基于覆膜纖維的自除塵聲屏障

王若禹　馬超　劉朋

摘? 要：空氣中可吸入顆粒物不僅影響著我國的環(huán)境，更是危害著人民的安全。目前對于道路揚塵的清潔僅僅依靠灑水，但浪費了水的同時只起到了暫時的清潔作用。通過DPM模型分析道路上揚塵的運動情況，設(shè)計一種可以自動吸附、過濾、清潔的裝置以實現(xiàn)清潔與節(jié)能。實驗表明，將工業(yè)新型纖維覆膜吸附除塵方式應(yīng)用于道路除塵，能夠充分發(fā)揮材料性能優(yōu)勢;利用道路噪聲和雨水資源完成裝置的清潔，無需動力源即可實現(xiàn)揚塵清理和自身清潔，減輕了人力工作負擔;模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為后期材料更換提供便捷。這一產(chǎn)品的使用對道路揚塵污染治理具有一定意義。

關(guān)鍵詞：揚塵清理;節(jié)能減排;新型纖維覆膜

中圖分類號：TH124? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0069-02

Abstract： Respirable particles in the air not only affect the environment of our country， but also endanger the safety of people. At present， the cleaning of road dust only depends on sprinkling water， but it simply plays a temporary role in cleaning while wasting water. The movement of dust on the road is analyzed by DPM model， and a device which can automatically absorb， filter and clean dust is designed to realize cleaning and energy saving. The experimental results show that the application of the new industrial fiber film adsorption dedusting method to road dedusting can give full play to the advantages of material performance， and the cleaning of the device can be completed by making use of road noise and rain water resources. Dust cleaning and self-cleaning can be realized without power source， which reduces the burden of human work; modular structure design provides convenience for material replacement in the later stage. The use of this product is of certain significance to the treatment of road dust pollution.

Keywords： dust cleaning; energy saving and emission reduction; new fiber film

引言

為打好大氣污染防治工作，揚塵綜合治理已成為首要任務(wù)。道路揚塵來源主要包括汽車尾氣顆粒物類排放性源、磨損和再懸浮類非排放性源[1]。非排放性源之中，影響揚塵污染的主要因子是道路積塵量，處理道路積塵成為治理揚塵的關(guān)鍵[2]。

當前治理道路揚塵采取的主要手段是灑水清掃，輔以日常保潔。而實踐表明，依靠灑水來抑制揚塵，容易引起路面早期破壞、增加道路養(yǎng)護成本、降低了路使用壽命，更易形成大的交通安全隱患[3]。

綜上，道路揚塵會影響空氣質(zhì)量、損害附近群眾及司乘人員的身體健康。同時，現(xiàn)階段的治理方法并不能做到有效處理揚塵?；诖?，在考慮道路氣流場模擬顆粒物輸送軌跡的情況下，將除塵單元與聲屏障有機結(jié)合，吸附過濾、收集處理，同時設(shè)置自清潔模塊，實現(xiàn)持久有效的除塵。

1 設(shè)計思路

基于濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對揚塵進行收集處理。將PTFE覆膜與玻璃纖維結(jié)合捕捉道路揚塵，同時基于其憎水性以及易脫灰性，利用雨水沖刷以及噪聲帶動共鳴器空氣柱反吹完成濾網(wǎng)自清潔。在濾網(wǎng)底部設(shè)置收集槽用于收集抖落和沖洗的揚塵，通過雨水將顆粒物帶至道路排水系統(tǒng)。如圖1所示。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 氣流場顆粒輸送模型

道路上行駛的機動車是塵粒揚起的主要源[4]。以路面顆粒物為研究對象，將該過程等效為氣力輸送過程。為定量探究機動車行駛過程中顆粒物在道路寬度方向的輸送情況，通過Fluent軟件DPM模型模擬地面顆粒物在汽車流場作用下的輸送。

2.2 模擬結(jié)果

經(jīng)過DPM模擬得到顆粒物軌跡。如圖2所示，該模擬結(jié)果說明道路積塵會在氣流作用下向道路兩側(cè)遷移，部分顆粒物會被聲屏障吸附捕捉。在高度方向，經(jīng)統(tǒng)計90%以上顆粒物高度位于1.2m以下，故確定該高度區(qū)間為最佳捕集范圍。

通過汽車揚塵經(jīng)驗公式確定單輛汽車攜帶起塵粒質(zhì)量流量9.407×10-6kg/s。假設(shè)聲屏障設(shè)計長度為1000m，汽車行駛速度為72km/h，每輛汽車經(jīng)過聲屏障需要時間為50s。道路為一級公路，取ADT=20000輛，可得聲屏障每日處理揚塵量9.4kg。

