F6袋式過濾器濾材選擇對容塵量的影響研究 一、引言 隨著工業技術的快速發展和人們對空氣質量要求的不斷提高，空氣過濾技術在空氣淨化、通風係統、潔淨廠房、醫院、食品加工等領域中扮演著至關重要的角...
F6袋式過濾器濾材選擇對容塵量的影響研究
一、引言
隨著工業技術的快速發展和人們對空氣質量要求的不斷提高，空氣過濾技術在空氣淨化、通風係統、潔淨廠房、醫院、食品加工等領域中扮演著至關重要的角色。袋式過濾器作為中效過濾器的典型代表，廣泛應用於HVAC（暖通空調）係統中，其性能直接影響係統的運行效率、能耗水平及室內空氣質量。其中，F6袋式過濾器是EN 779:2012標準中定義的中效過濾器等級，其過濾效率為60%~80%（針對0.4μm顆粒物），在工業與民用領域具有廣泛的應用基礎。
容塵量（Dust Holding Capacity, DHC）是衡量過濾器使用壽命和運行經濟性的重要指標，指在標準測試條件下，過濾器在壓差達到規定限值前所能容納的灰塵總量，通常以克（g）為單位。容塵量越高，說明過濾器在不更換的情況下可運行時間越長，係統維護成本越低。影響容塵量的關鍵因素之一是濾材的選擇，包括纖維材質、纖維直徑、濾料結構、克重、孔隙率等。
本文將係統研究F6袋式過濾器在不同濾材選擇下對容塵量的影響，結合國內外權威文獻與實驗數據，分析不同濾材的性能差異，並通過參數對比和表格形式呈現，為工程設計與設備選型提供科學依據。
二、F6袋式過濾器基本參數與標準
F6袋式過濾器屬於中效過濾器，依據歐洲標準EN 779:2012和中國國家標準GB/T 14295-2019《空氣過濾器》進行分類。其主要技術參數如下表所示：
| 參數項 | 標準值（EN 779:2012） | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（0.4μm） | 60% ~ 80% | 基於人工塵計重效率 |
| 初始阻力 | ≤100 Pa | 在額定風量下測得 |
| 終阻力 | 300 ~ 450 Pa | 通常設定為更換閾值 |
| 額定風量 | 500 ~ 2000 m³/h | 取決於過濾器尺寸 |
| 容塵量 | ≥300 g | 實際值因濾材而異 |
| 濾材材質 | 合成纖維、玻璃纖維、聚酯等 | 可選多種組合 |
| 結構形式 | 袋式（通常為6袋或8袋） | 增加過濾麵積 |
F6過濾器通常采用多袋結構設計，通過增加過濾麵積來降低麵風速，從而延長使用壽命並提高容塵能力。其典型結構包括外框（鍍鋅鋼板或鋁型材）、濾袋（縫製於支撐架上）和密封膠條。濾袋數量一般為6至8個，單袋長度約400~600mm，有效過濾麵積可達1.5~3.0 m²。
三、濾材類型及其物理特性
濾材是決定F6袋式過濾器性能的核心要素。不同材質的濾料在纖維結構、表麵特性、抗濕性、機械強度等方麵存在顯著差異，直接影響其容塵量表現。目前主流濾材包括以下幾類：
1. 聚酯纖維（Polyester）
聚酯纖維是袋式過濾器中常用的濾材之一，具有良好的機械強度、耐化學性和可加工性。其纖維直徑通常在10~20μm之間，克重範圍為100~200 g/m²。
優點：成本低、易清洗（部分可水洗）、抗撕裂性強。
缺點：高溫下易軟化，長期使用易老化。
2. 玻璃纖維（Glass Fiber）
玻璃纖維濾材具有優異的耐高溫性能（可達260℃以上），常用於高溫或腐蝕性環境。其纖維直徑更細（3~8μm），孔隙率較低，過濾效率高。
優點：耐高溫、阻燃、化學穩定性好。
缺點：脆性大、易斷裂，容塵量相對較低。
3. 聚丙烯（Polypropylene, PP）
聚丙烯濾材具有良好的疏水性和抗微生物性能，適用於高濕環境。其纖維呈三維卷曲結構，有助於形成多層過濾網絡。
優點：防潮、抗黴變、輕質。
缺點：耐溫性較差（一般<100℃），機械強度低於聚酯。
4. 複合濾材（如PET+PP混紡）
複合濾材通過將不同纖維混合或層壓，實現性能互補。例如，聚酯作為支撐層提供強度，聚丙烯作為表層提升過濾精度和容塵能力。
優點：綜合性能優異，容塵量高。
缺點：成本較高，生產工藝複雜。
下表對比了四種主要濾材的物理與過濾性能：
| 濾材類型 | 纖維直徑（μm） | 克重（g/m²） | 孔隙率（%） | 初始阻力（Pa） | 容塵量（g） | 耐溫性（℃） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 聚酯（PET） | 10~20 | 120~180 | 70~80 | 80~100 | 300~450 | 120~150 |
| 玻璃纖維 | 3~8 | 80~150 | 50~60 | 100~130 | 200~300 | 260+ |
| 聚丙烯（PP） | 8~15 | 100~160 | 75~85 | 70~90 | 350~500 | <100 |
| 複合濾材（PET+PP） | 5~15（混合） | 140~200 | 78~88 | 75~95 | 450~600 | 130~150 |
數據來源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020); GB/T 14295-2019; 中國建築科學研究院實驗報告（2021）
