题目：

HEPA filters for airliner cabins : State of the art and future development

大型客机座舱用高效微粒空气（HEPA）过滤器：技术现状和未来发展

(http://dx.doi.org/10.1111/ina.13103)，该研究获得中国国家自然科学基金委员会（NSFC）的支持。

作者：

Xin Zhang（张鑫，第一作者），Junjie Liu（刘俊杰，通讯作者），Xuan Liu （刘宣），Chaojun Liu（刘朝军），Qingyan Chen（陈清焰）

研究亮点：

• 对23种不同机型的座舱HEPA过滤器的过滤性能进行了横断面研究。

• 大型客机座舱HEPA过滤器的压降在84.7 Pa/(cm/s)左右，容尘量在32.2–37.0 g/㎡。

• 采用静电纺丝纳米纤维材料可以使压降降低66.4%到94.3%。

研究背景：

乘坐飞机出行的人数逐年增长，机舱环境对乘客和机组人员的健康和舒适至关重要。为了节能，大型客机座舱内的空气有50%直接引入机舱外的洁净空气（高空大气），另50%为座舱循环空气，循环空气会携带乘客活动带入的气溶胶（包括病毒、细菌、灰尘等），依赖于高效微粒空气（HEPA）过滤器进行过滤处理。

该HEPA过滤器采用超细玻璃纤维作为滤料，标称效率一般可以达到>99.97%@0.3μm，可以有效去除空气中的气溶胶。随着多电和全电飞机的发展，飞机环控系统（ECS）采用电能运行，因此需要该HEPA过滤器具有更低的气流阻力，以获得节能效果；另一方面，玻璃纤维是一种难降解的材料，会对环境造成极大的危害，因此采用新的环保材料势在必行。

与普通民用HEPA过滤器不同，客机座舱HEPA过滤器没有前置的初效和中效过滤器，因此需要该HEPA过滤器具有一定的容尘量，研究显示，在中国的雾霾天气下，座舱HEPA过滤器的更换频率是欧美国家的6.9倍[1]。本研究对23个几乎涵盖所有机型的HEPA过滤器的阻力、效率和容尘量（3个典型结构）进行了实测分析，建立了客机座舱HEPA过滤器过滤性能数据库。通过对过滤器结构、褶参数、滤料等的分析，发现滤料性能的优化是过滤器减阻的关键。基于此，我们对已经报道的能够满足HEPA过滤器过滤效率要求的静电纺丝纳米纤维材料进行了文献综述，并将其过滤性能与客机座舱HEPA过滤器进行对比分析，发现纳米纤维滤料的引入可以在满足过滤效率的同时，降低气流阻力66.4%到94.3%。

但是静电纺丝纳米纤维材料的引入在最易穿透粒径（MPPS）、机械强度、耐高温性能方面需要重点考虑。考虑到纳米纤维材料的MPPS在100nm左右，因此采用新材料的座舱HEPA过滤器需要更加关注MPPS效率。我们对比了纳米纤维滤料和超细玻璃纤维在机械强度和耐高温性能方面的差异，高强度的PI（聚酰亚胺）纳米纤维可以满足强度方面的要求，同时PI纳米纤维可以在280℃的高温下持续运行1小时而不影响其过滤性能[2]，可能是一种可以适用客机座舱的纳米纤维材料。另外，通过核壳结构的设计[3]，也可以达到阻燃的效果，也是一种实现纳米纤维高温运行的可选方案。

主要成果：

1. 分析了过滤器结构、褶结构和滤料对过滤器阻力的影响

• 用于ECS的HEPA过滤器的压降在134 Pa ~ 412 Pa之间，V型过滤器和筒形过滤器具有更大的运行风量；

• V型过滤器以及圆筒和平板式过滤器分别通过提高褶密度和增加褶高度的方式增大过滤面积，这两种方法很难同时实现；

• 对于同样结构的过滤器，在效率接近的情况下，通过改善滤料性能可以显著降低阻力。

Fig. 1. Samples (a) and flow diagrams (b) of airliner cabin HEPA filters with different structures.

图1. 不同结构的客机座舱HEPA过滤器样品（a）及流向示意图（b）。

Fig. 2. Influence of filter structure on pressure drop.

图2. 过滤器结构对阻力的影响。

Fig. 3. Pleat parameters of the filter samples.

图3. 过滤器样品的褶参数。

Fig. 4. Influence of filter media on pressure drop: (a) V- shape (including separator- plate), (b) pleat- plate, and (c) cylinder filters.

