實驗室通風柜看著不起眼，卻是每個涉及到化學品操作的實驗室的基礎設備之一。在通風柜的各種性能中，最重要的無疑是安全特性。傳統(tǒng)全排通風柜的安全特性主要包括密閉和防回流等氣流隔離特性，無損壞和不變色等抗化學腐蝕特性，防短路和防漏電等電學安全特性以及無殘留死角和易清潔等抗污染特性等方面。無管通風柜作為通風柜的一個特定類別，還包括過濾系統(tǒng)的可靠性。

圖1. 美國艾科琳(AirClean)標準型導流式無管通風柜(左圖)

圖2. 上海君勒鉑(DreamLab)便攜式垂直層流無管通風柜(右圖)

    本文通過對無管通風柜的安全性能進行全面的分析，挖掘無管通風柜帶給客戶的使用價值。

一、無管通風柜的氣流隔離性能

    本質(zhì)上講，通風柜就是把柜內(nèi)的空氣與室內(nèi)空氣隔離開來的裝置，因此通風柜的氣流隔離性能是通風柜的最主要性能，主要表現(xiàn)在密閉性和防回流性。

    通風柜的密閉性比較容易理解，密閉性不好的通風柜會使得柜內(nèi)的氣體泄漏到室內(nèi)，從而降低了通風柜的安全性能。一個合格的實驗室通風系統(tǒng)，不僅要求通風柜本身密封性良好，而且要求在所有的連接點都牢固可靠，消除所有的潛在泄露風險。

    通風柜的防回流性也極為重要，因為通風柜內(nèi)的氣流形態(tài)十分復雜而且與通風柜內(nèi)的結構密切相關，處理不好會形成氣流死角和難以控制的渦流和紊流。在設計通風柜時，一定要以大量實驗數(shù)據(jù)為基礎，建立可靠的氣流模型，有針對性地設置導流裝置，并特別留意氣流在入口處的平滑效果。

    在通風柜的使用環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生一個誤區(qū)，認為氣流越大通風柜的安全性越高。事實上，隨著氣流的增大，氣流的回彈效應和渦流效應也在增大，柜內(nèi)氣體逃逸出通風柜的可能性也在增大，通風柜的安全性反而會下降。因此，SEFA等標準都有推薦的通風柜面風速范圍，一般推薦的面風速在0.3-0.6 m/s之間。

1. 無管通風柜的氣體密閉性和防回流特性

    與傳統(tǒng)的全排通風柜相比，無管通風柜的氣流行程很短且沒有外部連接，其密封性可以得到的保證。優(yōu)異的密封性能是無管通風柜在氣體隔離方面的優(yōu)勢之一。

    在無管通風柜中，根據(jù)要處理的有害氣體量的不同，有兩種氣流設計型式。對于氣體處理量較小的場合，上排式氣流表現(xiàn)為良好的垂直層流形態(tài)，不會形成明顯的氣流死角和渦流，沒有氣流回流現(xiàn)象。這時可以采用無導流板的垂直層流式設計，結構簡單且易于清潔，這種結構的無管通風柜通常也被稱為無管工作臺或無管化學工作臺。如果配備HEPA過濾器，這種無管通風柜還可以用于精密天平對粉末樣品的稱量，有時又被稱作無管天平柜。

圖3-4. 上海君勒鉑(DreamLab)便攜式垂直層流無管工作臺（左圖）及其氣流圖（右圖）

    如果氣體處理量較大，通風柜內(nèi)部的氣流不再表現(xiàn)為良好的垂直層流，這時需要在柜內(nèi)增加導流裝置，使氣流的分布更均勻，也更不易產(chǎn)生渦流和氣體回流，這種結構的通風柜和傳統(tǒng)的全排通風柜十分相像。為了更好地滿足不同的應用需求，無管通風柜的前視窗除了經(jīng)典的滑動窗，還有更便于操作的折疊窗。前者適合于需要經(jīng)常調(diào)整視窗開口高度的應用，后者適合于大多數(shù)實驗室的應用。

