復(fù)合過(guò)濾材料性能檢測(cè)研究

張楝聃，汪 磊，彭明江，劉原宏，黃 丹，李玲龍

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，空氣污染加劇，過(guò)濾材料的發(fā)展愈發(fā)受到大眾關(guān)注?？諝馕廴疚镔|(zhì)成分復(fù)雜，其中可吸入顆粒物(粒徑小于10 μm的顆粒物)在環(huán)境空氣中持續(xù)存在的時(shí)間很長(zhǎng)，被人體吸入后會(huì)積累在呼吸系統(tǒng)中，引發(fā)許多疾病，對(duì)人類(lèi)危害大。大量研究表明，熔噴布濾料具有纖維細(xì)、空隙多、過(guò)濾效率高的特點(diǎn)[1～3]，是口罩、空氣凈化器/過(guò)濾器等產(chǎn)品的重要濾材；而活性炭纖維濾料具有較大的比表面積、吸附脫附速率快、吸附容量大的特點(diǎn)[4～7]，在空氣凈化領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用[8～10]。

本研究檢測(cè)了熔噴布與活性炭纖維復(fù)合過(guò)濾材料及其單層結(jié)構(gòu)對(duì)空氣中顆粒污染物的去除效果，分析了過(guò)濾時(shí)間、材料及復(fù)合等影響因素對(duì)過(guò)濾效率和壓力損失的影響，對(duì)材料性能進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)價(jià)。

2 材料與方法

2.1 主要儀器與試劑

儀器：AS-510型壓差計(jì)、HT9829型熱敏式風(fēng)速儀、CW-HAT200型顆粒物檢測(cè)儀等過(guò)濾材料性能檢測(cè)裝置(圖1)。

圖1 過(guò)濾材料性能檢測(cè)裝置

濾料：熔噴布(廣東某棉廠)、活性炭纖維(山東某環(huán)保公司)、熔噴布+活性炭纖維復(fù)合材料。

2.2 顆粒物發(fā)生源

為了達(dá)到更好的擬真效果，顆粒物發(fā)生源采用熏香，其釋放的顆粒物有超細(xì)碳基微粒，以及多環(huán)芳香烴、羰基化合物和苯等VOCs氣溶膠。其產(chǎn)生的煙塵穩(wěn)定均勻、較易控制，具有代表性，是本實(shí)驗(yàn)較為理想的顆粒物發(fā)生源。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 準(zhǔn)備工作

分別測(cè)量各種過(guò)濾材料的定量、厚度等物理參數(shù)，并進(jìn)行記錄。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量并記錄，確定發(fā)生源位置并記錄。檢查實(shí)驗(yàn)裝置、儀表和器材情況，確認(rèn)其是否符合實(shí)驗(yàn)要求。

2.3.2 過(guò)濾材料測(cè)試

(1)單層過(guò)濾材料測(cè)試。將所測(cè)試的熔噴布、活性炭纖維樣品剪裁成合適大小，放置于實(shí)驗(yàn)儀器中，并固定好，開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)需要預(yù)設(shè)風(fēng)速，通過(guò)變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)風(fēng)速，在預(yù)設(shè)風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)t=0，當(dāng)時(shí)間為0、5、10、20、30、40 min時(shí)，觀察儀器數(shù)值并記錄下風(fēng)速、過(guò)濾面前后壓力差，記錄過(guò)濾面后方有機(jī)氣溶膠濃度，計(jì)算出過(guò)濾效率。

(2)雙層過(guò)濾材料測(cè)試。將所測(cè)試的熔噴布、活性炭纖維樣品剪裁成合適大小，將需測(cè)試的過(guò)濾材料放置于實(shí)驗(yàn)儀器中，并固定好，開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)需要預(yù)設(shè)風(fēng)速，通過(guò)變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)風(fēng)速，在預(yù)設(shè)風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)t=0，當(dāng)時(shí)間為0、5、10、20、30、40 min時(shí)，觀察儀器數(shù)值并記錄下風(fēng)速、過(guò)濾面前后壓力差，記錄過(guò)濾面后方有機(jī)氣溶膠濃度，計(jì)算出過(guò)濾效率。

2.4 分析方法

壓差采用壓差計(jì)測(cè)定，風(fēng)速采用熱敏式風(fēng)速儀測(cè)定，PM2.5、PM10顆粒含量采用手持式顆粒物檢測(cè)儀測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 過(guò)濾材料的物理參數(shù)

從表1可見(jiàn)，活性炭纖維的單位面積定量、厚度均值均高于熔噴布。

表1 各過(guò)濾材料的物理參數(shù)

