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不带HEPA也好意思叫空气净化器?全景揭秘HEPA过滤网鲜为人知决战PM2.5的硬历史!

2017-10-24 EK-CILLY

人类最早开始重视室内空气问题,源于室内的细菌,早期的科学家,学会用消毒液、加强通风、保持室内干燥的方式,来祛除细菌、真菌和病毒在室内的潜伏威胁。


不过,对于PM2.5,人类关注的比较晚,主要是检测技术不成熟,几千年里,人类从来没有发现这个从地球诞生之初就伴随着我们这个蓝色星球的小东西。

 

HEPA的诞生是需求倒逼的结果


人类正式关注到PM2.5对生活和工作的影响,还是从上世纪30年代开始。当时的美国人,在制造航空仪表的时候,尤其是陀螺仪的时候,发现质量问题很严重,良品率比较低。


陀螺仪是飞机上重要的导航装置,如果陀螺仪出了问题,就会发生非常严重的飞行事故,例如,原定飞往夏威夷,结果越飞越冷,低头一看,怎么飞到阿拉斯加了。


飞机制造厂家在经过反复排查发现,如果空气中有比较多的尘埃粒子,尤其是非常细小的PM2.5,就会对产品的合格率造成极大影响。


于是,美国人开始考虑空气过滤装置,看看能不能把送进陀螺仪生产车间空气里的PM2.5,全都过滤掉。

 

因为常规的空气过滤材料,例如尼龙网、棉纱布这种传统过滤的材料,对PM2.5几乎没有任何效果。这使得航空仪表界很犯难,因为也许一粒非常微小的PM2.5,混在陀螺仪上,或者落在航空仪表的电路板上,就会引起仪表崩溃失灵。


所以,寻找和制造更合适的空气过滤材料,成为美国航空制造界最需要解决的技术难题之一。


空气净化器



1942年,美国科学家langmuir创立了HEPA过滤理论,通过对粒子扩散规律的分析,提出一个最难过滤的粒径点——0.3微米。


HEPA
,即 High(高)efficiency(效率)Particulate(颗粒)airfilt(空气过滤装置)的英文首字母简写。简单说,就是高效空气过滤净化装置。


这个理论的提出,划亮了空气净化机的天空,让裹足不前的研究者们,找到了指路明灯,而这个理论也成为空气净化技术史上,经久不衰的经典理论,从七十年前沿用至今,几乎无人能够挑战。空气净化器如果没有配备HEPA过滤网,那就不是真正意义上的空气净化器。

HEPA的两个理论核心

所谓HEPA过滤理论的核心,有两点:
第一,用超细的玻璃纤维或者化学纤维,大概细到0.2微米左右的纤维,用类似做纸或者棉花糖的方式,做成一块无纺布滤膜,这种材料的强度非常好,不容易破损,比卫生纸强。


这种滤膜,一个平方厘米上,可能就有几万根甚至几十万根丝线,纵横交错,这样给PM2.5从纤维丛中穿越,带来极大的困难,但是空气可以往来自如。那么也就给截附和过滤PM2.5,带来极大的便利。


第二,由于范德华力的存在,PM2.5在碰到纤维的时候,就会被牢牢粘在纤维上,不会逃走,顺便也因为范德华力,直接站在纤维上的PM2.5,还会把周围走过路过的PM2.5也粘上,我们管这个叫做灰尘搭桥,灰尘颗粒物被“连坐”了,都跑不掉!


langmuir还通过计算各种粒子的运动轨迹特性发现,0.3微米的粒子,是所有粒子中,最调皮的粒径。比0.3微米小的,或者比0.3微米大的粒子,反而都相对老实,这一点大大出乎科学家们的预料。


同时,这个特性的发现,也给测定空气过滤材料的过滤效率,尤其是HEPA膜,带来了极大的方便。因为只需测0.3微米单个粒径就可以了,只要一块过滤膜,在0.3微米的粒子过滤上,表现优秀,那么就意味着,比0.3大或者小的粒子,都已经被很好的截附和过滤掉了。

 


HEPA过滤网
HEPA过滤网


HEPA过滤网

 

于是,美国人利用这种理论,开始大量制造HEPA过滤装置,他们用大风机+滤膜,鼓捣出一个叫做风机过滤单元的家伙,也就是现在我们熟知的FFU,(这也是一切空气净化机的开山鼻祖)

 

HEPA被用来过滤核辐射粒子


航空制造业,首先使用FFU,于上世纪40年代初首先建成空气洁净室,在这个特殊的房间里,空气都经过HEPA装置过滤送进来,然后把房间实验人员和实验过程的废气排出去。这样一来,房间的pm2.5就非常少,保证航空仪表的精密度和准确度,同时室内人员也可以正常呼吸。


HEPA过滤网


 

随后,美国军方在研发原子弹的曼哈顿计划进行期间,要进行大量核材料的实验,他们发现常常会有核辐射粒子会随着空气,从核材料反应实验室,飘散出来。这会让许多没有防护措施的科学家,曝露在核辐射的阴影下。


话说回来,如果单纯是想阻挡核辐射粒子,很容易,窗子上焊一块铁板密不透风即可,但里面的科学家还是要呼吸,他们也不可能24小时带着氧气瓶。


但要做到既能阻挡核辐射粒子,又保持实验室的通风透气,可真是让人犯难的事情。这时航空工业的新成果,HEPA过滤装置和洁净室的及时出现,也解决了曼哈顿计划的大问题。


美国军方也大量采用HEPA过滤器,既能够保证实验室的空气永远是最新鲜的氧气,同时也把实验室产生的辐射粒子,大量的通过HEPA过滤器过滤,并留在滤材上,既不会吹到外面去祸害普通人,也不会反飘出来再度影响室内的科学家。


