1. 天平称量的安全性分析

    按照所称量样品的形态，天平称量操作的安全性表现为对气溶性颗粒物的隔离效果和对化学气体的隔离效果，个别情况下还要一并考虑对这两种污染物的综合隔离效果。从天平的实际使用场景来看，固体和粉末样品的称量要远多于潮湿样品和液体样品的称量，因此在天平操作防护中，首先要考虑的就是对气溶性颗粒物的有效隔离。

1）气溶性颗粒物的隔离

    根据气溶性颗粒物粒径的不同，可采取不同的处理方式，其中纸质或织物过滤是最常用的既经济又有效的方式。就天平称量而言，一般采用以化学棉为吸附介质的初效预过滤器搭配以压缩纸为吸附介质的高效HEPA过滤器或超高效ULPA过滤器的过滤体系。

    初效预过滤器主要用于去除粒径大于0.5μm的颗粒物，过滤效率可达95%以上。高效HEPA过滤器用于去除粒径大于0.3μm的颗粒物，过滤效率高达99.995%以上，而超高效ULPA过滤器能够以相同的过滤效率把粒径大于0.1μm的颗粒物去除掉。

图1. 两种颗粒物过滤器：初效预过滤器（左）和高效HEPA过滤器（右）

    随着使用时间的推移，几种过滤器的过滤性能都会有所下降，此时过滤器两侧的压差将有所变化。初效过滤器压差较小，而且过滤效率较低，一般通过目测来判断使用寿命。高效HEPA过滤器和超高效ULPA过滤器，则通过高精度压差传感器对过滤器两侧的压差进行实时监测，当压差达到设定的限值时，应立即更换才能保证称量防护装置的可靠性。

2）化学气体的隔离

    化学气体的处理主要也是采用过滤的方式。因为椰壳活性炭具有丰富的微孔和巨大的内表面积（1 kg活性炭的总内表面积可达1 km²！），而且原料成本不高，加工工艺也比较成熟，因此成为最经典的过滤介质。近年也有采用硅材料和其他新型材料的报道，但由于技术成熟度和制造成本的原因，目前的主流选择仍然是椰壳活性炭。

    活性炭对于大多数化合物都有较好的吸附效果，但对于某些化合物，如无机酸、氨气及胺类化合物、甲醛等过滤效果并不理想。为了提高活性炭对这些气体的吸附性能，可以用化学预浸泡的方式，在物理��附的基础上增加化学吸附效应，使综合吸附性能大为改善。

    活性炭过滤器的制作工艺主要有两种：颗粒状活性炭过滤器和键合式活性炭过滤器。颗粒状活性炭过滤器将炭粒分散封装在过滤器框内，工艺简单，成本较低，但这种结构的活性炭过滤器有两个先天不足：贯穿和漏碳。为了防止炭粒倾向一侧形成贯穿孔，往往需要把通风面分割为若干小格，但这样一来有效通风面积减小，而且风阻加大，更主要的并没有从根本上解决贯穿孔的产生，过滤效率和安全性都存在隐患。漏碳现象是更严重的问题，活性炭过滤器在运输和使用的过程中，炭粒之间不可避免地会有磕碰和摩擦，从而形成微小的炭粒从过滤器中随气流脱落出来，直接后果是产生炭尘和吸附性能下降。为了防止炭尘对室内空气的污染，这种过滤器往往需要与高效HEPA过滤器配套使用。

    键合式活性炭过滤器，使用特殊的活性粘合剂，把分散的炭粒通过化学键的作用连接成为一个整体，从根本上解决了颗粒活性炭过滤器无法避免的漏碳和贯穿孔的问题。但是，这种过滤器的加工工艺比较复杂，粘合剂的选择和加工工艺要求较高，既要保证具有很好的键合效果，又不能影响通风效果和吸附效率。所幸的是，目前这种过滤器在国内和国外都已经有成熟的产品提供，从实际测试结果来看，能够很好地满足使用要求。

图2. 颗粒状活性炭过滤器的内部结构

图3. 键合式气相活性炭过滤器

    同样，活性炭过滤器也具有一定的寿命，一旦接近饱和，过滤器的吸附性能大幅下降，此时如不及时更换新的过滤器，将带来潜在的安全隐患。在天平称量防护装置中，如果配备了活性炭过滤器，必须配有专门的气体传感器对过滤器的性能予以实时监测，确保其工作在安全的状态下。

