深層過濾與表面過濾有什麼不同？
探討濾袋的捕集位置，如何影響排放濃度與長期壓損。
工業用集塵器選用濾袋時，除了粉塵捕集能力，也要看操作中能多穩定地維持該性能。因為在新濾袋剛安裝時、累積粉塵剛清除後，以及產量與排氣風量變動的當下，都必須管理排放濃度。
在前一篇專欄「靜電集塵器（ESP）與袋式集塵器有什麼不同？」中，我們比較了兩種集塵方式的原理與適用條件。這次將範圍縮小到袋式集塵器（布袋除塵器）使用的濾材，探討深層過濾與表面過濾捕集粉塵的方式與操作特性。
圖1. 粉塵被捕集於濾袋外表面，過濾後的氣體由濾袋內部上升至淨氣室。本圖為簡化設備構成與氣流的示意圖，實際製程可能包含其他處理設備與風機等。
資料來源：MICROONE內部技術資料・AI輔助製作3D示意圖
01 · EMISSION CONTROL
為什麼粉塵排放濃度的穩定性變得更重要？
韓國於2019年5月公布、2020年1月起施行的「大氣環境保全法施行規則」修正，加嚴了粒狀污染物排放標準。當時政府公布的各設施粉塵標準範圍，由原本的10~70 mg/Sm³調降為5~50 mg/Sm³，並說明粉塵標準加嚴幅度約33%。[1]
這是彙整多種設施標準的當時修正內容，並不表示所有設施都適用相同數值。個別設施應確認依設施種類、規模、設置時期等適用的現行標準與許可條件。
排放標準降低後，即使以相同排放濃度操作，距離標準的餘裕也會縮小。因此，集塵器的設計與操作不僅要考慮穩定負載下的性能，也必須考量清灰或製程變動造成的排放濃度上升。
02 · TMS · 30-MINUTE AVERAGE
TMS 30分鐘平均管理代表什麼？
煙囪自動監測設備TMS會連續量測經煙囪排放的污染物，並將量測資料傳送至煙囪遠端監控系統CleanSYS。依設施不同，量測項目包括粉塵、硫氧化物、氮氧化物等。[2]
TMS量測值會以5分鐘累計或平均，形成5分鐘資料；30分鐘資料則由連續6筆5分鐘資料平均或累計而成。實際資料處理也會納入量測設備狀態與資料有效性的判定。[2]
瞬間上升與30分鐘平均超過排放標準，必須區分判斷。
清灰後或負載變動中發生的濃度上升，若納入有效量測資料，也可能拉高該30分鐘平均值。短暫的濃度上升並不直接代表30分鐘平均超標，但上升幅度大或反覆發生時，管理餘裕就會縮小。
因此，濾材除了平時的高捕集性能，也必須具備清灰後仍能將排放濃度變動維持在小範圍的性能。
03 · FILTRATION PRINCIPLE
深層過濾與表面過濾在哪裡捕集粉塵？
深層過濾：在纖維層內部也會捕集粉塵
一般非覆膜不織布濾材中，粉塵進入纖維層時與纖維碰撞或接觸而被捕集。隨著操作進行，表面也會累積粉塵形成濾餅層，此層對細微粒子的捕集扮演重要角色。因此，一般濾袋同時存在內部捕集與表面濾餅過濾。[3]
深入纖維層的粉塵可能無法靠清灰充分去除。若粉塵殘留並累積在內部，氣體將不易通過，清灰後壓差也可能無法充分恢復。此外，清灰使濾餅層被移除或擾動時，在重新形成穩定的濾餅層之前，穿透的粒子可能增加。[4]
表面過濾：主要在膜表面捕集粉塵
表面過濾最具代表性的實現方式，是在支撐基材上貼合ePTFE膜的濾袋。膜可抑制粉塵滲入基材內部，使粉塵主要累積於表面。
此結構在厚濾餅形成之前，就有利於捕集細微粒子。[5] 同時可減少粉塵嵌入內部，使表面粉塵層在清灰時容易脫落。因此有利於清灰後維持捕集性能，並減少長期的內部堵塞。這是MICROONE設計膜與濾袋時作為基準的結構特性，實際效果則以現場的排放濃度與壓差趨勢確認。
