余 嬌，司丹丹，梁 云，唐 敏

(1. 華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510640; 2. 深圳華盛過濾系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518109)

環(huán)境大氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣來源，空氣純凈度是提高燃?xì)廨啓C(jī)性能和可靠性的前提，越先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)，對于吸入空氣的潔凈度越敏感[1]。燃?xì)廨啓C(jī)吸入污染物會造成壓氣機(jī)和渦輪機(jī)部件的侵蝕、沖蝕、結(jié)垢、冷卻通道堵塞、腐蝕等，因此，必須使用空氣過濾器避免外來物質(zhì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)造成損害，防止燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能降低。由于空氣中的污染物復(fù)雜多樣，如果使用單級高效過濾器，大、小固體顆粒的堆積會造成過濾器阻力快速上升而達(dá)到終止阻力，導(dǎo)致單級過濾系統(tǒng)的濾芯使用壽命嚴(yán)重縮短，因此可以采用預(yù)過濾器來捕獲較大的固體顆粒而延長下游高效過濾器的壽命[1-2]。根據(jù)過濾理論，具有更細(xì)小纖維的過濾材料可以提供小孔徑和大的比表面積捕獲小顆粒，而由粗纖維組成的過濾材料過濾效率低，透氣度大，攔截大顆粒時阻力緩慢增長[3]。此外，預(yù)濾棉價格便宜且更換方便，必要時可在機(jī)組運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)拆除，同時，采用低阻力的預(yù)過濾材料捕獲空氣中的大顆粒，阻擋楊、柳絮等雜物，可以為過濾系統(tǒng)增加額外的過濾階段[4-5]，減少主過濾材料捕獲的灰塵量，延長主過濾材料的使用壽命，從而降低過濾系統(tǒng)能耗和運(yùn)行成本。

濾芯容塵量是過濾器的重要性能參數(shù)，在給定污染物的條件下，容塵量高則意味著過濾材料使用壽命長。王迪等[6]以A2灰(ISO 12103-A2細(xì)灰)探究預(yù)濾棉對濾芯容塵性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增加預(yù)濾棉可以使濾芯容塵量提高46.46%，Tian等[4]則以A2灰和亞微米KCl顆粒研究兩級過濾系統(tǒng)顆粒負(fù)載特性，結(jié)果表明在主過濾器前增加預(yù)過濾器可以顯著降低主過濾器的壓降增長速度，有效提高整個過濾系統(tǒng)的容塵量，延長主過濾器的使用壽命。然而，空氣中含有大量的固體顆粒物及油性液滴[7]，楊家喜[8]和司丹丹[9]收集使用后的濾芯進(jìn)行污染物成分分析，研究顯示使用后的濾紙中油灰比例接近1∶ 1。因此，在實(shí)驗(yàn)室中僅使用單一的固體顆粒物無法合理評估濾芯的使用壽命。Fising等[10]通過將固液兩種發(fā)塵器聯(lián)用，探究了癸二酸二異辛酯 (英文簡稱DEHS)含量對濾材容塵過程壓差變化的影響，但該實(shí)驗(yàn)中使用的是單一粒徑的顆粒物，與大氣環(huán)境中多分散氣溶膠存在一定差異。目前還未有文獻(xiàn)系統(tǒng)地探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶ 1混合時預(yù)濾棉對濾芯過濾性能的影響。

本研究通過將固體顆粒物發(fā)塵器和液體氣溶膠發(fā)塵器聯(lián)合使用，將產(chǎn)生的固體顆粒物和液體氣溶膠均勻混合后加載到包覆預(yù)濾棉的濾芯上，探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶ 1時預(yù)濾棉對濾芯過濾性能的影響，同時也對比了不同材料在相同實(shí)驗(yàn)條件下的過濾性能，為濾芯增加預(yù)濾棉的次數(shù)提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

精密電子天平：FA2004N，上海精密科學(xué)儀器有限公司；掃描電子顯微鏡：G2 Pro Y，荷蘭Phenom-World公司；環(huán)境掃描電鏡：NOVA NANOSEM 430，荷蘭；厚度儀：YG142型手提式測厚儀，寧波紡織儀器廠；透氣度儀：FX-3300-Ⅳ，瑞士TEXTEST AG公司；單張濾材效率試驗(yàn)臺：MFP3000，德國PALAS公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

預(yù)過濾及濾芯材料的基本性能如表1所示。熔噴復(fù)合材料透氣度和平均孔徑是靜電紡復(fù)合材料的2倍，且厚度大于后者，而靜電紡復(fù)合材料平均孔徑3.9 μm，透氣度低，說明濾材結(jié)構(gòu)較為致密。M5棉是EN779：2012標(biāo)準(zhǔn)中的M5級，平均孔徑61.0 μm，透氣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主濾芯過濾材料。