圖5-6. 美國艾科琳(AirClean)標準型導流式PP無管通風柜（左圖）及其氣流圖（右圖）

2. 氣流的實時監(jiān)控與安全警報

    無管通風柜的氣流控制十分重要，因為風機內(nèi)置在通風柜頭部，無需通過專門的氣閥即可方便地實現(xiàn)可變風量(VAV)控制。氣流面風速可以通過專門的傳感器實時監(jiān)測并顯示在安全控制器上。在氣流出現(xiàn)異常時，安全控制器會及時閃爍警報燈并發(fā)出聲音報警信號，提醒用戶檢查和維護。

圖7-8. 無管通風柜安全控制器的觸控屏工作界面

    通過對柜體結構的精心設計和對柜內(nèi)氣流的實時監(jiān)控，無管通風柜的氣流不僅平穩(wěn)順滑，而且無泄漏無回流，氣流安全性得到的保障。

二、無管通風柜的氣體過濾性能

    作為無管通風柜的特性，氣體過濾系統(tǒng)使無管通風柜在安全性、經(jīng)濟性、節(jié)能型、移動性等方面均具有優(yōu)于傳統(tǒng)全排通風柜的突出優(yōu)勢。通過合理選擇過濾器，無管通風柜不僅可以隔離化學氣體的侵害，還可以隔離粉塵對實驗室人員的危害。

1. 化學氣體的吸附過濾

    實驗室化學氣體種類繁多，活性炭過濾器對大多數(shù)化學品都具有很好的吸附能力，這主要得益于活性炭具有很大的內(nèi)表面積，一公斤活性炭的內(nèi)表面積可達一平方公里！如此之大的內(nèi)表面積在活性炭的內(nèi)部形成很多微細孔洞，可吸附相當于自身重量的化學品。

    根據(jù)制作工藝的不同，活性炭過濾器主要有兩種：顆粒狀活性炭過濾器和鍵合式活性炭過濾器。顆粒狀活性炭過濾器將炭粒直接封裝在一個盒子里，這種過濾器制作工藝簡單，但是存在固有的潛在穿透問題和漏碳問題。盡管通過采用分隔結構和附加安全過濾器，這些問題部分得以改善，但是仍然從根本上解決由漏碳帶來的吸附效率降低和由穿透帶來的安全性能缺失。

圖9. 美國艾科琳(AirClean)公司生產(chǎn)的各種鍵合活性炭氣相過濾器

    鍵合式活性炭過濾器把分散的炭粒通過牢固的化學鍵連接為一個整體，解決了穿透和漏碳的問題，是目前市面上的活性炭過濾器。但是鍵合式結構制作工藝復雜，即要保證鍵合的效果又要保證吸附效率不會明顯下降，因此只有少數(shù)廠家采用。在所有進口品牌的無管通風產(chǎn)品生產(chǎn)廠家中，只有美國艾科琳(AirClean)采用。

    選擇活性炭過濾器的時候，還有一個問題需要特別注意。雖然活性炭對大多數(shù)化學品都有較好的吸附效果，但是對于某些化學品卻效果不佳，如分子量較小的化合物、無機酸性氣體、氨氣及胺類化合物、汞蒸氣等。對這類化合物，要選用經(jīng)化學浸潤處理的特制類型的活性炭過濾器，目前各主要無管通風柜生產(chǎn)廠家都可以提供相關產(chǎn)品。

2. 氣溶性顆粒物的吸附處理

    除化學氣體以外，很多應用還需要對氣溶性顆粒物加以隔離，這時需要選用專門用于吸附顆粒物的過濾器。根據(jù)要處理的顆粒物粒徑的大小，可以選用針對0.3μm 顆粒物的高效HEPA過濾器和針對0.1μm 顆粒物的超高效ULPA過濾器。按照美聯(lián)邦和中國的標準，HEPA過濾器和ULPA過濾器的吸附效率應不低于99.97%，實際上商品化的無管通風產(chǎn)品中過濾器的吸附效率都更高，比如美國艾科琳(AirClean)和美思泰(Mystaire)公司的顆粒物過濾器的過濾效率都超過99.997%。

