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洁净室空气过滤器的发展与前景
1 空气过滤器的发展
洁净室所用的空气过滤器的原型是人们为保护呼吸而使用的呼吸保护器具。据记载, 早在一世纪的罗马, 人们在提纯水银的时候就用粗麻制成的面具进行保护。在此之后的漫长时间里, 空气过滤器也取得了进展, 但其主要是作为呼吸保护器具用于一些危险的行业, 如有害化学品的生产。1827 年布朗发现了微小粒子的运动规律,人们对空气过滤的机理有了进一步的认识。
空气过滤器的迅速发展是与军事工业和电子工业的发展紧密相关的。在第一次世界大战期间, 由于各种化学毒剂的使用, 以石棉纤维过滤纸作为滤烟层的军用防毒面具应运而生。玻璃纤维过滤介质用于空气过滤于1940 年10 月在美国取得专利。50 年代, 美国对玻璃纤维过滤纸的生产工艺进行了深入的研究, 使空气过滤器得到了改善和发展。60 年代, HEPA 过滤器问世; 70 年代, 采用微细玻璃纤维过滤纸作为过滤介质的HEPA 过滤器, 对013 微米粒径的粒子过滤效率高达99.9998%。八十年代以来, 随着新的测试方法的出现、使用评价的提高及对过滤性能要求的提高, 发现HEPA 过滤器存在着严重的问题, 于是又产生了性能更高的UL PA 过滤器。目前, 各国仍在努力研究, 估计不久就会出现更先进的空气过滤器。
过滤器本身的设计也取得了显著进展, 其中最重要的是分隔板的去除, 即无隔板过滤器的发展。无隔板过滤器不仅消除了分隔板损坏过滤介质的危险, 而且有效地增加了过滤面积, 提高了过滤效率, 并降低了气流阻力, 从而减少了能量消耗。此外, 空气过滤器在耐高温、耐腐蚀以及防水、防菌等方面也取很大的进展,满足了一些特殊的需求。
2 空气过滤器的应用
随着环境污染的日益严重和人们环境意识的加强, 空气质量已成为全世界关注的焦点。现在人们认识到空气过滤系统不仅要保护机械设备, 还要保护人。因此, 空气过滤的应用范围越来越广泛。
空气过滤的最大应用是住宅楼, 其次是商业和工业建筑。此外, 过滤设备还常用行下列场合: 洁净室; 复印设备; 室内空气净化器; 麻醉气体过滤设备; 激光外科手术应用; HVAC 系统(供暖、通风和空调系统) ; 恒温室; 计算机打印机; 工作室空气过滤系统; 空调器等。
2.1 住宅市场
由于人们对生活质量的要求不断提高, 住宅原有的空气过滤系统已不能满足人们的需要, 性能更高的静电过滤器则成了原有空气过滤器的首选替代品。但与普通玻璃纤过滤器相比, 由于过滤介质成本较高, 静电过滤器的应用也受到一定的限制。
3M 公司是静电过滤器市场的领头羊, 正积极销售其产品。3M 公司的静电过滤器采用波纹结构, 介质装填较松散, 因而气流阻力较小。3M 公司称他们过滤器的装填密度是最适宜的, 而且具有很长的寿命。波纹结构还会提高过滤效率, 且能够比平板过滤器捕集更多的粒子。
在中国, 住宅绝大多数没有空气过滤系统, 但中国的住宅数量巨大, 且每年以数百万套的速度递增。随着居室内空气质量的日益恶劣和人们环境意识的不断加强, 空气过滤系统在住宅的应用是有前途的, 存在着潜在的巨大市场。
2.2 办公楼应用
要求改善办公室空气质量的推动力是先进的办公设备的广泛应用。计算机终端是产生臭氧和挥发性有机化合物的来源。喷墨打印机是碳氢化合物和臭氧的来源。干法照相复制机产生碳氢化合物、可吸入悬浮粒子和臭氧; 传真机产生臭氧和挥发性有机化合物; 激光打印机产生碳氢化合物、臭氧和可吸入粒子; 等等。这些产物已经严重地污染了室内环境, 并给人身和办公设备造成了一定的危害。
据估计, 在美国的办公楼和公共建筑中有30% 存在室内空气污染问题, 尤其公共建筑如机场、车站等所面临的挑战远大于办公楼。芝加哥D‘Hare 机场大厅空气流量为每分钟约5166 万m 3, 为改善空气质量, 该处共装有1100 个预滤器, 1100 个终滤器和2200 个炭滤器(其中的炭每10—12 个月需更换一次)。
预计2000 年办公室、商业及公共建筑对空气过滤器的需求在全球将达到五亿美元。
2.3 室内空气净化器
随着建筑标准的日益严格, 消费者对室内空气质量越来越重视。尤其是患有过敏症、哮喘病或呼吸道疾病的人, 因为空气污染影响了他们的正常生活。人们在室内度过90% 的时间, 而室内空气污染水平可能是室外的2—5 倍。室内几乎所有空间都含有花粉、霉菌、孢子、动物毛发、烟雾、细菌、病毒和包括石棉在内的有害纤维及灰尘。恶劣的空气质量使得哮喘和过敏症更加严重。用空气净化器除去室内空气污染物是一种有效的方法。
在便携式室内空气净化器市场上有多种产品。发展最快的是使用高效过滤介质的静电空气过滤器如3M 公司的F ilt rete, 和更高效的微细玻璃纤维HEPA过滤器, 它们占据了市场的大部分。在美国空气净化器市场以每年10% 以上的速度递增。日本是继美国之后的第二大市场。在中国, 空气净化器的需求也在增加,随着空气质量的不断恶化和家庭办公的出现, 空气净化器将有一个巨大的潜在市场。
