从HEPA到EBF：静电除尘技术进化出的“消毒型空气过滤器”

基于Allied Environmental Technologies在ICESP XVI的Scavenge~Air™多段式电-机械混合过滤与杀菌研究解读

关键词
Electrostatic Precipitator, ESP, Hybrid Electrostatic Collector, Air Purification, Indoor Air Quality, Airborne Contaminants Removal, Airborne Contaminates Distraction, COVID-19, 静电除尘器, 室内空气质量

在后疫情时代，室内空气质量（Indoor Air Quality，IAQ）已经从“舒适性指标”变成许多场景的“安全底线”。美国环保署指出，室内空气污染程度普遍是室外的2–5倍，极端情况下甚至可能超过100倍[1]。面对细颗粒物、挥发性有机物（VOCs）以及新冠等气溶胶传播的病毒，仅靠传统HEPA过滤器和活性炭滤芯，已经越来越难以满足医院、养老机构、学校以及高端商业建筑的系统性防护需求。

在这种背景下，美国Allied Environmental Technologies公司Henry V. Krigmont在ICESP XVI（2022，布达佩斯）上发布的《Development of the Disinfecting Air Filter》值得工业环保与空气净化行业重点关注。该研究以静电除尘器（Electrostatic Precipitator，ESP）技术为基础，将电场捕集、机械过滤、UV-C杀菌与活性炭净化集成为一体，提出一种面向室内环境的新型“消毒型空气过滤器”——Scavenge~Air™。其核心是专利Electrostatic Barrier Filter（EBF™）混合技术，目标直指亚微米和纳米级气溶胶控制以及COVID-19气溶胶传播风险降低。

从污染物粒径分布来看，人类咳嗽产生的大部分气溶胶粒径大于1 μm，而SARS-CoV-2病毒本体尺寸约为60–140 nm[3]。常规HEPA滤芯定义上的考核粒径是0.3 μm，这一粒径附近是其“最易穿透粒径”（MPPS），效率最低区间[37,39]。ULPA滤芯虽然在0.12 μm以上可实现≥99.999%捕集效率，但成本高、阻力大、对风机能耗和系统维保要求极高[1]，并不适合大范围在既有建筑和移动式空气净化装置中推广。

Krigmont的切入点非常工业化——回到静电除尘器这项在电力、冶金、水泥等行业久经验证的技术基础上，通过技术重构把ESP从高烟囱“搬”到室内空气净化场景，同时解决传统纤维过滤器高阻力、易堵塞、难消毒的痛点[6,7]。论文中提出的Electrostatic Barrier Filter（EBF™）就是在ESP与Barrier Filter（BF）之间搭建的一座桥梁：先在非均匀电场区用强烈电晕放电为悬浮颗粒充电，再在带电多孔介质上实现“电-机耦合”捕集，最后辅以第二级均匀高压电场对残余粒子进行精细捕捉[11,12]。本质上，这是将工业静电除尘器分级电场与机械过滤“折叠压缩”到一个紧凑滤芯中。

在此基础上，Scavenge~Air™整机结构又叠加了两级处理：一是UV-C波段（约254 nm）杀菌段，通过破坏微生物DNA/RNA碱基间的化学键，使其失去复制能力，实现“杀死而非仅仅截留”[22,23,25]；二是活性炭段，用于吸附VOCs、臭氧以及异味分子，实现颗粒+气态污染物协同治理[39,40]。由此形成了一条完整的工艺链条：

污染空气 → EBF™静电充电＋电-机混合捕集 → UV-C杀菌室灭活残余微生物 → 活性炭吸附VOCs与臭氧 → 风机送出洁净空气

与传统工业ESP偏重于大颗粒粉尘、SO₃酸雾截留不同，该系统的设计目标瞄准的是15–3000 nm全谱段亚微米粒子，尤其是传统HEPA/ULPA效率“塌陷”的0.1–0.3 μm范围。

更具说服力的是其Proof-of-Concept实验数据。测试由美国Energy Research Consultants（ERC）在拉古纳海滩实验室完成，使用TSI CPC 3785冷凝粒子计数器、TSI 3080静电分级器和单分散粒子发生器组合，配合30,000 cfm大风量引风系统，对EBF™样机进行性能表征[46]。测试分为两类工况：