从此之后,从HEPA理论,衍生出来的HEPA过滤器以及FFU,成为这个世界上对付PM2.5,最有效的武器。

 

HEPA技术促进了美国工业经济的发展

 

HEPA过滤网


50年代,朝鲜战争期间,美国在与英勇的中国人民志愿军对抗过程中,开始尝试使用大量电子产品,如雷达,步话机等等。但这些产品在使用期间的失效率很高,雷达失效率84%,其他电子设备失效率65-70%,共计十六万套电子设备,需要更换一百万个零部件。这让在朝鲜战场本已挫败不堪的美军,更觉懊恼。


停战后,美国人开始总结经验,发现电子产品失效的主要原因,还是生产过程中的车间颗粒物问题。


于是,在上世纪60年代开始,美国人在电子工业里,也开始大量使用HEPA过滤装置和洁净室,这也使得电子产品的优良率迅速提升到95%左右,这也大大推动了电子工业本身的进展。


同时,医药工业,在大量使用洁净室和HEPA过滤装置,以隔绝微小细菌的侵入,保证药物不会被感染。


医院手术室和ICU病房也开始大量使用,进一步减少危重病人的感染几率。从此之后,HEPA过滤装置(FFU)和洁净室技术,在电子、医药、精密仪器等生产领域大行其道,让这些行业产品,精密度进一步提升,优良率和产品可靠性也进一步提升。而HEPA过滤装置和洁净室,也成为第三次工业浪潮能够加速启动的重要推手。


不夸张的说,如果没有HEPA空气过滤装置,诸位可能就没有办法在苹果手机上看到这篇文章。因为现在的苹果手机生产车间,就是按照超高标准的洁净室技术,所有的生产装配环节,都处在HEPA过滤和FFU的监控之下,室内的PM2.5浓度,可能只有零点零零几微克,污染浓度少的惊人。

 

空气净化器


而对室内PM2.5浓度控制的如此精密,其实在上世纪五十年代,HEPA过滤专家们就已经熟练掌握。上面这个故事告诉大家两个观点:


第一,HEPA是上世纪40年代的技术,已经在核试验中,证明了其过滤有效性和安全性,同时通过70年的大规模实践,也证明其是目前世界上效果最好,性能最稳定的过滤装置和技术。


第二,使用HEPA将室内的PM2.5浓度控制在1微克以下,甚至零点零零几微克,也早在五十年代成为熟练技术。


所以,HEPA空气净化器对付PM2.5,是有效的,到现在也已经是非常熟练的技术。

 

全球九成的家用空气净化器是中国造

进入80-90年代,欧美国家的电子工业大量向亚洲,尤其是向中国的转移和集中,HEPA过滤装置生产线和洁净室技术厂家和企业,也随之向中国转移和集中。


中国也从九十年代开始,逐步成为全球HEPA过滤等空气过滤和净化装置的供应大国,全球有六成以上的科技产业用过滤装置,九成以上的民用空气净化装置,出自中国,尤其出自珠三角区域。


生产线转移到中国,代表空气净化和过滤产品的成本也大幅下降,这也让欧美普通人家能够开始使用上原本只能在实验室和高精密仪器工厂才能使用的空气净化装置。


家用空气净化器,也从巨大笨重的FFU产品,衍生出来,变成塑料外壳的便携产品。也就在1994年,在对六个城市的长达二十年的跟踪调研后,哈佛大学发表了流行病学界著名的《六城市研究》,这个研究
第一次向人类揭示了PM2.5的有害性。

 

空气净化器


不过,欧美人当时使用民用空气净化器,可不是为了过滤雾霾,而是为了过滤花粉。因为欧美国家在九十年代时候的空气,已经趋于好转,灰霾已经不严重,整体环境质量也越来越好,家居环境周围的植被也十分茂密,不过因为基因的关系,许多欧美白人,有着顽固的花粉过敏症状和其他空气过敏症状。价格大幅下降走入民用市场的空气净化机,成为许多过敏人群的福音。

 

中国的HEPA研发,起个大早却赶了个晚集

HEPA理论虽然是美国科学家的研发,大量生产线也是欧美外移进来。但是,中国人自己掌握这个技术,自主研发的历史也不晚,能力也不弱。


早在上世纪五十年代,中国建筑科学研究院成立了暖通净化研究大组,这是我国第一个专业从事室内空气净化和PM2.5过滤的专业研究团队。


因为这个团队的不懈攻关,
1965年,安徽蚌埠滤材厂生产出第一款我国独立自主研发的HEPA过滤器,甚至比日本的第一款同类产品,还要早好几个月。同时,在1973年,我国也成功研制了第一款PM2.5粒子计数器。


不过,当时这些技术只能用在少数高级医院、实验室和军工航天级的产品生产车间,HEPA过滤产品和研发团队,在我国一直处于偏科冷门状态,因为使用的不多。


直到九十年代后,随着电子工业在我国珠三角和长三角蓬勃发展,相关技术的研发和产品产量,才获得提升。


目前,珠三角地区是全球空气过滤器产量最大的地区,全球九成的HEPA过滤器,都是从珠三角的工厂里出产。价格也无比廉价,一块1平方米左右的滤膜,出厂价只有两百块,比卖白菜还便宜。


不过,这些信息,一直隐没在默默无闻的空气净化技术界内部,无人知晓。

 

当然,部分高端的空气净化器还依赖进口的HEPA在国内组装时应用,比如从韩国、美国进口等。

 

孕婴专属健康呵护,EK-CILLY智能空气净化器,高效去除PM2.5、甲醛等污染物,清新空气自在畅享。本文摘编自微信公众号“新风机”ID: sinfonw。图文版权归原作者所有


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