窗簾布含水率對細顆粒物沉積性能的影響

范曉偉,魏艷雨,盧士艷,商良鉞,張清志,王 艷

(1.中原工學院 能源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450007;2.鄭州大學 土木工程學院,河南 鄭州 450001;3.中原工學院 紡織學院,河南 鄭州 450007;4.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院,陜西 西安 710055)

0 引 言

據相關統(tǒng)計數據顯示,人們平均每天80%以上的時間是在室內度過的[1],而人類68%的疾病發(fā)生與室內環(huán)境污染有關。室內環(huán)境污染已被列入對公眾健康影響最大的5種環(huán)境因素之一[2]。室內環(huán)境污染物多以細小顆粒物形式存在,在呼吸的過程中,帶有細菌病毒的顆粒物進入呼吸道,對人體健康有極大的危害[3]。室內顆粒物的沉積能有效降低室內空氣中的顆粒物濃度,減少人體對顆粒物的吸入量,從而改善室內人員的健康狀況。然而,顆粒物的沉積取決于通風方式[4-5]、氣流速度[6-7]、室內溫度[8]、相對濕度[9-10]、粒子特性[11-12]等許多因素。除此之外,室內鋪設物占據較大的室內表面積。相關研究表明,室內鋪設物材質[13-15]、表面粗糙度[16-18]等對顆粒物沉積存在一定的影響。窗簾布屬于室內鋪設物的一種,在捕獲室內外顆粒物的同時也不可避免受外界環(huán)境因素的影響而存在潤濕現(xiàn)象。目前，關于窗簾布對顆粒物沉積影響的研究大多局限于窗簾布的表面特性,如粗糙度[19]，關于窗簾布濕潤后對顆粒物沉積的影響未見報道。本文設計實驗研究窗簾布含水率對顆粒物沉積的影響,以期完善室內顆粒物沉積影響因素相關研究。

1 實 驗

1.1 窗簾布樣品選擇

市面上常見的窗簾布多為棉、麻、滌綸材質或由幾種材質混紡而成。不同織物由于纖維內部親水性基團、纖維結晶度、比表面積及內部空隙不同,導致纖維吸濕性不同,一般天然纖維的吸濕性大于合成纖維[20]。根據不同纖維吸濕性能的差異,從常見的窗簾材質中選擇了滌綸和麻作為本實驗的樣品材質,根據GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定 第一部分:單相組合試驗法》測量樣品的最大含水率。含水率的計算方法為

(1)

式中:A為樣品含水率，%;W1為樣品濕質量,g;W0為樣品干質量,g。

樣品的基本性能參數見表1。所選的2種窗簾布樣品均是平紋組織的單層織物樣品,麻樣品的吸水性能大于滌綸樣品。

表1 窗簾布樣品的基本性能參數

1.2 設備

實驗在一個密閉的鋁制沉積小室(如圖1所示)內進行，其內部尺寸為0.8 m×0.8 m×0.8 m。實驗臺系統(tǒng)如圖2所示。圖中：1為氮氣瓶；2為ATM 220 氣溶膠發(fā)生器；3為干燥裝置；4為顆粒物注入鏈接皮管；5為實驗小室；6為六葉風扇；7為顆粒物濃度采集點；8為顆粒物采集皮管；9為GRIMM 11-A 光學粒子計數器；10為聚氨酯塑料泡沫；11為空氣凈化器。其他實驗設備介紹見文獻[19]，本文不再贅述。

圖1 沉積小室

圖2 實驗臺系統(tǒng)簡圖

1.3 實驗原理

樣品表面疏松多孔，無法直接測量樣品表面顆粒物的沉積量，因此采用顆粒物濃度衰減法研究室內細顆粒物的沉積規(guī)律。在均勻混合的房間內，顆粒物滿足如下質量平衡方程[13]:

(2)

式中：Cin為室內顆粒物濃度，個/m3；Cout為室外顆粒物濃度，個/m3；λr為房間的空氣交換率，h-1；λde為顆粒沉積常數；λR為顆粒再懸浮系數；Di為顆粒物沉積濃度，個/m3。