圖2. 左為不織布，右為ePTFE膜與不織布緊密貼合的複合結構。本圖為說明捕集位置與層狀結構的放大示意圖。纖維、粒子、孔隙的大小與膜厚度並非實際比例，亦非實際顯微鏡照片或性能試驗結果。
資料來源：MICROONE內部技術資料・AI輔助製作3D示意圖
04 · OPERATING CHARACTERISTICS
捕集位置不同，操作會有什麼差異？
以下比較整理了一般非覆膜不織布與ePTFE膜濾袋的趨勢。實際性能依粉塵特性、過濾速度、清灰條件與濾袋狀態而異。
| 比較項目 | 以深層過濾為主的一般不織布 | ePTFE膜表面過濾 |
|---|---|---|
| 主要捕集位置 | 纖維層內部與表面濾餅層 | 膜表面與表面濾餅層 |
| 初期捕集性能 | 受濾餅形成狀態影響 | 濾餅形成前即有利於捕集細微粒子 |
| 清灰後排放濃度 | 濾餅擾動後可能暫時上升 | 膜完好時有利於抑制濃度變動 |
| 長期壓差 | 內部粉塵累積可能使殘留壓差升高 | 初期壓差可能略高，但有利於殘留壓差維持穩定 |
| 維護管理 | 須注意內部堵塞與濾餅維持狀態 | 須注意膜損傷・剝離與表面堵塞 |
05 · PRESSURE DROP OVER TIME
膜覆蓋在表面，壓差不是會更高嗎？
新濾袋時確實如此，但操作時間拉長後，通常會反過來。這是初次評估ePTFE膜濾袋的現場最常提出的問題。答案取決於在哪個時間點看壓差。
一開始，無覆膜濾袋的壓差較低
新濾袋時，兩種方式都能良好捕集粉塵。此時，無覆膜的一般不織布濾袋壓差往往較低，因為膜的微細孔隙本身會對氣流增加阻力。若只看更換新濾袋後的壓差，覆膜濾袋看起來較為不利，原因就在這裡。
隨著時間推移，深層過濾濾袋會從內部開始堵塞
深層過濾濾袋隨著操作，粉塵會鑽入不織布纖維之間並累積。深嵌於纖維中的細微粉塵，即使以脈衝清灰（壓縮空氣噴吹）也不易脫落。因此，清灰後仍殘留的殘留壓差會隨清灰反覆而逐步上升。纖維內部越堵塞，清灰可恢復的幅度越小，壓差持續上升。殘留壓差升高後，清灰須更頻繁，風機用電與濾袋更換負擔也隨之增加。
表面過濾濾袋的粉塵主要累積在膜表面，清灰時即脫落。只要膜未受損，粉塵填入不織布內部的速度遠比深層過濾慢。表面過濾濾袋的殘留壓差雖然也會上升，但上升非常平緩。因此經過一段時間後，壓差會低於深層過濾，集塵器整體壓差也能更長時間穩定操作。[6][7]
圖3. ePTFE膜濾袋在操作初期，因膜阻力與表面粉塵層形成，壓差快速上升後轉為平緩。一般濾袋初期壓差較低，但隨纖維內部粉塵累積持續上升，從某個時間點起高於覆膜濾袋，且差距逐漸擴大。本圖為說明趨勢的概念圖，並非實測值。
資料來源：MICROONE依據大韓環境工程學會誌（2017）・Advanced Materials Research（2006）研究結果的趨勢製作
| 操作階段 | 深層過濾（一般不織布） | 表面過濾（ePTFE膜） |
|---|---|---|
| 新濾袋 | 壓差較低 | 因膜阻力與初期粉塵層，壓差快速上升而較高 |
| 反覆清灰 | 粉塵累積於纖維內部，殘留壓差持續上升 | 粉塵自表面脫落，殘留壓差上升非常平緩 |
| 長期操作 | 內部堵塞，清灰後也難以恢復，壓差持續上升，清灰頻率增加 | 長時間維持低壓差（膜完好時） |
韓國研究團隊在實驗室規模的袋式集塵器中，比較塗覆PTFE膜的濾袋與未塗覆的PTFE不織布濾袋，結果在操作初期約5小時內，覆膜濾袋的壓力損失略高。之後兩者逆轉，在穩定狀態下，覆膜濾袋約為36 mmH₂O，未塗覆濾袋約為160 mmH₂O。[6] 此為使用試驗用二氧化矽（SiO₂）粉塵、過濾速度2.5 m/min、入口濃度0.6 g/m³、清灰週期20分鐘條件下的結果，可能與實際現場數值不同。國外研究也報告，一般針軋毛氈隨過濾・清灰反覆，殘留壓力損失增大，而ePTFE膜則幾乎維持不變。[7]
