高效空氣過濾器國標體系主要修訂內(nèi)容解讀
前言
高效及超高效過濾器是各類型潔凈受控環(huán)境用于保護室內(nèi)環(huán)境、工作人員以及周邊環(huán)境安全的關(guān)鍵性凈化處理措施，被廣泛應(yīng)用于微電子、制藥、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、檢驗檢疫以及航空航天等諸多國民經(jīng)濟支柱性產(chǎn)業(yè)。我國高效空氣過濾器于上世紀60年代研制成功,80年代，我國借鑒英國的鈉焰法（火焰光度計法）以及前蘇聯(lián)的油霧法初步建立高效空氣過濾器的效率測試標準GB 6165《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》，90年代形成涵蓋高效空氣過濾器產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、技術(shù)要求以及相應(yīng)檢測方法的完整產(chǎn)品技術(shù)標準GB 13554《高效空氣過濾器》。2008年，我國參考歐美發(fā)達國家在2000年前后開始采用的計數(shù)法，建立分別針對過濾器以及過濾材料的MPPS效率測試方法，將對過濾器的效率檢測范圍提高到99.99999%以上的超高效過濾器范疇。
截至2015年，一方面國內(nèi)空氣凈化行業(yè)在7年的國標運行使用過程中對于舊版國標體系的一些存在問題取得了新的認識與積累，另一方面，2011年國際標準化組織ISO也以歐洲標準為藍本形成并正式頒布了首份全球通用國際標準ISO29463《High-efficiency filters and filter media for removing particles in air》，因此，有必要對當時標準存在的主要技術(shù)問題進行梳理，并對新國際標準環(huán)境下提高國標體系與國際標準體系的適應(yīng)性和對接性進行改進提升。
因此標準主編單位會同行業(yè)內(nèi)主要技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、高校、生產(chǎn)廠家以及檢測機構(gòu)等有關(guān)單位成立標準修訂編制組并開展了大量的比對測試以及基礎(chǔ)技術(shù)改進評估工作，于2017年底完成了新一輪國標體系修訂稿的標準審查與報批工作。本文將對國標體系修訂過程所面臨的主要問題、技術(shù)研發(fā)工作以及所形成的主要修訂內(nèi)容進行介紹，供行業(yè)各領(lǐng)域?qū)＜遗u指正。
1、當前國標體系主要存在的問題
通過對近年來國標體系使用情況以及終端用戶、生產(chǎn)廠家、檢測機構(gòu)的信息反饋匯總，我國舊版國標體系主要存在的技術(shù)問題包括：
a）產(chǎn)品性能分級標識體系與國際分級體系不相適應(yīng)。
國標高效分級體系與歐、美以及ISO標準分級體系的比對。從中可以看出08版國標分級體系的主要不足包括：，在拋棄不同標準體系中檢測方法的差異性前提下，08版分級體系高效過濾器的起始值（99.9%）低于國際標準體系（99.95（歐盟及ISO標準）、99.97%（美國標準））。
考慮到08版國標體系采用鈉焰法為標準試驗方法，而鈉焰法的效率測試結(jié)果一般高于國際上流行的計數(shù)法測試結(jié)果，因此，08版標準分級體系中A級高效過濾器其實際效率相當于國際標準分級中的亞高效過濾器，這種差異不利于滿足過濾器所應(yīng)用的各類潔凈室行業(yè)進行符合生產(chǎn)工藝要求的風險控制需求。
