台灣過濾與分離學會電子報2023年第19期

研究新知

◎ 如何準確測量纖維濾材的微粒去除效率

        儘管人們越來越關注暴露於空氣中小於 1 μm 的氣懸浮微粒，尤其是低於 100 nm 的微粒對健康的影響，但目前空氣品質標準對於 PM₁ 或 PM_0.1 的定義還沒有廣受認可。大氣中 2.5 μm 以下微粒的質量分數主要由小於 1 μm 的微粒所組成，特別是都市氣溶膠。由於布朗擴散效應，纖維過濾器在最易穿透粒徑 (MPPS) 和1 μm 之間表現良好，同時也會在 100 nm 以下表現出高效率，隨著粒徑減小，微粒捕集效率會提高。因此，MPPS 和 1 μm 之間的粒徑對纖維過濾材構成了技術挑戰。

        美國聯邦參考方法 (FRM) 40 CFR 第 50 部分附錄 J 和 L以及歐洲標準 EN 12341 將 PM₁₀ 和 PM_2.5 定義為通過效率截止為 50% 的尺寸選擇入口的空氣動力學直徑分別為 10 μm 和 2.5 μm 的顆粒。不規則顆粒的空氣動力學直徑定義為密度 1000 kg/m³ 且與不規則顆粒相同沉降速度的球形顆粒的直徑，該粒徑取決於密度和形狀。空氣動力學直徑不適合用來表示重力可以忽略不計的較小顆粒，因此，物理直徑更適合用來表示小於 100 nm 的顆粒行為。

        下面左圖是 FRM 參考方法的示意圖，該方法對收集氣溶膠的過濾材料的質量增加進行直接測量，尺寸選擇衝擊器專門針對 PM₁₀ 和 PM_2.5 的空氣動力學直徑來選擇顆粒，通過效率截止為 50%。右圖是等效間接法原理圖，使用每個粒子在暴露於準直光束 (米氏理論) 時散射的光的光學測量，無須使用尺寸選擇衝擊器，以軟體對數據進行後處理可得到與直接測量相當的數值。

用於環境測量 PM₁₀ 和 PM_2.5 濃度的兩種方法示意圖。

        新冠疫情大流行凸顯了含有細纖維的纖維材料對於控制空氣汙染的重要性，空氣過濾材應確保可高效去除空氣中小於 1 µm 的微粒。纖維過濾效率與顆粒尺寸和顆粒質量的分佈有關，若相同的顆粒物總質量，對應不同的粒徑分佈，會產生不同的去除效率。下圖顯示使用對數常態顆粒尺寸分佈時，不同的顆粒分佈如何產生不同的效率測試結果。所有黑色曲線均顯示質量分佈與具有相同計數中位數直徑 (CMD) 75 nm 和總顆粒質量濃度 20 mg/m³ 特徵的氣溶膠粒徑的函數關係。不同的幾何標準差 (GSD) 會影響顆粒分佈的型態，特別是 GSD 從 1.25 (準單分散氣溶膠) 到 3.0 (多分散氣溶膠) 的變化與過濾材的不同應用相關。ISO 29463-2:2011 以 GSD = 1.25 作為測試 HEPA 過濾器的單分散氣溶膠。42 CFR § 84.1 規定 N95 標示的 GSD 需低於 1.86。EN 13274-7:2019 26規定使用石蠟油和 NaCl 測試呼吸防護裝置時的最大 GSD 值分別為 2.2 和 3。

顆粒尺寸分佈對過濾效率的影響，灰色區域代表所有等效粒徑小於 0.3 μm 的顆粒，紅線代表 FFP2 口罩、過濾器 ePM₁ 85% 和 ePM₁ 55%的典型分數效率。

        以總體質量效率 (OME) 來看，由於容易捕集的較大顆粒 (對數常態分佈的右側尾端) 的質量濃度較高，因此增加氣溶膠分散度會增加 OME，這種效應與高效率過濾材 (例如用於 FFP2 口罩的過濾材) 的關係不大。假設最易穿透粒徑 (MPPS) 的效率接近 100%。在這種情況下，轉向更容易捕集的粒徑也不會提高效率，因為最低效率已經接近 100%，這種效應掩蓋了概念錯誤。

