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高效過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法

高效過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對(duì)室內(nèi)空氣潔凈度的要求越來(lái)越高, 特別是微電子、醫(yī)療、化工、生物、食品加工等行業(yè)都要求有微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性的室內(nèi)環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑是在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用空氣過(guò)濾器。其中高效 ( HEPA) 和超高效 ( ULPA) 過(guò)濾器是塵粒進(jìn)入潔凈室的后一道防護(hù), 它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到潔凈室等級(jí), 進(jìn)而影響工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。

日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JIS B 9927: 1999 《潔凈室用空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法》中采取粒子計(jì)數(shù)法對(duì)高效過(guò)濾器進(jìn)行檢測(cè); 歐洲在 1998- 2000 年制定了 BS EN- 1822 標(biāo)準(zhǔn),采用易透過(guò)粒徑 ( MPPS) 法檢測(cè)過(guò)濾器的過(guò)濾效率。本文將從效率測(cè)試、檢漏以及氣溶膠源等方面分析并比較國(guó)內(nèi)外的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn), 并著重討論高效過(guò)濾器性能測(cè)試過(guò)程中存在的問(wèn)題, 指出該領(lǐng)域今后研究和發(fā)展的方向高效過(guò)濾器的性能試驗(yàn)方法1.1 高效過(guò)濾器的效率檢測(cè)由前述可知, 高效過(guò)濾器的效率檢測(cè)方法多種多樣,但歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和演變, 目前影響較大、使用范圍較廣的有 : DOP 法、粒子計(jì) 數(shù) 法和易穿透粒徑( MPPS) 法。

1.1.1 DOP 法DOP 法特指熱生成 ( 凝結(jié)法) DOP 氣溶膠加光度計(jì)測(cè)量法。該法先由美國(guó)提出: 將 DOP 液體加熱成蒸氣, 蒸氣在特定條件下冷凝成微小液滴, 去掉過(guò)大和過(guò)小的液滴后留下 0.3!m 左右的單分散相氣溶膠顆粒, 霧狀 DOP 進(jìn)入風(fēng) 道 , 后用光散射式光度計(jì) ( Light- scattering photometer)檢測(cè)過(guò)濾器前后氣樣的濁度比來(lái)計(jì)算過(guò)濾器的過(guò)濾效率。

1.1.2 粒子計(jì)數(shù)法粒子計(jì)數(shù)法以粒子計(jì)數(shù)器作為檢測(cè)儀器, 塵源采用單分散或多分散氣溶膠。多分散氣溶膠是通過(guò)噴霧法 ( 冷生成) 產(chǎn)生的, 膠源有時(shí)也應(yīng)用 DOP 粒子, 與熱生成 DOP粒子相比, 它們的材料相同, 但分散度和檢測(cè)方法均不相同, 應(yīng)加以區(qū)分。冷發(fā)生 DOP 氣溶膠加粒子計(jì)數(shù)器是目前常用的粒子計(jì)數(shù)法組合方式。

1.1.3 易穿透粒徑 ( MPPS) 法易穿透粒徑法也稱為計(jì)數(shù)掃描法, 是目前國(guó)際上高效過(guò)濾器的主流試驗(yàn)方法 [8]。它的基礎(chǔ)仍是粒子計(jì)數(shù), 只是測(cè)試塵源采用易穿透粒徑的粒子, 用大流量激光粒子計(jì)數(shù)器或凝結(jié)核計(jì)數(shù)器對(duì)過(guò)濾器的整個(gè)出風(fēng)面進(jìn)行掃描檢驗(yàn)。這種方法不僅能測(cè)量過(guò)濾器的平均效率, 還可以比較各點(diǎn)的局部效率 ( 滲漏試驗(yàn)) 。

1.2 高效過(guò)濾器的檢漏要保證潔凈室的潔凈度級(jí)別, 除了選取適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器外, 還必須要求安裝的高效 ( 超高效) 過(guò)濾器無(wú)漏點(diǎn), 一只滲漏的過(guò)濾器會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程設(shè)計(jì)的失敗。因此, 檢漏也是高效過(guò)濾器性能試驗(yàn)中極其重要的一部分, 國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)此作出了專(zhuān)門(mén)的規(guī)定。高效過(guò)濾器的檢漏常采用冷發(fā)生 DOP 加計(jì)數(shù)掃描或光度計(jì)掃描。1.2.1 計(jì)數(shù)掃描計(jì)數(shù)掃描采用的儀器是粒子計(jì)數(shù)器, 測(cè)試值反映氣流中計(jì)徑粒子的計(jì)數(shù)濃度 ( 粒/L) 。