3）复合型气体过滤系统

    在某些称量操作中，需要同时处理气溶性颗粒物和化学气体，此时需同时选装高效HEPA过滤器和活性炭过滤器。近年来，市面上还出现了一种同时兼顾两种功能的过滤器，据客户实际体验，具有较好的综合过滤性能。

2. 无管天平柜的安全性能分析

1）无管天平柜与无管天平罩

    针对以上讨论的精密天平的安全性分析，一些专业厂家提出不同类型的负压过滤式防护方案。总体说来，这些方案可以分为两类：无底板无管天平罩和整体式无管天平柜。二者的共同优点是都不要外接管道，减少了室外处理装置和通风管道的材料成本和作业成本，但在结构细节和使用便利性等诸多方面，二者又有较大的差别。

    无底板无管天平罩，利用现有的或附带的石质天平台作为精密天平的工作台面，结构相对简单，制造成本较低，但是这种结构的密封性和移动性都不理想，而且只能采用垂直层流，气流特性决定了这种结构只能用于精度较低（一般在十万分之一以下）的精密天平。相对而言，底板与柜体连成一体的整体式设计，综合性能更高，具有明显的应用优势。

2）垂直层流无管天平柜

    垂直层流无管天平柜的结构原理图和工作原理如下：

图4-5. 垂直层流式无管天平柜结构示意图(左)和君勒铂公司的该类产品(右)

    1. 通过位于顶部的无火花、无电刷风机，把室内气流从前视窗A处以层流的型式抽入天平柜。

    2. 气流在天平工作区与称量过程中产生的粉尘和气溶性颗粒物混合后，被送往位于顶部B处的过滤区，安装在这里的初效预过滤器和高效HEPA过滤器，将粉尘和颗粒物高效去除。

    3. 经严格过滤的洁净气体，从C处释放回实验室内。

    从以上工作原理可以看出，由于一直存在一个气体流量可调的负压，在天平称量过程中产生的任何粉尘都可以被HEPA过滤器安全地高效过滤，不会对操作人员造成直接伤害，也不会对实验室气体造成污染。同时，设备还内置了专门的传感器对HEPA过滤器的过滤效率进行实时监测，确保其工作于可靠的状态。

3）带双重HEPA过滤体系的水平层流无管天平柜

    带双重HEPA过滤体系的水平层流无管天平柜的结构原理图和工作原理如下：

图5.  带双重HEPA过滤体系的水平层流式无管天平柜结构示意图

图6. 美国AirClean公司生产的带双重HEPA过滤体系的水平层流式无管天平柜

    1. 通过位于顶部的无火花、无电刷风机，把室内气流从前视窗A处以水平层流的型式抽入天平柜。

    2. 水平层流在天平工作区与称量过程中产生的粉尘和气溶性颗粒物混合后，被送往位于后壁B处的一级过滤区，安装在这里的初效预过滤器和主高效HEPA过滤器，将粉尘和颗粒物高效去除。

    3. 随后，气流进入上部的二级过滤区，首先通过位于C处的永久HEPA过滤器。该过滤器的作用有两个：作为主HEPA过滤器的备份，在主HEPA过滤器失效时过滤粉尘和颗粒物；在更换主HEPA过滤器时，持续维持负压，以确保吸附在过滤器上的尘埃不会散落到柜内和实验室环境中，此时永久HEPA过滤器临时起到系统HEPA过滤器的作用。

    4. 如果需要同时去除化学气体（这在称量液体样品时要考虑的），可以同时选配安装在D处的活性炭过滤器，化学气体在这里被过滤掉。

    5. 经严格过滤的洁净气体，从E处释放回实验室内。

    从系统的工作原理可以看出，该系统配备了精心设计的双HEPA过滤系统，确保在任何情况下都能把柜内的所有污染物安全地去除掉。

    在一般的单HEPA过滤体系中，如果需要更换HEPA过滤器，必须在风机停止运转的状态下进行。这时，初效预过滤器和HEPA过滤器上吸附的大量尘埃会脱落下来，直接混进室内空气之中或藏匿在设备内部的各个角落。不管哪种情况，都对实验室的空气造成污染，特别是尘埃中含有有毒有害成分时，后果将十分严重。

    在双HEPA过滤体系中，永久HEPA过滤器的存在，彻底消除了所有的安全隐患。不仅保证在开机的状态下，放心地更换初效预过滤器和主HEPA过滤器，而且在无法立即更换HEPA过滤器的情况下，仍可维持一段时间的正常使用。另外，可选配的活性炭过滤器大大扩展了无管天平柜的使用范围。即便是易于挥发的液体样品，也可以在该天平柜中放心地称量。