由于實驗中顆粒物的沉積及再懸浮無法單獨評估，故采用λd表征二者在沉積過程中的整體效果。在沉積過程中箱體密封良好，式(2)又可表示為

Cin(t)=Cin(0)·exp(-λdt)

(3)

式中:λd為顆粒沉積損失率。

1.4 實驗

沉積實驗步驟如下：

1)樣品調濕。通過控制噴壺的噴水量調節(jié)實驗樣品的含水率。

2)樣品搭載。將調整好含水率的樣品展開豎直放置在實驗艙兩側壁面處。

3)小室凈化。對實驗小室裸露內表面進行清潔，然后關閉艙門，打開過濾器凈化室內空氣;打開粒子計數器，當內部總懸浮顆粒濃度降到10 000個/m3以下時關閉過濾器。

4)發(fā)塵。打開氣溶膠發(fā)生器向小室內注入顆粒，同時打開小室內的風扇，使小室內的顆粒物充分混合；當小室內總粒子濃度達到所需濃度(5.5×108個/m3)時，停止發(fā)塵。

5)沉積。將風扇轉速調至顆粒沉積所需轉速，開始沉積；從此刻起監(jiān)測并記錄30 min內顆粒物濃度變化，并根據公式(2)、(3)計算顆粒物的沉積損失率。由于實驗過程中存在樣品散濕，取實驗前后樣品含水量的平均值計算樣品的含水率。

2 結果與討論

2.1 樣品含水情況下的表面特性

利用VK-X110形狀激光顯微鏡測量干濕樣品的表面粗糙度。表面粗糙度計算公式為

(4)

式中：Ra為表面的算術平均高度,即粗糙度，μm；Hi為以最低平面作為參考平面的表面起伏高度，μm；n為統(tǒng)計范圍內表面點的總個數。測量結果見表2。

從表2可以看出，2種樣品的表面粗糙度隨著樣品潤濕程度的增加而顯著降低。

表2 干濕狀態(tài)下表面粗糙度

通過激光顯微鏡對干態(tài)和飽和潤濕狀態(tài)下的織物表面放大200倍,然后進行三維掃描。掃描結果如圖2所示,圖中縱坐標表示樣品表面最高峰到最低谷的垂直距離?？梢钥闯?在2種干態(tài)樣品表面均能看到長短不一的毛羽,隨著樣品的潤濕,樣品表面毛羽發(fā)生倒伏,表面波動幅度降低,毛羽量隨著含水率的增加而有所減少,且毛羽高度有所降低。

(a)干滌綸樣品

當2種窗簾布樣品含水率相同(均為75%)時,利用激光顯微鏡對樣品表面放大1 000倍觀察表面水分布狀態(tài)。結果發(fā)現(xiàn),水在2種樣品表面的分布情況差異較大,參見圖4。

(a)麻樣品

在樣品含水率相同(均為75%)時,麻纖維會吸收更多的水分,而在麻樣品表面纖維間的縫隙中只見少量的液體；滌綸纖維吸水性極差,水主要以液體的形式存在于纖維表面,水在滌綸樣品表面形成大量的水膜,并且大部分纖維被淹沒。

2.2 樣品含水率的影響

在沉積實驗過程中，小室內的溫度始終保持在19.2～21.8 ℃，相對濕度為91.3%～94.5%。風扇轉速設定為2 100 r/min，對應的近壁面平均風速為0.56 m/s。實驗所研究的顆粒物粒徑為0.425～1.15 μm，含水率在10%～75%。

在顆粒物粒徑分別為0.425、0.475、0.615、0.675、0.750、0.900及1.150 μm的情況下，含水率對顆粒物沉積損失率的影響如圖5所示。

(a)滌綸樣品

從圖5可以看出:對于麻樣品,在研究的粒徑范圍內,顆粒物沉積損失率隨著樣品含水率的增加而降低,含水率從10%增加到75%,顆粒物沉積損失率降低幅度為12.3%～23.4%;對于滌綸樣品,含水率從10%增加到25%,顆粒物沉積損失率有所增加,含水率從25%增加到75%,顆粒物沉積損失率降低,整體降低幅度為9.9%～26.4%。從圖5還可以看出，含水率一定時，顆粒物粒徑對沉積損失率的影響呈先下降后上升的V型分布。

