Retention Mechanism of Gas Filters
《“芯”中有数》系列知识课堂
《“芯”中有数》系列知识课堂将从本期开始，开设气体过滤器专题系列，从机理、应用、验证几个方面与大家分享气体过滤器的知识。
在生物制药行业中，过滤器主要被用于去除过滤介质中的杂质或实现除菌功能，从而确保工艺生产的安全顺利进行。根据过滤介质的不同，过滤器分为气体过滤与液体过滤，今天我们将深入剖析气体过滤器的截留机理。
气体过滤器是如何工作的？
气体过滤器的截留机理相比液体过滤器更为复杂，可分为：
1尺寸排除，去除大颗粒
2其他机理，去除小颗粒
尺寸排除
尺寸排除又称“筛分法”或“机械截留”，和液体过滤一样，在气体过滤中机械过滤或筛分（因大小而排除）是截留干燥气流中微粒的一种机理。顾名思义，这种机理适用于尺寸太大而不能通过曲折滤材通道的粒子。
假设过滤过程中粒子不变形，这类截留方式与通过过滤器气体的流速无关。
除了尺寸排除外，去除其他小颗粒，通常分为以下几种机理：扩散拦截、惯性撞击、重力沉降、静电俘获。
扩散拦截
扩散拦截机理中，由于空气分子持续不断和随机撞击所致的布朗运动导致粒子离开气流。布朗运动提高了粒子与滤材间接触的概率，从而提高了截留微粒的概率。然而，布朗运动对小粒子的影响比较大，因此，扩散拦截所致的截留效率随着粒子尺寸的减小而增大。
惯性撞击
惯性使得气体中的颗粒不跟随气流作绕过滤材的运动，而撞击到滤材。这个作用在粒子质量越大时越明显，因此，此机理所致的截留效率也是随着粒子的增大而增大。
对于亚微米级的疏水性滤膜（例如除菌级气体过滤器）而言，惯性撞击导致的大颗粒的截留就不怎么明显了，因为这些粒子通常被筛分机制所拦截。但在粗放的深层过滤器（例如孔径较大的预过滤器）中，惯性撞击对于截留不能单纯依靠筛分机制截留的粒子起到了主要作用。
重力沉降
粒子还会因重力沉降偏离气流通道并与滤材相碰撞。和惯性撞击十分相似，此机理对大的粒子比较明显，尤其是那些密度高的粒子。对于亚微米级的疏水性滤膜而言，这一机理不太重要，因为通常由重力沉降截留的粒子（和深层过滤的情况相似）更可能由筛分机制所拦截。
静电俘获
根据粒子和滤材的性质，分子间的作用力能够截留靠近或接触滤材的微粒。即使在压力波动条件下，这些粒子也会被牢固地截留住，因为分子间的作用力要比气流对粒子的拉力大许多倍。这类过滤器的过滤效率取决于两个参数，空气的湿度及流速。湿度必须低，因为空气干燥时静电最强烈。
干燥的空气还能降低过滤器基质中冷凝水形成的危险。气流速度极为重要，对于待截留的粒子，必须有足够长的接触时间以达到对初始粒子的分离。
干燥空气过滤中的净过滤效率
对粒子的净过滤效率是所观察到的各个单个机理作用的总和。
在给定的气流流速下，很小的微粒主要由扩散拦截方式截留。当粒径变大，扩散拦截方式的效率下降时，惯性撞击、重力沉降和筛分机制就变得更明显。下图表示由扩散拦截向惯性撞击转变的粒子大小范围，包括不被这两个截留机理俘获的粒子尺寸。最难被拦截的粒子尺寸被称之为“最易穿透粒子粒径” （MPPS =Most Penetrating Particle Size）。
这里要引入一个新的概念MPPS，Most Penetrating Particle Size最易穿透粒子尺寸，顾名思义，就是在所有上述机理的相互作用下最有可能无法被截留住的颗粒大小。而净效率则可通过MPPS与空气速率的函数转变来得到。
最易穿透粒子粒径不仅取决于滤材种类，还与过滤器上的气流流速有关。在高流速和高压情况下，布郎运动变得不明显了；因而在高流速时，由扩散拦截而俘获给定粒径粒子的概率下降。空气流速对惯性撞击方式的影响比较小，尤其是对更小孔径的膜式过滤器，因为惯性撞击被更有效的筛分机制所掩盖了。净截留效果是最易穿透粒子粒径的转换，是空气流速的函数。为了获得在干燥气体中的理想过滤特性，必须考虑这些信息。
正如上面所讨论的那样，用膜式过滤器过滤气流中粒子最可靠的机理是筛分，因为它的截留效率在不同过滤工艺条件下基本保持不变。它的机理主要取决于被截留污染物的大小及所讨论滤膜的真实孔径。下一期《“芯”中有数》系列知识课堂将会为大家讲解气体过滤器真实孔径与供应商标称孔径之间的关系，敬请期待！
Alioth 空气过滤器
Alipore® TAHF 气体除菌级过滤器
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