第二，從國際標準體系的發(fā)展來看，過濾器分級標識體系從早期的單純效率數(shù)值標識體系向更豐富信息層次發(fā)展，現(xiàn)代的過濾器標識體系除效率級別外，傾向與通過盡可能簡潔的符號標識傳遞用戶所需要的必要信息，如具體效率測試結(jié)果、所采用測試方法以及檢漏方法還希望體現(xiàn)過濾器出廠檢測的核心試驗方法等。例如，歐洲標準以及ISO標準中的U組過濾器，即表示過濾出廠必須經(jīng)過掃描檢漏測試，而在ISO29463的制定討論過程中，針對H組別過濾器若出廠為掃描檢漏測試是否標識為U組也曾有過廣泛的討論。08版國標體系在此方面則存在不足。
b）08版國標體系的效率標準試驗方法——鈉焰法粒徑分布與過濾器易穿透粒徑（Most Penetrate Particle Size， MPPS）存在較大偏差，因此試驗結(jié)果與國際上通行的計數(shù)法試驗結(jié)果存在偏差。
鈉焰法作為我國高效過濾器效率檢測的傳統(tǒng)方法，采用火焰光度計對經(jīng)噴霧干燥發(fā)生過程獲得的多分散NaCl固體氣溶膠進行質(zhì)量濃度進行測試、比較，進而獲得被測過濾器的效率檢測結(jié)果。圖2給出了采用粒徑頻譜儀所獲得的傳統(tǒng)鈉焰法測試氣溶膠粒徑分布，其計數(shù)中值粒徑為40~50nm，計重中值粒徑約為300nm，同時粒徑分布較為分散。因此，其實際測試結(jié)果與國際通行計數(shù)法相比存在較為明顯的差距。
國標體系中包含有針對特殊行業(yè)的特殊性能需求。我國的高效過濾產(chǎn)品及標準化測試方法均源于核工業(yè)的特殊要求，因此，過濾器產(chǎn)品標準GB/T13554中一直保留了部分針對核工業(yè)行業(yè)特定的特殊產(chǎn)品強度要求，例如要求高效過濾器能在10倍阻力下運行一定時間并保持完好等。時至今日，一方面當前我國高效過濾器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子電子、液晶面板、精密加工制造、醫(yī)藥、衛(wèi)生等諸多科技行業(yè)，而另一方面國內(nèi)核工業(yè)已經(jīng)以美國標準體系為藍本完成了相應(yīng)國標【5】的制定并應(yīng)用至今。因此，作為通用產(chǎn)品技術(shù)標準，不宜再保留相應(yīng)的特殊性能要求。
新版國標體系主要修訂內(nèi)容及相應(yīng)研究基礎(chǔ)工作介紹
對國內(nèi)現(xiàn)有高效過濾器試驗臺開展樣本傳遞試驗（Round Robin Test），了解當前各試驗臺差異性現(xiàn)狀，提升標準在試驗臺質(zhì)量控制要求。
過濾器試驗裝置的基礎(chǔ)性能參數(shù)，如風量穩(wěn)定性、風速均勻性、氣溶膠濃度均勻性、穩(wěn)定性以及管道氣密性等，均需要有較為嚴格并且一致的規(guī)定，方能避免不同試驗臺的測試結(jié)果偏差。但在08版國標體系中，鈉焰法、計數(shù)法以及油霧法三種試驗方法均對試驗裝置基礎(chǔ)性能參數(shù)有各自要求，各自所要求指標項目以及允許數(shù)值均存在偏差，因此容易導(dǎo)致不同試驗臺在測試同一樣品時存在偏差，造成數(shù)據(jù)結(jié)果的不可比對。為明確國內(nèi)目前在用過濾器試驗臺性能差異，國標修訂編制組于2016年組織國內(nèi)現(xiàn)有部分高效過濾器試驗臺的測試結(jié)果比對傳遞試驗（Round Robin Test， RRT測試），傳遞試驗采用過濾器（效率測試標件）和金屬孔板（阻力標件）同時進行。
