高效空氣過(guò)濾材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

錢(qián) 幺,鄭宇婷,梁紫茵,黃春玲,王曉梅

(五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院,廣東 江門(mén) 529020)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大量化石能源的消耗,中國(guó)大氣污染的嚴(yán)峻形勢(shì)日益突出,給公共交通及廣大市民們?nèi)粘Ｉ顜?lái)嚴(yán)重影響。世界衛(wèi)生組織(WHO)通過(guò)對(duì)大氣污染造成的疾病評(píng)價(jià),表明每年有超過(guò)200萬(wàn)人的過(guò)早死亡歸因于城市室內(nèi)和室外空氣污染,而室外PM2.5污染導(dǎo)致死亡的比例高達(dá)16.2%[1]。我國(guó)中科院關(guān)于環(huán)境健康的調(diào)研報(bào)告也顯示,75%的慢性病與生產(chǎn)、生活中排放的污染物有關(guān)[2]。此外,PM2.5還能降低周?chē)h(huán)境的能見(jiàn)度,造成交通事故,從而影響人們的生產(chǎn)生活[3]。

由于人們環(huán)保意識(shí)以及對(duì)生活環(huán)境需求的不斷提高,大氣污染問(wèn)題已得到社會(huì)的廣泛關(guān)注和相關(guān)部門(mén)的高度重視,PM2.5等微細(xì)顆粒物的去除已成為全國(guó)乃至全球性重大課題。

1 大氣污染的來(lái)源與治理途徑

1.1 大氣污染的來(lái)源

眾所周知,電力、鋼鐵、水泥三大高能耗、高污染行業(yè)以及垃圾焚燒廠,構(gòu)成了大氣污染的四大重要污染源。我國(guó)電力、鋼鐵、水泥產(chǎn)量連續(xù)多年世界第一,PM2.5粉塵在電力、鋼鐵、水泥行業(yè)總粉塵排放量中所占的比例極高[4];2021年,全國(guó)火力發(fā)電量為57 702.7億k W·h,占全國(guó)發(fā)電量的71.13%,而電力燃煤占全國(guó)燃煤總量40%以上[5]。除此之外,城市供暖、汽車(chē)尾氣排放、建筑施工揚(yáng)塵、烹飪油煙排放等也是造成大氣污染的主要污染源。有研究表明,我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)等交通源的排放對(duì)城市大氣污染的貢獻(xiàn)率仍然在逐年增加[6]。

1.2 大氣污染的治理途徑

世界各國(guó)在發(fā)展工業(yè)和交通業(yè)時(shí)不可避免地存在大氣污染的問(wèn)題,同時(shí)也要伴隨著大氣污染治理問(wèn)題。大氣污染的防治途徑主要包括源頭治理和終端治理。

1.2.1 源頭治理

源頭治理是指在工業(yè)氣體污染物排放到大氣之前經(jīng)過(guò)一系列除塵過(guò)濾、脫硫脫硝等過(guò)程達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)我國(guó)大氣污染的源頭治理,國(guó)家環(huán)保部門(mén)早在2013年9月就頒布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(大氣十條)[7],并陸續(xù)針對(duì)火電廠、燃煤鍋爐、水泥廠等發(fā)布了超凈排放標(biāo)準(zhǔn),對(duì)大氣顆粒污染物排放濃度限值更加嚴(yán)格。

