具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣過濾材料對(duì)油-灰混合顆粒的容塵性能研究

張濤 劉思含 周志強(qiáng) 周浩 孫召霞 梁云，*

（1.清潔高效燃煤發(fā)電與污染物控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210023；2.華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510640）

纖維過濾材料是空氣中顆粒物凈化裝置的關(guān)鍵材料。過濾效率高、阻力低、使用壽命長(zhǎng)是優(yōu)質(zhì)濾材研制的永恒標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。通常，濾材在一定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件下的容塵量被用于評(píng)估其使用壽命，濾材容塵量越高，其使用壽命越長(zhǎng)[4-6]。使用環(huán)境包括溫度、濕度及氣溶膠特性，其對(duì)濾材使用壽命有重要影響。目前已有研究成果主要集中在氣溶膠尺寸及濃度對(duì)濾材性能的影響[7-9]。油性氣溶膠對(duì)濾材性能影響的相關(guān)研究只有Frising等人[10]探究了HEPA濾材對(duì)油灰混合塵容塵性能，其研究結(jié)果表明，濾材阻力增加速率為其對(duì)純灰容塵過程中阻力增加速率的12倍。我國(guó)大氣環(huán)境惡劣，空氣中含有大量油性污染物[11-13]，會(huì)大大降低濾材的使用壽命。大量使用案例表明，濾材在高油污環(huán)境中的使用壽命比無油環(huán)境中降低50%以上。因此，研制高油污環(huán)境中的長(zhǎng)壽命濾材對(duì)空氣過濾材料行業(yè)具有重要意義。

具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣濾材由于其出色的灰塵顆粒容塵量受到了廣泛關(guān)注[14]，但其在含油污環(huán)境中的性能表現(xiàn)仍未廣泛研究。為了探究其在含油污環(huán)境中的性能表現(xiàn)，本研究制備了超細(xì)纖維在濾材厚度方向呈梯度分布的復(fù)合空氣濾材，對(duì)其過濾效率曲線進(jìn)行了分析，并探究了濾材對(duì)油-灰（癸二酸二異辛-A2灰）混合污染物的容塵性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 濾材制備及表征

具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣濾材制備在中試生產(chǎn)線上利用多層成形斜網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，流程如圖1所示。將植物纖維和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）纖維均勻分散后，泵送至流漿箱內(nèi)的流道1，超細(xì)玻璃纖維分散后泵送至流道2，纖維懸浮液流經(jīng)流道內(nèi)的階梯擴(kuò)散器后，達(dá)到穩(wěn)定的層流狀態(tài)，2個(gè)流道的漿料在成形網(wǎng)混合后不發(fā)生混合，經(jīng)脫水后施膠處理增強(qiáng)，最后干燥得到具有梯度結(jié)構(gòu)的濾材。

圖1 濾材制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of filter material preparation process

對(duì)濾材的入流面、出流面及截面形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。濾材的過濾性能進(jìn)行研究前先對(duì)其定量進(jìn)行測(cè)定，隨后使用手持式厚度儀（型號(hào)YG142，寧波紡織儀器廠）按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997對(duì)其厚度進(jìn)行測(cè)量。使用透氣度儀（型號(hào)FX 3300-Ⅳ，Textest公司，瑞士）測(cè)試濾材透氣度。使用毛細(xì)管流動(dòng)孔隙度儀（型號(hào)CFP 1100，Porous Material公司，美國(guó)）測(cè)試濾材的孔徑分布。使用耐破度儀（型號(hào)Mullen Testers CE 180，L&W公司，美國(guó)）測(cè)試濾材耐破度。濾材的形貌結(jié)構(gòu)使用掃描電子顯微鏡（SEM，型號(hào)G2Pro Y，Phenom-world公司，荷蘭）觀察分析。

1.2 濾材過濾性能及對(duì)癸二酸二異辛（DEHS）-A2灰混合塵的容塵性能

為了探究濾材的最易穿透粒徑（過濾效率最低時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑），在面流速5 cm/s的條件下，測(cè)試分析濾材對(duì)粒徑20、50、80、100、200、300、500 nm的NaCl顆粒的過濾效率。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置如圖2(a)所示。其中，NaCl顆粒由霧化器發(fā)出后進(jìn)入干燥器，后經(jīng)差分電遷移率粒徑分析儀進(jìn)行篩分，得到單一粒徑的帶電顆粒，帶電顆粒經(jīng)靜電中和器中和后進(jìn)入測(cè)試夾具，測(cè)試過程中凝結(jié)核計(jì)數(shù)器對(duì)上下游顆粒的數(shù)量濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，濾材對(duì)不同粒徑的顆粒的過濾效率（E）計(jì)算如式(1)所示。