3.2 測(cè)試材料對(duì)不同粒徑顆粒物去除效率隨時(shí)間的變化情況

從圖2可見(jiàn)，過(guò)濾開(kāi)始時(shí)熔噴布，對(duì)PM2.5、PM10顆粒去除率達(dá)到90%以上。隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，過(guò)濾效率維持穩(wěn)定。分析認(rèn)為，熔噴布纖維直徑較小、孔隙率高，立體三維微過(guò)濾結(jié)構(gòu)使其對(duì)各粒徑顆粒的去除率均較高。對(duì)于較大的顆粒，主要通過(guò)慣性效應(yīng)、篩效應(yīng)、重力沉降效應(yīng)的綜合作用進(jìn)行去除；對(duì)于較小的顆粒，主要通過(guò)靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)的綜合作用進(jìn)行去除。在圖2所示實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，過(guò)濾效率處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中其效率有所下降。

圖2 熔噴布對(duì)不同粒徑顆粒物去除效率隨時(shí)間的變化情況

從圖3可見(jiàn)，過(guò)濾開(kāi)始時(shí)活性炭纖維對(duì)PM2.5、PM10顆粒去除率達(dá)到50%以上，隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，對(duì)PM2.5顆粒去除率整體呈下降趨勢(shì)，而對(duì)PM10粒徑顆粒的去除率略有下降且趨于平穩(wěn)。分析認(rèn)為，由于活性炭纖維直徑較大、孔隙較大，使其對(duì)各粒徑顆粒的去除率具有較大差異。

圖3 活性炭纖維對(duì)不同粒徑顆粒物去除效率隨時(shí)間的變化情況

(1)對(duì)于較大的PM10顆粒，主要通過(guò)活性炭纖維慣性效應(yīng)、篩效應(yīng)、重力沉降效應(yīng)的綜合作用而去除。5～10 min時(shí)，由于顆粒過(guò)多的聚集在材料纖維上及纖維間隙中，形成粉塵初層，其篩效應(yīng)有所提高，去除率小幅提升。10 min后，隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，已被阻截的顆粒也會(huì)受力脫落，所以其去除率有所降低并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)對(duì)于PM2.5小粒徑顆粒，由于活性炭纖維過(guò)濾層具有靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和吸附的綜合作用，加之活性炭對(duì)于吸附小分子物質(zhì)吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附[11]，因此活性炭纖維對(duì)小粒徑顆粒具有一定的初始去除率，隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，已被阻截的顆粒會(huì)受力脫落，已被吸附的顆粒會(huì)解吸，兩方面原因?qū)е缕淙コ手饾u降低，而后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖4可見(jiàn)，過(guò)濾開(kāi)始時(shí)熔噴布+活性炭纖維復(fù)合材料對(duì)各粒徑顆粒去除率均達(dá)到90%左右，在圖4所示實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)乃至更長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，其去除率均較高且比較穩(wěn)定。分析認(rèn)為，復(fù)合濾料多層次過(guò)濾纖維對(duì)各粒徑顆粒的具有較高且持續(xù)穩(wěn)定的去除率。

圖4 熔噴布+活性炭復(fù)合材料對(duì)不同粒徑顆粒物去除效率隨時(shí)間的變化情況

分析認(rèn)為，對(duì)于較大的PM10顆粒，主要由于慣性效應(yīng)、篩效應(yīng)、重力沉降效應(yīng)的綜合作用而去除；對(duì)于PM2.5顆粒，主要由于靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、吸附的綜合作用而去除。從整體來(lái)看，熔噴布+活性炭纖維復(fù)合材料對(duì)各粒徑顆粒物去除率均有小幅度上升。主要是由于兩種濾料的堆積、纖維相互層疊在一起，使擴(kuò)散效應(yīng)、攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、篩效應(yīng)作用更加明顯，增大了容塵量，過(guò)濾性能更能持久。

綜上所述，過(guò)濾時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)濾料去除率有較明顯的影響。單層濾料對(duì)各粒徑的綜合去除率均隨時(shí)間增長(zhǎng)而略有下降，而熔噴布+活性炭復(fù)合材料整體上看，對(duì)各粒徑去除率隨時(shí)間增長(zhǎng)而比較穩(wěn)定。

3.3 測(cè)試材料過(guò)濾阻力隨時(shí)間的變化情況

從圖5可見(jiàn)，熔噴布作濾料時(shí)過(guò)濾阻力整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，5～10 min時(shí)，可能由于氣流不穩(wěn)定，所以壓差略有減少。10～40 min時(shí)，過(guò)濾時(shí)間越長(zhǎng)熔噴布上被截留的顆粒物越多，所以壓差又開(kāi)始逐漸上升，且上升加速度逐漸降低，40 min達(dá)到最高并趨于穩(wěn)定。