表1 過濾材料基本性能

本文實(shí)驗(yàn)負(fù)荷粉塵使用ISO12103-1 A2細(xì)灰，粒徑范圍為0.5～60 μm，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O，購買自PTI Powder Technology Inc.公司。

采用DEHS產(chǎn)生的氣溶膠模擬大氣中的油性物質(zhì)，其物理性能滿足EN1822-2：2009中DEHS的要求，購買自阿拉丁試劑(上海)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 純?yōu)V芯阻力上升曲線及容塵性能研究

在氣溶膠總質(zhì)量濃度1 000 mg/m3，濾芯面流速1.59 cm/s，A2灰與DEHS比例1∶ 1的條件下，分別對褶高為55 mm的靜電紡復(fù)合材料濾芯、熔噴復(fù)合材料濾芯進(jìn)行混合塵容塵實(shí)驗(yàn)，濾芯壓差到達(dá)200 Pa停止實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 預(yù)濾棉對濾芯阻力上升曲線及容塵性能研究

在氣溶膠總質(zhì)量濃度1 000 mg/m3，濾芯面流速1.59 cm/s，A2灰與DEHS比例1∶ 1的條件下進(jìn)行下述步驟：

(1) 在濾芯上游包覆一層預(yù)濾棉，進(jìn)行加載A2灰和DEHS的容塵實(shí)驗(yàn)，達(dá)到終止壓差200 Pa后拆下預(yù)濾棉。

(2) 在濾芯外包覆新的預(yù)濾棉，重復(fù)步驟1。

(3) 重復(fù)步驟2。

(4) 拆下預(yù)濾棉的濾芯繼續(xù)加載A2灰和DEHS至壓差為200 Pa 終止實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 容塵測試前后濾芯與預(yù)濾棉的電鏡分析

加載油灰混合塵前后過濾材料的電鏡圖如圖1～圖3所示。圖1為容塵前后預(yù)濾棉的電鏡圖。由圖1(a)、(b)可知，潔凈預(yù)濾棉的纖維直徑20～30 μm，纖維之間孔隙大。由于A2灰的密度為2.65 g/cm3，DEHS的密度為0.912 g/cm3，在質(zhì)量相同的條件下，固/液顆粒體積比為3∶ 1，因此容塵過程液體氣溶膠占主導(dǎo)作用[8]，使混合塵體系黏度增大，易聚集形成顆粒團(tuán)堵塞預(yù)濾棉孔隙，時間充裕條件下可堵塞大孔隙，混合塵在預(yù)濾棉層中的分布情況如圖1(c)、(e)所示。在圖1(d)、(f)中，第2塊預(yù)濾棉上則由于容塵時間比第1塊預(yù)濾棉的短，混合塵顆粒黏附在纖維上，還未形成大的顆粒團(tuán)填充在纖維間的孔隙中。其中靜電紡復(fù)合材料濾芯加載時間更短，因此纖維上攔截的顆粒物量更少。更換第3塊棉后，靜電紡復(fù)合材料濾芯與預(yù)濾棉總壓差已超過實(shí)驗(yàn)終止壓差，因此未進(jìn)行加載氣溶膠實(shí)驗(yàn)，而此時熔噴復(fù)合材料濾芯與預(yù)濾棉的總壓差接近終止壓差，濾芯上已經(jīng)形成濾餅，壓差增長快，加載混合塵時間短，所以看到圖1(f)中纖維上黏附有小顆粒的物質(zhì)，纖維間的孔隙并未被堵塞。綜上所述可知，隨著預(yù)濾棉換棉次數(shù)增加，濾芯與預(yù)濾棉總壓差增大，后換上的預(yù)濾棉到達(dá)終止壓差所需時間短，棉上的顆粒物攔截量也減少。

由圖2(a)可知，靜電紡復(fù)合濾芯表面是由一層致密的靜電紡纖維薄層(纖維直徑150～300 nm)構(gòu)成，纖維間的孔隙較小。實(shí)驗(yàn)條件下的混合氣溶膠以液體氣溶膠為主導(dǎo)，容易在材料表面形成液膜，導(dǎo)致濾材阻力增長快。從圖2 (c)、 (d)中看出靜電紡層的納米纖維截了很多細(xì)小顆粒物，表面孔隙幾乎被填滿，且混合顆粒物形成的結(jié)構(gòu)較為緊密。