2.4 生产工厂
不同工厂对空气质量的要求差别很大。装有排烟罩和污染控制设备的工厂需要补充大量的空气, 如果这些工厂所在地区环境空气受到污染, 那么在将补充的空气分布到工作场所之前必须先进行过滤。在半导体生产和制药工业中, 对空气的洁净度要求较高。典型的工作环境中, 每立方英尺空气中含有500000 个粒子, 而半导体生产的最新要求是每立方英尺空气中只有1 个粒子。因此, 工作间需要用经过HEPA 过滤器过滤的洁净空气不断地循环清洗。为保持HEPA 过滤器的洁净和寿命, 还需要几段效率较低的预滤器联合使用。
工业用洁净室要求连续有效地去除粒径更小的粒子。HEPA 过滤器一度是效率最高的过滤器, 现在UL PA 过滤器则是效率最高的过滤器, 以后更高效率的新一代过滤器也将得以开发应用。微细玻璃纤维过滤介质是过滤器介质的主要选择, 但膜和静电增强介质已向该领域渗透, 并获得部分应用。
对于工厂排放的废气, 要求最严格的是毒性。某些重金属如汞、砷、铬、铍等毒性很大, 其排放限制非常严格。在空气毒性方面, 美国和德国已经通过了新的更严格的立法。执行新的立法后, 空气毒性的限制由原来的20 m g/m 3 (标准) 降低到010004 m g/m 3 (标准)。为达到这一目标, 工厂需要更先进的过滤器以除去亚微粒子。一些德国公司使用传统的折叠式微细玻璃纤维HEPA 过滤器用于过滤系统, 同脉冲空气洁净机理相互配合, 并使过滤介质的波纹更密。一家美国公司则通过设计管式微细玻璃纤维HEPA 过滤器又向前进了一步。
2.5 医院
卫生行业是一个很庞大而特殊的行业, 它对空气的洁净度要求也很高。通常, 对医院空气的最低要求用效率为30% 的预滤器和效率为90% 的终滤器结合使用进行过滤。一般情况下不需要HEPA 过滤器过滤, 但在特殊情况下如隔离室、特定的测试和护理区域则需要HEPA 过滤器过滤。
医院的许多HVAC 系统使用100% 的室外空气,这对于防止病人通过HVAC 系统中的悬浮微生物进行交*感染是很好的策略。但100% 使用室外空气并不能消除微生物在空气过滤介质中的生长及其对护理环境产生的不良影响。因此, 现在许多医院仍极需先进的HVAC 系统。
卫生系统的洁净室最先用于手术室。开始它只是在矫形手术中获得广泛应用, 因为矫形手术时间较长,易于引起感染。控制水平较理想的是使用手术台附近的空气洁净度达到100 级。一般建议使用顶部HEPA过滤系统, 它能覆盖至少3 m ×3 m 的面积, 从而将手术台和人包括在内。
洁净室获得应用的其它领域有分娩室、保育室、烧伤室、心脏病人护理单元等。最新进展之一是牙外科手术洁净室的应用, 它降低了在长期手术过程中医务人员被感染的危险。
2.6 食品加工
食品工业对于空气过滤设备来说, 正在成为一个不断扩大的市场。为保持食品的新鲜口味, 用消毒来消除污染的方法已逐渐不被使用。这使得消除与产品相关的空气污染更加重要。国家规定、保险意识和公众关注正促使肉加工者、奶制品生产者及其它食品生产者更新他们的空气过滤系统。
在欧洲, 酸奶的罐装是在洁净室条件下进行的, 其结果是在不用添加价格昂贵的化学保鲜剂, 产品可以保存较长的时间。
啤酒厂发现为保护它们的生啤酒, 必须控制灌装车间周围环境的空气污染。在洁净室进行灌装是最佳选择。这类工厂需要100000 级的洁净室, 可以采用顶部通风系统, 用HEPA 过滤器过滤。
在法国北部的亚眠市, Su lzer 先生为其厨房设计了洁净室。Su lzer 的厨房洁净室级别为100 级, 并配有必要的加热和冷冻设施。按照美国联邦标准209 D 规定, 食品应在洁净度100 级、室温12℃的条件下进行分装。这样可以保证无菌操作, 其好处是提高质量、增加营养、改善口味、延长贮存期。
3 市场趋势
展望未来的空气过滤器市场, 我们可以发现:
(1) 在当前的空气过滤器市场中, 以微细玻璃纤维作为过滤介质的过滤器仍占主导地位, 但膜生产商也正向空气过滤领域发展, 提供高效的膜滤器, 并改善膜在低气流阻力下过滤的性能。它们认为, 在高效空气过滤和集尘应用中, 膜滤器不久将取代微细玻璃纤维过滤器。
(2) 耐高温过滤器的发展将会加快。金属纤维和陶瓷纤维过滤器已获得应用。玻璃纤维复合无机膜可以增强纤维的机械性能, 赋予滤袋较强的耐高温性能, 使之在高达480℃的温度下使用。热电工程、煤气化系统和垃圾焚烧系统将为耐高温过滤器提供了一个巨大的市场。
(3) 空气过滤器市场发展的趋势是全球化。发展中国家购买增长率将比发达国家快。刺激今后几年过滤器市场快速发展的因素包括: ①发展中国家大量新工厂的建设; ②欧洲和日本等发达国家的经济复苏; ③世界范围内对环境保护的更严格要求。这种需要、繁荣和环境意识的结合必然会激起过滤器市场的迅速发展。
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