玻璃纖維濾材亞微米級顆粒過濾效率測試方法探討＊

石玉強(qiáng)，楊 超，朱明華，姚嘉蘭

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，不僅出于對人們健康的考慮，高精尖領(lǐng)域?qū)τ谏a(chǎn)用水的純凈度要求也越來越高，對水中的污染物進(jìn)行有效的過濾十分必要。在過濾的過程中，過濾器的質(zhì)量決定著過濾的效果，而濾材又是決定過濾器質(zhì)量的一個(gè)核心要素?，F(xiàn)有技術(shù)中，除了1μm、5μm、20μm等常見精度的濾芯外，在一些過濾系統(tǒng)中要求使用過濾精度為0.1μm、0.2μm、0.45μm和1μm的亞微米級過濾濾芯，并且其過濾效率一般要求在98%以上［1］。

目前，對于濾芯的過濾性能檢測，國內(nèi)主要采用根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)建立的GB/T 18853-2015《液壓傳動(dòng)過濾器評定濾芯過濾性能的多次通過法》來執(zhí)行。但在實(shí)際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)，采用該標(biāo)準(zhǔn)對水濾芯的過濾性能進(jìn)行檢測的過程中存在著如下問題［2］：該標(biāo)準(zhǔn)中所使用的試驗(yàn)設(shè)備采用的過濾介質(zhì)是指定牌號(hào)的液壓油，這與水濾芯的實(shí)際使用介質(zhì)是水的工況不符；該標(biāo)準(zhǔn)中可檢測的最高過濾精度僅為4μm，且沒有給出1μm及以下精度的檢測方法或建議，無法適用于亞微米級過濾體系的過濾精度和過濾效率的評價(jià)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)的測試對象為濾芯，而目前行業(yè)內(nèi)暫未形成廣泛適用的濾材檢測方法［3］?？梢姡_發(fā)一種適宜于亞微米級濾材過濾精度和過濾效率進(jìn)行有效評價(jià)的方法，對于水過濾設(shè)備性能的評價(jià)和監(jiān)測具有積極的意義。

本文在自主設(shè)計(jì)濾材過濾效率試驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)上探討了主要針對亞微米級顆粒的過濾效率測試方法，并利用自制玻璃纖維濾材進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究了上游污染物濃度、流量、取樣間隔等實(shí)驗(yàn)參數(shù)和濾材種類對于過濾效率測試值產(chǎn)生的影響，以期為水過濾領(lǐng)域亞微米級濾材過濾效率測試的優(yōu)化提供參考。

1 濾材過濾效率測試臺(tái)架

由圖1可以看到，濾材過濾效率臺(tái)架主要包括儲(chǔ)罐、濾材過濾器及其前后取樣閥等主要部分，輔以泵、流量計(jì)、壓力表等形成整體回路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可以根據(jù)是否旁通凈化過濾器來選擇單通或者多通測試方法，單通測試過程中測試介質(zhì)不通過凈化過濾器直接注入廢液儲(chǔ)罐。以單通法為例，具體測試過程為：

圖1 濾材過濾效率臺(tái)架示意圖

（1）選用特定尺寸的亞微米顆粒，加入去離子水中配成分散液，用紫外分光光度計(jì)測定特征峰。

（2）配制濃度分別為不同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在特征峰波長處測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，按測得的吸光度與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的關(guān)系繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，以線性關(guān)系擬合公式R2達(dá)到0.99以上為合適測試段，在該范圍內(nèi)擇定上游污染物（即亞微米顆粒）濃度。

（3）根據(jù)設(shè)定的上游污染物濃度配制分散液注入儲(chǔ)罐，將濾材裝入過濾器外殼，設(shè)定運(yùn)行流量，開始測試。

（4）每隔一段時(shí)間（即設(shè)定的取樣間隔）在濾材過濾器前后取樣閥取樣，使用紫外分光光度計(jì)，以測試液所用顆粒對應(yīng)特征峰定點(diǎn)測量吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合公式推算前后取樣口污染物濃度，再根據(jù)濃度計(jì)算過濾效率，計(jì)算公式為：

式中：

E——過濾效率，%；

CQ——前取樣口測試液中顆粒濃度，mg/L；

CH——后取樣口測試液中顆粒濃度，mg/L。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)所用濾材為自制濾材，分別采用54°SR、34°SR、14°SR玻璃微纖維棉抄造而成，涂布相同改性劑，兩側(cè)粘附無紡布，為行文方便，分別稱為濾材A、濾材B、濾材C。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

通過市面購得0.5μm聚苯乙烯顆粒，配制為分散液后經(jīng)波長掃描確定特征峰對應(yīng)波長為233 nm。將分散液稀釋配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散液，包括0.2、0.5、1、2.5、5、10、20、50、100、400 mg/L，定點(diǎn)掃描得到吸光度，繪制散點(diǎn)圖見圖2。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5μm顆粒分散液對應(yīng)吸光度

圖2可以看到當(dāng)分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50 mg/L時(shí)吸光度與濃度基本呈線性關(guān)系，繼續(xù)增高至100 mg/L、400 mg/L后線性關(guān)系變差，因此取0.2～50 mg/L范圍內(nèi)數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖3，擬合公式為y=0.0267×x+0.0076，R2可達(dá)0.9994。