四、濾材選擇對容塵量的影響機製
容塵量並非單一由濾材材質決定，而是多種因素協同作用的結果。以下從微觀結構、過濾機理和實際運行條件三個方麵分析濾材選擇對容塵量的影響。
1. 纖維直徑與比表麵積
根據Kuwabara流場理論，纖維越細，單位體積內纖維數量越多，比表麵積越大，對顆粒物的攔截和擴散捕集能力越強。細纖維形成的濾層具有更高的容塵潛力。例如，玻璃纖維雖細，但因結構致密、孔隙率低，反而限製了灰塵的深層滲透，導致容塵量偏低。
研究支持：美國ASHRAE Research Project 1575（2018）指出，纖維直徑每減小1μm，容塵量可提升約5%~8%，但需平衡阻力上升問題。
2. 克重與濾料厚度
克重直接影響濾料的密度和厚度。高克重濾材通常具有更多纖維層，能容納更多灰塵。但克重過高會導致初始阻力上升，影響係統能耗。
清華大學建築技術科學係（2020）在《暖通空調》期刊發表研究指出：在F6過濾器中，克重從120 g/m²增至180 g/m²，容塵量平均提升23%，但阻力增加約18%。
3. 孔隙結構與梯度過濾設計
現代高效濾材常采用梯度結構設計，即濾料從迎風麵到背風麵孔隙逐漸變小，形成“深層過濾”效應。這種結構允許大顆粒在表層被捕獲，小顆粒深入內部，避免表麵快速堵塞，顯著提升容塵量。
例如，複合濾材中的“PP熔噴層+PET支撐層”結構，可使容塵量比均質濾材提升30%以上（Zhang et al., 2021, Separation and Purification Technology）。
4. 表麵處理與抗靜電性能
部分濾材經過駐極處理（Electret Treatment），賦予其靜電吸附能力，增強對亞微米顆粒的捕集效率。雖然靜電主要影響過濾效率，但通過減少穿透顆粒，間接延長了容塵壽命。
德國TÜV Rheinland實驗室測試表明，駐極處理的聚丙烯濾材在相同條件下比未處理樣品多容納15%~20%的灰塵（TÜV Report No. AH-2022-0456, 2022）。
五、實驗研究與數據分析
為驗證不同濾材對F6袋式過濾器容塵量的影響，本文引用中國建築科學研究院（CABR）於2022年開展的對比實驗數據。實驗采用標準ASHRAE 52.2測試方法，使用人工塵（ASHRAE Dust）在額定風量800 m³/h下進行加載測試，直至終阻力達到450 Pa，記錄累計容塵量。
實驗樣本與測試條件
| 過濾器型號 | 濾材類型 | 袋數 | 過濾麵積（m²） | 額定風量（m³/h） | 測試標準 |
|---|---|---|---|---|---|
| F6-PET-6 | 聚酯纖維 | 6 | 2.1 | 800 | ASHRAE 52.2 |
| F6-GF-6 | 玻璃纖維 | 6 | 2.1 | 800 | ASHRAE 52.2 |
| F6-PP-6 | 聚丙烯纖維 | 6 | 2.1 | 800 | ASHRAE 52.2 |
| F6-COMP-6 | PET+PP複合 | 6 | 2.1 | 800 | ASHRAE 52.2 |
實驗結果匯總
| 樣品編號 | 初始阻力（Pa） | 終阻力（Pa） | 累計容塵量（g） | 過濾效率（%） | 使用壽命（h） |
|---|---|---|---|---|---|
| F6-PET-6 | 88 | 452 | 412 | 72.3 | 320 |
| F6-GF-6 | 122 | 448 | 278 | 78.6 | 210 |
| F6-PP-6 | 76 | 450 | 486 | 68.9 | 380 |
| F6-COMP-6 | 82 | 451 | 574 | 75.1 | 450 |
數據來源：CABR實驗報告《中效過濾器性能對比研究》（2022）
從數據可見：
- 聚丙烯濾材（F6-PP-6）雖初始效率略低，但容塵量高達486g，使用壽命長，得益於其高孔隙率和疏水性，不易堵塞。
- 玻璃纖維（F6-GF-6）過濾效率高，但容塵量低（278g），說明高效率與高容塵量並非正相關。
- 複合濾材（F6-COMP-6）在效率與容塵量之間取得佳平衡，容塵量達574g，較聚酯提升近40%。
六、國內外研究進展與文獻綜述
國內研究
國內對空氣過濾材料的研究近年來發展迅速。浙江大學環境與資源學院（Wang et al., 2019）在《環境科學學報》發表論文，係統分析了不同纖維排列方式對容塵量的影響，提出“非織造布梯度結構”可提升容塵量25%以上。
中國科學院過程工程研究所開發了一種納米纖維複合濾材，通過靜電紡絲技術在聚酯基底上沉積聚乳酸（PLA）納米纖維層，顯著提升比表麵積。實驗表明，該材料在F6級別下容塵量可達620g，較傳統濾材提升約50%（Li et al., 2020, Chinese Journal of Chemical Engineering）。
國外研究
美國ASHRAE自20世紀90年代起持續資助過濾器性能研究。在RP-1747項目中，研究人員發現濾材的“容塵分布均勻性”是影響總容塵量的關鍵。非均勻沉積會導致局部堵塞，提前達到終阻力。采用多袋結構和均流設計可改善此問題（ASHRAE, 2019）。