不過，若膜表面被水分或黏性物質覆蓋，表面過濾濾袋的壓差也可能上升。因此比較濾袋時，不應只看更換後的壓差，而應看反覆清灰後的殘留壓差與以月為單位的壓差趨勢。
06 · SELECTION & MAINTENANCE
如何將表面過濾的優點轉化為實際性能？
僅憑採用ePTFE膜，並不能保證集塵器整體的性能。必須一併確認膜全面的孔隙分布與缺陷、與基材的貼合狀態，以及縫製部與安裝部的密封狀態。也需要選擇適合排氣溫度與化學組成的基材。
操作條件同樣重要。過濾速度過高或清灰條件不當，可能使壓差與粒子穿透增加。實際評估時，建議同時比較排放濃度、壓差、清灰頻率、風機用電與濾袋更換週期。[8]
在粉塵排放標準加嚴、並以30分鐘平均濃度管理排放狀態的環境下，濾袋的瞬間捕集效率與反覆操作中的穩定性都很重要。表面過濾可透過減少粉塵內部滲透的結構因應這些需求，其效果則須以實際製程中的排放濃度與壓差趨勢確認。
FAQ
常見問題
一般不織布濾袋也會在表面捕集粉塵嗎？
會。操作中表面形成粉塵濾餅層後，此層也會捕集粉塵。深層過濾與表面過濾的比較，並不是指捕集只發生在單一位置，而是指依濾材結構不同，主要捕集位置與內部滲透程度有所差異。
表面過濾濾袋的壓差也會上升嗎？
會。新濾袋時，因膜本身的阻力，壓差可能比一般不織布濾袋略高。但操作時間拉長後，一般不織布因內部累積粉塵，殘留壓差持續上升；覆膜濾袋則上升非常平緩，傾向長時間維持在低水準。若表面被水分・黏性物質覆蓋，覆膜濾袋的壓差也可能上升。
改用ePTFE膜濾袋，就能符合排放標準嗎？
僅靠更換無法保證符合排放標準。須一併確認過濾速度與粉塵特性、清灰條件、濾材的適用性、縫製部・安裝部是否洩漏，並以實際操作資料評估。
- 韓國環境部（大韓民國政策簡報），2020年起加嚴大氣污染物排放標準（韓文）（2019.5.1）。粉塵標準範圍與加嚴率為當時公布內容。
- 韓國環境公團 CleanSYS，術語辭典：煙囪遠端監控系統、5分鐘（平均）資料・30分鐘（平均）資料（韓文）。
- 美國 EPA, Operation and Maintenance Manual for Fabric Filters.
- 美國 EPA, Bag Leak Detection Systems — Guidance.
- 美國 EPA, Air Pollution Control Cost Manual, Section 6 Chapter 1 Baghouses and Filters (2018). 1.3.5.3 Membrane media（膜濾材）.
- Kim, J.-H. 等，「PTFE膜塗覆濾袋於離線（off-line）清灰時的細微粉塵捕集特性」（韓文），大韓環境工程學會誌（J. Korean Soc. Environ. Eng.） 39(7), 391–402 (2017).
- Residual Pressure Drop Using ePTFE Micro-Filtration Membrane as Filter Medium, Advanced Materials Research 11–12, 701–704 (2006).
- 美國 EPA, Monitoring by Control Technique — Fabric Filters.