精度又能保证;既有挺度，又能保证高精度过滤效果。

玻璃纤维高效滤纸的绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高、过滤效率高、阻力低、容尘量大，缺点是性脆，耐磨性较差。

2.HEPA 等级说明
高效空气过滤器〔high efficiency particulate air (HEPA) filter 〕用于进展空气过滤且使用GB/T6165 规定的钠焰法检测，过滤效率不低于99.9%的空气过滤器〔标准：GB/T 13554-2023〕。

高效过滤器使用的滤料很薄，所以也称为滤纸。

现在使用的滤纸高效过滤器是折叠形滤纸过滤器，滤纸之间用波浪板分隔，滤芯的四周用粘合剂与外框固定并密封。

特点是滤料薄〔厚度为0.5mm 左右〕，折叠形过滤面积比迎风面积大几十倍，从而大大降低阻力〔天津大学博士学位论文：高效纤维滤料最易透过粒径计数效率的争论；第5 页〕。

一般依据其过滤效率凹凸，将HEPA 分为5 个等级：粗效过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器、HEPA 高效过滤器、超高效过滤器。

详情如以以下图所示：
3.纤维过滤器的过滤机理〔教材：空气净化原理、设计与应用；第57~60 页〕
空气净化领域将微粒污染物从空气中分别出来，主要承受带有阻隔性质的过滤分别法和电力分别法。

实际应用中的大多数过滤器，较多都是承受由纤维为基材制成的滤料，或者由几种纤维交织而成的复合纤维滤料，或者直接承受纤维为过滤材料。

因此，过滤分别技术常常称为纤维过滤技术。

纤维过滤器的过滤机理：拦截效应、惯性效应、集中效应、重力效应、静电效应。

对于某种微粒的捕集来说，可能是由上述五种作用机制的共同作用，也可能是由某一种或几种机制起作用，这主要取决于微粒的密度和尺寸、滤材纤维的粗细、填充率和气流速度等因素。

但在一般状况下，重力效应和静电效应可以无视。

1982 年，Lee 和Liu 等人争论认为，纤维空气过滤器捕获空气微粒的主要机制为拦截和集中效应。

拦截效应：当某一尺寸的微粒沿着流线运动到纤维外表四周时，假设微粒的中心到纤维外表的距离小于或等于微粒的半径，则微粒就将在纤维外表被拦截而沉积下来〔纤维错综排列，形成很多网格〕。

集中效应：空气中粒径小于1.0um 的微粒，当受处处于布朗运动的空气分子碰撞后，将跟随空气流作不规章的布朗运动；微粒越小，布朗运动越猛烈。

在常温下，粒径0.1um 的微粒每秒钟的分子集中距离可达17um，这比纤维之间的间距大几倍，甚至几十倍。

这就使微粒有更多的时机运动到纤维外表，并附着在纤维上；儿粒径大于0.3um的微粒，其
布朗运动较弱，一般缺乏以依靠布朗运动而离开流线碰撞到纤维外表。

所以，微粒越小，过滤速度越低，则集中效应越显著〔布朗运动：被分子撞击的悬浮微粒做无规章运动的
现象叫做布朗运动。

液体分子不停地做无规章的运动，不断地随机撞击悬浮微粒〕。

小于0.1um的颗粒，主要做布朗运动，越小越简洁被除去；大于0.5um的颗粒主要作惯性运动，越大越简洁被除去；0.1~0.5um 之间的颗粒，集中和惯性效果都不明显，较难除去〔论文：空气过滤技术争论综述〕。