隨著樣品被潤濕,樣品表面波動幅度降低,毛羽量有所減少,且毛羽高度有所降低。顆粒物在織物表面沉積過程中,織物近表面會形成一層很薄的濃度邊界層。在沒有靜電力及熱泳力的作用下,顆粒物的沉積過程可分為3步:①顆粒通過機械驅動的渦流向表面移動;②在靠近壁面的邊界層內靠濃度梯度擴散;③粒子被表面捕獲[21]?？椢镞吔鐚觾阮w粒物的濃度要低于主流區(qū)的濃度。當織物處于干燥狀態(tài)時,織物表面毛羽能進入甚至穿過顆粒物濃度邊界層,使得織物表面毛羽暴露在更高濃度的粒子環(huán)境下,從而對顆粒物進行更多的截留、捕集。但隨著織物含水率的增加,織物表面的毛羽發(fā)生了倒伏,伸展到顆粒物濃度邊界層的毛羽量逐漸減小,使得顆粒物的沉積量有所降低。

除此之外,隨著織物含水率的增加,樣品表面粗糙度也發(fā)生變化。根據表2可知,隨著樣品的潤濕,纖維間縫隙內的水分逐漸增加,甚至淹沒部分纖維,從而會降低織物表面的粗糙度及外表面積。織物表面粗糙度的增加有利于增強顆粒物在織物表面的沉積[19]?？椢锖实脑黾釉谝欢ǔ潭壬辖档土丝椢锉砻娴拇植诙?所以顆粒物的沉積速率有所降低。對比2種樣品材質性能,麻纖維的吸濕性較強,而滌綸纖維幾乎不吸水[20]。當2種樣品含水率從10%增加到75%時,滌綸樣品纖維間水分的增加量要大于麻樣品,進而滌綸樣品含水率變化對顆粒沉積的影響稍大于麻樣品。

2.3 樣品材質的影響

在含水率分別為50%、75%的情況下,樣品材質對沉積損失率的影響如圖6所示。

圖6 不同樣品的顆粒物沉積損失率的變化

從圖6可以看出：在含水率為50%時,各種粒徑顆粒物在麻樣品表面的沉積損失率大于滌綸樣品,兩者的差值為0.079 2～0.288；當含水率增加到75%時,顆粒物在2種織物表面沉積損失率的差值為0.138 6～0.309 3。即隨著含水率的增加,顆粒物在樣品上沉積損失率的差值增大。根據圖4,在2種樣品具有相同含水率時,相比于麻樣品，滌綸樣品纖維間會存留更多的水分,表面更趨于光滑。使得滌綸樣品表面毛羽量、粗糙度及比表面積均小于麻樣品，導致在相同含水率下,顆粒物在麻樣品表面的沉積損失率大于滌綸樣品。當含水率從50%增加到75%,2種樣品表面的差異性增大,顆粒在2種樣品表面沉積損失率的差值也進一步增加。

3 結 論

1)當窗簾布含水率相同時,顆粒物沉積損失率隨粒徑均呈現(xiàn)V型變化，且麻樣品表面的沉積損失率大于滌綸樣品。

2)隨著樣品含水率增加,織物表面的毛羽發(fā)生了倒伏,伸展到顆粒物濃度邊界層的毛羽量逐漸減小,使得顆粒物的沉積損失率有所降低。

3)含水率的增加使更多的水分布在纖維表面或者是纖維與纖維間的毛細通道內,降低了織物表面的粗糙度及外表面積,從而減少了顆粒物在樣品表面的沉積,使得顆粒物沉積損失率隨樣品含水率的增加整體呈現(xiàn)降低的趨勢。

4)在選擇窗簾布時,麻材質比滌綸材質更易吸附顆粒物,并且含水量越小的窗簾布對顆粒物的吸附性越大,從而有利于提高室內空氣品質。