基于環(huán)境氣溶膠的防護(hù)用口罩過(guò)濾性能研究

郭二寶 呂梅群 榮鼐 張一飛 余忠凱 劉興成

1 安徽建筑大學(xué)安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院

2 安徽建筑大學(xué)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

3 中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司

0 引言

21 世紀(jì)以來(lái)，感冒、中東呼吸綜合征(MERS)和嚴(yán)重急性呼吸綜合癥(SARS)等流行疾病肆虐，造成了全球大量的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1]。近期，科學(xué)家們宣稱新冠肺炎可能在空氣中進(jìn)行傳播，并列舉了支持氣溶膠傳播的數(shù)個(gè)依據(jù)[2,3]，氣溶膠傳播是指飛沫在空氣懸浮過(guò)程中失去水分而剩下的蛋白質(zhì)和病原體組成的核，形成飛沫核，可以通過(guò)氣溶膠的形式漂移到遠(yuǎn)處，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳播。新冠肺炎病毒平均直徑約為100 nm[4]，通常依附在載體上進(jìn)行傳播,諸如人的呼吸、說(shuō)話、咳嗽、打噴嚏等行為活動(dòng)[5]。飛沫在空氣中停留、擴(kuò)散，當(dāng)被人體吸入時(shí)，將有可能產(chǎn)生感染風(fēng)險(xiǎn)。新冠肺炎患者呼出的飛沫中往往附帶成千上萬(wàn)的冠狀病毒微粒，普通人大約吸入數(shù)百個(gè)冠狀病毒微粒就有會(huì)有病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（CDC）表示，佩戴防護(hù)口罩可以有效降低新冠病毒感染者呼出的飛沫對(duì)他人產(chǎn)生的傳播風(fēng)險(xiǎn)以及降低健康人吸入含新冠病毒病原體微粒的機(jī)率?？谡值姆雷o(hù)性能與過(guò)濾能力之間有較大的關(guān)系，不同材質(zhì)的防護(hù)口罩，其過(guò)濾能力也存在很大的差別。調(diào)查發(fā)現(xiàn)有些口罩可以對(duì)直徑1 μm 左右顆粒物的過(guò)濾效率達(dá)到97%左右，但有些口罩可以允許直徑9 μm 左右的顆粒穿過(guò)。另一項(xiàng)研究結(jié)果表明在煙霧測(cè)試中，兩種不同類型的防護(hù)口罩對(duì)0.5～3.2 μm 粒徑段的煙霧粒子過(guò)濾效率分別為 68%與33%。高過(guò)濾性能的口罩可以過(guò)濾直徑 0.1 μm 左右的粉塵顆粒，為佩戴者提供更加有效的防護(hù)，但同時(shí)也會(huì)造成佩戴者呼吸困難[7-9]。佩戴呼吸防護(hù)口罩后，人體的呼吸氣流通過(guò)口罩時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力，從而形成了呼吸防護(hù)口罩的吸氣阻力和呼氣阻力，吸氣阻力和呼氣阻力統(tǒng)稱為呼吸阻力，它是防護(hù)口罩的一項(xiàng)重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，若增加額外的呼吸阻力，會(huì)大幅降低每分鐘的呼吸量和耗氧量[10-12]，造成使用者換氣不足。好的防護(hù)口罩可以讓使用者佩戴舒適，大大提高使用者的舒適性，所以，深入研究防護(hù)口罩對(duì)人體的呼吸性能有一定的必要性。

1 測(cè)試部分

本文研究的口罩凈化對(duì)象主要集中在粒徑范圍以0.3～0.4 μm 為主的微細(xì)顆粒物上，以人體呼吸力為凈化動(dòng)力（通常為30～50 Pa），測(cè)試對(duì)比目前市售各類口罩濾料和新型醫(yī)用組合濾料口罩凈化性能，各類口罩樣本分類見表 1。其中，1#～7# 口罩為市售各類口罩，8 #～10#為新型醫(yī)用組合濾料口罩。

表1 各類口罩樣本分類

為準(zhǔn)確測(cè)試口罩樣品對(duì)環(huán)境氣溶膠的過(guò)濾特性，搭建了空氣過(guò)濾口罩材料特性的測(cè)試平臺(tái)，實(shí)物圖如圖1 所示，工作原理圖如圖2。