惯性效应：微粒随气流〔流体〕在错综排列的纤维层内穿过时，其流线要屡次的拐弯。

当微粒质点较大或者速度较快，微粒在流线拐弯时，微粒由于其惯性作用，来不及
跟随流线绕过纤维，因而脱离流线向纤维靠近，并碰撞在纤维上而沉积下来。

重力效应：运动的微粒通过过滤纤维层时，在重力作用下，发生脱离其流线的位移
而沉降到纤维外表。

这种重力沉降作用只对粒径大于0.5um的较大的微粒有效。

由于粒径
小于0.5um的细小微粒，受到重力的作用小，以至它还没有沉降到纤维外表，就已经随
气流通过了纤维层。

故，对于粒径小于0.5um 的微粒，重力沉降作用可以无视。

静电效应：空气中的微粒通过纤维过滤层时，由于摩擦等缘由，纤维和微粒都可能
荷电，产生吸引微粒的静电效应。

但是除了有意使纤维和微粒荷电外，假设是在纤维处
理过程中因摩擦等作用带上电荷，或因微粒感应而使纤维外表荷电，则这种电荷存在时
间短，且其电场强度也很小，产生的引力很小，可以无视。

4.影响过滤效率的因素
4.1过滤速度的影响
过滤速度既影响集中捕集效率、惯性捕集效率和拦截效率，又影响过滤器的总捕集
效率。

集中效率随滤速增大而下降，惯性效率随滤速增大而提高；总捕集效率随滤速的
增大，先下降后上升，即存在一个最低效率所对应的滤速，或者说，存在一个最大穿透
率对应的滤速。

高效过滤器的滤速一般把握在不超过其最低效率速度。

由于滤速过高，
会降低过滤效率，并增大空气阻力而增加运行能耗，很不经济，所以，高效过滤器的滤
速通常相当小，为0.25~3.0cm/s。

〔教材：空气净化原理、设计与应用；第61 页〕
4.2微粒粒径、外形和相态的影响
大多数状况下，过滤器的最低效率粒径或最大穿透粒径为0.1um~0.4um〔教材：空气净化原理、设计与应用；第62 页〕。

很多争论证明白最易透过粒子的存在，最简洁透
过的颗粒粒径在0.1~0.3um之间的某点，对不同粒径大小的颗粒，过滤器的过滤效率是
不同的，效率是粒径的函数〔天津大学博士学位论文：高效纤维滤料最易透过粒径计数
效率的争论；第7 页〕。

确定高效过滤器的效率必需明确效率的含义和试验方法，同一个过滤器对不同大小颗粒的过滤效果不同，所以离开测试方法只说效率指标没有任何
意义〔天津大学博士学位论文：高效纤维滤料最易透过粒径计数效率的争论；第8 页〕。

用三种不同的测试气溶胶微粒〔DEHS、DOP、NaCl 颗粒〕，高效滤料都存在一个效率最低点〔即最易透过粒径点〕，且三种粒子对应的最易透过粒径值也根本一样，位于0.17~0.19um
〔天津大学博士学位论文：高效纤维滤料最易透过粒径计数效率的争论；第40 页〕。

球形微粒与滤料纤维接触时的接触面积，比一样尺寸的不规章外形微粒要小，即沉积在纤维上的概率要小〔教材：空气净化原理、设计与应用；第63 页〕。

固态微粒的过滤
效率高于一样尺寸的液态微粒，但随着滤速的增加。

这种微粒的相态的影响渐渐减小〔教材：空气净化原理、设计与应用；第63 页〕。

4.3滤材纤维的粗细、填充量和积尘量的影响
美国常规高效滤材比中国的粗，其过滤效率也略低，特别是在穿透率方面，前者显
著大于后者，说明滤材纤维的粗细将直接影响过滤器的过滤效果〔教材：空气净化原理、
设计与应用；第63 页〕。

增大填充率，则滤材纤维密度随之增大，纤维间的气流速度
加快，使集中效率下降，而拦截效率和惯性效率随之提高，从而总捕集效率提高〔教材：空气净化原理、设计与应用；第64 页〕。