圖3 0.5 μm 聚苯乙烯顆粒分散液標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.2 濾材過濾效率測試

實(shí)驗(yàn)評價(jià)影響因素及設(shè)置水平見表1。

表1 濾材過濾效率測試設(shè)置因素及其水平

由于3種自制濾材中濾材A所用纖維最細(xì)，預(yù)期對亞微米顆粒的過濾效率最高，因此首先以濾材A為測試樣品評價(jià)上游污染物濃度、流量、取樣間隔時(shí)間對測試值的影響，確定最合適濾材A的設(shè)定參數(shù)，再對濾材B、C進(jìn)行對應(yīng)測試，探討不同過濾精度的濾材在相同測試參數(shù)下的測試結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 上游污染物濃度對測試結(jié)果的影響

圖4中列出了采用不同上游污染物濃度的濾材A過濾效率測試結(jié)果，設(shè)定流量10 L/h，取樣時(shí)每隔4 min取一次。可以看到上游污染物過高會(huì)造成過濾效率偏低，設(shè)定上游污染物濃度為45 mg/L的測試過程中還出現(xiàn)了壓力表過載的現(xiàn)象，這是因?yàn)檫^濾效率高的濾材更容易發(fā)生堵孔，納污容量達(dá)到極限的濾材承受著巨大的壓差，極易導(dǎo)致破損［4］，從而導(dǎo)致測試結(jié)果偏低，就本文所用濾材A而言，5 mg/L的上游污染物濃度最為合適。

圖4 采用不同上游污染物濃度的濾材A過濾效率測試結(jié)果

3.2 流量對測試結(jié)果的影響

圖5中列出了采用不同流量的濾材A過濾效率測試結(jié)果，設(shè)定上游污染物濃度為5 mg/L，取樣時(shí)每隔4 min取一次。可以看到3次測試的過濾效率測試結(jié)果均有下降趨勢，但流量越大這種趨勢越明顯，因?yàn)榱髁吭酱鬄V材相同時(shí)間內(nèi)需要過濾的污染物越多，濾材的壓差增長越快，越容易引起破損，同時(shí)越小的顆粒越依賴靜電吸附機(jī)制進(jìn)行攔截，而靜電吸附機(jī)制在較低的介質(zhì)流量下更容易發(fā)揮效用［5］，因此流量采用10 L/h時(shí)濾材A過濾效率測試結(jié)果最佳。

圖5 采用不同流量的濾材A過濾效率測試結(jié)果

3.3 取樣間隔對測試結(jié)果的影響

圖6中列出了采用不同取樣間隔的濾材A過濾效率測試結(jié)果，設(shè)定上游污染物濃度為5 mg/L，流量10 L/h，取樣間隔分別設(shè)置為1 min、2 min和4 min?？梢钥吹接捎跒V材的過濾效率隨著測試時(shí)間增長存在下降趨勢，取樣間隔最長的過濾效率測試結(jié)果相對最低，這是因?yàn)檫_(dá)到第一次取樣時(shí)間時(shí)濾材已有所損傷。而在相同的取樣次數(shù)下，每隔1 min取樣的測試數(shù)據(jù)由于整體測試時(shí)間較短，暫未出現(xiàn)顯著的效率下降現(xiàn)象，但取樣間隔太短也帶來了一定的數(shù)據(jù)波動(dòng)，而且取樣次數(shù)太多也給操作和測試過程造成了負(fù)擔(dān)。從測試結(jié)果來看，取樣間隔為2 min的測試在未出現(xiàn)效率下降現(xiàn)象前的數(shù)據(jù)是更為平穩(wěn)的，取樣次數(shù)也更為合適。

圖6 采用不同取樣間隔的濾材A過濾效率測試結(jié)果

3.4 不同濾材的測試結(jié)果

圖7中列出了采用不同濾材的過濾效率測試結(jié)果，設(shè)定上游污染物濃度為5 mg/L，流量10 L/h，取樣間隔設(shè)置為2 min?？梢钥吹讲煌^濾精度的濾材適用的試驗(yàn)參數(shù)明顯不同，適用濾材A的上游污染物和流量相對偏低，濾材B的測試結(jié)果趨勢與濾材A比較接近，而對于過濾精度較低的濾材C而言，隨著污染物的積累，其對亞微米顆粒的過濾能力有所提高［6］，因此過濾效率逐步上升，相對的濾材C可能更適合高濃度、高流量、長間隔的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，才能比較全面地評價(jià)其過濾能力變化過程。

圖7 不同濾材的測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文在自主設(shè)計(jì)濾材過濾效率試驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)上探討了主要針對亞微米級顆粒的過濾效率測試方法，并利用自制濾材進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究了上游污染物濃度、流量、取樣間隔等實(shí)驗(yàn)參數(shù)和濾材種類對過濾效率測試值產(chǎn)生的影響，得到結(jié)論如下：

（1）對于過濾精度較高的濾材，較低的上游污染物濃度和流量以及較短的取樣間隔取得的測試結(jié)果更佳。

（2）不同過濾精度的濾材需要針對性地選擇對應(yīng)的測試參數(shù)，因此還需要進(jìn)一步地補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)摸索測試參數(shù)的選擇規(guī)律。