(a) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)濾棉入流面

(b) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)濾棉截面

(c) 實(shí)驗(yàn)后靜電紡預(yù)濾棉第1塊棉

(d) 實(shí)驗(yàn)后靜電紡預(yù)濾棉第2塊棉

(e) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第1塊棉

(f) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第2塊棉

(g) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第3塊棉

圖3(a)、(b)中熔噴復(fù)合材料入流面的熔噴纖維直徑為1～2 μm，濾材結(jié)構(gòu)較疏松，與靜電紡復(fù)合材料相比該材料的平均孔徑較小，透氣度較低。由圖3(c)可知，進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)后，油灰混合塵顆粒在濾材表面形成顆粒團(tuán)并堵塞纖維之間的孔隙，部分孔隙大的區(qū)域還未被堵塞，可看到表面纖維，且熔噴層表面顆粒物散落的較有層次，形成液膜所需時間長，因此相同實(shí)驗(yàn)條件下容塵量較大。

(a) 實(shí)驗(yàn)前入流面

(b) 實(shí)驗(yàn)前截面

(c) 實(shí)驗(yàn)后入流面

(d) 實(shí)驗(yàn)后截面

(a) 實(shí)驗(yàn)前入流面

(b) 實(shí)驗(yàn)前截面

(c) 實(shí)驗(yàn)后入流面

(d) 實(shí)驗(yàn)后截面

綜上所述，靜電紡復(fù)合材料的納米纖維層比熔噴層致密，且薄而平整，實(shí)驗(yàn)條件下以液體氣溶膠占主導(dǎo)作用的容塵過程會快速在濾材表面形成液膜，導(dǎo)致濾芯阻力迅速增長，使其容塵量比熔噴復(fù)合材料的低。蓬松熔噴層形成液膜較緩慢，因此容塵量大。濾芯更換預(yù)濾棉容塵實(shí)驗(yàn)中，濾芯壓差越來越高，預(yù)濾棉容塵到達(dá)終止壓差時間縮短，因此預(yù)濾棉上的容塵量呈下降趨勢。在濾芯實(shí)際使用中，可根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置較為合適的換棉次數(shù)。

2.2 預(yù)濾棉對濾芯阻力的影響

靜電紡復(fù)合材料濾芯更換第三次棉后總壓差超過實(shí)驗(yàn)壓差200 Pa，因此實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行了兩次換棉。圖4是靜電紡復(fù)合材料濾芯加載A2灰與DEHS的混合塵的阻力曲線圖，其中步驟1和步驟2的初始壓差為濾芯與預(yù)濾棉總壓差，因此步驟1中壓差比濾芯單獨(dú)加載混合塵的初始壓差高，步驟4的初始壓差則為去除預(yù)濾棉后濾芯壓差。從圖4可以看出，純?yōu)V芯加載混合塵329 s后的濾芯達(dá)到終止壓差，而在濾芯外增加一層預(yù)濾棉后，濾芯到達(dá)終止壓差時間為880 s，是單純?yōu)V芯所用時間的2.7倍，由此可知增加預(yù)濾棉可以有效延長濾芯到達(dá)終止壓差的時間，即延長濾芯的使用壽命。濾芯直接加載混合顆粒物初始階段濾芯壓差上升緩慢，但此階段時間短，隨后濾芯壓差快速上升，這是因?yàn)殪o電紡復(fù)合材料制備的濾芯在容塵過程中的過濾形式主要是表面過濾。加載混合塵初期，纖維間的孔隙還未被堵塞。隨著混合塵的繼續(xù)加載，液體氣溶膠的存在使固體氣溶膠黏度增大，容易在材料表面粘結(jié)形成大顆粒堵塞濾芯表面孔隙，造成后期壓差急速上升直到終止壓差。而濾芯外包預(yù)濾棉時，由于預(yù)濾棉孔隙大，以深層過濾為主，形成的大顆粒堵塞孔隙的速度慢，混合顆粒物經(jīng)預(yù)過濾后到達(dá)濾芯的量較少，因此在步驟1中濾芯壓差上升緩慢，加載時間長。步驟2加載混合塵時，經(jīng)過前面的容塵過程濾芯表面已經(jīng)沉積了一定量的混合顆粒物，而此時預(yù)濾棉為潔凈棉，對顆粒物的過濾效率較低，混合塵穿過預(yù)濾棉層進(jìn)入濾芯，因此濾芯壓差急劇上升。步驟4是去掉預(yù)濾棉后直接加載混合塵，由于前期加載實(shí)驗(yàn)使濾芯表面形成顆粒堵塞孔隙，因此壓差增長快。