圖5 3種材料過(guò)濾阻力隨時(shí)間的變化情況

從圖5可見(jiàn)，活性炭纖維作濾料時(shí)前后壓差整體變化不大。分析認(rèn)為，這與活性炭纖維較大的孔徑和孔隙率有關(guān)，小粒徑顆粒的截留對(duì)其阻力變化影響不明顯。熔噴布+活性炭纖維復(fù)合材料作濾料時(shí)前后壓差整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為，5～10 min時(shí)，由于氣流不穩(wěn)定所以壓差略有減少。10～15 min時(shí)，越來(lái)越多的顆粒物被吸附到了濾料上，濾料內(nèi)的孔隙減少，壓差越來(lái)越大，15～30 min時(shí)，壓差變化平緩，30 min后又逐漸上升，最終壓差升至160 Pa左右。

綜上所述，活性炭纖維的壓阻明顯比熔噴布的壓阻小，兩種材料組成的復(fù)合濾料壓阻達(dá)到160 Pa左右。過(guò)濾材料層級(jí)越多，纖維孔徑越小，氣流通過(guò)纖維層時(shí)，需要克服的纖維阻力就越大，導(dǎo)致了過(guò)濾阻力的增大，壓阻也就更高。

3.4 不同過(guò)濾材料性能比較分析

活性炭纖維、熔噴布和熔噴布+活性炭3種材料中，活性炭纖維由于其較大的孔徑和孔隙率，對(duì)于小粒徑顆粒的去除效果較差，其性能更多體現(xiàn)在于對(duì)氣態(tài)分子的吸附上，單獨(dú)使用過(guò)濾效果并不好。故以下主要對(duì)熔噴布和熔噴布+活性炭?jī)煞N材料的過(guò)濾性能進(jìn)行對(duì)比。

從圖6可見(jiàn)，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)氣溶膠發(fā)生源的波動(dòng)，單層濾料各粒徑的進(jìn)口濃度高于復(fù)合濾料，這可能是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果中效率計(jì)算差異性的原因，使其對(duì)PM2.5、PM10粒徑顆粒物的去除率略微高一點(diǎn)。但如果從出口濃度來(lái)看，熔噴布+活性炭材料凈化各粒徑顆粒物的出口濃度均低于熔噴布，達(dá)到了更好的凈化效果。復(fù)合材料具有比單層材料更高的性能，此外復(fù)合材料還可吸附凈化空氣中的氣態(tài)污染物，這也是單層熔噴布材料不能實(shí)現(xiàn)的。

圖6 熔噴布和熔噴布+活性炭進(jìn)出口平均濃度對(duì)比

從圖7可見(jiàn)，由于熔噴布的孔隙率較小所以過(guò)濾阻力相對(duì)較高，而活性炭纖維的孔隙率較大所以其過(guò)濾阻力相對(duì)較低。熔噴布+活性炭纖維復(fù)合濾料由于其多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，過(guò)濾阻力也較高。

圖7 3種過(guò)濾材料過(guò)濾阻力比較

綜上認(rèn)為，復(fù)合材料相較于單層材料具有更好的去除效果，過(guò)濾阻力有一定增加但不明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)3種材料過(guò)濾效率隨時(shí)間變化，壓損變化，過(guò)濾效率和壓損性能對(duì)此，有如下結(jié)論：

(1)過(guò)濾時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)濾料去除率有較明顯的影響。單層濾料特別是活性炭纖維對(duì)各粒徑的去除率隨時(shí)間增長(zhǎng)有一定下降，而熔噴布+活性炭復(fù)合材料整體上看，對(duì)各粒徑去除率隨時(shí)間增長(zhǎng)而比較穩(wěn)定。體現(xiàn)了多層復(fù)合材料更大的容塵量和更長(zhǎng)的使用壽命。

(2)多層復(fù)合材料的壓損大于熔噴布。而熔噴布?jí)簱p大于活性炭纖維，說(shuō)明過(guò)濾材料層級(jí)越多，纖維孔徑越小，氣流通過(guò)纖維層時(shí)，需要克服的纖維阻力就越大，導(dǎo)致了過(guò)濾阻力的增大，壓阻也就更高。

(3)復(fù)合材料的凈化效果優(yōu)于單層材料，過(guò)濾阻力有一定增加但不明顯，容塵量和使用壽命得到一定提升，其過(guò)濾性能相對(duì)單層材料具有一定的比較優(yōu)勢(shì)。