給出了采用金屬孔板作為阻力標件的部分試驗臺測試結(jié)果，圖中，1#~5#為參與傳遞試驗的試驗臺編號，CV為各試驗臺測試結(jié)果差異系數(shù)。表1給出了4臺計數(shù)法試驗臺對傳遞過濾器的效率測試結(jié)果比較。從各試驗臺的效率及阻力測試比較結(jié)果來看，各試驗臺間存在較為明顯的差異性，不同試驗臺對同一阻力標件的測試結(jié)果差異明顯，1#、2#、5#試驗臺測試結(jié)果基本相當，3#試驗臺測試結(jié)果明顯低于其它，4#試驗臺測試結(jié)果明顯高于其它，在高效空氣過濾器常用風量范圍（500~1700m3/h），各試驗臺總體差異系數(shù)15%左右，相比發(fā)達國家較為成熟的技術(shù)水平存在一定差距。
而對于效率標件的傳遞比對測試結(jié)果，各試驗臺間的差異性結(jié)果要略好于阻力，同為計數(shù)法的4臺試驗臺中，對同一臺過濾器的透過率測試結(jié)果大值與小值偏差4~5倍，效率測試結(jié)果偏差則超過半個9。由于在新版ISO國際標準中高效及超高效過濾器分級體系以半個9劃分級別，因此，這種差異終將導(dǎo)致同一臺過濾器在不同試驗臺上的測試結(jié)果出現(xiàn)級別差異。
為了進一步規(guī)范試驗臺設(shè)計、建設(shè)和使用維護，逐步縮小不同生產(chǎn)廠家、實驗室試驗臺間的差異性，新版國標體系的修訂過程中，統(tǒng)一提出了試驗臺的基礎(chǔ)性能參數(shù)要求，表2給出了新版修訂國標體系所提出的過濾器試驗臺性能及標定維護要求。所要求的基礎(chǔ)性能參數(shù)中，除管道密封性、混勻性等傳統(tǒng)的常規(guī)要求外，相比與國際標準體系，新增了對于阻力標件以及參考過濾器的定期回溯要求，希望可以為國內(nèi)生產(chǎn)廠家提升產(chǎn)品質(zhì)量控制水平提供助力。
完善高效過濾器的鈉焰法測試方法
鈉焰法是我國進行高效過濾器檢漏測試的傳統(tǒng)方法，也是舊版國標體系的效率基準測試方法，相比于2000年左右開始廣泛應(yīng)用的計數(shù)法測試，鈉焰法的優(yōu)勢與劣勢同等突出，其主要優(yōu)點包括：采用NaCl作為測試氣溶膠，安全并且對人員健康及環(huán)境無負面影響；采用火焰光度計作為測試手段，只針對含鈉顆粒物進行測試，環(huán)境氣溶膠對測試結(jié)果的影響??；與美國目前仍在使用的DOP光度計法一樣，代光度法測試方法雖然試驗方法相對粗糙，但試驗臺之間微小差異對試驗結(jié)果的影響較計數(shù)法小，因此更容易實現(xiàn)不同試驗臺對相同測試樣品的測試結(jié)果穩(wěn)定性。
而鈉焰法的主要劣勢在于：其測試結(jié)果高于計數(shù)法，并且二者測試結(jié)果不具備可比性。這是由于鈉焰法采用多分散NaCl氣溶膠粒徑分布特征與過濾元件MPPS粒徑范圍（易穿透粒徑，傳統(tǒng)玻纖濾材一般為100nm~250nm，PTFE濾膜則一般為50~70nm）存在明顯偏差，同時，測試手段采用質(zhì)量濃度而非計數(shù)濃度測試，因此大粒子尤其是粒徑大于1μm的粒子對于效率測試結(jié)果的貢獻會顯著高于MPPS粒徑范圍的小粒子。另一方面，測試氣溶膠中的Na及Cl會破壞電子芯片絕緣層從而影響產(chǎn)品成品率和可靠性【7】。