圖10. 上海君勒鉑(DreamLab)公司研制和采用的高效HEPA顆粒物過濾器

    如果需要同時處理化學氣體和氣溶性顆粒物，還可以把活性炭過濾器和HEPA/ULPA過濾器疊加使用（如果無管通風柜的過濾倉空間允許的話）。要特別提起注意的是，這種應用中的HEPA過濾器不是用于吸附顆粒狀活性炭過濾器的漏碳，如果省略了活性炭過濾器的安全過濾器，HEPA過濾器的效率和壽命都將大大減少。

    最后提一下一種特殊的顆粒物過濾器，那就是安裝于各種過濾系統(tǒng)最前端的初效預過濾器。預過濾器的目的是濾除空氣中顆粒較大的顆粒物，提高過濾系統(tǒng)的過濾性能并保護主過濾器的壽命。預過濾器對粒徑在0.5μm 以上粉塵的過濾效率可達95%以上。靜電式預過濾器還可以通過靜電的作用，把被攔下的粉塵牢牢地抓在預過濾器上，避免再開機時形成“塵雨”落下。

3. 過濾器的實時監(jiān)控與安全警報

    無論是哪種過濾器，在使用一段時間后，過濾性能都會下降。當過濾器接近飽和限值的時候，無管通風系統(tǒng)的安全性能將難以保證。在這種情況下，應及時更換新的過濾器，以免發(fā)生安全問題。

    在商品化無管通風柜中，都對過濾器性能進行實時監(jiān)測，并在需要更換過濾器之前就給出預警。但是不同廠家采用的監(jiān)測方法可能有所不同，這里以美國艾科琳(AirClean) 進取型(Endeavour)無管通風柜上使用的方法為例，說明其如何保證過濾系統(tǒng)的有效性、可靠性和安全性。

    首先，在每次開機之前，安全控制器會要求用戶確認要使用的化學品種類（ChemMinder功能，從內(nèi)置的3500多種化學品名單中選擇），如果所選的化學品與所安裝的過濾器型號不匹配，將不允許開機。這從根本上避免了誤用化學品帶來的潛在安全問題。其次，對于使用中的活性炭過濾器，通過安裝在過濾器后面的氣體傳感器實時監(jiān)測，如果監(jiān)測到過濾后的氣體中有害成分的含量達到預先設定的濃度，將及時以閃爍警報燈和鳴響警報聲的方式同時發(fā)出警報。這為無管通風柜的安全使用提供了可靠的保證?？蛻暨€可以在任何時候查看過濾器的預估壽命，做到心中有數(shù)。

三、無管通風柜的其他安全性能

1. 無管通風柜的物理和化學安全性能

    為了保證有較好的抗物理沖擊特性和抗化學腐蝕特性，無管通風柜的結構材質(zhì)大多采用強度和抗腐蝕性俱佳的聚丙烯(PP)材質(zhì)，視窗和透明包圍則采用強度、透明度和化學性能都很出色的聚碳酸酯(PC)材質(zhì)。能夠接觸到處理前的氣體的部分，極少用到耐腐蝕性能欠佳的金屬部件。

    在結構設計上，整個柜體采用熱熔成型的一體化設計。沒有不易清潔的死角，必要的時候還可以使用具有較強腐蝕性的清潔劑對內(nèi)外表面進行清潔處理。

2. 無管通風柜的電路安全特性

    無管通風柜的所有電路系統(tǒng)，均封裝在氣密空間內(nèi)，避免暴露于潛在的化學氣體之中。照明燈采用高規(guī)格的防蒸汽熒光燈或LED燈，所有的電子元器件都符合或超過相關標準的要求。這些都保證了無管通風柜的電路系統(tǒng)的安全。