從源頭上治理,國(guó)家相關(guān)部門(mén)已經(jīng)出臺(tái)了嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),更重要的是依靠先進(jìn)的除塵技術(shù)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用的除塵技術(shù)有:機(jī)械式除塵技術(shù)(重力沉降除塵、慣性除塵、旋風(fēng)除塵)、濕式除塵技術(shù)、靜電除塵技術(shù)、袋式(過(guò)濾)除塵技術(shù)及復(fù)合式除塵技術(shù)(電袋復(fù)合、電旋風(fēng)復(fù)合、濕式電除塵)等[8]。目前,火電、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)廣泛應(yīng)用的除塵方式主要為靜電除塵、袋式除塵及電袋復(fù)合除塵等。電袋復(fù)合除塵是靜電除塵和袋式除塵的結(jié)合,含塵氣流先通過(guò)靜電除塵,再經(jīng)過(guò)濾袋過(guò)濾,其除塵效率較單一除塵技術(shù)有明顯提高,目前主要應(yīng)用于燃煤電廠、冶金行業(yè)的煙塵去除[9]。隨著未來(lái)國(guó)家對(duì)節(jié)能減排及環(huán)保要求的不斷提高,對(duì)除塵器及除塵濾料的性能要求也越來(lái)越高。如何提高對(duì)微細(xì)粉塵的過(guò)濾效率,同時(shí)降低運(yùn)行阻力、減少清灰次數(shù)、延長(zhǎng)濾袋使用壽命等,仍然是未來(lái)除塵技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

1.2.2 終端治理

終端治理是針對(duì)已排放到大氣中的污染物或形成的二次污染物,在被吸入人體之前的凈化處理,以此提高人們生活區(qū)域的空氣質(zhì)量。研究表明,室內(nèi)空氣污染的危害程度要遠(yuǎn)甚于室外。在空氣污染的終端防治過(guò)程中,空氣凈化器及口罩是最好的方式[10]。根據(jù)國(guó)際職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)發(fā)布的關(guān)于空氣凈化防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn),可分為N(不耐油)、R(耐油)和P(防油)三個(gè)系列,每個(gè)系列有三種最低過(guò)濾效率(95%、99%和99.97%),共9種口罩標(biāo)準(zhǔn)。

空氣凈化器主要由電源、風(fēng)機(jī)、凈化部分和外殼組成,采用循環(huán)過(guò)濾吸附的方法,處理室內(nèi)漂浮的塵粒、病毒、細(xì)菌、有害氣體等污染物,達(dá)到凈化空氣的目的。目前市場(chǎng)上空氣凈化器產(chǎn)品分為三類(lèi)[11]:濾網(wǎng)過(guò)濾式、靜電吸附式、過(guò)濾+靜電式凈化器。近年來(lái),家用空調(diào)及空氣凈化器普及率的逐年提高,給空氣過(guò)濾材料帶來(lái)了潛在的市場(chǎng)。此外,在航天、電子、光學(xué)儀器、精密器械等領(lǐng)域的工業(yè)潔凈室,手術(shù)室、制藥室等生物潔凈室中對(duì)高效空氣過(guò)濾材料的要求更高。

2 空氣過(guò)濾材料的種類(lèi)及應(yīng)用

2.1 空氣過(guò)濾材料的特點(diǎn)

任何多孔或做成多孔結(jié)構(gòu)的材料,無(wú)論孔徑大小,都能作為空氣過(guò)濾材料。多孔材料的種類(lèi)有很多,可分為無(wú)機(jī)多孔材料(礦物、碳、玻璃、金屬、金屬氧化物、陶瓷等)和有機(jī)多孔材料(天然及合成纖維過(guò)濾材料、膜材料等)。從20世紀(jì)70年代以來(lái),纖維質(zhì)空氣過(guò)濾材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn),在過(guò)濾行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位,尤其是伴隨合成纖維的發(fā)展及紡織品加工技術(shù)的革新,極大地豐富了纖維過(guò)濾材料的種類(lèi)和性能[12]。

2.2 空氣過(guò)濾材料的分類(lèi)

通常根據(jù)濾材的組織結(jié)構(gòu),纖維質(zhì)空氣過(guò)濾材料可以分為梭織布、針織布、非織造布及復(fù)合織物。梭織過(guò)濾材料的阻力小,機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性好,且容易清灰,但孔隙是直通的,顆粒物容易穿過(guò),因而捕集效率較低,一般采用較高的經(jīng)緯密度提高過(guò)濾效率[13]。針織過(guò)濾材料的孔隙不像梭織物那樣是直通的,而是彎曲迂回的,因而過(guò)濾效率高于梭織物,針織物是以線圈鉤結(jié)而成,透氣性能較好,但是機(jī)械性能、尺寸穩(wěn)定性較差,應(yīng)用領(lǐng)域有限[14]。對(duì)于非織造材料,由于是三維纖維集合體的組成結(jié)構(gòu)(單根纖維充當(dāng)過(guò)濾元件)以及纖維固結(jié)的性質(zhì),因此其過(guò)濾效率很高,過(guò)濾壓差較小,在空氣過(guò)濾材料應(yīng)用最為廣泛[15]。而在深層過(guò)濾應(yīng)用中,非織造材料中曲折且互通的孔隙有助于更好地捕獲固體顆粒。

