基于环境气溶胶的防护用口罩过滤性能研究

2022-01-23郭二宝吕梅群荣鼐张一飞余忠凯刘兴成

建筑热能通风空调 2021年12期

关键词：滤料纱布气溶胶

郭二宝吕梅群荣鼐张一飞余忠凯刘兴成

1 安徽建筑大学安徽省绿色建筑先进技术研究院

2 安徽建筑大学建筑室内热湿环境实验室

3 中冶赛迪上海工程技术有限公司

0 引言

21 世纪以来，感冒、中东呼吸综合征(MERS)和严重急性呼吸综合症(SARS)等流行疾病肆虐，造成了全球大量的人员伤亡与经济损失[1]。近期，科学家们宣称新冠肺炎可能在空气中进行传播，并列举了支持气溶胶传播的数个依据[2,3]，气溶胶传播是指飞沫在空气悬浮过程中失去水分而剩下的蛋白质和病原体组成的核，形成飞沫核，可以通过气溶胶的形式漂移到远处，进行远距离的传播。新冠肺炎病毒平均直径约为100 nm[4]，通常依附在载体上进行传播,诸如人的呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏等行为活动[5]。飞沫在空气中停留、扩散，当被人体吸入时，将有可能产生感染风险。新冠肺炎患者呼出的飞沫中往往附带成千上万的冠状病毒微粒，普通人大约吸入数百个冠状病毒微粒就有会有病毒感染的风险[6]。

据美国疾病控制与预防中心（CDC）表示，佩戴防护口罩可以有效降低新冠病毒感染者呼出的飞沫对他人产生的传播风险以及降低健康人吸入含新冠病毒病原体微粒的机率。口罩的防护性能与过滤能力之间有较大的关系，不同材质的防护口罩，其过滤能力也存在很大的差别。调查发现有些口罩可以对直径1 μm 左右颗粒物的过滤效率达到97%左右，但有些口罩可以允许直径9 μm 左右的颗粒穿过。另一项研究结果表明在烟雾测试中，两种不同类型的防护口罩对0.5～3.2 μm 粒径段的烟雾粒子过滤效率分别为 68%与33%。高过滤性能的口罩可以过滤直径 0.1 μm 左右的粉尘颗粒，为佩戴者提供更加有效的防护，但同时也会造成佩戴者呼吸困难[7-9]。佩戴呼吸防护口罩后，人体的呼吸气流通过口罩时会产生摩擦力，从而形成了呼吸防护口罩的吸气阻力和呼气阻力，吸气阻力和呼气阻力统称为呼吸阻力，它是防护口罩的一项重要性能评价指标，若增加额外的呼吸阻力，会大幅降低每分钟的呼吸量和耗氧量[10-12]，造成使用者换气不足。好的防护口罩可以让使用者佩戴舒适，大大提高使用者的舒适性，所以，深入研究防护口罩对人体的呼吸性能有一定的必要性。

1 测试部分

本文研究的口罩净化对象主要集中在粒径范围以0.3～0.4 μm 为主的微细颗粒物上，以人体呼吸力为净化动力（通常为30～50 Pa），测试对比目前市售各类口罩滤料和新型医用组合滤料口罩净化性能，各类口罩样本分类见表 1。其中，1#～7# 口罩为市售各类口罩，8 #～10#为新型医用组合滤料口罩。

表1 各类口罩样本分类

为准确测试口罩样品对环境气溶胶的过滤特性，搭建了空气过滤口罩材料特性的测试平台，实物图如图1 所示，工作原理图如图2。

图1 口罩滤材测试平台实物图

图2 基于环境气溶胶的口罩过滤材料过滤特性测试平台

过滤材料测试平台系统组成具体介绍如下：

1）测试管道：测试管道采用有机玻璃制成，以测试滤料为界分前后两段，管道半径为 50 mm。滤料夹持部分采用橡胶垫圈密封，防止滤料夹持部位漏风。夹持部位采用套环螺纹旋紧。测试管道前后管径相同，无滤料加装时可视为一体，因此认为测试管道对气溶胶无干扰作用。

2）动力系统：采用 WX-2 无油真空压缩机作为过滤材料测试系统的动力源。

3）流量调节：采用 LZB-10 玻璃转子流量计控制测试管道的流量，根据流量与测试管道的管径来确定过滤风速；转子流量计位于测试管道的下游。

4）检测系统：滤料前后侧气溶胶浓度由 Grimm1.108 便携式粉尘仪进行检测，每 6 s 记录一组数据，每组数据包含14 个数据，分别代表不同粒径区间的气溶胶浓度。滤料前后侧压差由TSI 9555-P 风压仪采集。

2 测试结果对比分析

市场销售的各类口罩在呼吸阻力下的过滤性能如图 3 所示，纱布口罩（8 层）透气量大，呼吸阻力低，但对微细颗粒物过滤效率低于 10.0%，3 个纱布口罩叠用（24 层）的过滤效率仍然低于30.0%。活性炭口罩呼吸阻力适中，对微细颗粒的过滤效率为 37.5%～ 44.6%。5#～7# 无纺布口罩的过滤效率在 66.8%～ 80.4%，但由于呼吸阻力较高，当佩戴者使用时，会致使口鼻部位空气流通停滞而造成死腔，导致局部空气质量低劣，CO2浓度逐渐增加，导致人体吸入空气量不足，而感到呼吸困难。因此，高效但高阻的无纺布口罩不是防护口罩的最佳选择，防护口罩应在满足人体呼吸阻力和流量的要求下，达到尽可能高的过滤效率，同时满足人体对呼吸舒适性和洁净呼吸空气的需求。根据纱布的低阻和带静电层滤料的高效特性，选用“纱布+驻极体滤料”组合成新型医用口罩滤料，并对不同厚度“纱布+驻极体”滤料的过滤性能进行测试。见图4，对比不同驻极体滤料过滤效率发现，过滤效率随着克重的增加而增加，但过滤阻力也随着滤料克重厚度的增大而增大，比较8#～10#口罩滤料过滤性能可知，9 #口罩滤料过滤效率为 80.5%～82.1%，空气流量为20.0～36.3 L/min，过滤性能最佳。通过“纱布 +驻极体滤料”新型医用组合滤料口罩的综合性能与目前市场主流销售的口罩滤料对比发现，驻极体滤料具有低阻高效的特性。