掃描檢漏過(guò)程與效率測(cè)試中的 MPPS 法類(lèi)似, 因此可以允許通過(guò)掃描試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算效率, 使效率試驗(yàn)和掃描檢漏工作合而為一。計(jì)數(shù)掃描法靈敏度高, 可適用于掃描 ULPA 過(guò)濾器。1.2.2 光度計(jì)掃描光度計(jì)掃描采用的儀器是氣溶膠光度計(jì), 測(cè)試值反映氣體中顆粒物質(zhì)的質(zhì)量濃度 ( !g/L) 。相比于計(jì)數(shù)掃描法,光度計(jì)掃描的敏感度較低, 不適用于效率高于 99.999%的高效過(guò)濾器。國(guó)內(nèi)外高效 ( 超高效) 過(guò)濾器性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)析由于各國(guó)情況不同, 因此現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)中采用的高效( 超高效) 過(guò)濾器的試驗(yàn)方法也不盡相同。表 1 列出各標(biāo)準(zhǔn)所用試驗(yàn)方法和檢測(cè)儀器。

2.1 各標(biāo)準(zhǔn)效率檢測(cè)方法分析高效過(guò)濾器的各種效率檢測(cè)方法究竟孰優(yōu)孰劣是人們長(zhǎng)期以來(lái)爭(zhēng)論的焦點(diǎn), 迄今為止并沒(méi)有明確的定量比較結(jié)果。但可以肯定的是, 歐洲標(biāo)準(zhǔn)率先采用的易穿過(guò)粒徑( MPPS) 法靈敏度高, 準(zhǔn)確性強(qiáng), 被公認(rèn)為是當(dāng)今科學(xué)的檢測(cè)方法, 也是目前唯一可用于檢測(cè) ULPA 過(guò)濾器的方法。于 1998 年頒布的歐洲標(biāo)準(zhǔn) BS EN- 1822 共由 5 部分組成 ( 其中第 4、5 部分于 2000 年頒布) , 其中詳細(xì)規(guī)定了MPPS 法的檢測(cè)過(guò)程: 步為濾紙效率檢測(cè), 通過(guò)對(duì)濾紙的檢測(cè)得到效率粒徑曲線, 由此確定 MPPS; 第二步為過(guò)濾器滲漏的檢測(cè), 在額定風(fēng)量下用平均粒徑與易穿透粒徑相同的氣溶膠進(jìn)行檢測(cè); 第三步為過(guò)濾器全效率檢測(cè),用與第二步相同的氣溶膠在額定風(fēng)量下檢測(cè)過(guò)濾器全效率。

( 2) IEST 和 JIS B 9927: 1999 中對(duì)過(guò)濾器效率和滲漏的試驗(yàn)是兩項(xiàng)獨(dú)立的工作, 需分別進(jìn)行; 而 BS EN- 1822允許利用掃描試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算效率, 將效率試驗(yàn)和檢漏工作合二為一。EN- 1822 提出以局部透過(guò)率來(lái)衡量過(guò)濾器是否泄漏, 根據(jù)過(guò)濾器級(jí)別的不同, 該局部透過(guò)率限值依次為總透過(guò)率限值的 2 倍 ( H13) 、 5 倍 ( H14、 U15、 U16) 及 20 倍( U17) ; IEST- RP- CC034.2:2005 將這一倍數(shù)間隔劃分得更為詳細(xì) ( 從 1 倍～20 倍) 不等; JIS B 9927: 1999 中的允許倍率 K 取決于與用戶的協(xié)議。有關(guān)高效過(guò)濾器的檢漏, 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)比較零散?！?a href=http://m.hbncpsc.com/ target='_blank'>高效空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法》( GB6165- 85) 中并未涉及此內(nèi)容, 而是在《高效過(guò) 濾器》( GB13554- 92) 和《潔凈廠房設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》( GB50073- 2001) 中分別闡明了實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試用和已安裝高效過(guò)濾器的檢漏過(guò)程及滲漏指認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)[10～11], 基本原理與歐美日標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似, 但塵源允許使用大氣塵。氣溶膠的發(fā)生是高效過(guò)濾器檢測(cè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其發(fā)生方法、分散度、發(fā)生濃度等會(huì)對(duì)高效過(guò)濾器的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響, 因此現(xiàn)行各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以上因素均提出了明確要求[1][5], 見(jiàn)表 2。針對(duì)不同的檢測(cè)方法, 雖然對(duì)氣溶膠源各參數(shù)規(guī)定的具體數(shù)值略有不同, 但不難看出各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣溶膠發(fā)生部分有以下幾點(diǎn)共性:( 1) 所采用的試驗(yàn)氣溶膠物質(zhì)在常溫下具有很低的蒸汽分壓力, 長(zhǎng)時(shí)間采樣過(guò)程中不會(huì)因蒸發(fā)造成液滴尺寸的明顯改變。( 2) 均以噴霧法 ( 冷發(fā)生) 或凝結(jié)法 ( 熱發(fā)生) 產(chǎn)生試驗(yàn)氣溶膠, 但以噴霧法為多。( 3) 明確規(guī)定氣溶膠粒子的粒徑分布, 計(jì)數(shù)平均粒徑小于 0.5!m。