按照應(yīng)用領(lǐng)域分,空氣過(guò)濾材料主要包括工業(yè)廢氣過(guò)濾、室內(nèi)空氣凈化及個(gè)體防護(hù)等。

2.2.1 工業(yè)除塵過(guò)濾材料

“工業(yè)除塵過(guò)濾材料”又稱(chēng)“袋式除塵過(guò)濾材料”,是用于過(guò)濾工業(yè)所排放的煙塵氣體的過(guò)濾材料。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境,又分為常溫、中低溫(90～140℃)和高溫過(guò)濾材料(大于140℃)。中低溫空氣過(guò)濾材料主要應(yīng)用在面粉廠、化工廠、熱電廠、高爐煤氣等工況場(chǎng)合;耐高溫空氣過(guò)濾材料主要應(yīng)用在火電、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等高溫?zé)焿m排放的行業(yè)[16]。不同應(yīng)用環(huán)境所選用的纖維種類(lèi)及性能也有很大不同,對(duì)于高溫過(guò)濾材料,一般除了要求具備除塵效率高、阻力小、過(guò)濾風(fēng)速大等優(yōu)點(diǎn),還應(yīng)具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、抗靜電、阻燃等性能[17-19]。對(duì)于伴隨有易燃粉塵的工況場(chǎng)合,通常采用防靜電針刺過(guò)濾氈進(jìn)行防爆除塵,要求在生產(chǎn)針刺氈基布的經(jīng)紗中并入導(dǎo)電纖維紗或在化學(xué)纖維中混入導(dǎo)電纖維或?qū)щ姴牧蟍20]。

袋式除塵是利用纖維濾料制成的濾袋捕集含塵氣體中的固體顆粒物,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的主要有玻纖針刺氈、防靜電針刺氈、防油防水針刺氈、耐高溫耐腐蝕針刺氈及聚四氟乙烯覆膜濾料等[21-22]。袋式除塵屬于深層過(guò)濾,即依靠截留在過(guò)濾材料上的微塵顆粒層(濾餅)進(jìn)行分離,除塵效率較高(能達(dá)到99.99%以上)。隨著粉塵的不斷堆積,濾袋的過(guò)濾阻力會(huì)逐漸增大,需要通過(guò)機(jī)械震蕩式、脈沖式或反向氣流式等清灰方式,將濾袋表面的粉塵層清理,降低運(yùn)行阻力[23-24]。過(guò)濾阻力大、反沖洗頻率高等問(wèn)題會(huì)大大影響濾袋的使用壽命,此外,其較高的運(yùn)行阻力會(huì)帶來(lái)巨大的能源浪費(fèi)。

2.2.2 室內(nèi)空氣凈化用過(guò)濾材料

室內(nèi)污染物的濃度通常是室外的幾倍到幾十倍,暖通空調(diào)系統(tǒng)的空氣過(guò)濾器能給建筑和車(chē)輛環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)、健康的空氣質(zhì)量。室內(nèi)空氣凈化一般使用聚丙烯、聚酯、聚丙烯腈等纖維做成的常溫過(guò)濾材料,包括熔噴、紡黏、針刺等非織造材料及高效過(guò)濾(HEPA)濕法玻纖濾紙[25]?？諝膺^(guò)濾器按照MERV標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí),可劃分為“粗效、中效、高效、超高效”不同的等級(jí)(1～20級(jí))[26],粗效過(guò)濾器主要過(guò)濾一些毛發(fā)、飛絮、大顆?；覊m等,高效過(guò)濾器則可以去除微生物、灰塵和過(guò)敏源等傳播力強(qiáng)的微粒?？諝膺^(guò)濾器可以制成平板式、折疊式、袋式等類(lèi)型,并且可以通過(guò)纖維駐極充電來(lái)提高過(guò)濾效率和殺滅細(xì)菌[27-28]。

