ULPA过滤器

定义

ULPA过滤器是空气过滤器中的一个等级,指的是效率高于高效空气过滤器(HEPA)的极低穿透率产品。中国国家标准 GB/T 13554-2020 将超高效空气过滤器定义为:使用计数法试验,在额定风量下未经消除静电处理时的过滤效率,以及经消除静电处理后的过滤效率,均不低于99.999% 的过滤器^[5]。该标准与高效空气过滤器同列于一项国家标准中,适用于常温条件下送风与排风净化系统及设备所使用的过滤器^[6]。

在欧洲标准体系中,ULPA属于 EN 1822 所划分的 U 组,按 MPPS 效率从低到高分为 U15、U16、U17 三级,整机(积分)效率下限分别为99.9995%、99.99995% 和99.999995%,相应穿透率上限为0.0005%、0.00005% 和0.000005%^[7][8]。标准同时给出局部的扫描效率要求,同一等级下局部效率门槛低于整机值,以便在扫描检漏时判定单点泄漏^[9]。

国际标准 ISO 29463 在 EN 1822 基础上修订而成,沿用 EPA、HEPA、ULPA 三组的思路,但把等级细分得更密,ULPA 部分对应 ISO 55 U 至 ISO 75 U,其中 ISO 50 U 一项的效率下限为99.999%,也常被归入超高效的范围^[10][11]。

原理

ULPA过滤器与 HEPA 过滤器的拦截机制相同,差别在于滤材与工艺把效率推到更高量级——主要依靠拦截、惯性撞击、扩散和静电吸附4种物理作用捕获微粒^[2]。滤材多由超细玻璃纤维纸制成,纤维随机交织成厚层,微粒在层内受空气分子撞击做布朗运动,偏离气流线后撞上纤维而被黏附^[12]。滤纸被反复折叠成手风琴状,以增加有效面积、降低穿过滤材的面风速,从而延长微粒在滤层中的停留时间^[12]。

分级与检测的关键概念是最易穿透粒径(MPPS)。在微米以下,过滤效率并非随粒径单调变化:过大颗粒易被拦截和惯性撞击截住,过小颗粒扩散作用明显,效率反而在某一中间粒径处最低,该粒径即 MPPS,对玻璃纤维滤材通常在0.12 微米至0.25 微米之间^[13]。测试时先测平片滤材的分级效率曲线确定 MPPS,再用粒径与之相符的气溶胶对整台过滤器做扫描检漏,并测定积分效率^[14]。效率与穿透率满足 $\eta = 1 - P$,等级越高,允许通过的粒子比例越小^[9]。

正因为以 MPPS 为基准,较早以0.3 微米为标准的老式测法无法分辨超高效级别的细微差异,颗粒计数法才成为可行的测试手段^[13]。

发展历程

超高效过滤器所依托的技术源头是20世纪40年代的绝对(Absolute)空气过滤器。二战初期,英国陆军化学部队为指挥所研制了由鼓风机与深褶纤维素-石棉滤纸组成的集体防护装置^[15]。1942 年 8 月起,美国在田纳西州橡树岭推进曼哈顿计划,为解决放射性气溶胶的截留问题,军方化学部队联合欧文·朗缪尔(Irving Langmuir)研制出首台此类过滤器,并确定0.3 微米为关键捕获粒径^[16]。HEPA 这一名称到20世纪50年代才出现,相关技术在同期解密并转入民用^[17]。

20世纪60年代,微电子工业与核能工业兴起,使高效过滤器成为洁净室的标准化部件,也为后来追求更高效率的等级划分提供了需求背景^[15]。欧洲随后以 EN 1822 统一了 EPA、HEPA 与 ULPA 的分级和计数法测试;国际标准化组织在此基础上制定 ISO 29463 系列,预期将逐步取代 EN 1822^[11]。

中国现行的 GB/T 13554-2020 于 2020 年 3 月 31 日发布、2021 年 2 月 1 日实施,代替 GB/T 13554-2008^[5]。与旧版相比,修订后的效率分级由 A 至 F 级改为高效3个等级、超高效6个等级,超高效部分即50、55、60、65、70、75 级^[18]。

应用

ULPA过滤器最常见的用途是洁净室末级送风。半导体、微电子、制药、食品饮料等行业的洁净厂房把它装在送风口、风机过滤机组或洁净设备上,用于控制产品接触面的微粒浓度^[4][19]。有厂商以风机过滤机组为例说明,采用 U15 级滤芯时对0.12 微米颗粒的效率为99.9995%^[20]。

在生物安全柜、超净工作台等实验设备中,ULPA同样用作主过滤器。有产品资料显示,同类设备以 ULPA 过滤0.12 微米颗粒时效率可达99.999%,用来同时保护操作人员、样品与环境^[21][3]。手术室、研究实验室与核设施通风也属于其典型场景^[17]。

局限

ULPA的高效率伴随着更高的气流阻力与成本。相同风量下,等级越高的滤材越致密,初始压差随之上升;有厂商给出的参考值是 U15 不大于220 帕、U16 不大于250 帕、U17 不大于280 帕,一般以初始压差的约2倍或不超过600 帕作为更换阈值^[2]。阻力升高直接推高风机能耗,因此在效率需求并不极端的场合,HEPA 仍是更经济的选择^[2]。

过滤器在高效区间并不能替代对气态污染物的处理。ULPA针对的是微粒、烟雾与微生物等固态或液态气溶胶,对挥发性有机物、气味等气体分子不起作用,这类净化需另配化学滤材^[3][12]。其实际效果还依赖安装质量:边框密封、滤材与框架接缝处的泄漏会使整体效率大幅下降,因此出厂与安装后都要做扫描检漏,并控制面风速在规定范围内^[2]。

标准本身也有边界。ISO 29463 的正文测试方法主要针对 MPPS 落在常规范围的玻璃纤维滤材;对 MPPS 小于等于0.1 微米的膜材料,以及带静电的合成纤维滤材,需要依照标准的专门附录另行测试与分级^[13][9]。这意味着不同滤材之间的等级数值不能简单横向比较。

参见

• HEPA —— 高效空气过滤器的通称,效率低于 ULPA,是共同源流上的前一等级。

• 洁净室 —— ULPA过滤器的主要安装场所,其洁净度等级由过滤器效率支撑。

• 生物安全柜 —— 以 ULPA 或 HEPA 作为主过滤器的一类防护设备。

• 最易穿透粒径 —— 分级与检测所依据的关键粒径概念。

• ISO 29463 —— 高效与超高效过滤器测试和分级的国际标准。

• 气溶胶 —— 过滤器所处理的微粒分散体系。