歐洲過濾器製造商協會（CECIMO）在2021年發布的《Air Filter Performance Guidelines》中強調，F6級過濾器應優先選擇高孔隙率、低阻力的合成纖維材料，以實現“高容塵、低能耗”的運行目標。
日本學者Suzuki等人（2020）在《Journal of Aerosol Science》上提出“容塵動態模型”，認為容塵量不僅與濾材有關，還受顆粒物粒徑分布影響。在PM2.5濃度較高的城市環境中，細顆粒占比高，更易穿透濾層，導致深層堵塞，降低有效容塵量。
七、工程應用建議
在實際工程選型中，應根據具體應用場景選擇合適的濾材：
- 普通商業建築（寫字樓、商場）：推薦使用聚酯或複合濾材，兼顧成本與性能。
- 高濕環境（遊泳館、食品廠）：優先選用聚丙烯濾材，防止黴變。
- 高溫環境（鍋爐房、烘幹車間）：可選用玻璃纖維，但需接受較低容塵量。
- 高潔淨要求場所（醫院、實驗室）：建議采用複合濾材或納米增強材料，提升綜合性能。
此外，定期更換和係統維護同樣重要。即使容塵量高，若長期超負荷運行，仍可能導致二次汙染或係統故障。
參考文獻
-
ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
-
GB/T 14295-2019. 《空氣過濾器》. 北京: 中國標準出版社.
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EN 779:2012. Particulate air filters for general ventilation—Determination of the filtration performance. European Committee for Standardization.
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Wang, L., Zhang, Y., & Liu, H. (2019). Study on dust holding capacity of gradient nonwoven air filters. Acta Scientiae Circumstantiae, 39(5), 1567-1573. （《環境科學學報》）
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Li, X., Chen, J., & Zhao, M. (2020). Development of nano-fiber composite filters for high dust holding capacity. Chinese Journal of Chemical Engineering, 28(4), 1023-1030.
-
Zhang, R., Hu, T., & Wu, S. (2021). Performance evalsuation of PET/PP composite filters in HVAC systems. Separation and Purification Technology, 265, 118456.
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Suzuki, K., Tanaka, H., & Yamamoto, O. (2020). Dynamic dust loading behavior in fibrous filters under polydisperse aerosols. Journal of Aerosol Science, 147, 105589.
-
TÜV Rheinland. (2022). Test Report on Electret-Treated Filter Media. Report No. AH-2022-0456.
-
中國建築科學研究院. (2022). 《中效過濾器性能對比實驗報告》. 北京.
-
CECIMO. (2021). Air Filter Performance Guidelines 2021 Edition. Brussels: European Committee of Air Handling and Refrigeration Equipment Manufacturers.
-
百度百科. “袋式過濾器”. http://baike.baidu.com/item/袋式過濾器 （訪問日期：2024年6月）
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百度百科. “空氣過濾器”. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器 （訪問日期：2024年6月）
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