圖4 靜電紡復(fù)合材料濾芯容塵過程的阻力曲線

圖5為熔噴復(fù)合材料制備的濾芯加載A2灰和DEHS的混合塵過程阻力曲線圖，其中步驟1、步驟2、步驟3的初始壓差為濾芯與預(yù)濾棉總壓差，步驟4的初始壓差則為去除預(yù)濾棉后濾芯壓差。從圖中可以看出，濾芯直接加載混合塵時，壓差在過濾初期緩慢增長，后期快速增長。無預(yù)過濾棉時，濾芯1436 s達(dá)到終止壓差，增加預(yù)過濾后，濾芯3935 s達(dá)到終止壓差，時間是前者的2.7倍。此外，步驟1中濾芯首次外包預(yù)濾棉時預(yù)濾棉和濾芯對整個加載過程的容塵量貢獻(xiàn)最大，壓差增長緩慢，由于在步驟1的容塵過程中濾芯表面已沉積了油灰混合顆粒物，在步驟2和步驟3中濾芯繼續(xù)加載時顆粒物濾材孔隙易堵塞，壓差增長加快。經(jīng)歷三次換棉加載實(shí)驗(yàn)后，濾芯表面已經(jīng)開始形成濾餅，因此拆掉預(yù)濾棉后濾芯加載混合塵的壓差增長比前三次的快。

對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，不論是濾芯直接加載混合塵，還是在濾芯外增加預(yù)濾棉，加載混合塵時其阻力上升趨勢相同。但熔噴復(fù)合材料制備的濾芯達(dá)到終止壓差時間長，這與濾芯的材料本身結(jié)構(gòu)相關(guān)。熔噴復(fù)合材料表面孔隙大，混合塵形成大顆粒堵塞孔隙需要的時間較長，因此達(dá)到終止壓差時間長。

圖5 熔噴復(fù)合材料濾芯容塵過程的阻力曲線

2.3 預(yù)濾棉對濾芯容塵性能的影響

表2是濾芯及預(yù)濾棉容塵質(zhì)量變化結(jié)果表。從表中可以看出，靜電紡復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS的混合塵時，其容塵量僅為0.90 g，而增加預(yù)濾棉后濾芯總?cè)輭m量為2.60 g，是前者的2.9倍，在3次更換的預(yù)濾棉中，步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大，為1.52 g，占整個換棉實(shí)驗(yàn)容塵的58%。熔噴復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS混合塵時，容塵量為3.46 g，而增加預(yù)濾棉后，預(yù)濾棉和濾芯總?cè)輭m量為10.44 g，是不加預(yù)濾棉的3.0倍。在3次更換的預(yù)濾棉中，步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大，為5.40 g，占整個換棉實(shí)驗(yàn)容塵的52%。由此可見，增加預(yù)濾棉可以有效延長濾芯的使用壽命，且第一次包覆的預(yù)濾棉對整個濾芯的容塵量影響很大。

從表中也可以看出，熔噴復(fù)合材料濾芯在實(shí)驗(yàn)的每一過程的容塵量均大于靜電紡復(fù)合材料濾芯，濾芯與預(yù)濾棉結(jié)合使用后，熔噴復(fù)合材料濾芯的總?cè)輭m量10.44 g，是靜電紡復(fù)合材料濾芯總?cè)輭m量2.60 g的4倍。除此之外，靜電紡復(fù)合材料比熔噴復(fù)合材料對含油霧粉塵更敏感，實(shí)驗(yàn)室壽命明顯低于熔噴復(fù)合材料。而預(yù)濾棉價格便宜，更換簡單、方便，采用在濾芯外增加預(yù)濾棉的方式，是提高濾芯容塵量的有效方法。

表2 濾芯及M5預(yù)濾棉的容塵質(zhì)量

3 總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)研究可知，對于同種材料制備的濾芯，加載A2灰和DEHS混合塵時，增加預(yù)濾棉后濾芯整體容塵量大大提升，靜電紡復(fù)合材料濾芯有預(yù)濾棉的容塵量是無預(yù)濾棉的2.9倍，熔噴復(fù)合材料濾芯有預(yù)濾棉的容塵量是無預(yù)濾棉的3.0倍，且實(shí)驗(yàn)過程中第一塊預(yù)濾棉的容塵量最大，分別占濾芯及預(yù)濾棉總?cè)輭m量的58%和52%。在濾芯上增加預(yù)濾棉的過濾方式可以有效延長濾芯的使用壽命，選擇合適的預(yù)濾棉對濾芯與預(yù)濾棉總?cè)輭m量影響很大。在實(shí)驗(yàn)條件下，靜電紡復(fù)合材料比熔噴復(fù)合材料對油灰混合塵更敏感，阻力上升快，實(shí)驗(yàn)室壽命低于熔噴復(fù)合材料。