3 設(shè)計方案

3.1 聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)上下部分用吸聲板做成吸聲屏體單元，中部玻璃窗反射噪音和觀察外景。濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)放置于聲屏障的下部吸聲屏體之前，捕捉道路揚塵;傾斜的頂部結(jié)構(gòu)可以收集雨水等自然水，通過引水管路引入雨淋管沖洗濾網(wǎng)，水量過大會直接從立管流入收集槽。所有的單元組塊安裝于H型立柱上，高度為4m，每一組單元長度為2m，總體厚度（上部傾斜結(jié)構(gòu)除外）小于30cm。高度可以根據(jù)聲屏障隔聲的接受點高度調(diào)整。由最佳揚塵捕集高度，所以濾網(wǎng)模塊的最高處距離地面1.2m，整個濾網(wǎng)模塊高度為1m。如圖3所示。

3.2 除塵單元設(shè)計

3.2.1 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)選擇

濾網(wǎng)過濾除塵結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于各類除塵技術(shù)設(shè)備中。相對于其他普遍應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)除塵的手段，過濾式除塵手段成本低、對設(shè)備要求低，更適用于道路環(huán)境。

3.2.2 濾網(wǎng)材料選擇

本裝置選用玻璃纖維PTFE覆膜材料作為濾網(wǎng)材料。玻璃纖維覆膜濾料綜合了玻璃纖維的高強低伸、耐高溫、耐腐蝕和PTFE薄膜的表面光滑、憎水透氣、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點，具有耐高溫、除塵效率高和使用壽命長的優(yōu)良特性。

3.2.3 除塵單元模塊化設(shè)計

產(chǎn)品模塊化克服了工業(yè)上PTFE覆膜熱壓工藝技術(shù)導(dǎo)致的膜剝離強度大，從而使膜不易更換。模塊化結(jié)構(gòu)便于除塵結(jié)構(gòu)的更新替換，在控制成本的基礎(chǔ)上，最大限度的保證除塵效率。更換模塊不需要專業(yè)技術(shù)人員進行，降低人力成本。

3.3 自潔

3.3.1 微孔共鳴器反吹清潔

濾網(wǎng)模塊主要由濾網(wǎng)和微孔共鳴器組成，與吸聲板組成聲屏障下部分吸聲屏體，濾網(wǎng)放置于面向道路側(cè)，捕捉揚塵，共鳴器放置于濾網(wǎng)之后，吸收道路噪音，在道路噪音的作用下微孔共鳴器的空氣柱振動可以對濾網(wǎng)進行反吹，實現(xiàn)濾網(wǎng)的清潔。在實際應(yīng)用中共鳴器的固有頻率可以根據(jù)道路實際情況進行調(diào)整。在道路噪音達到共振時，共鳴器的空氣柱可以產(chǎn)生較大的振動速度和功率，達到濾網(wǎng)反吹和振動的效果，從而使輔助粉塵層從濾網(wǎng)上脫落。

3.3.2 雨水清潔

該部分由重力式雨水斗、雨水管、雨淋管、排出管等組成。重力式雨水斗設(shè)置于聲屏障“Y”型頂部結(jié)構(gòu)的最低處，承接匯集的雨水。雨水經(jīng)立管后進入雨淋管，雨淋管為開縫形式，當其中雨水積累到一定量時溢出，對濾網(wǎng)均勻沖洗并將顆粒物帶入集塵槽。如果水量過大，則可通過立管直接沖刷集塵槽。如圖4所示，在水滴從纖維膜表面沖刷的過程中，覆膜表面顆粒物被一并帶走。

4 結(jié)束語

給予覆膜纖維的自除塵聲屏障適用于靠近居民區(qū)的城市快速路。（1）在加裝聲屏障隔絕噪音的同時實現(xiàn)揚塵的治理，減少城市交通對人們生活環(huán)境的不利影響。（2）將聲屏障和揚塵治理結(jié)合，可節(jié)省空間，延長裝置使用壽命。（3）將聲屏障的吸聲功能與道路揚塵清理模塊有機結(jié)合，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

參考文獻：

[1]Pallavi P， Harrison R M. Estimation of the contribution of road traffic emissions to particulate matter concentrations from field measurements： A review[J]. Atmospheric Environment， 2013， 77： 78-97.

[2]李玉梅，杜麗，郭留紅，等.河南省普通公路揚塵污染及其影響因子分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（7）：327-328.

[3]劉前途.公路揚塵治理的鞏義實踐[J].中國公路，2018（7）： 80-81.

[4]張瑤.機動車行駛過程中揚塵污染分布特征的數(shù)值模擬研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2012.

[5]陳虧，高晶，俞建勇，等.玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28（2）：1-5.

[6]毛崎波，皮耶奇克.基于MATLAB的噪聲和振動控制[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2016，1：219-221.

[7]Xiao L， Xiao X， Wang T T， et al. Waterproof-breathable PTFE nano- and Microfiber Membrane as High Efficiency PM2.5 Filter[J]. Polymers， 2019，11（4）： 590-603.