机械捕捉过滤的三种形式
在微粒污染控制中，过滤器是全能的。我们过滤许多东西──洁净室空气、超纯水、工艺用化学药液和高纯气体。我们在真空清洁器的出口处安装过滤器，来过滤工业废水。
有时，我们的人员甚至带上防护面罩，将呼吸的空气加以过滤。
工艺过程通常需要把液体中的微粒清除掉。当最终用户需要滤除空气传播的分子污染(AMC)时，这种机械装置不是真正的过滤，而是依靠化学吸收作用或物理吸收作用(吸附和吸收)。本文不讨论空气传播的分子污染(AMC)的清除问题。
眼下，我们把流体定义为任何“流动”的气体和液体，我们也讨论纤维过滤器。与隔膜过滤器相反，在这里，过滤器媒介是由无数独立的纤维组成。过滤器从流体中清除微粒的能力是用效率或是渗透率来表示的：
● 效率(E)──在微粒大小和速度一定的情况下，过滤器所清除的那部分微粒(或百分数)；
● 渗透率(P)──在微粒大小和速度一定的情况下，通过过滤器的那部分微粒(或百分数)。
既然微粒从过滤器中通过或者被过滤掉，所以：
E + P = 1,
或者
效率=1-渗透率(E = 1 - P),　
或者
渗透率=1-效率(P = 1 - E)。

效率和渗透率与微粒的大小和流速有关。如果我们想比较两个不同过滤器的性能，我们必须规定一个共同的速度和微粒大小。
过滤器使用以下的原理从流体中清除微粒：
● 静电过滤──利用电荷之差来吸引微粒；
● 热迁移──利用温度之差来吸引微粒；
● 机械过滤──拦截、碰撞和扩散。
机械过滤的机理是拦截、碰撞和扩散。在过滤过程中，哪一种过滤机理是主要的，这仅仅取决于系统的机械特性，包括微粒直径、微粒速度、过滤纤维的直径、纤维间隔和流体粘度。

外面的空气中含有大量的大微粒，在过滤这些大微粒时，拦截和碰撞是通常使用的机制。而在工艺气体中，已经对其进行了全面的过滤，扩散是主要的清除机制。在液体中，只有拦截起作用，而碰撞、扩散几乎不起作用。
在任何过滤器中，虽然某一种过滤机制可能占主导，但很有可能让这三种机制同时起作用，这要看过滤器的特性。
我们来看看许多束流线(见图1)是怎样绕过过滤纤维(见横断面)，以及微粒在穿梭中如何被过滤纤维捕获的。这些简化的图说明了基本的工作原理。

筛分
筛分(图 2)实际上是拦截的一种特殊情况。筛分时，环绕着过滤纤维，微粒企图跟着流线方向流动，但由于微粒太大，被相邻的两根过滤纤维所挡住。
这种现象类似于窗户上的苍蝇，它解释了在我们的家里为什么昆虫没能泛滥。很多人认为，在各种过滤机理中，筛分是最重的，实际上往往是最不重要的。　

拦截
在拦截(图 3)的情况下，微粒表面的一部分撞在过滤纤维上，并粘在上面。拦截过滤与微粒的大小和质量有关，所有其他因素都是一样的。
较大的微粒更容易被拦截，因为它们的大小更接近于过滤纤维，所以很容易被俘获。因为大小和质量通常是有关系的，拦截对大质量的微粒起很大作用。但是，随着微粒质量的增加，碰撞所起的作用越来越大。

碰撞
在碰撞(图 4)中，正如我们所预料的那样，微粒跟随着流线的方向行进。但是，在纤维的周围，流线开始弯曲，由于惯性作用占了主导地位，微粒不能跟着流线的方向一起转弯。
当流体分子跟着流线时，微粒碰撞并且黏附在纤维上。碰撞过滤既受微粒质量的影响，也要受微粒速度的影响。在碰撞的情况下：
较大的质量=>较高的清除率(渗透率较低)；
较高的速度=>较高的清除率(渗透率较低)。

