空氣清淨機 HEPA 濾網

空氣清淨機的歷史演進

空氣淨化器類產品的第一個概念是源自於戴在人們口鼻上的防護性空氣呼吸器。其目的主要是過濾吸入的空氣,從而保護穿戴者免於吸入任何有害氣體,煙霧,蒸氣或粉塵顆粒等物質。這個概念最早可以追溯到16世紀,然而真正第一台空氣淨化設備的出現,則是直至1963年,由德國機械工程師 Klaus Hammes 和他的兄弟 Manfred 一起為德國居民建造的“簡單過濾器系統”。該系統由一個過濾墊組成,並將該過濾墊固定於家用燃煤烤箱的出風口,該過濾器的設計主要是攔截冷空氣中被加熱並通過烤箱的粉塵。由於有助於減少烤箱壁上的“黑色粉塵堆積”,這使它成為第一個在消費者家中使用的空氣淨化器系統。隨著時間的流逝,消費者注意到過濾器系統不僅可過濾粉塵還可以減少哮喘發作和減輕過敏症狀。

HEPA 的發明歷史

「曼哈頓計劃」二戰期間最重要也最著名的計畫之一,該計畫成功研製並製造出人類歷史上第一顆原子彈,開展這項計畫的同時,為保護科學家免於受粒子形式的放射性微粒危害,美國原子能委員會提出使用機械過濾對放射性微粒進行過濾的想法,並因此成功開發出 HEPA 過濾器,用以保護科學家免受放射性粒子的影響。二戰後,HEPA 過濾技術便隨著許多檔案的解密而釋出至民間並開始被應用於商業和住宅產品。

HEPA 濾網

高效濾網(High-Efficiency Particulate Air,即高效率空氣微粒子過濾網,簡稱HEPA)是一種用於空氣淨化的過濾耗材。HEPA 濾網的過濾材質通常由不規則排列的化學纖維(PP,PET為主)或玻璃纖維製成,直徑約0.5到2.0微米,透過其微觀的絮狀結構,可有效去除0.5µm以上之微粒。

圖一、 HEPA 濾網纖維結構

HEPA 濾網分級

根據美國能源部(DOE, United States Department of Energy)公布,HEPA濾網應當至少過濾99.97%直徑 ≧0.3微米(µm)的空氣中的顆粒。這也是大多數美國工業部門採納的標準。(H13以上才算是 HEPA)

HEPA等級濾淨率 (total)濾淨率(local)
E10> 85%
E11 (H11)> 95%
E12 (H12)> 99.5%
H13> 99.95%> 99.75%
H14> 99.995%> 99.975%
U15> 99.9995%> 99.9975%
U16> 99.99995%> 99.99975%
U17> 99.999995%> 99.999975%
表一、 HEPA 濾網分級標準

HEPA 濾網如何工作?

真正的 HEPA 濾網通常由塑料纖維或硼矽玻璃纖維製成,這些纖維排列在隨機放置的纖維墊中。 但是 HEPA 濾網並不像篩網那樣工作,它可以捕獲大於特定尺寸的微粒並允許較小的微粒通過。 使用 HEPA 濾網,微粒是透過撞擊、攔截或擴散的方式黏附在纖維表面上而被捕獲。(註:增加大風量可能使得原本已被攔截的污染粒子有機會脫離濾網表面,而成為新的污染源造成二次污染)

圖二、HEPA 濾網過濾機制

如圖二:較大的顆粒(>1.0um):這些大顆微粒直接隨著高速氣流撞擊濾網纖維並被濾網捕獲。

小顆粒(~0.3um):當它們跟隨空氣流通過濾網並在到達纖維時,它們被“攔截”並黏住。

微小粒子(<0.1um):以布朗運動形式的擴散這是一種在粒子與氣體分子碰撞時減慢粒子速度的機制,這種機制導致微小粒子黏在纖維上。

HEPA 濾網利用上述三種不同的機制來捕捉通過移動氣流中的懸浮微粒。在高空氣速度下,一些顆粒在直接撞擊纖維時被捕獲並捕獲,而另一些顆粒則在它們試圖掠過時被纖維纏住。 在較低的空氣速度下,懸浮微粒傾向於更隨機地穿過過濾器(這個過程被稱為布朗運動)並且可能會在這樣做時黏附在濾網纖維表面上。 結合這三種機制,HEPA 濾網可以捕獲比特定目標尺寸更大和更小的顆粒。

HEPA 濾網的壽命

HEPA 濾網在使用一段時間後,表面都會吸附很多細菌,毛髮,灰塵顆粒,甚至會堵塞過濾網,從而影響進氣、影響空氣淨化的效果,所以需要及時更換新濾網。

如圖三可以解釋為什麼有些空氣清淨機剛買來的時候效果還不錯,但用了一陣子之後就發現好像效果漸漸變差,因為濾網在初期的時候過濾效果可以維持在80%以上,一般用了三個月之後最快速。所以如果為了維持相同的過濾微粒的量,就必須要把風速加大,但如此一來有可能使得原本被阻擋在濾網中的污染物質因為 空氣流速的增加而脫離濾網,進一步變成污染源之一。

圖三、HEPA 濾網淨化效率

HEPA 濾網的優點

• 技術成熟:HEPA 濾網是目前市面上空氣淨化器中最普及的過濾類型之一。如果您正在尋找經認證可提供潔淨空氣且市場上容易找到的淨化器產品,HEPA 濾網可能是一種選擇。