式中，Cdown為濾材下游顆粒物數(shù)量，Cup為濾材上游顆粒物數(shù)量。

濾材對(duì)DEHS-A2灰混合塵的容塵性能測(cè)試系統(tǒng)如圖2(b)所示。測(cè)試面流速11.1 cm/s，終止壓差2000 Pa。加載純A2灰及純DEHS的濃度為1000 mg/m3，加載混合塵時(shí)，調(diào)節(jié)A2灰及DEHS霧化器的發(fā)塵條件，得到總濃度為1000 mg/m3、DEHS含量分別為20%、40%、60%和80%的混合塵。2種顆粒物單獨(dú)經(jīng)發(fā)塵、發(fā)霧器產(chǎn)生后在測(cè)試管道混合，進(jìn)入測(cè)試夾具，當(dāng)濾材壓差上升至2 kPa時(shí)，終止實(shí)驗(yàn)。取出濾材稱重，濾材容塵量（DHC）計(jì)算如式(2)所示。

圖2 濾材性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system for filter material

式中，M1為容塵測(cè)試結(jié)束后濾材的質(zhì)量，g；M0為潔凈濾材的質(zhì)量，g；A為有效過濾面積，100 cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾材的基本性能分析

濾材的基本性能包括定量、透氣度、耐破度，測(cè)試結(jié)果如表1所示。濾材形貌及孔徑分布測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，超細(xì)纖維主要分布在濾材厚度方向的上部，出流面只有少量的超細(xì)纖維。濾材孔徑分布在2～20 μm區(qū)間內(nèi)，主要分布在4～9 μm之間。

圖3 濾材SEM圖及孔徑分布Fig.3 SEM images and pore size distribution of filter material

表1 濾材的基本性能Table 1 Basic properties of filter material

2.2 濾材過濾效率分析

濾材對(duì)不同單一粒徑的立方體狀NaCl顆粒過濾效率如圖4所示。從圖4可以看出，濾材的最易穿透粒徑為100 nm。當(dāng)NaCl顆粒粒徑小于100 nm時(shí)，隨顆粒粒徑的增加，濾材的過濾效率減小。當(dāng)NaCl顆粒粒徑大于100 nm時(shí)，隨顆粒粒徑的增加，濾材的過濾效率先增加后保持平穩(wěn)。根據(jù)單纖維過濾理論，纖維對(duì)顆粒物的捕集機(jī)理為：擴(kuò)散、攔截、慣性碰撞。粒徑20、50、80 nm的顆粒通過擴(kuò)散被濾材攔截。在此范圍內(nèi)，隨顆粒粒徑的增加，顆粒的擴(kuò)散系數(shù)減小，導(dǎo)致擴(kuò)散效率降低[15]。粒徑500 nm的顆粒主要通過慣性碰撞被濾材攔截。粒徑100、200及300 nm的顆粒由于對(duì)應(yīng)慣性碰撞來說粒徑太小，而對(duì)于擴(kuò)散攔截作用來說粒徑過大；因此，此粒徑范圍內(nèi)的顆粒在濾材中最易穿透。綜上所述，本研究中研制的濾材最易穿透粒徑為100 nm。

圖4 濾材對(duì)不同粒徑的NaCl顆粒的過濾效率Fig.4 Filtration efficiency of filter material against NaCl particles with different size

2.3 濾材的容塵性能

濾材對(duì)純A2灰、純DEHS及不同DEHS含量的DEHS-A2混合塵的容塵量（DHC）測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在相同測(cè)試條件下，濾材對(duì)純A2灰和純DEHS的DHC分別為92.0 g/m2和182.5 g/m2。對(duì)不同DEHS含量的DEHS-A2混合塵的容塵測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)混合塵中DEHS含量為20%時(shí)，濾材DHC最高，為414.7 g/m2。隨著DEHS含量的增加，濾材的DHC降低，當(dāng)DEHS含量為60%時(shí)，濾材DHC最低，為84.1 g/m2。宋強(qiáng)等人[16]的研究結(jié)果中，在此條件下的常用商業(yè)化熔噴纖維復(fù)合濾材DHC為26.5 g/m2。綜合比較，本研究制備的具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣過濾材料比雙層結(jié)構(gòu)的商業(yè)化產(chǎn)品有更好的容塵性能。

圖5 濾材對(duì)不同DEHS含量混合塵的DHCFig.5 DHC of filter material against mixture dust with different DEHS content

圖6為濾材容塵過程中的壓差隨時(shí)間增加的變化情況。從圖6可以看出，濾材在對(duì)純A2灰容塵過程中，壓差變化經(jīng)歷了3個(gè)階段[17]。第一階段是深層過濾階段，在此階段內(nèi)，隨著A2灰顆粒在濾材中的沉積，纖維間的孔隙被顆粒物填充，濾材孔隙率降低，對(duì)氣流的壓差緩慢增加。第二階段是過渡階段，在此階段內(nèi)，A2灰顆粒逐漸在濾材表面形成顆粒鏈，濾材壓差增加，速率變大。第三階段是濾餅過濾階段，在此階段內(nèi)，A2灰顆粒在濾材表面形成濾餅，隨著時(shí)間的增加，濾材壓差快速增加。濾材對(duì)油性液滴DEHS的容塵過程中壓差變化也經(jīng)歷了3個(gè)階段[18]。第一階段內(nèi)，少量DEHS液滴沉積在纖維表面，增加了與氣流的摩擦面積，濾材壓差緩慢上升。第二階段內(nèi)，沉積在纖維表面的DEHS液滴聚集在一起，由于毛細(xì)力的作用，油性液滴發(fā)生重新排布，使過濾面積降低，濾材壓差增加速率大于第一階段。第三階段內(nèi)，DEHS液滴在纖維表面形成油膜，逐漸堵塞纖維間的孔隙，使濾材壓差呈指數(shù)增加。當(dāng)混合塵中DEHS含量為40%、60%和80%時(shí)，濾材的壓差增加趨勢(shì)與加載純DEHS液滴時(shí)相同，但在第一階段和第三階段的壓差增加速率更大，導(dǎo)致濾材的總?cè)輭m時(shí)間減少，濾材DHC降低。當(dāng)混合塵中DEHS含量為20%時(shí)，濾材壓差隨著時(shí)間的增加呈線性緩慢增加，這是濾材在此條件下有最高容塵量的原因。