2.2.3 個(gè)體防護(hù)用過(guò)濾材料

隨著新冠病毒疫情防控和環(huán)境污染越來(lái)越被重視,促進(jìn)了個(gè)體防護(hù)過(guò)濾材料消費(fèi)需求的快速增長(zhǎng)。熔噴非織造材料具有纖維細(xì)、孔徑小、孔隙分布均勻、結(jié)構(gòu)蓬松、柔軟、比表面積大、容污能力強(qiáng)、過(guò)濾效率高等特點(diǎn)[29],主要應(yīng)用在個(gè)體防護(hù)口罩、防毒面具、通風(fēng)系統(tǒng)、汽車(chē)用過(guò)濾介質(zhì)等空氣凈化領(lǐng)域,尤其是駐極體熔噴非織造材料對(duì)空氣中的PM2.5等微細(xì)顆粒物的防范效果顯著,不僅能長(zhǎng)期獲得高效的過(guò)濾效率,而且不影響過(guò)濾阻力,對(duì)空氣中的有害微生物也有良好的抑制作用[30]。

2.3 影響空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的因素

通常,空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能除了取決于纖維直徑、纖維形貌、纖維性質(zhì)和材料結(jié)構(gòu)特征,還取決于顆粒物的粒徑、性質(zhì)、過(guò)濾條件、環(huán)境因素等,影響空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的因素如下。

(1)纖維自身性質(zhì)的影響。由過(guò)濾機(jī)理可知,當(dāng)減小纖維直徑,顆粒物被攔截可能性大大提高,過(guò)濾效率明顯提高,因此微納米纖維過(guò)濾材料能夠獲得高效過(guò)濾效率;文獻(xiàn)[31-32]表明,纖維的截面形狀對(duì)過(guò)濾效率也有一定影響,但纖維的比表面積才是影響過(guò)濾效率的最主要因素;在其他條件相同情況下,纖維直徑相同時(shí),形狀系數(shù)較大的三葉形截面的纖維得到的過(guò)濾材料,其過(guò)濾阻力較其他截面形狀大,而且效率也較高。此外,纖維的電學(xué)性能[33-34]也間接影響過(guò)濾性能,對(duì)于易于帶電的化學(xué)纖維,其靜電吸附作用要高于普通纖維。

(2)濾材結(jié)構(gòu)的影響[35-36]。纖維的直徑直接影響濾材的結(jié)構(gòu),相同厚度的濾料,當(dāng)纖維直徑減小時(shí),濾料的填充率提高,即纖維之間的結(jié)構(gòu)密實(shí),慣性碰撞和攔截效應(yīng)都明顯提高;當(dāng)纖維直徑不變時(shí),提高濾料的克重或厚度,能夠延長(zhǎng)顆粒通過(guò)過(guò)濾材料的路徑,從而也能提高過(guò)濾效率,但同時(shí)也會(huì)增加過(guò)濾阻力;在一定程度上,纖維的容塵情況也會(huì)改變?yōu)V材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,隨著顆粒物在纖維表面的沉積,過(guò)濾效率也隨之提高。

(3)顆粒物性質(zhì)的影響[37]。顆粒物直徑越大,與纖維發(fā)生碰撞及攔截的概率也越大;微粒的形狀越不規(guī)則,與纖維接觸的幾率也越大;對(duì)于相同粒徑的顆粒物,處于不同相態(tài)的微粒對(duì)過(guò)濾效率也有不同的影響;試驗(yàn)表明[38-39]顆粒帶電與否以及顆粒負(fù)載對(duì)過(guò)濾材料的阻力和效率有明顯影響。