( 4) 足夠高的發(fā)塵濃度。為保證下游的采樣數(shù)據(jù)有效,上游發(fā)出的氣溶膠粒子濃度要足夠高。( 5) 保證被試過(guò)濾器整個(gè)迎風(fēng)面上的試驗(yàn)氣溶膠濃度均勻 ( 空間一致性) , 還要保證整個(gè)試驗(yàn)期間氣溶膠濃度恒定 ( 時(shí)間一致性) 。4 問(wèn)題討論4.1 塵源性質(zhì)目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中廣泛采用 DOP 作為試驗(yàn)氣溶膠源, 但是近年有關(guān)人士批評(píng) DOP 的揮發(fā)有致癌作用[9], 在某些情況下可能進(jìn)入潔凈室對(duì)操作人員及樣品產(chǎn)生危害,在醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域尤其應(yīng)避免采用 DOP。因此, 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試中, 通常用 PAO 或 PSL 代替 DOP 作為塵源。此外, 長(zhǎng)期以來(lái)人們都在討論熱發(fā)生和冷發(fā)生 DOP 哪個(gè)更具優(yōu)勢(shì)。熱發(fā)生 DOP 能夠較嚴(yán)格地控制粒徑接近被測(cè)過(guò)濾器的易穿透粒徑, 但是其發(fā)生設(shè)備龐大, 且在開(kāi)啟時(shí)必須預(yù)熱三十分鐘, 使用起來(lái)較為不便; 另外加熱發(fā)生方法易使 DOP 附著于過(guò)濾器表面。

冷發(fā)生 DOP 裝置不存在上述問(wèn)題, 但其產(chǎn)生的多分散氣溶膠無(wú)疑提高了對(duì)采樣分析儀器的要求。4.2 發(fā)塵濃度國(guó)內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)中要求上游發(fā)塵濃度足夠高, 但是為避免由凝并導(dǎo)致氣溶膠粒徑分布與塵粒個(gè)數(shù)的改變以及為減少對(duì)末端過(guò)濾器的損害, 發(fā)塵濃度應(yīng)存在上限; 同時(shí)為保證下游采樣所需塵粒數(shù), 上游發(fā)塵濃度也不能過(guò)低。通常該濃度控制在 3×104粒/L～108粒/L。實(shí)測(cè)中, 當(dāng)上游發(fā)塵濃度穩(wěn)定在 3×105粒/2.83L 附近時(shí), 檢測(cè)結(jié)果是令人滿意的。當(dāng)然, 這一數(shù)值是否為恰當(dāng), 是否需要進(jìn)一步改進(jìn), 還應(yīng)在今后的實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)過(guò)程中不斷摸索總結(jié)。4.3 氣溶膠光度計(jì)與粒子計(jì)數(shù)器采用光度計(jì)和粒子計(jì)數(shù)器得到的檢測(cè)結(jié)果會(huì)有差別 ,原因是氣溶膠光度計(jì)檢測(cè)的是計(jì)重濃度, 而粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)的是計(jì)數(shù)濃度。而粒子的濃度分布曲線與數(shù)量分布曲線并不重合, 大粒子在重量分布中占有較大比重。因此究竟使用哪種儀器得到的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確成為人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn),能否通過(guò)某種手段將二者進(jìn)行定量對(duì)比可以作為今后的一個(gè)研究方向。4.4 氣溶膠的空間一致性國(guó)內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣溶膠的空間一致性作出了規(guī)定, 即要求被測(cè)過(guò)濾器整個(gè)迎風(fēng)面上游的試驗(yàn)氣溶膠濃度均勻,任一點(diǎn)的氣溶膠濃度不偏離該斷面上平均值的 10%。但是,究竟距氣溶膠注入點(diǎn)下風(fēng)向多遠(yuǎn)距離處氣溶膠能得到充分混合, 標(biāo)準(zhǔn)中并未給出推薦值。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中, 筆者曾遇到過(guò)上述問(wèn)題: 氣溶膠注入預(yù)留孔與上游采樣點(diǎn)預(yù)留孔距離過(guò)短, 導(dǎo)致采樣濃度不穩(wěn)定, 從而對(duì)高效過(guò)濾器的檢測(cè)造成負(fù)面影響。此外, 在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中, 我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)在上游主管段發(fā)塵時(shí), 與之相連的各支管過(guò)濾器上游的采樣濃度并不相同, 很多時(shí)候其偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 10%～15%的可接受范圍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是什么, 是否與風(fēng)量有關(guān); 主管的采樣濃度與各支管又存在什么樣的定量關(guān)系, 可否用前者代表各分支過(guò)濾器上游的氣溶膠濃度, 如果可以, 則能大幅減少上游采樣的工作量, 提高工作效率。1hbS0a

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