一般来说，低效率过滤器的过滤效率，先是随
积尘增加而提高，随后则随之下降。

对于高效过滤器的过滤效率，一般是随积尘量增加而提高，但同时过滤器的阻力增加更快〔教材：空气净化原理、设计与应用；第64 页〕。

4.4气流的温度、湿度和压力的影响
温度上升，虽然温升增加了空气分子的布朗运动，提高集中捕集效率；但同时气体
的粘性亦随温度上升而增大，惯性效应和重力效应减弱，使较大粒径〔粒径＞0.5um〕的沉积效率下降，导致总效率可能下降。

固然，过滤器的阻力也将因气流粘度随升温增大而增大〔教材：空气净化原理、设计与应用；第65 页〕。

温度上升时，效率值随之上升，但上升的趋势是渐渐放缓的，而且小粒径〔试验用粒径为0.12um〕的效率上升速度要
高于大粒径〔试验用粒径为0.39um〕，将有可能导致最易穿透粒径的增大〔天津大学博士
学位论文：温湿度对高效玻璃纤维滤纸空气过滤性能影响的争论；第24 页〕。

〔红色
表示的颗粒物粒径范围宽；紫色争论的是小粒径颗粒物；温度上升，总效率降低，博士论文中
的细小颗粒物过滤效率会提高〕
被过滤的气流的湿度增大，过滤效率将下降。

由于湿度增大，湿空气使静电效应消失，气体分子布朗运动减弱，使空气微粒易被其后面的气流夹带而连续通过过滤层；从而提高了穿透率，降低了过滤效率〔教材：空气净化原理、设计与应用；第65 页〕。

气体湿度增加，使得小粒子的穿透力气提高，从而效率下降，缘由在于湿空气使静电效应消逝，布朗运动减弱，微粒简洁被后来的气流夹带而连续穿透。

然而在很高湿度时，纤维外表会形成液膜，颗粒物与纤维接触面积增大，导致范德瓦里斯力增大，反弹现象
削减，大粒子的效率会有所上升。

有争论认为对于不吸湿的粒子，在高湿度时效率会有明显上升。

假设湿度过高以致于在滤材外表消灭液滴，明显会导致效率下降〔天津大学博士学位论文：温湿度对高效玻璃纤维滤纸空气过滤性能影响的争论；第18 页〕。

湿度根本不影响效率和阻力〔天津大学博士学位论文：温湿度对高效玻璃纤维滤纸空气过滤性能影响的争论；第24 页〕。

四种滤料〔颗粒物粒径分别是0.12um、0.17um、0.24um、0.39um、1.22um〕，在湿度渐渐增加时，阻力、效率均呈无规律变化，且波动值较小。

也就是说，滤料的阻力、效率并没有由于湿度的转变而有明显转变〔天津大学博士学位论文：温湿度对高效玻璃纤维滤纸空气过滤性能影响的争论；第69 页〕。

气流压力降低，气流密度将减小，气体分子的自由行程增大，使集中效应和惯性效应增加，即集中捕集效率和惯性捕集效率增大；但对拦截效率影响不大。

故，气流压力降低，总效率提高〔教材：空气净化原理、设计与应用；第65 页〕。

5.HEPA 同静电除尘技术比照
HEPA 滤网是通过吸附颗粒物来实现净化的，使用一段时间后需要进展更换，假设更换不准时，简洁造成室内环境的二次污染，同时滤网的更换也会增加使用本钱。

HEPA 滤网阻力较大，设备需要配置功率更大的电机抑制阻力，如此增大设备体积，增加噪音把握难度。

HEPA 净化效率越高，阻力也越大，净化器的实际通风量也会减小。

风量减小，单位时间内的净化次数也会削减，CADR 值降低。

静电集尘的优点相对HEPA 而言，设备阻力较低，无耗材，使用寿命较长，但由于是通过高压发电，使粉尘带电，会有产生臭氧的风险。

霍尼韦尔一个HEPA〔使用面积：21~26 ㎡；对应机型cadr：300m³/h；对应机型噪音：23~65db〕在天猫旗舰店售价220 元，像北京的天气，假设一年更换4 次HEPA，一年的使用本钱将增加880 元。