濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響

陳相瑋 林忠平劉鴻洋

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響

陳相瑋 林忠平*劉鴻洋

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

實(shí)驗(yàn)研究了相對濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響，并與玻璃纖維高效濾料作對比。結(jié)果表明：相對濕度對ePTFE和玻纖高效濾料的初阻力沒有影響。過濾固態(tài)氣溶膠時(shí)，ePTFE濾料在表面過濾階段的阻力呈線性增長，但增長速度高于相同濕度下的玻纖濾料；過濾液態(tài)氣溶膠時(shí)，ePTFE濾料早于玻纖濾料進(jìn)入阻力指數(shù)增長階段，兩種濾料的容塵性能存在顯著差異。

濕度 ePTFE高效 過濾材料 阻力

1 高效過濾材料容塵實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為高效空氣過濾材料容塵實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。空氣依次經(jīng)過空氣壓縮機(jī)、冷干機(jī)和空氣過濾器后成為潔凈的干燥氣流，隨后分為三個(gè)支路：干燥空氣支路、空氣加濕器支路和氣溶膠發(fā)生器支路。改變干燥空氣和濕空氣流量的比例，可使匯合氣流的相對濕度在20%～85%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。三個(gè)支路匯合后經(jīng)過充分混合和熱濕交換，成為濃度和相對濕度穩(wěn)定的氣溶膠，進(jìn)入噴嘴流量計(jì)、受試濾料樣品和變頻風(fēng)機(jī)，最后排出實(shí)驗(yàn)裝置。計(jì)算機(jī)以一定時(shí)間間隔記錄濾料樣品的氣流流量、相對濕度和對應(yīng)的濾料阻力。變頻風(fēng)機(jī)使經(jīng)過受試濾料的氣流量自動(dòng)保持預(yù)設(shè)值。濕度儀型號為 VECTOR SOC-H1TI，相對濕度測量范圍為0～100%，精度5%。噴嘴流量計(jì)前設(shè)置放空管。

圖1 高效空氣過濾材料容塵實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

用不同相對濕度的KC（l氯化鉀）氣溶膠對高效過濾材料進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)，對比濾料阻力的增長特性。實(shí)驗(yàn)中氣溶膠發(fā)生器使用3%質(zhì)量濃度的KCl溶液。KCl的潮解濕度為65%，當(dāng)環(huán)境相對濕度低于65%時(shí)氣溶膠里的KCl呈現(xiàn)為固態(tài)，高于65%時(shí)KCl潮解，呈液態(tài)狀。濾料的有效過濾面積為 100cm2，濾速為5.3cm/s，阻力增長到700Pa時(shí)實(shí)驗(yàn)終止。濾料在容塵前后用TG328A（S）型分析天平稱重，天平的量程為0～200g，分度值0.1mg。濾料終重與初重的差值即為容塵量，單位為mg。

表1 濾料樣品的基本信息

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用高效過濾材料樣品共有5種型號，包括ePTFE和玻璃纖維兩種材質(zhì)。濾料的基本信息見表1。濾料的過濾等級根據(jù)EN 1822-1：2009標(biāo)準(zhǔn)劃分[2]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 相對濕度對ePTFE濾料阻力的影響

觀察組控制良好41例，尚可9例，不良4例，血糖控制率為92.59%；對照組控制良好29例，尚可14例，不良11例，血糖控制率為79.63%，觀察組明顯優(yōu)于對照組，兩組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖2、圖3分別為兩種ePTFE濾料在不同相對濕度下的阻力變化。圖中表明，在27%～72%相對濕度范圍內(nèi)，濾料的初阻力值沒有顯著差別。5.3cm/s濾速下，A-P-H14和B-P-U17濾料的初阻力值分別為138Pa和324Pa左右，可以認(rèn)為相對濕度不影響ePTFE高效濾料的初阻力。

圖2 不同相對濕度下A-P-H14濾料的阻力與容塵量關(guān)系

圖3 不同相對濕度下B-P-U17濾料的阻力與容塵量關(guān)系

相對濕度低于65%時(shí)，較高相對濕度下濾料阻力增長較緩慢，終止阻力所對應(yīng)的容塵量也越大，例如，27%相對濕度，700Pa終阻力時(shí)，A-P-H14濾料的容塵量為35.1mg，而55%相對濕度時(shí)容塵量為59.25mg。A-P-H14濾料的阻力-容塵量曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，把曲線分為兩個(gè)階段：深層過濾階段和表面過濾階段。濾料在深層過濾階段的阻力增長較為緩慢，表面過濾階段阻力增長較快，阻力與容塵量呈線性關(guān)系。B-P-U17濾料的阻力-容塵量曲線未觀察到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，阻力始終保持線性增長，可以認(rèn)為這種濾料的深層過濾階段非常短暫，自容塵開始就迅速進(jìn)入表面過濾階段。