一类是15–3000 nm宽谱粒径同时进样，模拟复杂室内气溶胶分布；另一类是160–660 nm单一粒径逐点进样，以刻画粒径-效率曲线。在仅开启机械BF时，滤芯总体效率大致处于90–95%水平；在相同风量与BF条件下叠加ESP高压电场后，效率曲线显著抬升至接近100%，覆盖15 nm至3000 nm全段，没有在亚微米区出现明显效率“跌谷”。

报告中给出的结论性数字非常醒目：综合效率可达到99.9985%以上，并在15 nm这一典型纳米级下仍保持超高捕集率[46]。对于工业静电除尘器从业者而言，这意味着在适当的电场强度和几何布置下，传统认为“静电除尘在纳米粒子上效率有限”的经验可以被重新审视。论文引用的经典计算结果也显示，将板式电除尘器区间的电场从1.0×10⁵ V/m提升至5.0×10⁵ V/m时，0.3–0.4 μm粒径效率可由约5%提升到约70%[6]，再叠加机械过滤贡献，便构成EBF™整体性能的物理基础。

相较之下，HEPA/ULPA作为典型Barrier Filter，其过滤机理主要依赖惯性碰撞、截留和布朗扩散三种[36,38]。当粒径落在0.1–0.3 μm附近时，惯性不足、扩散不强，恰成“最易穿透粒径”（MPPS），这也是0.3 μm被选作HEPA考核粒径的技术原因之一[39]。静电力的引入，相当于往这三种机理上叠加一条独立“通道”，从根本上修正了MPPS的存在方式。

从应用视角来看，Scavenge~Air™被明确定位为“室内与局部空间一体化防护单元”，目标场景包括医院病房、手术室周边、门急诊、养老院、学校教室、办公楼、公共大厅乃至移动或临时设施等[8]。与中心空调风道内置过滤器不同，它是一种“源-人之间的就地拦截”，从人体呼吸高度附近抽风，将悬浮时间长、可远距离传播的微小气溶胶尽早卷入装置中，通过EBF™捕集＋UV-C灭活，从而在局部降低病毒载量。结合文中引用的理论分析[4]，这种局部空气净化有望降低医护和其他暴露人员因个人防护漏洞而受感染的风险，同时减少患者自我再感染导致的病灶扩展。

对工业环保与静电除尘器行业而言，更有价值的是技术迁移和产品化启示：第一，ESP技术不再只属于大型烟气治理领域，小型化、高场强、多场区复合设计可以为室内空气净化开辟新赛道；第二，单一技术路线（仅HEPA、仅ESP、仅UV、仅活性炭）的竞争时代在高端应用上正在结束，多段式集成成为新趋势；第三，评价空气净化设备时，不能只盯住“静态过滤效率”，而要综合考虑压力损失、风机能耗、维护频次、二次污染（例如HEPA更换时病原体脱附）、以及对亚微米纳米气溶胶的真实控制能力[1,35,44]。

从研究本身来看，这项工作尚处于样机与概念验证阶段，论文末尾也明确建议继续优化EBF™结构以进一步提升性能[8]。但其给行业释放的信号已经足够清晰：

对于致力于工业烟气治理和静电除尘的企业，如何把多年积累的高压电源、放电极设计、集尘极材料以及超细粉尘控制经验，向室内空气质量、医疗与精密制造环境延展，将会是未来几年值得重点布局的方向；对于室内空气净化产品开发者，则可以重新审视ESP在超低排放、低压损、可在线杀菌这几大维度上的潜力，将静电除尘器从“末端治污”转化为“健康防护”的关键技术支撑之一。

参考文献
[1] Christopherson D A, et al. High-Efficiency Particulate Air Filters in the Era of COVID-19: Function and Efficacy[J]. Otolaryngology–Head and Neck Surgery, 2020, 163(6): 1153–1155.
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[11] Krigmont H V. Space Efficient Hybrid Air Purifier[P]. US Patent 7,582,144, 2009-09-01.
[12] Krigmont H V. Space Efficient Hybrid Collector[P]. US Patent 7,582,145, 2009-09-01.
[22] Gupta A, et al. Ultraviolet Radiation in Wound Care: Sterilization and Stimulation[J]. Advances in Wound Care, 2013, 2(8): 422–437.
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[40] Hinds W C. Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles[M]. 2nd ed. New York: Wiley, 1999: 42–74.
[44] Plotz C. How fiber diameter & size affect filtration performance[J]. Filter Media, 2020-01-09.
[46] Energy Research Consultants. Allied Environmental Technologies Filter Characterization[R]. Confidential Report ERC-AE1-1(a)-07012021-V1, 2021.

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