高效过滤器性能试验方法与标准浅析-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要本文首先介绍了当前高效过滤器主流的性能测试方法;接着从效率测试、检漏以及气溶胶源等方面分析并比较了国内外的多个标准;最后对高效过滤器性能测试过程中存在的问题进行了探讨,指出这一领域今后研究和发展的方向。
关键词高效(超高效)过滤器检测方法检漏气溶胶
随着科学技术的不断发展,现代工业产品的生产和现代化科学实验活动对室内空气洁净度的要求越来越高,特别是微电子、医疗、化工、生物、食品加工等行业都要求有微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性的室内环境,实现这一目标的主要途径是在洁净空调系统中广泛使用空气过滤器。其中高效(HEPA)和超高效(ULPA)过滤器是尘粒进入洁净室的最后一道防护,它的性能优劣直接关系到洁净室等级,进而影响工艺过程和产品质量。
为此,许多国家制订和颁布了高效过滤器性能试验方法的相关标准:美国军事委员会于1956年制定了军用标准MIL-STD-282,采用DOP(邻苯二甲酸二辛酯)法,即用前向光散射式光度计检测过滤器前后气样的浊度比来计算过滤器的过滤效率,此标准未作大的变更一直沿用至今;1965年英国制定的BS 3928标准采用了钠焰法,检测仪器为火焰光度计,1973欧洲的EUROVENT4/4标准沿用了这种方法;我国于1985年颁布了GB6166-85《高效空气过滤器性能实验方法》,将油雾法和钠焰法同时作为法定的性能试验方法;日本工业标准JIS B 9927:1999《洁净室用空气过滤器性能试验方法》中采取粒子计数法对高效过滤器进行检测;欧洲在1998-2000年制定了BS EN-1822标准,采用最易透过粒径(MPPS)法检测过滤器的过滤效率。
本文将从效率测试、检漏以及气溶胶源等方面分析并比较国内外的多个标准,并着重讨论高效过滤器性能测试过程中存在的问题,指出该领域今后研究和发展的方向。
1高效过滤器的性能试验方法
1.1高效过滤器的效率检测
由前述可知,高效过滤器的效率检测方法多种多样,但历经半个多世纪的发展和演变,目前影响较大、使用范围较广的有:DOP法、粒子计数法和最易穿透粒径(MPPS)法。
1.1.1 DOP法
DOP法特指热生成(凝结法)DOP气溶胶加光度计测量法。该法最先由美国提出:将DOP液体加热成蒸气,蒸气在特定条件下冷凝成微小液滴,去掉过大和过小的液滴后留下0.3!m左右的单分散相气溶胶颗粒,雾状DOP进入风道,后用光散射式光度计(Light-scattering photometer)检测过滤器前后气样的浊度比来计算过滤器的过滤效率。
1.1.2粒子计数法
粒子计数法以粒子计数器作为检测仪器,尘源采用单分散或多分散气溶胶。多分散气溶胶是通过喷雾法(冷生成)产生的,胶源有时也应用DOP粒子,与热生成DOP粒子相比,它们的材料相同,但分散度和检测方法均不相同,应加以区分。冷发生DOP气溶胶加粒子计数器是目前最常用的粒子计数法组合方式。
1.1.3最易穿透粒径(MPPS)法
最易穿透粒径法也称为计数扫描法,是目前国际上高效过滤器的主流试验方法[8]。它的基础仍是粒子计数,只是测试尘源采用最易穿透粒径的粒子,用大流量激光粒子计数器或凝结核计数器对过滤器的整个出风面进行扫描检验。这种方法不仅能测量过滤器的平均效率,还可以比较各点的局部效率(渗漏试验)。
1.2高效过滤器的检漏
要保证洁净室的洁净度级别,除了选取适当的过滤器外,还必须要求安装的高效(超高效)过滤器无漏点,一只渗漏的过滤器会导致整个工程设计的失败。因此,检漏也是高效过滤器性能试验中极其重要的一部分,国内外的相关标准也对此作出了专门的规定。