图4. 过滤介质对压降的影响：（a）V型（包括分隔板式）过滤器，（b）褶板式过滤器，（c）筒式过滤器。

2. 座舱HEPA过滤器颗粒物过滤效率及容尘量测试

• 所有测试过滤器对0.3~0.5 μm颗粒物的过滤效率中值超过99.97%，最高达到99.998%；

• 座舱HEPA过滤器的容尘量（2倍初始阻力）超过330 g，折合单位面积滤料为32.2~37.0 g/㎡。

Fig. 5. Particle filtration efficiency of (a) some typical filters and (b) all HEPA filters used for airliner cabin.

图5. 用于客机座舱的（a）一些典型过滤器和（b）全部HEPA过滤器的颗粒物过滤效率。

Fig. 6. DHC of cabin HEPA filters: (a) DHC vs pressure drop and (b) normalized DHC vs normalized pressure drop.

图6. 客机座舱HEPA过滤器的容尘量：（a）容尘量-压降曲线和（b）标准化容尘量-标准化压降曲线。

3. 纳米纤维滤料在座舱HEPA过滤器中应用的可行性分析

• 高效纳米纤维滤料的阻力在4.8~28.5 Pa/(cm/s)之间，远低于座舱HEPA过滤器的84.7 Pa/(cm/s)，使用纳米纤维滤料可以降阻66.4% ~ 94.3%，品质因子提升5倍；

• 通过“纳米-纳米-微米”的三重纤维结构设计，可以有效提升纳米纤维的容尘量，有可能满足座舱HEPA过滤器的容尘需求。

Fig. 7. Comparison of (a) pressure drop, (b) filtration efficiency for particles with diameters of 0.3– 0.5 μm and quality factor, and (c) DHC for nanofiber media and HEPA filter media used in airliner cabins. (DHCs refer to PMIA [4], PA56 [5], PMIA/PA6  [6], PSU/PAN [7], and PET/PA6 [8].).

图7. 纳米纤维滤料和客机座舱HEPA过滤器在（a）压降，（b）0.3– 0.5 μm颗粒物的过滤效率及品质因子和（c）容尘量方面的对比（纳米纤维的DHC数据参考：PMIA [4], PA56 [5], PMIA/PA6 [6], PSU/PAN [7], and PET/PA6 [8]；其他纳米纤维滤料的性能数据均来自于文献，详情请参考该论文原文的表3）。

参考文献：

1. Cao Q, Xu Q, Liu W, et al. In-flight monitoring of particle deposition in the environmental control systems of commercial airliners in China. Atmos Environ. 2017;154:118–128. 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2017.01.044.

2. Xie F, Wang Y, Zhuo L, Jia F, Ning D, Lu Z. Electrospun Wrinkled Porous Polyimide Nanofiber-Based Filter via Thermally Induced Phase Separation for Efficient High-Temperature PMs Capture. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12:56499–56508.

3. Liu K, Liu C, Hsu PC, et al. Core-Shell Nanofibrous Materials with High Particulate Matter Removal Efficiencies and Thermally Triggered Flame Retardant Properties. ACS Cent Sci. 2018;4:894–898.

4. Wang C, Wu S, Jian M, et al. Silk nanofibers as high efficient and lightweight air filter. Nano Res. 2016;9:2590–2597.

5. Xia T, Bian Y, Zhang L, Chen C. Relationship between pressure drop and face velocity for electrospun nanofiber filters. Energy Build. 2018;158:987–999. January 1, 2018. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378778817320765. Accessed August 19, 2018.

6. Barhate RS, Ramakrishna S. Nanofibrous filtering media: Filtration problems and solutions from tiny materials. J Memb Sci. 2007;296:1–8.

7. Barhoum A, Pal K, Rahier H, Uludag H, Kim IS, Bechelany M. Nanofibers as new-generation materials: From spinning and nano-spinning fabrication techniques to emerging applications. Appl Mater Today. 2019;17:1–35. 2019. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.06.015.

8. Wang X, Ding B, Sun G, Wang M, Yu J. Electro-spinning/netting: A strategy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets. Prog Mater Sci. 2013;58:1173–1243. 2013. http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.05.001.

本文引用格式：

Zhang X, Liu J, Liu X, Liu C, Chen Q. HEPA filters for airliner cabins: State of the art and future development. Indoor Air. 2022;32:e13103. https://doi.org/10.1111/ina.13103.