基於HEPA與活性炭複合濾材的抗病毒空氣過濾器性能分析 1. 引言 隨著全球空氣質量問題日益嚴峻，以及近年來新型傳染病的頻發，空氣淨化技術成為保障人類健康的重要手段。空氣過濾器作為空氣淨化係統的核...
基於HEPA與活性炭複合濾材的抗病毒空氣過濾器性能分析
1. 引言
隨著全球空氣質量問題日益嚴峻，以及近年來新型傳染病的頻發，空氣淨化技術成為保障人類健康的重要手段。空氣過濾器作為空氣淨化係統的核心組件，其性能直接影響室內空氣質量。高效顆粒空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）因其對0.3 μm粒徑顆粒物的過濾效率高達99.97%，被廣泛應用於醫院、實驗室、潔淨室等場所。然而，傳統HEPA濾網在應對氣態汙染物及揮發性有機化合物（VOCs）方麵存在局限。因此，將HEPA與活性炭複合使用，成為提升空氣淨化綜合性能的有效途徑。
本文旨在分析基於HEPA與活性炭複合濾材的抗病毒空氣過濾器的性能，探討其在去除病毒、細菌、PM2.5、甲醛、苯係物等方麵的效果，並結合國內外研究成果，評估其在實際應用中的優勢與局限。
2. HEPA與活性炭複合濾材的基本原理
2.1 HEPA濾材的工作機製
HEPA濾材主要通過攔截、慣性碰撞、擴散和靜電吸附等方式捕獲空氣中的顆粒物。其結構由多層玻璃纖維或合成纖維構成，具有高密度和小孔徑的特點。根據美國能源部標準DOE-STD-3020-97，合格的HEPA濾材需滿足對0.3 μm粒徑顆粒物的過濾效率不低於99.97%。
2.2 活性炭濾材的作用機理
活性炭是一種具有高度微孔結構的碳材料，其比表麵積可達500~1500 m²/g，能夠有效吸附氣體分子，特別是有機揮發物（如甲醛、苯、甲苯、二甲苯等）。其吸附能力取決於活性炭的種類（如煤基、椰殼基、木質基）、活化方式和孔徑分布。
2.3 複合濾材的優勢
將HEPA與活性炭複合，可以實現物理過濾與化學吸附的協同作用，從而提高對病毒、細菌、PM2.5及有害氣體的綜合去除率。例如，在處理含有病毒的空氣中，HEPA可有效攔截攜帶病毒的飛沫核（直徑約0.5~5 μm），而活性炭則可吸附可能附著在顆粒上的有機汙染物，進一步降低病毒活性。
3. 抗病毒性能分析
3.1 病毒傳播途徑與空氣過濾需求
病毒可通過飛沫傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播進入人體呼吸道。其中，氣溶膠傳播尤其受到關注，因為病毒可以在空氣中以極小顆粒形式長時間懸浮。研究顯示，SARS-CoV-2病毒可在空氣中以直徑為0.1~5 μm的氣溶膠形式存活數小時至數天 [1]。
3.2 HEPA對抗病毒的效能
研究表明，HEPA濾材對0.1 μm以上的病毒粒子具有較高的攔截效率。例如，美國環境保護署（EPA）指出，HEPA濾網可有效去除99.97%以上直徑大於0.3 μm的顆粒，包括大多數病毒載體 [2]。此外，部分研究發現，HEPA濾網還可通過靜電吸附作用增強對帶電病毒粒子的捕捉效率 [3]。
3.3 活性炭對抗病毒輔助作用
雖然活性炭本身不具備直接滅活病毒的能力，但其可吸附空氣中的有機氣體和水分，從而抑製病毒在空氣中的存活時間。例如，活性炭對甲醛、乙醛等具有較強吸附能力，這些物質可能促進病毒蛋白結構穩定，減少其失活速度 [4]。
4. 實驗數據與產品參數對比
為了更直觀地展示HEPA與活性炭複合濾材的性能，以下列出幾款典型產品的技術參數及其測試結果。
| 產品型號 | HEPA等級 | 活性炭類型 | 對PM2.5去除率 | 對甲醛去除率 | 對病毒模擬物去除率 |
|---|---|---|---|---|---|
| A型複合濾網 | H13級 | 椰殼活性炭 | 99.95% | 85.2% | 98.6% |
| B型複合濾網 | H14級 | 煤基活性炭 | 99.97% | 89.5% | 99.2% |
| C型複合濾網 | H13級 | 木質活性炭 | 99.93% | 83.7% | 97.8% |
| D型單一HEPA | H13級 | —— | 99.95% | <10% | 98.4% |
數據來源：國家室內環境監測中心，2023年空氣淨化器濾材性能測試報告
從上表可以看出，采用複合濾材的產品在去除甲醛等氣態汙染物方麵顯著優於單一HEPA濾網，同時在病毒模擬物去除率方麵也略有提升。
5. 國內外研究進展與案例分析
5.1 國內研究現狀
中國建築科學研究院曾對多種空氣淨化器進行實測，結果顯示，配備HEPA+活性炭複合濾網的設備在去除PM2.5和TVOC（總揮發性有機化合物）方麵表現優異 [5]。清華大學環境學院的研究表明，HEPA+活性炭組合對流感病毒（H1N1）的去除效率可達99.9%以上 [6]。
5.2 國外研究進展
美國哈佛大學公共衛生學院的一項研究表明，使用HEPA+活性炭複合濾材的空氣淨化器可顯著降低室內空氣中新冠病毒RNA的濃度 [7]。另一項發表於《Environmental Science & Technology》的研究指出，活性炭可有效吸附病毒周圍環境中的有機氣體，間接提升病毒失活速率 [8]。
5.3 典型應用場景分析
醫療機構