圖1 口罩濾材測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

圖2 基于環(huán)境氣溶膠的口罩過(guò)濾材料過(guò)濾特性測(cè)試平臺(tái)

過(guò)濾材料測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)組成具體介紹如下：

1）測(cè)試管道：測(cè)試管道采用有機(jī)玻璃制成，以測(cè)試濾料為界分前后兩段，管道半徑為 50 mm。濾料夾持部分采用橡膠墊圈密封，防止濾料夾持部位漏風(fēng)。夾持部位采用套環(huán)螺紋旋緊。測(cè)試管道前后管徑相同，無(wú)濾料加裝時(shí)可視為一體，因此認(rèn)為測(cè)試管道對(duì)氣溶膠無(wú)干擾作用。

2）動(dòng)力系統(tǒng)：采用 WX-2 無(wú)油真空壓縮機(jī)作為過(guò)濾材料測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力源。

3）流量調(diào)節(jié)：采用 LZB-10 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制測(cè)試管道的流量，根據(jù)流量與測(cè)試管道的管徑來(lái)確定過(guò)濾風(fēng)速；轉(zhuǎn)子流量計(jì)位于測(cè)試管道的下游。

4）檢測(cè)系統(tǒng)：濾料前后側(cè)氣溶膠濃度由 Grimm1.108 便攜式粉塵儀進(jìn)行檢測(cè)，每 6 s 記錄一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含14 個(gè)數(shù)據(jù)，分別代表不同粒徑區(qū)間的氣溶膠濃度。濾料前后側(cè)壓差由TSI 9555-P 風(fēng)壓儀采集。

2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

市場(chǎng)銷售的各類口罩在呼吸阻力下的過(guò)濾性能如圖 3 所示，紗布口罩（8 層）透氣量大，呼吸阻力低，但對(duì)微細(xì)顆粒物過(guò)濾效率低于 10.0%，3 個(gè)紗布口罩疊用（24 層）的過(guò)濾效率仍然低于30.0%。活性炭口罩呼吸阻力適中，對(duì)微細(xì)顆粒的過(guò)濾效率為 37.5%～ 44.6%。5#～7# 無(wú)紡布口罩的過(guò)濾效率在 66.8%～ 80.4%，但由于呼吸阻力較高，當(dāng)佩戴者使用時(shí)，會(huì)致使口鼻部位空氣流通停滯而造成死腔，導(dǎo)致局部空氣質(zhì)量低劣，CO2濃度逐漸增加，導(dǎo)致人體吸入空氣量不足，而感到呼吸困難。因此，高效但高阻的無(wú)紡布口罩不是防護(hù)口罩的最佳選擇，防護(hù)口罩應(yīng)在滿足人體呼吸阻力和流量的要求下，達(dá)到盡可能高的過(guò)濾效率，同時(shí)滿足人體對(duì)呼吸舒適性和潔凈呼吸空氣的需求。根據(jù)紗布的低阻和帶靜電層濾料的高效特性，選用“紗布+駐極體濾料”組合成新型醫(yī)用口罩濾料，并對(duì)不同厚度“紗布+駐極體”濾料的過(guò)濾性能進(jìn)行測(cè)試。見圖4，對(duì)比不同駐極體濾料過(guò)濾效率發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾效率隨著克重的增加而增加，但過(guò)濾阻力也隨著濾料克重厚度的增大而增大，比較8#～10#口罩濾料過(guò)濾性能可知，9 #口罩濾料過(guò)濾效率為 80.5%～82.1%，空氣流量為20.0～36.3 L/min，過(guò)濾性能最佳。通過(guò)“紗布 +駐極體濾料”新型醫(yī)用組合濾料口罩的綜合性能與目前市場(chǎng)主流銷售的口罩濾料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，駐極體濾料具有低阻高效的特性。

圖3 市售各類口罩呼吸阻力下的過(guò)濾性能曲線

圖4 新型醫(yī)用組合濾料口罩呼吸阻力下的過(guò)濾性能曲線

3 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，新型醫(yī)用組合濾料在30～50 Pa 的呼吸阻力下，其過(guò)濾效率可以達(dá)到80.5%～82.1%，空氣流量為 20.0～36.3 L/min，其阻力與紗布相當(dāng)，過(guò)濾效率與無(wú)紡布相當(dāng)，新型醫(yī)用組合濾料兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種防護(hù)環(huán)境氣溶膠用口罩的理想材料。