高效过滤器的检漏常采用冷发生DOP加计数扫描或光度计扫描。
1.2.1计数扫描
计数扫描采用的仪器是粒子计数器,测试值反映气流中计径粒子的计数浓度(粒/L)。扫描检漏过程与效率测试中的MPPS法类似,因此可以允许通过扫描试验数据计算效率,使效率试验和扫描检漏工作合而为一。计数扫描法灵敏度高,可适用于扫描ULPA过滤器。
1.2.2光度计扫描
光度计扫描采用的仪器是气溶胶光度计,测试值反映气体中颗粒物质的质量浓度(!g/L)。相比于计数扫描法,光度计扫描的敏感度较低,不适用于效率高于99.999%的高效过滤器。
2 国内外高效(超高效)过滤器性能试验标准简析
由于各国情况不同,因此现行主要标准中采用的高效(超高效)过滤器的试验方法也不尽相同。表1列出各标准所用试验方法和检测仪器。
2.1各标准效率检测方法分析
高效过滤器的各种效率检测方法究竟孰优孰劣是人们长期以来争论的焦点,迄今为止并没有明确的定量比较结果。但可以肯定的是,欧洲标准率先采用的最易穿过粒径(MPPS)法灵敏度最高,准确性最强,被公认为是当今最科学的检测方法,也是目前唯一可用于检测ULPA过滤器的方法。
于1998年颁布的欧洲标准BS EN-1822共由5部分组成(其中第4、5部分于2000年颁布),其中详细规定了MPPS法的检测过程:第一步为滤纸效率检测,通过对滤纸的检测得到效率粒径曲线,由此确定MPPS;第二步为过滤器渗漏的检测,在额定风量下用平均粒径与最易穿透粒径相同的气溶胶进行检测;第三步为过滤器全效率检测,用与第二步相同的气溶胶在额定风量下检测过滤器全效率。由于该方法的科学性和完备性,BS EN-1822已成为欧洲高效(超高效)空气过滤器性能试验的统一标准。
此外,可以看出当前欧美日等发达国家大都采用以粒子计数为基础的检测方法。而我国标准GB6165-85则是在参照早期国外相关标准的基础上制定的,迄今已有二十多年的时间。标准中采用的钠焰法和油雾法已逐渐不能适应高效过滤器行业今后的发展,因此有必要着手进行修订。
2.2 各标准渗漏试验方法分析
欧洲标准BS EN-1822中的第4部分、美国标准IEST-RP-CC034.2:2005以及日本工业标准JIS B 9927:1999中明确叙述了高效(超高效)过滤器检漏的方法和步骤。它们彼此之间存在一定差异:
(1)BS EN-1822和JIS B 9927:1999对过滤器的渗漏试验只使用粒子计数器;IEST-RP-CC034.2:2005中可选择使用光度计或粒子计数器。
(2)IEST和JIS B 9927:1999中对过滤器效率和渗漏的试验是两项独立的工作,需分别进行;而BS EN-1822允许利用扫描试验数据计算效率,将效率试验和检漏工作合二为一。
(3)在检漏结果的判定上,各标准也存在差异。BSEN-1822提出以局部透过率来衡量过滤器是否泄漏,根据过滤器级别的不同,该局部透过率限值依次为总透过率限值的2倍(H13)、5倍(H14、U15、U16)及20倍(U17);IEST-RP-CC034.2:2005将这一倍数间隔划分得更为详细(从1倍～20倍)不等;JIS B 9927:1999中的允许倍率K取决于与用户的协议。
有关高效过滤器的检漏,我国标准比较零散。《高效空气过滤器性能试验方法》(GB6165-85)中并未涉及此内容,而是在《高效过滤器》(GB13554-92)和《洁净厂房设计规范》(GB50073-2001)中分别阐明了实验台测试用和已安装高效过滤器的检漏过程及渗漏指认标准[10～11],基本原理与欧美日标准类似,但尘源允许使用大气尘。

3 国内外各标准对气溶胶源的要求
