论空气净化器物理阻隔病毒机理
2020年初，冠状病毒在武汉爆发后，数百万人蜂拥抢购口罩、消毒剂、空气净化器来保护自己免受病毒的感染。环知网转引美国环保署的文章已经对消毒剂的作用机理进行了详细分析，科学显示冠状病毒属于包膜病毒，容易被消毒剂产品杀死.
口罩已经被广大专家学者通过各种实验和实践证实是保护免受冠状病毒的最佳选择之一；而各种厂商宣传能抑制冠状病毒的空气净化器，甚至是普通防止雾霾的家用空气净化器，到底对新型冠状病毒有效果吗？如果普通的过滤就有效果，为什么钻石公主号邮轮上更是感染人数超过700人呢？今天我们就从多个角度引述权威文章对空滤能否解决冠状病毒问题进行分析。
谈到空气净化器，就不得不提到物理阻隔方法。我们先分析一下物理阻隔病毒的机理：
图1: Wikipedia中冠状病毒在扫描电镜下的直径
物理阻隔，顾名思义就是采用滤网的方式，将病毒隔绝在我们呼吸的范围之外，最常用的戴口罩的方式就属于物理阻隔。而通过扫描电镜对冠状病毒进行分析，冠状病毒的直径通常在60纳米到140纳米，即0.06微米到0.14微米，这也就意味着实际上冠状病毒比我们常听的PM2.5还要小，具体见图：
图2: 不同污染物的粒径大小分布图
但是我们平时听说的在雾霾天气使用的HEPA空气净化器应用标准是“空气滤网必须移除99.97%大于等于0.3微米的颗粒物”，在我们通常的理解下，大的颗粒会被滤网卡住，所以空气净化器可以完美过滤空气中的大颗粒物。而对于本次冠状病毒的罪魁祸首直径在0.1微米左右，如此看来，比PM2. 5颗粒更小的冠状病毒颗粒在空气净化器的滤网处理下看起来并不奏效。
图3: 在常识中大家认为的颗粒物物理隔离机理 (来自美国宇航局NASA的文章，出版编号NASA/TM—2016–218224)
也正是因此，大量的专家学者引述文献说明空气净化器并不能够防止冠状病毒，如：
21经济网在2020年02月22日的关于钻石公主号的文章，《多重细节曝光：“钻石公主”号何以成感染仓？》
以及乔治城大学健康安全中心教授Dr. Erin Sorrel针对空气过滤是否能够阻止冠状病毒的论述：
物理过滤方法真的不能过滤冠状病毒吗？
学过物理的小伙伴们都会知道分子之间都是在不断的运动。而观察纳米级别的颗粒情况就会更明显，纳米粒子碰到空气分子会被弹来弹去，做出各种随机的飞行运动轨迹（该现象被称为布朗运动）。而超细的纳米粒子，在被空气净化器吸入的过程中，会撞到滤网的纤维，通过静电等反而更容易被捕获，以这种方式捕捉到颗粒物的过程在学术上被称之为“扩散”。
而相较于“扩散”作用乱飞撞到滤网被捕获和体积比滤网直径大直接捕捉，0.3微米这个数字被提及的次数最多，因为0.3微米的颗粒物是最难被捕捉的。对于0.3微米的颗粒物，扩散作用没有这么明显，却又没有大到可以被滤网直接卡住。这也是为什么大多数标准要求以0.3微米的颗粒物作为要求标准。根据下图所示，针对0.1微米大小的冠状病毒，捕获率居然能高达99.99%。
图6：过滤作用对于不同粒径的粒子捕捉效率变化图（来自NASA文章《Particulate Matter Filtration Design Considerations for Crewed Spacecraft Life Support Systems》）
而根据美国CDC疾病控制与预防中心对于新型冠状病毒防治指南的论述
图7：CDC美国疾病控制中心对于新冠肺炎防治的大纲
图8: CDC美国疾病预防与控制中心针对新冠状病毒控制的具体措施与步骤
实际上医用的专业负压病房，最终还是要靠高效微粒空气HEPA进行过滤的。所以我们之前所提到的0.1微米扩散捕获理论是在医学实践中是成立的。
为此我们也查阅了一下火神山、雷神山的负压病房暖通设计要求: 火神山的通风系统主要设计依据来源于：
· 《传染病医院建筑设计规范》GB50849-2014
· 《传染病医院建设标准》建标173-2016
· 《传染病医院建筑施工及验收规范》GB 50686-2011
· 《医院隔离技术规范》WS/T 311-2009
· 《医院洁净护理与隔离单元技术标准》征求意见稿
· 《中国重症加强治疗病房（ICU）建设与管理指南》 (2006)
· 《ICU病房医院感染预防与控制规范》（WS／T509-2016）