不同過濾材和不同 GSD 的質量效率變化。

        然而，當測量其他標準過濾材的性能時，整體效率會發生巨大變化。例如：根據 ISO 16890-1:2016 29的 ePM₁ 85% 和ePM₁ 55% 濾材，對於 ePM₁ 85% 濾材而言，隨著 GSD 從 1.25 增加到 3 時，OME 從 67.1% 增加到 96.7%，而對於ePM₁ 55% 濾材，OME 從 12.0% 增加到 77.6%。這表示整體效率方法無法深入了解去除效率如何隨粒徑變化，我們可以用整體效率方法來檢查最低效率或最易穿透粒徑的合規性要求，例如口罩。也可以用來將新材料的過濾性能與基準進行比較，或評估過濾材生產品質的穩定性。然而，過濾器的測試的氣溶膠粒徑分佈必須嚴格控制，否則，將無法比較不同粒徑分佈所獲得的總體質量效率 (OME) 數據。

        此外，OME 無法提供 MPPS 下的去除效率值，MPPS 不能和 0.3 μm 畫上等號，ISO 29463-3:2011 提到大多數不帶電過濾材的 MPPS 在 0.1 至 0.2 µm 之間；帶電過濾材的 MPPS 要小得多，有時低至 40 nm。因此，PM_0.3 與 MPPS 對應的效率無關，而且 OME 和 PM_0.3 在本質上是不同的，OME 考慮測試的氣溶膠中所有粒徑，而 PM_0.3 數據僅指低於 0.3 µm 閾值的顆粒。

        最後，測試空氣過濾器時使用特定質量中位數直徑 (MMD) 的氣溶膠並無法獲得該粒徑或低於該粒徑的顆粒相對應的效率，因為，在具有一定 MMD 的粒徑分佈中，大於 MMD 的顆粒也貢獻了 50% 的質量。

        許多人認為 HEPA 過濾器的效率是根據美國軍用標準 282 在粒徑 0.3 μm 下測量的，然而，0.3 μm是美國軍用標準 282 規定的氣溶膠的質量平均直徑，而該氣溶膠的數量平均直徑約為0.18 μm (ISO 29463-2)，因此，使用計數平均直徑為 0.3 μm 的氣溶膠來測試過濾器會高估其效率，因此，應考慮完整的粒徑分佈，而不是其平均直徑。

        下圖顯示測試 ePM₁ 85% 過濾器的氣溶膠的計數和質量分佈與粒徑的關係，兩個分佈的平均值和 MPPS 位置之間存在明顯差異，且 MPPS 會隨過濾速度的而變化。

MPPS 和質量中位數直徑 (MMD) 之間的差異。

        儘管人們越來越關注暴露於所謂的 PM₁、PM_0.3 或 PM_0.1 對健康的影響，但尚無既定的空氣品質標準來定義它們。在測量空氣過濾器效率時，應考慮下列幾點：

  •提供有關測試氣溶膠的物理和化學性質的詳細資訊。

  •了解和證明纖維過濾性能的最佳方法是測量效率與粒徑的函數關係。

  •粒子光譜儀可以透過單一測試提供效率作為粒子尺寸的函數。

  •光度計需要用單分散氣溶膠對過濾器進行測試，並測量特定尺寸的顆粒濃度降低。該過程需要根據所研究的顆粒尺寸進行多次測試。

  •若要計算特定PMxx 分數的空氣濾網效率，請使用ISO 16890-1 中所述的程序。

        若能設計正確實驗評估的方法，將有助於研究人員能以更高的可靠性將新濾材和技術與現有濾材和技術進行比較。

資料來源：

1. Tronville, P., Gentile, V. & Marval, J. Guidelines for measuring and reporting particle removal efficiency in fibrous media. Nat Commun 14, 5323 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41154-4

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