气溶胶的发生是高效过滤器检测中的关键环节之一,其发生方法、分散度、发生浓度等会对高效过滤器的检测结果产生较大影响,因此现行各标准对以上因素均提出了明确要求[1][5],见表2。
针对不同的检测方法,虽然对气溶胶源各参数规定的具体数值略有不同,但不难看出各标准对气溶胶发生部分有以下几点共性:
(1)所采用的试验气溶胶物质在常温下具有很低的蒸汽分压力,长时间采样过程中不会因蒸发造成液滴尺寸的明显改变。
(2)均以喷雾法(冷发生)或凝结法(热发生)产生试验气溶胶,但以喷雾法为多。
(3)明确规定气溶胶粒子的粒径分布,计数平均粒径小于0.5!m。
(4)足够高的发尘浓度。为保证下游的采样数据有效,上游发出的气溶胶粒子浓度要足够高。
(5)保证被试过滤器整个迎风面上的试验气溶胶浓度均匀(空间一致性),还要保证整个试验期间气溶胶浓度恒定(时间一致性)。
4问题讨论
4.1尘源性质
目前国内外相关标准中广泛采用DOP作为试验气溶胶源,但是近年有关人士批评DOP的挥发有致癌作用[9],在某些情况下可能进入洁净室对操作人员及样品产生危害,在医药、生物等领域尤其应避免采用DOP。因此,在现场实际测试中,通常用PAO或PSL代替DOP作为尘源。
此外,长期以来人们都在讨论热发生和冷发生DOP哪个更具优势。热发生DOP能够较严格地控制粒径接近被测过滤器的最易穿透粒径,但是其发生设备庞大,且在开启时必须预热三十分钟,使用起来较为不便;另外加热发生方法易使DOP附着于过滤器表面。冷发生DOP装置不存在上述问题,但其产生的多分散气溶胶无疑提高了对采样分析仪器的要求。
4.2发尘浓度
国内外各标准中要求上游发尘浓度足够高,但是为避免由凝并导致气溶胶粒径分布与尘粒个数的改变以及为减少对末端过滤器的损害,发尘浓度应存在上限;同时为保证下游采样所需尘粒数,上游发尘浓度也不能过低。通常该浓度控制在3×104粒/L～108粒/L。在笔者参与进行的现场实测中,当上游发尘浓度稳定在3×105粒/2.83L附近时,检测结果是令人满意的。当然,这一数值是否最为恰当,是否需要进一步改进,还应在今后的实验或实测过程中不断摸索总结。

4.3气溶胶光度计与粒子计数器
采用光度计和粒子计数器得到的检测结果会有差别,原因是气溶胶光度计检测的是计重浓度,而粒子计数器检测的是计数浓度。而粒子的浓度分布曲线与数量分布曲线并不重合,大粒子在重量分布中占有较大比重。因此究竟使用哪种仪器得到的测量结果更准确成为人们争论的焦点,能否通过某种手段将二者进行定量对比可以作为今后的一个研究方向。
4.4气溶胶的空间一致性
国内外各标准对气溶胶的空间一致性作出了规定,即要求被测过滤器整个迎风面上游的试验气溶胶浓度均匀,任一点的气溶胶浓度不偏离该断面上平均值的10%。但是,究竟距气溶胶注入点下风向多远距离处气溶胶能得到充分混合,标准中并未给出推荐值。在现场实测中,笔者曾遇到过上述问题:气溶胶注入预留孔与上游采样点预留孔距离过短,导致采样浓度不稳定,从而对高效过滤器的检测造成负面影响。
此外,在现场测试过程中,我们还发现当在上游主管段发尘时,与之相连的各支管过滤器上游的采样浓度并不相同,很多时候其偏差远远超出10%～15%的可接受范围。产生这一现象的原因是什么,是否与风量有关;主管的采样浓度与各支管又存在什么样的定量关系,可否用前者代表各分支过滤器上游的气溶胶浓度,如果可以,则能大幅减少上游采样的工作量,提高工作效率。
解决上述问题需要物理实验的支持,下一阶段笔者将对此进行深入的探索和研究,以期得出一些有实用价值的结论,相关成果可关注后续论文。

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