論口罩防霧霾的效果

鄭元昊

摘 要：霧霾對人體的健康產生了不良影響。不少人為了健康，戴口罩出行。本文從理論和實驗數據分析來看，口罩對于防霧霾的效果。

關鍵詞：霧霾；口罩

1 前言

空氣污染是經濟發展帶來的負面效應之一。這個代價所有人都得承擔。人們為了自身健康，戴口罩出門，以此來達到防霧霾的效果。但是也有人質疑此種做法，稱口罩纖維的篩孔遠大于PM2.5的顆粒，對于防霧霾根本沒有效果。本文主要從理論依據和實驗結果來分析，口罩對于凈化空氣的作用。

2 口罩防霧霾的科學依據

2.1 “霧霾”的物理性質

粒子的分類：粉塵——固體物質的細小微粒。煙——由燃燒和凝結生成的細小微粒。煙霧——是煙的一個類型，由升華，凝結，氧化而形成。霧——由水蒸氣及其他氣體凝結而成的懸浮液滴。

粒子的形狀：近似立方體——粒子的3個方向的尺寸有大致相同的大小；板狀——在兩個方向上有比第3個方向上更大的尺寸；針狀——在一個方向上有比其他方向更大的長度。

粒徑分布：通過直方圖、頻率和累計百分數、密度函數來估算粒徑分布，有時也利用單一粒徑來描述氣溶膠的粒子分布，如形態直徑、中位直徑和平均直徑。

粒徑分布函數：正態分布——符合正態分布的氣溶膠是極少見的，但它是各種分布的基礎；對數正態分布——是廣泛使用的分布，可用來描述大氣中氣溶膠及生產過程中的粉塵；具有塵粒上限的對數正態分布——描述最大粒徑適用，如噴霧的粒徑分布；韋布爾分布——適用生產過程中的粉塵，具有一極限最小粒徑的氣溶膠分布；洛森-萊姆萊爾分布——用來描述比較粗的粉塵和霧是韋布爾分布的特殊情況；洛萊爾分布——描述粉狀工業材料；貫山-棚澤分布——霧化產生的氣溶膠。

氣溶膠粒子粒徑范圍的分類：自由分子區、過渡區、滑動區、連續區。

2.2 纖維過濾理論

過濾就是借助于多孔介質從分散介質中分離分散粒子的過程。對于氣溶膠粒子的纖維過濾，參與過濾的因素為分散介質、分散粒子和纖維材料。

分散粒子以以下因素決定其特征：粒子的大小，粒子的粒徑分布，粒子形狀、密度，電荷、粒子的化學組成和濃度。

分散介質的因素：氣流速度，氣體密度，絕對溫度、壓力、粘性和濕度。 纖維材料的因素：幾何尺寸——過濾面積和厚度、纖維的直徑、組成過濾器的纖維結構、過濾器的孔隙率和荷電情況。

過濾過程的基本參數是收集效率、過濾阻力和容塵特性（更換與再生的時間）。分為穩定過濾和非穩定過濾兩個狀態。初期屬于穩定過濾，隨著容塵量的增加，逐漸進入非穩定過濾狀態。

纖維過濾器分為充填過濾器和單層過濾器，后者又稱為袋式過濾器，纖維過濾器的捕塵機理是截留——粒子到纖維的距離小于粒子的半徑時，被捕獲。

慣性沉降——纖維大多垂直放置在氣流方向上，在纖維附近氣流流線發生彎曲，由于粒子的慣性，粒子將不隨流線的彎曲而射向纖維并沉降到纖維表面。隨著粒子直徑的增大和氣流流速的增加，慣性沉降作用也隨之增大。

擴散沉降——由于布朗運動，粒子的運動軌跡不予氣體流線一致，粒子從氣流中可以擴散到纖維上并沉降到纖維的表面，直徑越小，布朗運動越明顯，擴散沉降越顯著增加。

重力沉降——由于重力作用，粒子有一定的沉降速度，將從而是粒子的軌跡偏離流線軌跡接觸到纖維表面而沉降。

靜電沉降——過濾器中的纖維和流經過濾器的粒子都有可能帶電，由于庫侖力的作用，也同樣可以發生粒子在纖維上的沉降。

總之，粒子在纖維上的沉降室幾個捕獲機理共同作用的結果，其中有一兩個占優勢，而總的沉降效率是單一沉降機理沉降效率的函數。

2.3 真正有效過濾因素

當顆粒非常微小的時候，物理的阻隔（類似與篩孔）將對顆粒物起的作用非常有限。真正起作用的是及其微小的顆粒物在布朗擴散（顆粒物的無規則運動），攔截（來不及隨著氣流改變方向，正好撞上），碰撞（這里特別注意湍流的影響，比如說圓柱擾流的影響）、重力沉降等等過程中，撞上了過濾層的物質，被吸附了。

為什么能夠被吸附？各種微觀的力起作用，主要是范德華力，這個力對于細顆粒來說很大的，由于顆粒物本來就小，基本上撞上就會聚集起來，當然，可能還有電磁力等等。舉個極端一點的例子，用一個吸管吸空氣，當吸管夠長，氣流夠湍，有可能一點顆粒物都吸不到。

3 口罩防霧霾的效果

3.1 口罩的過濾性能

為了回答這個問題，有一位叫Jeremy Langrish的科學家發表了科學研究。他設計了一個實驗，用柴油發動機排出的廢氣來模仿街邊的空氣污染，然后讓它的排氣穿過不同的口罩。然后用檢測儀檢測通過口罩后出來的空氣有多少顆粒物。他的測試儀能測到0.007?m的顆粒，比PM2.5的2.5?m小多了。

在使用棉布口罩后，實驗數據顯示，捕捉了28%的顆粒。接著采用普通醫用口罩，測試效果為40%～60%之間。然后是自行車口罩，結果表明能夠阻擋80%的顆粒物。最后是我們平時購買的3M口罩，結果最為優秀，成功阻擋了95%以上的顆粒物。

結論顯而易見，口罩可以捕捉特別微小的顆粒。

3.2 關于口罩的密封性

有不少人認為，測試是在實驗環境下進行的，就算口罩能捕捉顆粒，我們戴上的時候密封性太低了，所以沒用。關于這個質疑，有研究人員再一次進行了數據測試，實驗結果表明。口罩的過濾效果并沒有受到影響。但還是有人提出，實驗是外國人做的，外國人臉型和亞洲人不一樣，所以，亞洲人的效果沒那么好。于是實驗人員又一次針對亞洲人臉型進行了測試，測試數據表明，效果確實沒有那么好，但是效果也只是差了1%。所以，選擇口罩的時候，大小是否適合自己的臉型也是影響口罩效果的因素之一。

3.3 口罩更換頻率

有人指出，戴口罩會很浪費，戴一兩天就扔。實驗數據表明，新的口罩和戴了2周的口罩，數據相差不到1%，效果幾乎沒有差別。所以，一個口罩戴上2周至少是沒有問題的。

參考文獻

[1]李衛軍，邵龍義.霧霾和沙塵污染天氣氣溶膠單顆粒研究[M].科學出版社，2013.

（作者單位：山東省新泰市第一中學北校）