可吸入顆粒物種類對聚丙烯腈纖維束過濾器除塵性能的影響

付群飛，房 杰2，時(shí) 杰，曹曉強(qiáng)，呂憲俊

(1. 山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 萊蕪 271199)

可吸入顆粒物通常是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10 μm以下的顆粒物，隨呼吸進(jìn)入人體后會(huì)對人的身體健康產(chǎn)生極大危害[1-2]。由于可吸入顆粒物導(dǎo)致的心臟類和呼吸道類疾病逐漸增多[3-4]，除塵技術(shù)的研究工作也越來越受到關(guān)注，目前比較成熟的除塵技術(shù)有編織過濾器除塵技術(shù)[5-6]、靜電除塵技術(shù)[7-10]、駐極體除塵技術(shù)[11-12]和膜過濾技術(shù)[13-15]。編織過濾器除塵技術(shù)雖被普遍采用，但其運(yùn)行過程中需要定期更換濾材，并且運(yùn)行能耗較高；靜電除塵技術(shù)具有效率高、處理量大等優(yōu)勢，但該技術(shù)一次投資大、對工作環(huán)境要求較高且存在安全隱患; 駐極體除塵技術(shù)具有除塵效率高、壓降小等優(yōu)勢，但其使用受材料限制較大；膜過濾技術(shù)具有效率高、粒徑可控等特點(diǎn)，但其空氣處理量較小，運(yùn)行成本較高。除上述除塵技術(shù)之外，纖維束過濾技術(shù)因?yàn)榫哂羞\(yùn)行成本低、壓降小、容塵量大等優(yōu)勢，在可吸入顆粒物的凈化研究方面也開始受到重視。

纖維束過濾器中纖維排列方向與含塵氣流流動(dòng)方向一致且具有松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、容塵量大、壓降小的特點(diǎn)，具有極大的實(shí)際應(yīng)用潛力。Li等[16]探究了常規(guī)纖維過濾器、駐極體過濾器和駐極體纖維束過濾器在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中的除塵性能，發(fā)現(xiàn)常規(guī)纖維過濾器的滲透率在3%～64%之間變化，駐極體過濾器的滲透率為35%～85%，而駐極體纖維束過濾器滲透率僅為1%～27%。Park等[17]將預(yù)過濾器與駐極體過濾器，駐極體束過濾器或駐極體褶皺過濾器組合在一起，對空氣中PM10和PM2.5的過濾效率分別達(dá)到了85%和55%。Noh等[18-19]將聚丙烯纖維束安置在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)之中進(jìn)行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)過濾風(fēng)速為0.5 m·s-1時(shí)，過濾器對粒徑100～800 nm氣溶膠的去除率為50%～70%；過濾風(fēng)速為1.0 m·s-1時(shí)，0.4和0.6 μm氣溶膠的去除率分別為52%和65%。Efimov等[20]利用聚丙烯纖維束對蚊香燃燒產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)行去除實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對顆粒物施加10 kV電壓后除塵效率明顯提高，其中粒徑50～600 nm顆粒物的去除效率可達(dá)90%?？梢钥闯觯w維過濾器能夠有效捕集不同粒徑的粉塵顆粒，但相關(guān)研究仍然不夠全面，特別是對不同類型顆粒物的過濾特性還沒有開展系統(tǒng)研究。