圖6 濾材對(duì)不同DEHS含量的混合塵容塵過程中的壓差變化曲線Fig.6 Pressure drop transition curves of filter material holded with mixture dust with different DEHS content.

2.4 污染物在濾材中的分布

濾材容塵測(cè)試后，顆粒物形成的濾餅及在濾材中的分布情況如圖7所示。從圖7(a)可以看出，純A2灰顆粒在濾材表面形成了濾餅，DEHS含量為20%的混合塵中，DEHS液滴黏附在A2灰顆粒表面，并將小顆粒橋接在大顆粒表面，使顆粒形成顆粒鏈，而不是緊密排布，最終快速形成濾餅[19]。濾餅結(jié)構(gòu)疏松，使濾材壓差緩慢增加。隨著DEHS含量的增加，A2灰顆粒形成的顆粒鏈間的孔隙逐漸被DEHS填充。當(dāng)DEHS含量為60%時(shí)，混合塵形成的濾餅結(jié)構(gòu)致密。當(dāng)DEHS含量為80%時(shí)，A2灰完全浸沒在DEHS中，混合塵形成了“海島”結(jié)構(gòu)的濾餅，灰塵顆粒間的孔隙完全被DEHS液滴填充，因此，濾材壓差在第三階段呈指數(shù)增加。此外，圖7(a)中純DEHS容塵后的濾材表面SEM圖表明，DEHS液滴在濾材表面形成了油膜，使纖維間的孔隙完全被堵塞。因此，在第三階段內(nèi)，加載純DEHS的濾材壓差增加速率最大（圖6）。

圖7 不同DEHS含量的混合塵在濾材中的分布SEM圖Fig.7 SEM images of distribution of mixture dust with different DEHS content in the filter material

圖7(b)為容塵測(cè)試后濾材的截面SEM圖。從圖7(b)可以看出，A2灰顆粒主要沉積在濾材厚度方向的上部，隨著混合塵中DEHS含量的增加，穿透進(jìn)入濾材內(nèi)部的油性液滴DEHS增加，當(dāng)DEHS含量為80%時(shí)，油性液滴已分布在整個(gè)濾材中。另一方面，隨著DEHS含量的增加，混合塵的黏度降低，流動(dòng)性增加，由于氣流拖拽力，混合塵在纖維表面重新排布[17]，一些A2灰顆粒隨DEHS液滴進(jìn)入濾材內(nèi)部（框內(nèi)）。

3 結(jié) 論

本研究制備了具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣過濾材料，探究了其過濾效率及對(duì)純A2灰、純癸二酸二異辛（DEHS）和DEHS-A2灰混合塵的容塵性能。

3.1 與目前常用商業(yè)化熔噴纖維雙層復(fù)合濾材相比，相同條件下，具有梯度結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維復(fù)合空氣濾材在含油污環(huán)境中具有較大的容塵量，更長(zhǎng)的使用壽命。

3.2 混合塵中含有少量的油性液滴DEHS會(huì)增加濾材使用壽命。與純A2灰相比，混合塵中含有20%DEHS會(huì)使濾材容塵量由92.0 g/m2增加至414.7 g/m2，壓差增加更緩慢。濾餅形貌分析結(jié)果表明，DEHS橋接在大粒徑與小粒徑的A2灰顆粒之間，形成結(jié)構(gòu)疏松的濾餅，使濾材壓差增加速率低，容塵量增加。

3.3 當(dāng)混合塵中DEHS含量大于20%時(shí)，濾材容塵量隨著DEHS含量的增加而降低，當(dāng)DEHS含量為60%時(shí)，濾材容塵量最低（84.1 g/m2），混合塵在濾材表面形成的濾餅結(jié)構(gòu)致密，使濾材阻力在濾餅過濾階段快速增加。當(dāng)DEHS含量為80%時(shí)，A2灰顆粒完全浸沒在DEHS中，形成具有“海島”結(jié)構(gòu)的濾餅，顆粒之間的孔隙被完全堵塞，濾材阻力增加速率最大。

3.4 隨著DEHS含量的增加，混合塵的流動(dòng)性增加，穿透進(jìn)入濾材內(nèi)部的顆粒物增加。