结果，大(重)微粒，或者那些速度高的微粒，通过碰撞的方式更容易把它们清除掉。小(轻)微粒，或那些速度低的微粒，通过碰撞的方式则很容易把它们拦截。当速度和质量减小时，扩散捕捉开始起作用。

扩散
当过滤速度低的小微粒(质量小)时，扩散(图 5)通常是主要的机制。由于微粒小而轻，它们往往会跟随着流线移动。
但同时，它与流体分子的碰撞往往使它们脱离流线，并且，从理论上讲，会到达过滤纤维上面，微粒的路径类似于布郎运动。
因为微粒越小(越轻)，它们也越容易由于分子的碰撞而移动，也越容易通过扩散而被俘获。在扩散的情况下：
较小的质量=>较高的清除率(较低的渗透率)；
较低的速度=>较高的清除率(较低的渗透率)。

虽然在这些概念之后有着很多的科学道理，但是归根到底就是这三种俘获机制。正如前面所提到的那样，效率和渗透率是不同的，它们与微粒的大小和速度有关。
在讨论过滤器时，人们常常问到的问题是：“这些过滤器会俘获我们遇到的微粒吗？”答案通常是：“视情况而定。 ”
我们不能提供绝对的答案，但是可以给出统计的回答：所有微粒中某个尺寸的微粒有X%将被俘获，也就是我们的微粒中的(100-X)%将出现在过滤器的下游。
即使是在那种情况下，我们必须考虑到速度对过滤器性能的影响。

不同尺寸微粒对机械捕捉过滤的影响
在前面我们讨论了过滤器以及它们如何工作。我们回顾了三种主要的过滤机理:拦截、碰撞和扩散。我们也简要地介绍了筛分法(窗纱把苍蝇挡住，这是有代表性的筛分机理)，作为拦截的一种特殊情况。
我们发现，在确定一个过滤过程中哪一种过滤机制起主导作用时，主要是决定于系统的机械特性。这就是：
● 微粒直径；
● 微粒速度；
● 过滤纤维直径；
● 纤维间距。
虽然有可能是某一种过滤机制起主导作用，然而三个过滤机制一直都在工作，对过滤器的性能都起作用。我们现在来看看这三个机制是如何共同作用的，并向大家介绍最容易穿透的微粒直径 (MPPS) 这个概念。

过滤器的“过滤”能力常常按照效率或者它的穿透能力和通过它的MPPS表示。前面关于效率(E)和穿透率(P)的定义都要求用户说明微粒直径。因而，我们发现HEPA过滤器的定义(根据IEST RP-CC001.3)在描述HEPA特性时说道：“对于直径为0.3μm的微粒，微粒捕获率最小为99.97%，即微粒穿透效率最大为0.03%”。
请注意，这个定义只是过滤器对于尺寸为0.3μm的微粒的过滤性能，并没有说到对于尺寸更大或更小微粒的过滤性能。那么，对于0.1μm的微粒和1.0μm的微粒，它的过滤性能又是如何呢?
为了更好地理解过滤器是怎样捕捉一定直径范围内的微粒，我们需要考虑几张图。图6是某个过滤器的效率：在给定速度时，“过滤”一定直径范围内的微粒的效率。如图6所示，过滤器捕获直径为0.15 μm的微粒的效率为0.999995，随着微粒直径增加，它的效率上升到接近100%。
令人感到意外的是，我们也发现，当微粒直径减少到0.15 μm以下时，过滤器的效率也上升，这恰恰和直觉相反。正如我们预料的，这个纱窗把所有大微粒都档住了，让一些中等直径的微粒通过，同时这个纱窗也把所有微小微粒档住。难道这个窗纱有魔力吗?