本研究以聚丙烯腈纖維為濾材，考察了路面揚(yáng)塵、粉煤灰和鐵礦粉三種顆粒物對纖維束過濾器除塵性能的影響，并通過表面電荷密度測定和掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)檢測等方法對聚丙烯腈纖維束過濾器的除塵機(jī)理進(jìn)行了研究。由于粉煤灰和鐵礦粉分別是電廠和鐵礦廠周圍重要的空氣污染源，而路面揚(yáng)塵更是空氣污染物的重要來源之一，對三種物質(zhì)進(jìn)行除塵研究有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中物料供給單元由螺旋給料和智能失重秤兩部分組成；效率和壓降測定單元由自動(dòng)煙塵測試儀(3012H)和智能數(shù)字微壓計(jì)(DP1000-ШB)組成。物料經(jīng)智能失重秤稱量后由螺旋給料單元均勻給入風(fēng)機(jī)入口，風(fēng)機(jī)將恒定流量的空氣以及粉塵輸送至管道內(nèi)，并在管內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣與粉塵的均勻混合，然后含塵氣流通過纖維束過濾單元，通過測量裝置對過濾單元進(jìn)出口處的粉塵濃度和壓力進(jìn)行測定，進(jìn)而計(jì)算得到過濾效率和壓降。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用三種顆粒物為路面揚(yáng)塵、粉煤灰和鐵礦粉，其中路面揚(yáng)塵取自主干交通道路邊緣，粉煤灰取自黃島恒源熱電廠，鐵礦粉取自山東蒼山鐵礦。圖2為各顆粒物X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)圖譜。

圖2 不同顆粒物XRD圖譜

由圖2可知，路面揚(yáng)塵的主要礦物組分為石英和鈉長石；粉煤灰的主要組分是石英、莫來石、氧化鐵和無水石膏；鐵礦粉的主要組分是磁性鐵、石英和鈉閃石。三種原料經(jīng)過行星磨(XQM-2)球磨后，平均粒度均達(dá)到4 μm。

實(shí)驗(yàn)所用纖維束過濾器材質(zhì)為聚丙烯腈纖維，表1為其規(guī)格參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)用纖維規(guī)格參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1) 除塵效率測定

利用煙塵自動(dòng)測試儀(3012H)測量過濾單元進(jìn)出口處粉塵濃度，可以計(jì)算過濾器除塵效率η，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：η為除塵效率，%；Cin、Cout分別為纖維束過濾器進(jìn)口和出口處粉塵濃度，g·m-3。

2) 壓降測定

過濾器壓降是指過濾單元進(jìn)、出口風(fēng)壓之差，常用來評價(jià)過濾器能耗。本實(shí)驗(yàn)利用DP1000-ШB型智能數(shù)字微壓計(jì)測量過濾器上下游壓力之差，具體見公式(2)。

ΔP=Pup-Pdown。

(2)

式中：ΔP為過濾壓降，Pa；Pup、Pdown分別為過濾器上下游取樣口處壓力值，Pa。

3) 積塵量測定

積塵量D定義為過濾器吸附粉塵質(zhì)量M與纖維束體積V的比值[21]：

(3)

M=M1+M2+…+Mi，

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)中：M—吸附粉塵質(zhì)量，g；V—纖維束體積，cm3；Mi—第i次測量與第i-1次測量之間過濾單元的增重，g；ηi—第i次測量時(shí)過濾單元的瞬時(shí)效率，%；Q—?dú)怏w流量，m3·h-1；Cin—過濾單元上游粉塵濃度，g·L-1；t—兩次測量之間的時(shí)間間隔，min。

4) 表面電荷密度測定

表面電荷密度大小與纖維表面電位和纖維厚度有關(guān)，計(jì)算公式見式(7)，其中纖維表面電位由靜電測試儀(SIMCO，F(xiàn)MX-003)測量所得。

(7)

式中：C—表面電荷密度，μC·m-2；V—表面電位，V；ε—空氣的介電常數(shù)，8.85×10-12F·m-1；d—纖維層厚度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同顆粒物種類對聚丙烯腈纖維束過濾器積塵量和除塵效率的影響

在過濾單元入口粉塵濃度0.58 g·m-3、過濾風(fēng)速1.0 m·s-1、纖維填充率0.67%的條件下，探究了聚丙烯腈纖維束過濾器對路面揚(yáng)塵、粉煤灰和鐵礦粉三種物料的積塵量和除塵效率的差異，結(jié)果見圖3。