相對濕度高于65%時(shí)，兩種ePTFE濾料在較長時(shí)間內(nèi)阻力較緩慢增長，然后進(jìn)入阻力指數(shù)增長階段。

2.2 相對濕度對玻纖濾料阻力的影響

不同相對濕度下C-F-U15濾料的阻力-容塵量關(guān)系見圖4。與ePTFE高效濾料相同，在27%～72%相對濕度范圍內(nèi)，玻纖高效濾料的初阻力不受相對濕度影響。相對濕度越高，阻力到達(dá)700Pa時(shí)濾料的容塵量也越高，且相對濕度高于65%后，相對濕度對濾料容塵性能的提高更加顯著。

圖4 不同相對濕度下C-F-U15濾料的阻力與容塵量關(guān)系

相對濕度低于65%時(shí)，C-F-U15濾料的阻力-容塵量曲線也可分為深層過濾和表面過濾兩個(gè)階段。玻纖濾料在深層過濾階段的阻力增長較為緩慢，短時(shí)間的深層過濾階段后經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)入表面過濾階段。濾料在表面過濾階段阻力增長較快，阻力-容塵量曲線呈線性。相對濕度越高，濾料到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)的容塵量也提高，表面過濾階段阻力曲線的斜率也越小。

相對濕度高于65%時(shí)，濾料阻力在較長時(shí)間內(nèi)緩慢增長，到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后開始呈指數(shù)上升。

2.3 相同濕度下ePTFE與玻璃纖維濾料的阻力對比

圖5為27%相對濕度時(shí)，5種濾料的阻力-容塵量關(guān)系曲線。圖中可見，相同材質(zhì)的濾料在表面過濾階段的曲線斜率比較接近，但玻纖濾料的斜率比ePTFE濾料要小，說明相同濕度下，ePTFE濾料在表面容塵階段的阻力增長速度要比玻璃纖維濾料更高。

圖5 27%相對濕度下5種濾料的阻力與容塵量關(guān)系

同為H13級的C-F-H13和A-F-H13濾料的初阻力較為接近，整個(gè)容塵階段的阻力曲線也有相似形狀，導(dǎo)致這兩種濾料的容塵量也比較接近。同一生產(chǎn)廠商的C-F-H13和C-F-U15濾料在整個(gè)容塵階段的阻力曲線形狀也相似，但C-F-U15濾料的初阻力較高，導(dǎo)致700Pa終阻力時(shí)的容塵量不及C-F-H13。

過濾等級包括H13和U15的3種玻璃纖維濾料的阻力曲線都可分為深層過濾階段和表面過濾階段。H14的ePTFE濾料的阻力曲線也分為兩個(gè)階段，但U17的ePTFE濾料未觀察到深層過濾階段，僅有表面過濾階段。且U17濾料的初阻力較高，認(rèn)為這種濾料的內(nèi)部纖維極細(xì)、堆積密度較高，難以容納太多的氣溶膠顆粒。

圖6 70%相對濕度下5種濾料的阻力與容塵量關(guān)系

圖6為70%相對濕度時(shí)，5種型號濾料的阻力-容塵量關(guān)系曲線。與27%相對濕度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，同種材質(zhì)的濾料在整個(gè)容塵過程有著形狀相似的阻力增長曲線。由于ePTFE濾料的阻力更早進(jìn)入指數(shù)增長階段，導(dǎo)致整個(gè)容塵階段的阻力增長速度均高于玻纖濾料。因此，環(huán)境相對濕度高于KCl潮解濕度時(shí)，ePTFE高效濾料與玻纖高效濾料的容塵性能有顯著差異。