為改善鈉焰法測試氣溶膠的粒徑分布，標準編制組對不同NaCl氣溶膠發(fā)生制備參數(shù)（溶液濃度以及噴霧壓力）進行大量測試，并利用中效過濾過濾元件的MPPS特性進一步對發(fā)生NaCl氣溶膠進行篩選從而獲得分布更接近于MPPS范圍的測試氣溶膠;
給出了使用Laskin噴嘴噴霧發(fā)生NaCl固體氣溶膠，再經(jīng)不同級別過濾器篩選所得到多分散氣溶膠計數(shù)峰值粒徑，試驗所使用NaCl溶液濃度10%，噴霧壓力0.2~0.6MPa。由測試結(jié)果可見，隨著篩選過濾器效率級別的提高，篩選后多分散NaCl氣溶膠的粒徑分布越來越接近于高效過濾器的MPPS范圍，但過高的篩選過濾器級別會導(dǎo)致NaCl氣溶膠質(zhì)量濃度下降過多，不利于高效過濾器的效率檢測，經(jīng)比較權(quán)衡，F(xiàn)7、F8級別的中效過濾器就足以滿足測試需求。
為使用WPS測試得到的改進后鈉焰法試驗氣溶膠粒徑分布，相比于傳統(tǒng)鈉焰法的測試氣溶膠粒徑分布（圖2），改進后的試驗塵粒徑分布更集中，也更接近過濾器MPPS范圍。
改進后的鈉焰法與傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果比對，可見改進方法確實可在一定程度上降低鈉焰法對于過濾器效率測試結(jié)果，使之進一步接近計數(shù)法測試結(jié)果。但同時我們?nèi)员仨毧吹礁倪M后的鈉焰法測試結(jié)果與計數(shù)法仍有相當差距（圖7），未來對于鈉焰法的性能改進與提升仍是標準工作組需要持續(xù)努力與技術(shù)投入的方向之一。關(guān)于這部分工作的詳細技術(shù)內(nèi)容請讀者參考張惠及曹冠朋二位的文章
完善高效過濾器檢漏試驗方法
高效過濾器的檢漏測試是過濾器為關(guān)鍵的性能測試之一，其重要性與過濾效率測試相當，但在國內(nèi)外不同技術(shù)標準中對于檢漏測試方法以及試驗參數(shù)的技術(shù)規(guī)定一直存在差異，這就時常會導(dǎo)致不同實驗室、實驗裝置試驗結(jié)果判定存在差異。以測試粒徑為例，歐洲標準強調(diào)測試氣溶膠粒徑應(yīng)與過濾器易穿透粒徑（MPPS）接近【10】，美國標準則采用大粒子進行測試（計數(shù)中值直徑0.4μm，計重中值直徑0.7μm）【11】，ISO潔凈室測試標準規(guī)定當使用光度計進行測試時，氣溶膠粒徑分布與美國標準一致，當使用光學粒子計數(shù)器進行測試時，測試氣溶膠計數(shù)中值直徑應(yīng)為0.1~0.5μm【12】。針對上述問題，國內(nèi)在2010年以來開展了諸多理論分析【13】以及實際試驗驗證【14】~【16】等研究工作，為上述問題的解決提供了有力的技術(shù)支撐?，F(xiàn)有的研究成果主要解決與澄清了下列認識：
a）與完好過濾器不同，一旦過濾器存在局部漏泄缺陷，則漏點對于不同尺寸粒子的通過不具有選擇性，均呈現(xiàn)出一致的局部透過率，因此無論是同一測試方法選擇不同的測試粒徑進行試驗，還是不同的試驗方法均不影響漏泄缺陷的判定結(jié)果；
b）采用20%及100%額定風量效率測試比較的檢漏試驗方法仍具有一定的實際應(yīng)用意義。在舊版國標體系中，20%風量下的效率試驗是作為過濾器效率試驗的一部分，但這一試驗的主要問題在于一方面100%風量下的效率試驗足以表征過濾器的整體凈化能力，另一方面，大多數(shù)試驗臺在進行雙風量切換時操作較為麻煩，耗時長，會較為嚴重的影響生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，因此在20多年的產(chǎn)品國標使用歷史中，很少有生產(chǎn)企業(yè)會在生產(chǎn)檢測中執(zhí)行雙風量效率測試。