圖3 不同顆粒物對除塵性能的影響

圖3(a)為過濾器積塵量隨過濾時(shí)間增加時(shí)的變化情況，從中看出隨過濾時(shí)間的增加，過濾器中三類顆粒物的積塵量皆逐漸增加，其中路面揚(yáng)塵和粉煤灰積塵量曲線趨勢相近，70 min后達(dá)到1.4 g·cm-3左右；但鐵礦粉積塵量明顯小于其他兩種顆粒物，70 min后積塵量僅為0.8 g·cm-3。圖3(b)為過濾器對不同顆粒物的除塵效率隨過濾時(shí)間的變化情況，可以看出，隨著過濾時(shí)間的增加，過濾器對不同物料的除塵效率皆呈現(xiàn)下降趨勢，其中路面揚(yáng)塵和粉煤灰的除塵效率曲線變化情況相似且下降幅度較小(效率從85%降至75%左右)；而鐵礦粉的除塵效率曲線整體偏低且下降幅度較大(效率從55%降為30%左右)。以上數(shù)據(jù)說明聚丙烯腈纖維束過濾器對路面揚(yáng)塵、粉煤灰和鐵礦粉皆有凈化作用，但對不同顆粒物的除塵性能不同，對路面揚(yáng)塵和粉煤灰除塵效果較好，對鐵礦粉的除塵效果較差。

2.2 不同顆粒物種類對聚丙烯腈纖維束過濾器壓降的影響

為評價(jià)顆粒物種類對過濾器能耗的影響，在入口粉塵濃度0.58 g·m-3、過濾風(fēng)速1.0 m·s-1、纖維填充率0.67%的條件下，研究了三種顆粒物凈化過程中壓降隨過濾時(shí)間的變化情況。除此之外，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，采用傳統(tǒng)編織過濾器對路面揚(yáng)塵進(jìn)行凈化，將壓降變化情況與聚丙烯腈纖維束過濾器進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同顆粒物的壓降曲線

從圖4中看出，隨著過濾時(shí)間的增加，聚丙烯腈纖維束過濾器對三種顆粒物的壓降皆有所增加、但增加幅度不大，壓降變化值在3 Pa左右。由圖3可知，隨過濾時(shí)間的增加聚丙烯腈纖維束的積塵量逐漸增加，粉塵的累積會(huì)導(dǎo)致過濾器內(nèi)部空氣通道變窄，使氣流通過過濾器時(shí)壓降增加。但與傳統(tǒng)編織過濾器相比，聚丙烯腈纖維束過濾器的壓降明顯更小。從圖4看出，傳統(tǒng)過濾器的壓降曲線整體高于聚丙烯腈纖維束過濾器，且增長速率也更高，這與兩種過濾器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。兩種過濾器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，纖維束過濾器中的纖維排布方向與含塵氣流的流動(dòng)方向相同，而傳統(tǒng)編織過濾器的纖維與氣流方向垂直。纖維束過濾器的纖維排列方式使其內(nèi)部擁有發(fā)達(dá)的空氣通道，使氣流通過時(shí)的能量損失降到最低。當(dāng)纖維捕集顆粒物后，傳統(tǒng)編制式過濾器的氣流通道(纖維編制形成的孔洞)將會(huì)被粉塵占據(jù)，從而導(dǎo)致氣流通路逐漸變窄，壓降急劇增加。而纖維束過濾器在相同時(shí)段仍然具備較為寬闊的氣流通路，其壓降變化不大。

圖6 顆粒物種類對表面電荷的影響

2.3 聚丙烯腈纖維束過濾器除塵機(jī)理研究

現(xiàn)有除塵器最主要的粉塵捕集機(jī)理包括機(jī)械攔截作用(編織過濾器過濾技術(shù)、膜過濾技術(shù))、靜電吸附作用(靜電除塵技術(shù))以及兩種作用的組合(駐極體過濾技術(shù))。為探討聚丙烯腈纖維束過濾器的除塵機(jī)理，首先對過濾器進(jìn)行表面電荷的測量。實(shí)驗(yàn)過程中每隔10 min對纖維束表面電荷密度進(jìn)行測量，利用式(3)～(6)和圖3求出對應(yīng)時(shí)間的積塵量，所得積塵量與表面電荷密度的關(guān)系見圖6。

