过滤器，你了解多少？（一）

过滤器是如何工作的

空气中的尘埃粒子，或随气流运动，或作无规则运动，或受某种场力的作用而移动。当运动中的粒子撞到障碍物，粒子与障碍物表面间存在的范德瓦尔斯力使他们粘在一起。

范德瓦尔斯力也称“范德华力”，是指两个物体接触时，表面间存在一种微小的引力，它不是人们熟悉的万有引力，不是磁力，也不是静电力，它是一种分子与分子、分子团与分子团之间的力。

从微观上讲，单个原子或分子中带负电的电子云有个中心，带正电的原子核也有个中心，当这两个中心不重合，就产生电偶矩。单个偶极可能瞬息万变，也可能相对稳定，但多个偶极凑在一起，就会对周围物体产生引力。这种引力很微弱，其量值比化学键小1～2个数量级。它的作用区间也很窄，距离大了引力消失；距离太近（＜7Å）时电子云重叠，相邻分子又互相排斥。

过滤器中的过滤介质如迷宫，置身其中的粉尘比平时有更多机会撞击障碍物，并因过滤介质中无处不在的范德瓦尔斯力而留下来。在特定情况下，静电力也参与捕捉粉尘的过程。如果过滤介质带静电，过滤效果会明显改善，其原因之一是静电力使粉尘改变轨迹而撞击障碍物，之二是静电力比范德瓦尔斯力更容易将粉尘粘住。粉尘也可以被人为地加上静电，使他们容易被其他物体吸附，例如静电过滤器和电除尘器。

纤维过滤材料既有效地拦截尘埃粒子，又不对气流形成过大阻力。无规则排列的纤维材料符合这些要求。杂乱交织的纤维形成对粉尘的无数道屏障，纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过(见图)。

过滤材料与粉尘的电镜照片

惯性拦截

大粒子在气流中作惯性运动。气流遇障绕行，粒子因惯性偏离气流方向并撞到障碍物上，见图。粒子越大，惯性力越强，撞击障碍物的可能性越大，因此过滤效果越好。

粉尘撞击过滤材料示意图

扩散拦截

小粒子因无规则的布朗运动撞击障碍物（见上图）。对无规则运动作数学处理时使用传质学中的“扩散”理论，所以有扩散原理一说。粒子越小，无规则运动越剧烈，撞击障碍物的机会越多，因此过滤效果越好。

效率随尘粒大小而异

过滤效率与粒径的关系

小于0.1 μm（微米）的粒子布朗运动剧烈，主要作扩散运动，粒子越小，撞击过滤介质的几率越大，因此过滤效率越高；大于0.3 μm的粒子主要作惯性运动，粒子越大，效率越高。

在惯性和扩散都不显著的0.1 μm～0.3 μm之间，效率有一处蕞低点，该粒径大小的粉尘很难过滤。

粉尘粒度分布

在自然界，微小粉尘因布朗运动相互碰撞而聚成大颗粒，大颗粒粉尘又因重力而沉降，碰撞不那么频繁、又不容易沉降的粉尘相对稳定地悬浮在大气中。

室外空气中，按颗粒数量计99.9%的粉尘粒径小于1 μm；若按重量计，占总重量50%～95%的粉尘小于10 μm。

现代，人类活动扬起大量灰尘，如燃烧、工业污染、建筑活动、汽车等等。与以前相比，我们遇到的粉尘，数量多了，粒径小了，对人体造成的危害也增大了。

空气中的氮氧化物和碳氢化合物，遇到阳光照射，产生光化学反应，气体分子变成颗粒物。反应多了，就形成“霾”。

典型颗粒物尺度

美国斯坦福研究所（Stanford Research Institute）的研究人员曾勾画了一张粉尘颗粒度比较图，几十年来，那张图被广泛引用，斯坦福研究所也在不断地修改、补充那张图。下图就是那张粉尘颗粒度比较图。

典型颗粒物尺度

可吸入颗粒物及国家标准

人的鼻子是个“过滤器”，那里的鼻毛、分泌物和黏膜可以将大多数大于10 μm的粉尘过滤掉，只有小于10 μm的颗粒物才可能进入气管和肺部。因此，官方将“可吸入颗粒物”定义为“空气中≤10 μm的颗粒物”，标为PM10。空气中的全部粉尘量为“总悬浮颗粒物”，去掉其中10 μm以上的粉尘，剩下的就是“可吸入颗粒物”。另有人说≤2.5 μm的颗粒物更容易进入肺部，对人更有害，于是将可吸入颗粒物定义为≤2.5 μm的物质，标为PM2.5。 对于室外环境，国家标准（GB3095-1996 环境空气质量标准）规定的总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物见表。国家标准（GB/T18883-2002 室内空气质量标准）规定，室内环境中可吸入颗粒物PM10的浓度应≤0.15 mg/m3。

大气平均颗粒物与空气质量级别

空气质量级别		I	II	III
总悬浮颗粒物，mg/m3	年平均	0.08	0.20	0.30
	日平均	0.12	0.30	0.50
可吸入颗粒物PM10,mg/m3	年平均	0.04	0.10	0.15
	日平均	0.05	0.15	0.25