(4)過(guò)濾條件的影響[40-41]。過(guò)濾風(fēng)速影響過(guò)濾材料的過(guò)濾效率和阻力,隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加,過(guò)濾效率下降,而過(guò)濾阻力增加;氣流的溫濕度影響微細(xì)顆粒物的擴(kuò)散性能,溫度升高后,由于分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,顆粒物的擴(kuò)散系數(shù)系數(shù)提高,并且氣體的黏性增大,因此降低重力效應(yīng)和慣性效應(yīng),增加了過(guò)濾阻力。氣流濕度的增加也將提高顆粒的擴(kuò)散系數(shù),從而降低過(guò)濾效率,并且,濕度的增加使空氣和纖維之間的靜電效應(yīng)減弱,也可能降低過(guò)濾效率。

3 空氣過(guò)濾材料的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)我國(guó)目前的重度霧霾現(xiàn)狀,工業(yè)袋式除塵濾料及空氣凈化材料的需求不斷升級(jí),高效低阻、高容塵量、長(zhǎng)壽命、梯度過(guò)濾的過(guò)濾材料正不斷被研制。根據(jù)纖維過(guò)濾機(jī)理可知,常規(guī)的空氣過(guò)濾材料主要通過(guò)慣性碰撞、擴(kuò)散、篩分?jǐn)r截、重力沉降等機(jī)械過(guò)濾機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾,降低纖維直徑是提高濾材過(guò)濾性能的重要途徑之一[42]。因此微米/納米纖維在高效過(guò)濾方面極具優(yōu)勢(shì),例如:超細(xì)玻纖過(guò)濾材料、熔噴過(guò)濾材料、靜電紡過(guò)濾材料、濕法非織造材料等正逐步替代傳統(tǒng)過(guò)濾材料,但是納米纖維較低的生產(chǎn)效率和較高的成本仍然限制其大規(guī)模應(yīng)用。而納米級(jí)別的熔噴纖維過(guò)濾材料已具備產(chǎn)業(yè)化能力,在高效過(guò)濾的市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用,但是這類(lèi)過(guò)濾材料在高效的同時(shí)存在著阻力過(guò)大的缺點(diǎn)。

另一條提高濾材過(guò)濾性能的途徑是使纖維帶電,也就是“駐極處理”[43]。對(duì)于駐極體過(guò)濾材料,由于增加了靜電吸附機(jī)制,因此對(duì)PM2.5等微粒的過(guò)濾效率大大提高,而且不會(huì)增加過(guò)濾阻力;駐極體過(guò)濾材料是目前空氣凈化材料及個(gè)人防護(hù)濾材研發(fā)及應(yīng)用的重要材料。但是駐極體纖維材料的電荷穩(wěn)定性受環(huán)境和材料本身影響較大,目前能夠被廣泛應(yīng)用的駐極體纖維種類(lèi)較少,并且是在常溫環(huán)境中使用,對(duì)于高溫和高濕環(huán)境下駐極體纖維的靜電吸附作用研究較少。

4 結(jié)束語(yǔ)

空氣過(guò)濾材料在大氣污染的防范與治理過(guò)程中發(fā)揮巨大的作用,高效空氣過(guò)濾材料不僅在工業(yè)過(guò)濾除塵領(lǐng)域中廣泛需求,而且在室內(nèi)空氣凈化材料和個(gè)體防護(hù)過(guò)濾材料中有著顯著的效果。高效空氣過(guò)濾材料的應(yīng)用領(lǐng)域不同,種類(lèi)繁多,在選擇過(guò)濾材料時(shí)要結(jié)合實(shí)際工況條件及過(guò)濾級(jí)別要求,既要考慮過(guò)濾效率和阻力之間的平衡,又要考慮濾材使用壽命、安全性,還要考慮材料成本、加工難易程度等。結(jié)合過(guò)濾機(jī)理及影響過(guò)濾性能的因素等理論可知,未來(lái)研發(fā)高效空氣過(guò)濾材料仍然是從纖維或高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的方向著手,通過(guò)開(kāi)發(fā)新型紡絲成型技術(shù)制備微納米尺度纖維,通過(guò)研究高分子材料的物理和化學(xué)特性,生產(chǎn)出能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的纖維材料,最終實(shí)現(xiàn)高效、低阻空氣過(guò)濾材料的良好應(yīng)用。