高效空氣過濾器國(guó)標(biāo)體系主要修訂內(nèi)容解讀（上）

摘要 本文為2015~2017年間高效空氣過濾國(guó)標(biāo)體系修訂過程的研究工作技術(shù)總結(jié)，文章通過對(duì)近10年來國(guó)內(nèi)外對(duì)高效空氣過濾器性能測(cè)試研究的進(jìn)展以及國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展進(jìn)行梳理，總結(jié)了現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系所存在的主要技術(shù)問題，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修訂工作針對(duì)所述問題所開展的主要研究工作進(jìn)行了介紹，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系主要修訂內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)解讀。

關(guān)鍵詞 高效及超高效過濾器 空氣凈化 過濾器性能測(cè)試 高效過濾器分級(jí) 高效過濾器生命周期評(píng)價(jià)

0 前言

高效及超高效過濾器是各類型潔凈受控環(huán)境用于保護(hù)室內(nèi)環(huán)境、工作人員以及周邊環(huán)境安全的關(guān)鍵性凈化處理措施，被廣泛應(yīng)用于微電子、制藥、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、檢驗(yàn)檢疫以及航空航天等諸多國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)。我國(guó)高效空氣過濾器于上世紀(jì)60年代研制成功,80年代，我國(guó)借鑒英國(guó)的鈉焰法（火焰光度計(jì)法）以及前蘇聯(lián)的油霧法初步建立高效空氣過濾器的效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB 6165《高效空氣過濾器性能試驗(yàn)方法 效率和阻力》，90年代形成涵蓋高效空氣過濾器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、技術(shù)要求以及相應(yīng)檢測(cè)方法的完整產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 13554《高效空氣過濾器》。2008年，我國(guó)參考?xì)W美發(fā)達(dá)國(guó)家在2000年前后開始采用的計(jì)數(shù)法，建立分別針對(duì)過濾器以及過濾材料的MPPS效率測(cè)試方法，將對(duì)過濾器的效率檢測(cè)范圍提高到99.99999%以上的超高效過濾器范疇。

截至2015年，一方面國(guó)內(nèi)空氣凈化行業(yè)在7年的國(guó)標(biāo)運(yùn)行使用過程中對(duì)于舊版國(guó)標(biāo)體系的一些存在問題取得了新的認(rèn)識(shí)與積累，另一方面，2011年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO也以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本形成并正式頒布了首份全球通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO29463《High-efficiency filters and filter media for removing particles in air》，因此，有必要對(duì)當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)存在的主要技術(shù)問題進(jìn)行梳理，并對(duì)新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下提高國(guó)標(biāo)體系與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的適應(yīng)性和對(duì)接性進(jìn)行改進(jìn)提升。

因此標(biāo)準(zhǔn)主編單位會(huì)同行業(yè)內(nèi)主要技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校、生產(chǎn)廠家以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)等有關(guān)單位成立標(biāo)準(zhǔn)修訂編制組并開展了大量的比對(duì)測(cè)試以及基礎(chǔ)技術(shù)改進(jìn)評(píng)估工作，于2017年底完成了新一輪國(guó)標(biāo)體系修訂稿的標(biāo)準(zhǔn)審查與報(bào)批工作。本文將對(duì)國(guó)標(biāo)體系修訂過程所面臨的主要問題、技術(shù)研發(fā)工作以及所形成的主要修訂內(nèi)容進(jìn)行介紹，供行業(yè)各領(lǐng)域?qū)＜遗u(píng)指正。

1 當(dāng)前國(guó)標(biāo)體系主要存在的問題

通過對(duì)近年來國(guó)標(biāo)體系使用情況以及終端用戶、生產(chǎn)廠家、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的信息反饋匯總，我國(guó)舊版國(guó)標(biāo)體系主要存在的技術(shù)問題包括：

a） 產(chǎn)品性能分級(jí)標(biāo)識(shí)體系與國(guó)際分級(jí)體系不相適應(yīng)。

圖1給出了08版國(guó)標(biāo)高效分級(jí)體系與歐、美以及ISO標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)體系的比對(duì)。從中可以看出08版國(guó)標(biāo)分級(jí)體系的主要不足包括：，在拋棄不同標(biāo)準(zhǔn)體系中檢測(cè)方法的差異性前提下，08版分級(jí)體系高效過濾器的起始值（99.9%）低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系（99.95（歐盟及ISO標(biāo)準(zhǔn)）、99.97%（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)））。