3 分析與討論

相對濕度低于65%時(shí)，氣溶膠里KCl為固態(tài)顆粒物，被濾料捕獲后首先在纖維表面形成樹枝狀結(jié)構(gòu)[3]，因此濾料在深層過濾階段對氣流有較高的阻力。被捕獲的KCl顆粒物越來越多，逐漸在濾料表面形成粉塵層，濾料進(jìn)入表面過濾階段。由于毛細(xì)凝聚效應(yīng)，進(jìn)入粉塵層毛細(xì)管和細(xì)孔的水蒸氣產(chǎn)生了凝結(jié)水。凝結(jié)水使KCl顆粒之間產(chǎn)生了毛細(xì)管力，限制了顆粒之間的相對位移，使得粉塵層有著更高的孔隙率[4]。較高的相對濕度使顆粒物之間的粘附力也較高，粉塵層的孔隙率也隨之提高，因此降低了對氣流的阻力[5]。本次實(shí)驗(yàn)中觀察到：較高相對濕度下，ePTFE和玻纖濾料在表面過濾階段的阻力增長都較為緩慢，但相同的濕度條件下，不同材質(zhì)的高效濾料在表面過濾階段阻力增長速度并不相同，不妨假設(shè)粉塵層的形成不僅與氣溶膠特性相關(guān)，還與濾料材質(zhì)有關(guān)，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

相對濕度高于65%時(shí)，氣溶膠里的KCl潮解，呈現(xiàn)為液態(tài)，在纖維表面沉積后會(huì)逐漸把纖維包裹，形成一層液膜[6]。與固態(tài)KCl顆粒物形成的樹枝狀結(jié)構(gòu)相比，液膜對氣流的阻力較低，形成液膜所需要的時(shí)間也較長，因此濾料在容塵前期的阻力較低，增長較為緩慢。形成液膜后，纖維間的縫隙也逐漸被液態(tài)KCl填充，導(dǎo)致濾料阻力呈指數(shù)增長[7]。由于ePTFE濾料纖維之間的縫隙所能容納的液體KCl量少于玻璃纖維濾料，因此阻力較快進(jìn)入指數(shù)增長階段。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看：ePTFE高效濾料不宜用于過濾液體氣溶膠。

4 結(jié)論

在不同的相對濕度下對ePTFE高效空氣過濾材料進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)，觀察相對濕度對濾料阻力的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與玻璃纖維高效空氣過濾材料對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）ePTFE和玻璃纖維高效濾料的初阻力與相對濕度無關(guān)。

2）相對濕度通過影響KCl氣溶膠的物態(tài)，從而影響高效濾料的阻力增長特性。使用固態(tài)KCl氣溶膠對濾料容塵時(shí)，除了U17的ePTFE濾料僅觀察到表面過濾階段，其他4種濾料均觀察到深層過濾和表面過濾兩個(gè)階段。濾料在表面過濾階段的阻力變化與容塵量呈線性關(guān)系。

3）使用液態(tài)KCl氣溶膠對濾料容塵時(shí)，阻力在較長時(shí)間內(nèi)緩慢增長，經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后呈指數(shù)增長。與玻纖高效濾料相比，ePTFE濾料在較低容塵量時(shí)就進(jìn)入阻力指數(shù)增長階段，導(dǎo)致兩種材質(zhì)的高效濾料在容塵性能方面有顯著差異。

4）相同濕度下，相同材質(zhì)的濾料有著形狀相似的阻力-容塵量曲線，但在表面過濾階段時(shí)ePTFE濾料比玻纖濾料有更快的阻力增長速度。

5）從本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，ePTFE高效濾料不宜用于過濾液態(tài)氣溶膠。

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Influe nc e of Hum idity on Re s is ta nc e of e PTFE High Effic ie nc y Air(HEPA)Filte r Me dium

CHEN Xiang-wei,LIN Zhong-ping*,LIU Hong-yang
College of Mechanical Engineering,Tongji University

An experimental study on the influence of relative humidity on resistance of ePTFE high efficiency air filter medium,and compared the results to glass fiber high efficiency air filter medium.The results show that,relative humidity has no significant influence on the initial resistance of both ePTFE and glass fiber filter medium.When challenged by solid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium in the stage of surface filtration increases linearly but faster than that of glass fiber filter medium.When challenged by liquid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium enters exponential increase earlier than glass fiber,leading to significant difference in capacity performance between these two kinds of filter medium.

humidity,ePTFE,high efficiency,filter medium,resistance

1003-0344（2015）03-026-4

2014-2-27

林忠平（1968～），男，博士，教授；上海四平路1239號（200092）；E-mail:zplin99@#edu.cn