根据其设计手册显示：武汉火神山医院为收治新冠肺炎确诊患者而建，共设计了1000张床位的负压病房，由多栋独立病房楼组成，每间病房用一个集装箱改造而成，设置1-2张病床，每间病房设置送风和排风系统，保持负压运行。ICU由钢结构和彩钢板搭建而成，分两个区域，每个区域设置15张ICU病床，两区共30床，净化级别为十万级，设置全新风、全排风系统，新风通过粗、中、高效过滤，通过新排风口的合理设置和房间压力梯度的控制，保证医护人员的安全，排风通过粗、中和高效三级过滤后排到屋顶2米以上，以消除对周边环境的影响。
图9：火神山医院通风设计基本要求引述
其中粗滤、中过过程我们就不说了，火神山设计要求的送风系统中最后一道精滤是H13级别的HEPA过滤系统。根据HEPA滤芯的级别分部我们有如下表格：
表1：HEPA过滤系统级别效率表
HEPA滤网等按照现行的欧美等级细分G1-G4，F5-F9，H10-H14以及U15-U17。在空气净化器中最常见就是H等级，这种规格的HEPA均属于高效过滤网。而被公认最好的H13-14滤网是高效空气过滤器。其中H13等级的HEPA滤网可以实现总效率99.95。H14则等级等级的HEPA滤网总效率则能达到99.995%。同时HEPA滤网按种类可分成PP滤纸、复合PET滤纸、熔喷涤纶无纺布和熔喷玻璃纤维等多种材料。然而这五种滤网中，PP滤纸在普片广泛用在初中高效的空气净化器中。而玻璃纤维制作而成的HEPA滤网是被公认能实现高效净化效果，由于玻璃纤维在制作工艺上要求极高，使得良品率低。同样这种HEPA滤网成本也相当高，通常用在专业级空气净化器身上。
与此同时，美国媒体和专家也表示，没有证据证明冠状病毒是通过空调系统直接传播的。美国疾病预防控制中心首席副主任安妮·舒查特（Anne Schuchat）说，目前没有证据表明冠状病毒是通过空气处理系统传播的。受聘于荷兰HVAC专家Heinen＆Hopman的Eric van Dijk同意，由于空气通过系统的传播方式，病毒不太可能通过船舶的HVAC系统传播。
图10：美国疾病预防中心副主任声明
根据范·迪克（Van Dijk）的描述：“游轮上的新鲜空气是由多个空气处理装置提供的。连接到空气处理单元的管道为公共区域和机舱提供新鲜空气。在这些单元中，空气流经多个过滤器，至少是EU4褶式过滤器。EU4过滤器属于粗粉尘过滤器类别，其捕集率约90％。当然部分的轮船也选配了HEPA高效过滤器，以进一步处理受污染的空气。而病毒是如此之小，以至于您需要一个非常强大的过滤器。当您需要一个如此强大的过滤器时，您的送风量必须很大，以至于空气处理单元功率可能是原来的四倍。这意味着能源消耗和排放量将高出许多倍。对于游轮而言，这并不可取。”
钻石公主号使用的是什么等级的滤网该邮轮公司并没有进一步透露，我们目前无从查证。由于等级越高，空气的透过性越差，空调运转的能耗就越高，相信在没有疫情的情况下，也不会有人安装超高等级的过滤滤网。但是疫情爆发后，有没有滤网更换，我们在现有的网络资料查询中，也没有发现更换滤网的信息，仅有的是分组隔离与消毒，并调高了新鲜空气的进入比例。部分新闻中也得到了证实：“船上的空气过滤系统与酒店、度假村运作并无差别、标准相同。其间流动的空气是由外部新鲜空气混合过滤后的再循环空气。为了谨慎起见，我们已将宾客舱房、船员舱房以及公共区域的新鲜空气比例调至最大。”公主邮轮执行副总裁莱·卡洛瑞(Rai Caluori)近日回应了这个问题。
根据范·迪克（Van Dijk）的描述：“游轮上的新鲜空气是由多个空气处理装置提供的。连接到空气处理单元的管道为公共区域和机舱提供新鲜空气。在这些单元中，空气流经多个过滤器，至少是EU4褶式过滤器。EU4过滤器属于粗粉尘过滤器类别，其捕集率约90％。当然部分的轮船也选配了HEPA高效过滤器，以进一步处理受污染的空气。而病毒是如此之小，以至于您需要一个非常强大的过滤器。当您需要一个如此强大的过滤器时，您的送风量必须很大，以至于空气处理单元功率可能是原来的四倍。这意味着能源消耗和排放量将高出许多倍。对于游轮而言，这并不可取。”
钻石公主号使用的是什么等级的滤网该邮轮公司并没有进一步透露，我们目前无从查证。由于等级越高，空气的透过性越差，空调运转的能耗就越高，相信在没有疫情的情况下，也不会有人安装超高等级的过滤滤网。但是疫情爆发后，有没有滤网更换，我们在现有的网络资料查询中，也没有发现更换滤网的信息，仅有的是分组隔离与消毒，并调高了新鲜空气的进入比例。部分新闻中也得到了证实：“船上的空气过滤系统与酒店、度假村运作并无差别、标准相同。其间流动的空气是由外部新鲜空气混合过滤后的再循环空气。为了谨慎起见，我们已将宾客舱房、船员舱房以及公共区域的新鲜空气比例调至最大。”公主邮轮执行副总裁莱·卡洛瑞(Rai Caluori)近日回应了这个问题。