• 過濾各種懸浮微粒:由於真正的 HEPA 濾網能夠捕獲高達 99.97% 的顆粒,因此在淨化空氣懸浮微粒方面非常有效。如 空氣中的粉塵,寵物皮屑、花粉和塵蟎。

HEPA 濾網的缺點

• 更換成本可能很高:根據設計,HEPA 濾網的耗材費用估計很高。雖然一些先進的 HEPA 濾網宣稱可以使用長達兩年(不建議這種使用方式),但大多數HEPA 濾網大約只能使用6 個月,方能確保其過濾效果。

• 去除異味效果不彰:如果您正在尋找一種可以消除異味的濾網,您可能會對 HEPA 濾網的性能不滿意。因為一般的HEPA 濾網並非設計來捕獲氣體或氣味。為了在去除異味方面取得最佳效果,增加活性炭濾網成為空氣淨化器是一個必要的選擇,自然它的費用會更高。

常用 HEPA 濾網的種類

一般HEPA濾網

H13級 HEPA 濾網 可有效過濾PM2.5等微小顆粒達 99.95% 

>30%淨化能力,其有效期限:~10個月,如果想要維持在50%以上的高效能運作則需要~6個月更換一次濾網。(正常使用下每個月的淨化效率會下降~8%)

抗菌HEPA濾網 

添加「奈米銀」具抑菌、除臭功能。「奈米銀」是最廣泛使用的抑菌添加物之一,根據實驗數據顯示奈米銀可以有效消滅超過六百多種的有害細菌。這些抗菌濾網通常會染上其他顏色方便與一般的HEPA濾網區別。有效期限:6~12個月

活性碳濾網

增加活性碳可有效吸附各種異味分子、揮發性有機物質、甲醛等。因為添加了活性碳的緣故所以它的顏色一般是灰色為主。有效期限:3~6個月

註:特殊化學環境:如果您您的家庭或商業地點,空氣中存在大量揮發性有機化學物質 (VOCs),那麼您需要一個專為處理這種情況而設計的 HEPA 濾網。這些濾網可能使用了包括用碘化鉀、高錳酸鉀、活性氧化鋁和/或沸石浸漬的活性炭。

HEPA 濾網的應用

HEPA 濾網主要應用為空氣淨化系統中協助淨化空氣中的懸浮粒子和污染物。以改善室內空氣質量並去除有限數量的細菌和病毒,對抗微粒、病原體和微生物威脅,在醫療設施應用中更重要。

空氣清淨機有多種類型和效率。病毒的大小從 0.005 微米到 0.30 微米不等,或稍大,具體取決於來源。空氣清淨機通常根據去除 0.30 微米和更大顆粒的效率進行評級。以下列表為常見污染源的尺寸大小:

表二、常見污染源的尺寸

如果只單獨使用 HEPA 濾網淨化空氣,我們建議盡可能使用最高的 HEPA 等級,因為這樣才能比較有效地過濾空氣中的有害物質。

一般空氣清淨機的設計應用

HEPA 濾網很難單獨使用,需搭配其他淨化技術才能達到較完善的空氣淨化結果。所以理想的空氣清淨機,至少要使用 2 種以上的濾網,並且依據汙染物的尺寸由大至小過濾。如下圖所示:

圖四、 HEPA 濾網空氣清淨機之淨化效方式

初級濾網 : 用來過濾如毛髮、沙塵、皮屑等顆粒較大的汙染物,壽命較短,但可以透過以水清洗、吸塵器等方式清潔延長壽命。

HEPA 濾網 : 過濾 0.3 微米 (PM 0.3) 以上的汙染物,大部分的懸浮微粒(非化學氣體)在這一層濾網被過濾。

活性碳/光觸媒濾網:活性碳/光觸媒可以處理前兩層濾網無法過濾的污染物質,如病毒、有機揮發物 (VOCs) 等更小的汙染物。

結論:

目前大多數的空氣清淨機品牌仍以 HEPA 濾網技術做為處理室內空氣污染(以PM2.5為主訴求)的主要機制,但根據我們整理出來的資料顯示,如果單獨只想要以濾網來達成淨化室內空氣的目的,我們必須付出非常高的耗材費用以及HEPA 耗材本身二次環境污染的代價。主要是因為真正對人體傷害比較大的微小病毒以及有機氣體分子基本上都是HEPA 濾網無法有效地處理,換句話說就必須以更高的成本,增加特殊濾網來處理這些有害氣體或微小的病毒。最後有一點值得大家深思,因為被 HEPA 濾網攔下來的污染物質的量與 HEPA 濾網本身的質量相比幾乎微不足道,那麼當我們每 6 個月都需要丟掉的HEPA濾網,是不是反而造成地球更大的負擔呢?難道沒有更好的辦法了嗎?根據理想空氣淨化方程式(簡單過濾+有效分解+循環淨化=乾淨空氣)我們知道「有效分解」是空氣淨化過程中非常重要的一環(可參考這一篇文章「一次就選對你要的空氣清淨機!」)。因此個人認為空氣淨化技術應該可以朝理想空氣淨化方程式所闢劃的方向前進,如此才能達到真正經濟環保及高效能空氣淨化技術的雙贏境界。