考慮到08版國(guó)標(biāo)體系采用鈉焰法為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，而鈉焰法的效率測(cè)試結(jié)果一般高于國(guó)際上流行的計(jì)數(shù)法測(cè)試結(jié)果，因此，08版標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)體系中A級(jí)高效過濾器其實(shí)際效率相當(dāng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)中的亞高效過濾器，這種差異不利于滿足過濾器所應(yīng)用的各類潔凈室行業(yè)進(jìn)行符合生產(chǎn)工藝要求的風(fēng)險(xiǎn)控制需求。

第二，從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展來看，過濾器分級(jí)標(biāo)識(shí)體系從早期的單純效率數(shù)值標(biāo)識(shí)體系向更豐富信息層次發(fā)展，現(xiàn)代的過濾器標(biāo)識(shí)體系除效率級(jí)別外，傾向與通過盡可能簡(jiǎn)潔的符號(hào)標(biāo)識(shí)傳遞用戶所需要的必要信息，如具體效率測(cè)試結(jié)果、所采用測(cè)試方法以及檢漏方法還希望體現(xiàn)過濾器出廠檢測(cè)的核心試驗(yàn)方法等。例如，歐洲標(biāo)準(zhǔn)以及ISO標(biāo)準(zhǔn)中的U組過濾器，即表示過濾出廠必須經(jīng)過掃描檢漏測(cè)試，而在ISO29463的制定討論過程中，針對(duì)H組別過濾器若出廠為掃描檢漏測(cè)試是否標(biāo)識(shí)為U組也曾有過廣泛的討論。08版國(guó)標(biāo)體系在此方面則存在不足。

b）08版國(guó)標(biāo)體系的效率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法——鈉焰法粒徑分布與過濾器易穿透粒徑（Most Penetrate Particle Size， MPPS）存在較大偏差，因此試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)際上通行的計(jì)數(shù)法試驗(yàn)結(jié)果存在偏差。

鈉焰法作為我國(guó)高效過濾器效率檢測(cè)的傳統(tǒng)方法，采用火焰光度計(jì)對(duì)經(jīng)噴霧干燥發(fā)生過程獲得的多分散NaCl固體氣溶膠進(jìn)行質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試、比較，進(jìn)而獲得被測(cè)過濾器的效率檢測(cè)結(jié)果。圖2給出了采用粒徑頻譜儀所獲得的傳統(tǒng)鈉焰法測(cè)試氣溶膠粒徑分布，其計(jì)數(shù)中值粒徑為40~50nm，計(jì)重中值粒徑約為300nm，同時(shí)粒徑分布較為分散。因此，其實(shí)際測(cè)試結(jié)果與國(guó)際通行計(jì)數(shù)法相比存在較為明顯的差距。

c）08版國(guó)標(biāo)體系中包含有針對(duì)特殊行業(yè)的特殊性能需求。我國(guó)的高效過濾產(chǎn)品及標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法均源于核工業(yè)的特殊要求，因此，過濾器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T13554中一直保留了部分針對(duì)核工業(yè)行業(yè)特定的特殊產(chǎn)品強(qiáng)度要求，例如要求高效過濾器能在10倍阻力下運(yùn)行一定時(shí)間并保持完好等。時(shí)至今日，一方面當(dāng)前我國(guó)高效過濾器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子電子、液晶面板、精密加工制造、醫(yī)藥、衛(wèi)生等諸多科技行業(yè)，而另一方面國(guó)內(nèi)核工業(yè)已經(jīng)以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系為藍(lán)本完成了相應(yīng)國(guó)標(biāo)【5】的制定并應(yīng)用至今。因此，作為通用產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不宜再保留相應(yīng)的特殊性能要求。

2 新版國(guó)標(biāo)體系主要修訂內(nèi)容及相應(yīng)研究基礎(chǔ)工作介紹

2.1對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高效過濾器試驗(yàn)臺(tái)開展樣本傳遞試驗(yàn)（Round Robin Test），了解當(dāng)前各試驗(yàn)臺(tái)差異性現(xiàn)狀，提升標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)臺(tái)質(zhì)量控制要求。