圖6數(shù)據(jù)表明聚丙烯腈纖維束表面帶有電荷，隨著積塵量增加，表面電荷總體呈下降趨勢，但不同顆粒物的表面電荷密度變化趨勢有所不同。當(dāng)顆粒物為路面揚(yáng)塵和粉煤灰時(shí)，其表面電荷密度變化相差不大；當(dāng)顆粒物為鐵礦粉時(shí)，相同條件下其表面電荷密度值明顯低于其他兩種顆粒物。靜電荷的產(chǎn)生與物質(zhì)的介電常數(shù)值有關(guān)，當(dāng)兩種介電常數(shù)不同的物質(zhì)發(fā)生接觸分離時(shí)會(huì)發(fā)生接觸面電子的轉(zhuǎn)移進(jìn)而使物質(zhì)荷電，介電常數(shù)之差越大荷電量越大。路面揚(yáng)塵、粉煤灰、鐵礦粉和聚丙烯腈纖維的介電常數(shù)分別為4.98、4.75、3.48和1.50，各顆粒物與聚丙烯腈纖維之間存在介電常數(shù)差，因介電常數(shù)差值的存在，導(dǎo)致圖6中纖維束表面電荷密度出現(xiàn)差異。隨著粉塵負(fù)載量的逐漸增加，纖維表面的電荷被逐漸中和、屏蔽，從而使得檢測到的電荷強(qiáng)度越來越弱。因此推斷認(rèn)為，纖維表面電荷的存在能夠證明靜電吸附作用是聚丙烯腈纖維束過濾器的作用機(jī)理之一。

為進(jìn)一步對聚丙烯腈纖維束過濾器的除塵機(jī)理進(jìn)行研究，對實(shí)驗(yàn)后的纖維束進(jìn)行了SEM檢測。圖7為其SEM圖像。

圖7 纖維束表面SEM圖像

由圖7可見，過濾器內(nèi)截留的顆粒物存在兩種狀態(tài)：吸附于纖維表面與堆集于纖維之間。由圖中可知，纖維表面非常光滑(圖7(c))，因此認(rèn)為只有靜電力能夠?qū)⒎蹓m束縛在光滑纖維的表面。再結(jié)合圖6分析，進(jìn)一步確認(rèn)顆粒物吸附于纖維表面是靜電作用所致。但是隨著積塵量的不斷增加，過濾器內(nèi)部空氣通道變窄(圖7(a))，先前被捕集的顆粒此時(shí)已經(jīng)具備了對氣流中顆粒物的攔截捕集作用(類似于袋式除塵器的粉塵初層)，此時(shí)的過濾機(jī)理主要是機(jī)械攔截作用。另外對于部分極細(xì)顆粒物，也不可忽視布朗效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)等機(jī)理，但總體看來并不是主要機(jī)理。

綜合以上研究結(jié)果，認(rèn)為纖維束過濾器在運(yùn)行初期的捕集機(jī)理主要是靜電吸附作用，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，積塵量不斷增加，機(jī)械攔截作用逐漸成為主要的作用機(jī)制。

3 結(jié)論

1) 聚丙烯腈纖維束過濾器能夠有效凈化可吸入顆粒物，其除塵機(jī)制為靜電吸附與機(jī)械攔截作用的聯(lián)合。過濾器運(yùn)行初期的主要除塵機(jī)制為靜電吸附作用，運(yùn)行后期的除塵機(jī)制則以機(jī)械攔截作用為主。

2) 聚丙烯腈纖維束過濾器對不同顆粒物的去除效率有所差異，其中對路面揚(yáng)塵和粉煤灰的除塵效率為70%～80%，對鐵礦粉的除塵效率為30%～60%。除塵效率的差異與顆粒物介電常數(shù)差異有關(guān)，顆粒物與過濾器介質(zhì)之間介電常數(shù)差異越大去除效果越好。

3) 不同顆粒物對聚丙烯腈纖維束過濾器壓降的影響較小，且壓降隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行增幅很小，這主要得益于纖維束內(nèi)部獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)和發(fā)達(dá)的空氣通道，此特點(diǎn)能在很大程度上降低能耗。