这里并没有魔力在起作用。现在我们该来看看“窗纱”是怎么一回事了，这样可以用更加现实的眼光来认识起作用的是什么力量棗我们的纱窗(筛分/拦截) 只是几种过滤机制中的一种。
更大的微粒更可能被拦截而清除掉，由于它们的直径大，因此一旦接近过滤纤维就被俘获。由于直径和质量通常是相关的，拦截作用对质量大的微粒也是有效的；但是，当微粒质量增加时，碰撞充当一个重大角色。
我们发现，大(重的)微粒或那些高速度的微粒可能因碰撞而清除掉，而小(轻的)微粒，或者那些速度低的，是不大可能因碰撞而被捕获。但是当质量和速度减少时，扩散开始占主导作用。
当我们考虑到不同的过滤器机制对不同直径的微粒起作用时，过滤效率随微粒直径变化大致如图7所示，这是ULPA级吊顶过滤器的典型特性曲线。
我们发现对于小微粒，扩散捕获起主要作用，微粒捕获作用几乎是完美的；对于大微粒，拦截和碰撞起主要作用，同样捕获作用近乎完美。但在图7的中心部分，好像很不好解释。这些微粒尺寸小又轻，因此惯性碰撞对它们是不起作用的。同理，它们尺寸太大且足够重，扩散作用也不能将它们抓住。

图8表明，对于大而重的微粒，主导机制是拦截和碰撞捕捉，因而出现穿透低(高效率)的现象。同样，它还表明，对于小而轻的微粒，主导机制是扩散捕捉，同样出现穿透率低(高效率)的现象。
总的捕捉曲线表明，对于特定过滤器，它的MPPS略低于0.1μm。比它大的微粒，穿透率小(效率高)，正如我们预料的那样。而比它小的微粒，穿透率也低(效率高)。这和我们的直觉是不同的。我们一般以为过滤器就像窗纱，起的作用是一样的。
通常，过滤器的定价是根据MPPS，购买过滤器也是根据MPPS而定的。在所有其他相关的信息是相同的情况下，MPPS数值较低，表明它是较好的过滤器；但如图9所示，这些其他相关信息并不总是相同的。
图9表明两个不同过滤器的穿透率曲线。MPPS是决定哪个过滤器更好的关键因素，有人可能认为过滤器A更好，因为过滤器A的MPPS比过滤器B的MPPS低。但这个结论显然是不正确的。虽然过滤器A的MPPS更低，但是对于所有直径的微粒，过滤器B的穿透率没有过滤器A的大。毕竟捕获微粒才是过滤器的目的。所以，能够更好地捕获所有直径微粒的过滤器优先于那些有更高穿透率(更低的效率)的过滤器。

最好不要只根据一个MPPS来评估过滤器，考虑到其他有关的信息。

机械捕捉过滤的其他问题
在前面我们讨论了过滤器怎样起作用，并且复习了过滤的拦截、碰撞和扩散捕捉。我们用图来说明微粒因拦截而清除掉，一部分微粒“撞到”过滤器的纤维上“被粘住了”；或者在特殊的筛分情况里，某个微粒太大，“撞到”了两根纤维上。
我们也讨论了碰撞捕获，质量较重的微粒不能沿着那些纤维周围的流线运动，结果由于动量作用，微粒沿直线运动，“撞到”过滤器的纤维“被粘住了”。
最后，我们了解了扩散捕获，由于周围的气体分子的随机碰撞原理，微粒离开流线，撞到纤维再次“被粘住了”。
上述三种机制一直在起作用。但是他们清除微粒的效果如何，取决于许多因素，其中有：过滤器的内部构造，进入过滤器的流体速度，以及微粒的大小和质量。
速度增加，微粒动量增加，会导致碰撞捕获增加。同时，动量增加会减少随机分子碰撞，会减少扩散捕获效率。反之亦然。
换句话说，我们用高速度把大(重)微粒清除掉，用低速度把小(轻) 微粒清除掉。 因为大的、重的微粒一般不会在高纯气体和洁净室空气里出现，我们一般讨论更慢的流速。
同样，如果我们改变微粒质量，或者微粒的尺寸，但速度保持恒定，我们将得到相似的结果。当微粒质量(尺寸)增加时，微粒的碰撞捕获增加。由于微粒的质量大也使它不易受随机分子碰撞的影响而离开流线，因而扩散捕获的效率减少。
相反，由于小(轻)微粒的动量减少，扩散捕获显然对他们更容易起作用。总的结果是小(轻)微粒容易被扩散捕获，大(重)微粒容易因为碰撞而清除掉。图10表明，最麻烦的是那些处于两者之间的微粒。
我们现在来详细探讨这个问题。因为碰撞捕获，我们不用非常关心大(重)微粒。与此类似，小(轻)微粒倾向于被扩散捕获。介于重的和轻的之间的微粒是最有可能穿过过滤器并且对产品造成损害。对这些微粒来说，既不易被碰撞捕获也不易被扩散捕获所清除，而且这两种机制都不是处在在最高效率点上。正如我们所预料的,我们发现介于两者间的微粒比大微粒更难于捕获，但跳出狭隘的直觉理解，这些介于两者之间的微粒也比小微粒更难捕获。

