阻隔霧霾用纖維復(fù)合材料PM2.5過濾效率測(cè)試研究

文/張鵬 嚴(yán)玉蓉 倪冰選

1 引言

霧霾中對(duì)人體有危害的主要成分是PM2.5，持續(xù)的霧霾天氣使得人們產(chǎn)生了對(duì)PM2.5的擔(dān)憂。所以，在霧霾天氣人們會(huì)遇到是否開窗的難題，開窗外面的霧霾空氣會(huì)進(jìn)入屋內(nèi)，不打開窗戶則導(dǎo)致室內(nèi)空氣不流通。為了解決開窗通風(fēng)和阻隔霧霾之間的矛盾，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些用于阻隔霧霾的纖維復(fù)合材料，如何測(cè)試其PM2.5過濾效率成為一個(gè)亟待解決的問題。本文通過對(duì)主要顆粒介質(zhì)、濃度和風(fēng)速等測(cè)試條件進(jìn)行研究，模擬霧霾天氣環(huán)境，測(cè)試市場(chǎng)上阻隔霧霾用纖維復(fù)合材料過濾效率，驗(yàn)證其防霧霾效果。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原理

過濾材料捕集顆粒物機(jī)理主要有慣性碰撞、布朗擴(kuò)散、攔截效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)[1]，見圖1。一般來說，各種除塵機(jī)理并不是同時(shí)有效，而是一種或是幾種聯(lián)合起作用。而且，隨著濾料的空隙、氣流流速、粉塵粒徑以及其他原因的變化，各種機(jī)理對(duì)不同濾料的過濾性能的影響也不同。因此，通常會(huì)讓含有顆粒介質(zhì)的氣流通過纖維過濾材料，通過檢測(cè)過濾材料上下游顆粒介質(zhì)的濃度，來計(jì)算出纖維過濾材料的過濾效率。

圖1 過濾材料過濾機(jī)理示意圖

2.2 測(cè)試裝置

根據(jù)測(cè)試原理，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置主要包括風(fēng)道系統(tǒng)、模擬霧霾發(fā)生裝置和測(cè)量設(shè)備三部分。測(cè)試管道截面為620mm×620mm的全密封方形不銹鋼管道，管道中的空氣流量：（600～6000）m3/h。模擬霧霾發(fā)生裝置為壓縮空氣噴霧式氣溶膠發(fā)生器。測(cè)量設(shè)備為兩臺(tái)激光粒子計(jì)數(shù)器，測(cè)試粒徑范圍：（0.2～10）μm，測(cè)試流量：2.83L/min。

2.3 測(cè)試步驟

在每個(gè)阻隔霧霾用纖維復(fù)合材料（如防霧霾窗紗）樣品中裁取620mm×620mm大小的試樣一塊，試樣應(yīng)避開疵點(diǎn)、褶皺等缺陷處。按試驗(yàn)裝置規(guī)定的操作步驟進(jìn)行測(cè)試，在1.5m/s的測(cè)試風(fēng)速下，用兩臺(tái)激光粒子計(jì)數(shù)器同時(shí)測(cè)出試樣上、下風(fēng)側(cè)粒徑≤2.5μm的粒子計(jì)數(shù)濃度，試樣對(duì)氣溶膠顆粒的過濾效率即為其上下風(fēng)側(cè)計(jì)數(shù)濃度之差與上風(fēng)側(cè)濃度之比，以百分?jǐn)?shù)（%）表示。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬測(cè)試條件建立

3.1.1 主要顆粒介質(zhì)

過濾效率測(cè)試試驗(yàn)用常用的顆粒介質(zhì)主要包括氣溶膠（例如NaCl、KCl、DOP、DEHS、石蠟油等）、氧化鋁粉塵、聚苯乙烯乳膠微球、人工模擬塵[2]。霧霾是人類活動(dòng)向大氣排放微小顆粒物質(zhì)可以分散到大氣中形成的固體氣溶膠[3]，因此，本試驗(yàn)為模擬霧霾天氣環(huán)境，選用NaCl固體氣溶膠作為試驗(yàn)用顆粒介質(zhì)。

3.1.2 介質(zhì)溶液濃度的確定

本文采用壓縮空氣噴霧式氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生氣溶膠，分別往其注入不同質(zhì)量濃度的NaCl溶液，然后使用激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行采樣測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見圖2。劉新春[4]等人的研究指出，在我國(guó)北方地區(qū)的霧霾天氣環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子主要集中在粒徑小于0.65μm范圍內(nèi)，占比約為96%～98.5%。由圖2可見，NaCl溶液的質(zhì)量溶度為5%時(shí)，其所產(chǎn)生的氣溶膠粒子的粒徑分布比最接近劉新春等人的研究監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此，本試驗(yàn)過程最終選用5%NaCl溶液作為氣溶膠顆粒發(fā)生介質(zhì)。

圖2 不同質(zhì)量濃度NaCl溶液產(chǎn)生的氣溶膠粒子粒徑分布

3.1.3 測(cè)試風(fēng)速的確定

相關(guān)研究指出，霧霾天氣的出現(xiàn)與靜穩(wěn)天氣下空氣水平對(duì)流的不通暢導(dǎo)致大氣氣溶膠和氣體污染物大量聚集有關(guān)[5]，即風(fēng)力越小，大氣中的氣溶膠顆粒物越不易擴(kuò)散。并且，通過隨機(jī)查閱北京地區(qū)2016年12月的部分天氣數(shù)據(jù)，見表1，顯示當(dāng)出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，風(fēng)力情況一般小于3級(jí)，風(fēng)速在0.3m/s～3m/s之間。因此，本文將試驗(yàn)中的測(cè)試風(fēng)速設(shè)定為1.5m/s。

表1 北京地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)和風(fēng)力

3.2 模擬測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

從市場(chǎng)隨機(jī)采集了10批次標(biāo)識(shí)有防霧霾和防PM2.5效果，由纖維復(fù)合材料制成的防霧霾窗紗，測(cè)試其對(duì)PM2.5的過濾效率，試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 PM2.5的過濾效率測(cè)試結(jié)果

按照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)要求，在嚴(yán)重污染天氣條件下，若其室內(nèi)PM2.5日平均濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，其安裝的防霧霾窗紗PM2.5過濾效率須在70%以上。由表1可知，本次試驗(yàn)中的10批次樣品，都對(duì)PM2.5具有過濾效果，但只有兩批次樣品的PM2.5過濾效率大于70%，達(dá)到其宣稱的防霧霾和防PM2.5效果。

4 結(jié)論

（1）本文為解決如何測(cè)試阻隔霧霾用纖維復(fù)合材料的PM2.5過濾效率，設(shè)計(jì)了一套模擬霧霾天氣環(huán)境下，對(duì)阻隔霧霾用纖維復(fù)合材料PM2.5過濾效率進(jìn)行測(cè)試的裝置，并就相關(guān)試驗(yàn)條件參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了具體的試驗(yàn)取值，形成了較為科學(xué)可行的試驗(yàn)方法。

（2）本文采集了10批次由纖維復(fù)合材料制成的測(cè)試樣品，按照本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示只有兩批次樣品的PM2.5過濾效率大于70%，可滿足在嚴(yán)重污染天氣環(huán)境下，使消費(fèi)者室內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

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[5]閔敏,王普才,宗雪梅,等.灰霾過程中的氣溶膠特性觀察研究[J].氣候與環(huán)境研究, 2009,14(2):153-160.