過濾器試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)性能參數(shù)，如風(fēng)量穩(wěn)定性、風(fēng)速均勻性、氣溶膠濃度均勻性、穩(wěn)定性以及管道氣密性等，均需要有較為嚴(yán)格并且一致的規(guī)定，方能避免不同試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果偏差。但在08版國(guó)標(biāo)體系中，鈉焰法、計(jì)數(shù)法以及油霧法三種試驗(yàn)方法均對(duì)試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)性能參數(shù)有各自要求，各自所要求指標(biāo)項(xiàng)目以及允許數(shù)值均存在偏差，因此容易導(dǎo)致不同試驗(yàn)臺(tái)在測(cè)試同一樣品時(shí)存在偏差，造成數(shù)據(jù)結(jié)果的不可比對(duì)。為明確國(guó)內(nèi)目前在用過濾器試驗(yàn)臺(tái)性能差異，國(guó)標(biāo)修訂編制組于2016年組織國(guó)內(nèi)現(xiàn)有部分高效過濾器試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果比對(duì)傳遞試驗(yàn)（Round Robin Test， RRT測(cè)試），傳遞試驗(yàn)采用過濾器（效率測(cè)試標(biāo)件）和金屬孔板（阻力標(biāo)件）同時(shí)進(jìn)行。

圖3給出了采用金屬孔板作為阻力標(biāo)件的部分試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果，圖中，1#~5#為參與傳遞試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)編號(hào)，CV為各試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果差異系數(shù)。表1給出了4臺(tái)計(jì)數(shù)法試驗(yàn)臺(tái)對(duì)傳遞過濾器的效率測(cè)試結(jié)果比較。從各試驗(yàn)臺(tái)的效率及阻力測(cè)試比較結(jié)果來看，各試驗(yàn)臺(tái)間存在較為明顯的差異性，不同試驗(yàn)臺(tái)對(duì)同一阻力標(biāo)件的測(cè)試結(jié)果差異明顯，1#、2#、5#試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)，3#試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果明顯低于其它，4#試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果明顯高于其它，在高效空氣過濾器常用風(fēng)量范圍（500~1700m3/h），各試驗(yàn)臺(tái)總體差異系數(shù)15%左右，相比發(fā)達(dá)國(guó)家較為成熟的技術(shù)水平存在一定差距。

而對(duì)于效率標(biāo)件的傳遞比對(duì)測(cè)試結(jié)果，各試驗(yàn)臺(tái)間的差異性結(jié)果要略好于阻力，同為計(jì)數(shù)法的4臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)中，對(duì)同一臺(tái)過濾器的透過率測(cè)試結(jié)果大值與小值偏差4~5倍，效率測(cè)試結(jié)果偏差則超過半個(gè)9。由于在新版ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中高效及超高效過濾器分級(jí)體系以半個(gè)9劃分級(jí)別，因此，這種差異終將導(dǎo)致同一臺(tái)過濾器在不同試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)級(jí)別差異。

為了進(jìn)一步規(guī)范試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用維護(hù)，逐步縮小不同生產(chǎn)廠家、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)間的差異性，新版國(guó)標(biāo)體系的修訂過程中，統(tǒng)一提出了試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)性能參數(shù)要求，表2給出了新版修訂國(guó)標(biāo)體系所提出的過濾器試驗(yàn)臺(tái)性能及標(biāo)定維護(hù)要求。所要求的基礎(chǔ)性能參數(shù)中，除管道密封性、混勻性等傳統(tǒng)的常規(guī)要求外，相比與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系，新增了對(duì)于阻力標(biāo)件以及參考過濾器的定期回溯要求，希望可以為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家提升產(chǎn)品質(zhì)量控制水平提供助力。