但在近年來的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，對于W密摺型（V-Bank）、圓筒型等掃描檢漏試驗靈敏度低的異型過濾器，采用雙風量測試對于探查潛在漏泄缺陷的靈敏度更高。但對于雙風量測試的檢漏評判依據(jù)，傳統(tǒng)觀點認為有局部漏泄缺陷的過濾器在低風量下測試時效率會低于100%風量下的測試結(jié)果，因此美國標準要求低風量下效率測試結(jié)果與100%風量下結(jié)果保持一致即為合格。
但近年來較多的試驗研究表明，成品過濾器與濾材試驗一樣，在完好并且不存在局部漏泄缺陷的情況下，隨著風量的降低其效率升高，試驗風量降低50%時，其效率測試結(jié)果上升接近1個9，因此，對于完好過濾器，其20%風量下的效率試驗結(jié)果相比100%風量應(yīng)升高約2個9，而對于有漏點的過濾器，其20%風量下的效率試驗結(jié)果與100%風量下試驗結(jié)果相當，見密摺型高效過濾器的檢漏試驗比對結(jié)果。
因此，在本次國標體系修訂中，雙方量效率試驗被明確為針對異型過濾器的檢漏試驗方法，在結(jié)果判定上，低風量效率測試結(jié)果應(yīng)相比100%風量測試結(jié)果至少高1個9方判定檢漏測試結(jié)果為合格。
2.4 新增高效過濾元件的生命周期綜合能效評價試驗方法與要求
對于空氣凈化及潔凈室行業(yè)，傳統(tǒng)觀點一般認為高效過濾器的整個生命周期能效評價意義不大，做好預(yù)過濾的保護措施即可保證高效過濾器在相當長的運行時間內(nèi)以接近清潔狀態(tài)的條件下低阻運行。因此，國內(nèi)外的高效過濾器測試標準一直沒有如何評價高效過濾器的生命周期性能評價方法。
但近年來，一方面PTFE納米纖維為代表的新型膜過濾材料的出現(xiàn)【17】，雖然高效過濾器的阻力獲得大幅度降低，但也同時產(chǎn)生了如何比較傳統(tǒng)深層過濾材料與新興材料在整個生命周期內(nèi)綜合能效的比較需求【18】、【19】；另一方面，面對當前迅速發(fā)展的工業(yè)建筑尤其是各類潔凈室進行綠色建筑評價以及綜合運行能耗評價的市場需求，作為通風空調(diào)系統(tǒng)中的重要能耗部件，用戶需要對高效過濾器在整個運行周期內(nèi)的綜合能耗表現(xiàn)建立更為科學的認識，凈化行業(yè)也需要為用戶提供更為清晰科學的產(chǎn)品評價與標識體系。
而要建立一個科學的高效過濾元件生命周期綜合能效評價試驗方法，就必須解決2個核心問題：
，采用什么樣的負荷試驗粉塵來實現(xiàn)對于過濾器全生命周期的加速模擬，負荷塵的主要特征應(yīng)符合高效過濾器日常使用環(huán)境負荷粉塵核心特征，因此，針對各類潔凈室中高效過濾器的使用環(huán)境特點，我們需要找到這樣一種試驗粉塵：固體、粒徑分布特征符合應(yīng)用環(huán)境特點，從而可以科學的對粉塵在濾材纖維結(jié)構(gòu)上堆積的過程模擬。
第二，核心試驗參數(shù)的明確，主要包括試驗粉塵的濃度等，高粉塵試驗濃度有利于縮短試驗時間，降低過濾器生產(chǎn)廠家的試驗成本。但過高的粉塵濃度會導(dǎo)致試驗塵在過濾材料表面的快速堆積，從而使得試驗結(jié)果與實際偏離較遠。