在醫院ICU病房中，安裝HEPA+活性炭複合濾材的空氣淨化係統，可有效降低醫護人員感染風險。例如，武漢某定點醫院在新冠疫情初期引入該類淨化設備後，其病房空氣樣本中病毒RNA檢出率下降了90%以上 [9]。
教育機構
北京市某重點中學在教室中部署配備HEPA+活性炭濾網的空氣淨化器後，學生因呼吸道疾病請假的比例減少了35% [10]。
家庭環境
家庭用戶普遍關注甲醛、PM2.5等汙染物，HEPA+活性炭複合濾材正好滿足這一需求。小米、戴森等品牌推出的家用空氣淨化器均采用此類複合濾材，市場反饋良好。
6. 影響性能的關鍵因素
6.1 活性炭負載量與孔徑分布
活性炭的負載量直接影響其吸附容量。一般來說，負載量越高，吸附效果越好，但過高的負載量可能導致空氣阻力增大，影響淨化效率。此外，孔徑分布應與目標汙染物匹配。例如，微孔（<2 nm）適合吸附小分子氣體，而中孔（2~50 nm）適合吸附大分子有機物。
6.2 氣流速度與壓降
空氣流速過高會降低HEPA與活性炭的接觸時間，導致淨化效率下降。同時，過大的風阻會增加能耗，縮短濾網壽命。通常建議空氣淨化器工作時的氣流速度控製在0.5~1.0 m/s之間。
6.3 溫濕度影響
高濕度環境下，水汽可能占據活性炭的吸附位點，降低其對有機氣體的吸附能力。研究表明，在相對濕度超過70%的情況下，活性炭對甲醛的吸附效率下降約15% [11]。
6.4 使用周期與更換頻率
HEPA濾網一般使用壽命為6~12個月，活性炭濾網則為3~6個月。若不及時更換，可能導致二次釋放汙染物，甚至滋生細菌。因此，建議定期檢測空氣質量並更換濾材。
7. 產品設計優化建議
7.1 材料選擇優化
建議選用椰殼基活性炭，因其具有更高的碘吸附值和機械強度，更適合長期使用。HEPA濾材應優先選用H13或H14等級，以確保對納米級顆粒的高效攔截。
7.2 結構設計優化
采用“前置預過濾層+HEPA+活性炭”的三層結構，可先攔截大顆粒灰塵，延長核心濾材壽命。此外，可考慮將活性炭製成蜂窩狀或波紋狀，以增加接觸麵積。
7.3 智能監控係統集成
引入PM2.5、甲醛、溫濕度傳感器，結合APP遠程監控濾材狀態，提醒用戶及時更換，提升用戶體驗。
8. 總結與展望
HEPA與活性炭複合濾材在空氣淨化領域展現出良好的綜合性能，尤其在抗病毒、去異味、除甲醛等方麵具有明顯優勢。未來，隨著納米材料、光催化等新技術的發展，空氣淨化器濾材將向更高效率、更長壽命、更低能耗方向發展。同時，智能化、個性化將成為新一代空氣淨化器的重要趨勢。
參考文獻
[1] van Doremalen N, Bushmaker T, Morris DH, et al. Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 compared with SARS-CoV-1. New England Journal of Medicine, 2020, 382(16): 1564–1567.
[2] U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Guide to Air Cleaners in the Home. EPA/400/F-09/001, 2020.
[3] Chen C, Zhao B, Wu C, et al. Review of airborne transmission of respiratory viruses: application to air filtration systems. Indoor Air, 2021, 31(3): 707–723.
[4] Zhang Y, Li X, Wang L, et al. Adsorption of formaldehyde on activated carbon: a density functional theory study. Journal of Physical Chemistry C, 2019, 123(12): 7531–7539.
[5] 中國建築科學研究院. 空氣淨化器濾材性能測試報告[R]. 北京: 中國建築工業出版社, 2023.
[6] 清華大學環境學院. 空氣淨化器對流感病毒的去除效率研究[J]. 環境科學學報, 2022, 42(6): 156–163.
[7] Harvard T.H. Chan School of Public Health. Study finds HEPA filters reduce indoor SARS-CoV-2 RNA levels. Harvard News Release, 2021.
[8] Liu P, Zou Z, Ma Q, et al. Role of VOCs in virus survival in indoor environments. Environmental Science & Technology, 2020, 54(15): 9211–9220.
[9] 武漢市疾控中心. 新冠疫情期間醫院空氣淨化措施效果評估[J]. 中華流行病學雜誌, 2021, 42(3): 45–50.
[10] 北京市教育委員會. 教室空氣質量改善項目年度報告[Z]. 北京: 北京教委辦公室, 2022.
[11] 王誌剛, 李曉峰. 高濕環境下活性炭吸附性能研究[J]. 環境工程學報, 2020, 14(4): 231–236.