2.2 完善高效過濾器的鈉焰法測(cè)試方法

鈉焰法是我國(guó)進(jìn)行高效過濾器檢漏測(cè)試的傳統(tǒng)方法，也是舊版國(guó)標(biāo)體系的效率基準(zhǔn)測(cè)試方法，相比于2000年左右開始廣泛應(yīng)用的計(jì)數(shù)法測(cè)試，鈉焰法的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)同等突出，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：采用NaCl作為測(cè)試氣溶膠，安全并且對(duì)人員健康及環(huán)境無(wú)負(fù)面影響；采用火焰光度計(jì)作為測(cè)試手段，只針對(duì)含鈉顆粒物進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境氣溶膠對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響??；與美國(guó)目前仍在使用的DOP光度計(jì)法一樣，代光度法測(cè)試方法雖然試驗(yàn)方法相對(duì)粗糙，但試驗(yàn)臺(tái)之間微小差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較計(jì)數(shù)法小，因此更容易實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)臺(tái)對(duì)相同測(cè)試樣品的測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性。

而鈉焰法的主要劣勢(shì)在于：其測(cè)試結(jié)果高于計(jì)數(shù)法，并且二者測(cè)試結(jié)果不具備可比性。這是由于鈉焰法采用多分散NaCl氣溶膠粒徑分布特征與過濾元件MPPS粒徑范圍（易穿透粒徑，傳統(tǒng)玻纖濾材一般為100nm~250nm，PTFE濾膜則一般為50~70nm）存在明顯偏差，同時(shí)，測(cè)試手段采用質(zhì)量濃度而非計(jì)數(shù)濃度測(cè)試，因此大粒子尤其是粒徑大于1μm的粒子對(duì)于效率測(cè)試結(jié)果的貢獻(xiàn)會(huì)顯著高于MPPS粒徑范圍的小粒子。另一方面，測(cè)試氣溶膠中的Na及Cl會(huì)破壞電子芯片絕緣層從而影響產(chǎn)品成品率和可靠性【7】

為改善鈉焰法測(cè)試氣溶膠的粒徑分布，標(biāo)準(zhǔn)編制組對(duì)不同NaCl氣溶膠發(fā)生制備參數(shù)（溶液濃度以及噴霧壓力）進(jìn)行大量測(cè)試，并利用中效過濾過濾元件的MPPS特性進(jìn)一步對(duì)發(fā)生NaCl氣溶膠進(jìn)行篩選從而獲得分布更接近于MPPS范圍的測(cè)試氣溶膠;

圖4給出了使用Laskin噴嘴噴霧發(fā)生NaCl固體氣溶膠，再經(jīng)不同級(jí)別過濾器篩選所得到多分散氣溶膠計(jì)數(shù)峰值粒徑，試驗(yàn)所使用NaCl溶液濃度10%，噴霧壓力0.2~0.6MPa。由測(cè)試結(jié)果可見，隨著篩選過濾器效率級(jí)別的提高，篩選后多分散NaCl氣溶膠的粒徑分布越來越接近于高效過濾器的MPPS范圍，但過高的篩選過濾器級(jí)別會(huì)導(dǎo)致NaCl氣溶膠質(zhì)量濃度下降過多，不利于高效過濾器的效率檢測(cè)，經(jīng)比較權(quán)衡，F7、F8級(jí)別的中效過濾器就足以滿足測(cè)試需求。

圖5為使用WPS測(cè)試得到的改進(jìn)后鈉焰法試驗(yàn)氣溶膠粒徑分布，相比于傳統(tǒng)鈉焰法的測(cè)試氣溶膠粒徑分布（圖2），改進(jìn)后的試驗(yàn)塵粒徑分布更集中，也更接近過濾器MPPS范圍。

圖6為改進(jìn)后的鈉焰法與傳統(tǒng)方法的測(cè)試結(jié)果比對(duì)，可見改進(jìn)方法確實(shí)可在一定程度上降低鈉焰法對(duì)于過濾器效率測(cè)試結(jié)果，使之進(jìn)一步接近計(jì)數(shù)法測(cè)試結(jié)果。但同時(shí)我們?nèi)员仨毧吹礁倪M(jìn)后的鈉焰法測(cè)試結(jié)果與計(jì)數(shù)法仍有相當(dāng)差距（圖7），未來對(duì)于鈉焰法的性能改進(jìn)與提升仍是標(biāo)準(zhǔn)工作組需要持續(xù)努力與技術(shù)投入的方向之一。關(guān)于這部分工作的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容請(qǐng)讀者參考張惠及曹冠朋二位的文章【8】、【9】。

（接《高效空氣過濾器國(guó)標(biāo)體系主要修訂內(nèi)容解讀（下）》）