針對上述的試驗塵源問題，使用改進后的鈉焰法試驗塵可以較好的解決，通過使用中效過濾器篩選方式獲取的固體試驗粉塵在粒徑分布特征上與高效過濾器實際處理粉塵一致，較為容易獲得用戶以及生產(chǎn)企業(yè)的認可，圖7給出了使用上述塵源進行高效過濾器生命周期模擬試驗后的過濾器濾材剖面電鏡照片，照片顯示的由過濾器迎風面至濾材內(nèi)部不同深度（由左至右）的粉塵堆積情況，由照片可見，盡管大多數(shù)粉塵仍主要堆積在濾材表層及淺層結(jié)構(gòu)，但在濾材內(nèi)部仍存在不同程度的粉塵堆積現(xiàn)象，表明試驗粉塵對于模擬深層過濾材料的全生命周期具有一定的科學合理性。
2.5 調(diào)整過濾器效率測試基準方法，并采用ISO國際標準的過濾器分級體系，實現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品標識與國際市場的基本接軌。
如前文所述，盡管本次國標體系修訂工作中對我國傳統(tǒng)的效率基準試驗方法——鈉焰法進行了較多研究及改進提升，但比對試驗顯示鈉焰法效率測試結(jié)果仍高于國際通行的計數(shù)法，在此前提下，不適宜將鈉焰法仍規(guī)定為國標基準方法，因為這會使得按國標體系標識的過濾器實際性能低于同等級別標識的國際標準體系產(chǎn)品，不利于實現(xiàn)下游潔凈室行業(yè)的環(huán)境控制及產(chǎn)品質(zhì)量控制需求。所以在本次國標體系修訂中，經(jīng)過充分的協(xié)調(diào)與討論，將計數(shù)法調(diào)整為過濾器效率測試的基準試驗方法。
在過濾器級別標識體系上，新版國標在首個ISO國際標準ISO29463系列標準分級標識體系的基礎(chǔ)上，采用兩位數(shù)字標識過濾器效率級別，并附加1~2位字母標識效率試驗方法和檢漏試驗方法。在效率級別上，新版國標體系與ISO標準一致，從而實現(xiàn)國內(nèi)過濾器標識體系與國際體系的接軌，例如，國標體系的“35J”等同于ISO標準體系的ISO35(H)，也等同于歐洲EN1822標準的H13級過濾器，均表示采用計數(shù)法測試，效率測試結(jié)果不低于99.95%的高效過濾器。
相比國際標準體系更進一步的是，新版國標體系增加了過濾器檢漏試驗方法的標識，上述“35J”高效若采用掃描檢漏試驗方法則標識為“35JS”，推動促進國內(nèi)生產(chǎn)廠家采用更嚴格的掃描檢漏試驗方法，進一步提升我國過濾器行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。
3、結(jié)論
本次高效過濾器國標體系修訂工作歷時三年，標準修訂工作組對現(xiàn)行國標體系的主要存在問題、近10年來國際標準化體系的發(fā)展情況及主要技術(shù)爭議內(nèi)容進行了較為系統(tǒng)的梳理，對標準擬修訂內(nèi)容做了大量、扎實的試驗研究及驗證工作，充分保證了新版國標技術(shù)體系的科學性、合理性，反映我國當前空氣凈化行業(yè)的主流技術(shù)現(xiàn)狀，并為行業(yè)未來的技術(shù)水平提升提供幫助、指引方向。標準修訂工作組也誠摯希望行業(yè)各有關(guān)生產(chǎn)廠家、檢測實驗室、各專家及工程技術(shù)人員能在未來的工作中對標準技術(shù)內(nèi)容充分評價審視，隨時向工作組反饋意見，為我國高效過濾器標準體系的持續(xù)發(fā)展提升共同努力。