MPPS现象
对于认为过滤器只不过是个小纱窗的人来说，这是完全是意想不到的。最难捕获的、介于两者间的微粒称为最易穿透粒子直径(Most Penetrating Particle Size，简称MPPS)。 MPPS的定义是：对于一个给定流速的过滤器来说，它具有易穿透性能，或者说是最低捕获效率的微粒尺寸。我们发现MPPS不在微粒直径范围的最低端，不像我们凭直觉所感知那样。
考虑到如上所述机制，感兴趣的读者能够确定为什么液体过滤器在效率方面大大低于气体过滤器。过程液体过滤器的捕获效率很少超过99+%，而过程气体过滤器是从99.9999%到99.999999999999%的范围内(请考虑粘性对三种主要过滤机制的影响)。

棘手的细节
有不少理论解释纤维过滤器是怎样工作的。令人遗憾的是，理论并不符合实际。理论认为全部过滤器的纤维直径相同，而且认为纤维全部是平行的，纤维之间的间隔相同，而且是正对着气流方向(成直角) ，而这些在实际上可能性更小。

我们为什么做这些不现实的假定呢？因为他们必须求解方程式。要针对更实际的情况写出方程式，是极为困难的，要求解这些方程式是不可能的。坦白地说，支持这种水平的模型的数学就不存在。
一些读者会说，绝大多数气体和液体过滤器并不是纤维过滤器，实际上，隔膜过滤器是由金属(不锈钢或者镍)或者热塑性塑料(PTFE，PVDF，聚砜类等等)做成的。如果我们不能为相对简单的纤维过滤器建立模型，想方设法接近它真实的复杂性，我们当然也就不能为一个复杂得多的隔膜过滤器建立模型了。
仅仅因为我们不能为实际过滤器建模并不意味着我们完全失败了。研究气溶胶的科学家已经设计出许多仪器，用来测量并且评价过滤器性能和微粒状态──又一项技术走在解释上述问题涉及理论的前面。

没有必要如此
我们都曾听到过某种过滤器的额定过滤精度是“0.2微米”等等。这是什么意思呢？我们知道过滤器捕获微粒的性能并不是绝对的，实际上是预计要捕获总微粒浓度的某个百分比。能通过过滤器的微粒直径并没有上限值。一个微粒的尺寸比给定的某个尺寸大一些，并不意味着它不会通过过滤器。
换句话说，“额定值为0.2μm过滤器”这个说法并没有明确的定义。这可能意味着它的MPPS是0.2μm；或者，可能是暗示过滤器会把所有0.2μm或者更大的微粒挡住，但是这并不正确；或者，可能是用有点儿夸张的技术行话，给人印象深刻，但是没有提供任何实际的资料。

注意事项
一些读者可能熟悉一种在聚碳酸酯板上的用核(γ射线) 射线生产的真孔过滤器，聚碳酸酯板上覆盖了一层像光刻胶那样的材料。这些过滤器主要通过非常密集的窗纱，按照筛分原理工作的。
真孔过滤器看起来绝对有能力捕获比他们限定尺寸大的全部微粒。无可否认，这些过滤器是有用的，且在实验室中常常使用。由于他们的压降和流动特性，而在流量很大的情况下压降和流动特性又很重要，因而很少使用这些过滤器。