劉宇峰，姬忠禮，陳鋒，劉震，常程

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

引 言

聚結(jié)元件在壓縮空氣過濾、氣體長(zhǎng)距離輸送、密封氣過濾和金屬切割等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]，氣體中的液滴雜質(zhì)若不能被及時(shí)分離，將會(huì)損壞下游儀器設(shè)備、腐蝕輸送管道或者危害工人的身體健康。對(duì)于氣體中小液滴的去除，聚結(jié)分離是最為有效的方法之一。而纖維濾材作為聚結(jié)過濾器的核心組成部分，其氣液聚結(jié)分離過程較為復(fù)雜，過濾分離性能的影響因素較為廣泛[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在濾材壓降和效率模型[4-5]、濾材和液滴物性[4,6-7]等因素上做了大量研究。Contal 等[6]根據(jù)各個(gè)階段液體在濾材中分布情況將液滴聚結(jié)過程分為緩慢增加階段、指數(shù)增長(zhǎng)階段、急劇增長(zhǎng)階段和穩(wěn)定階段。Frising 等[8]對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)四個(gè)階段液滴在纖維中潤(rùn)濕和遷移情況，改進(jìn)了壓降和穿透率模型。除了宏觀參數(shù)影響，液滴在纖維上的分布形態(tài)及受力情況等微觀分析對(duì)于聚結(jié)機(jī)理研究也尤為重要。由于潤(rùn)濕性的不同，液滴在單根纖維上有液膜、桶形液滴及蛤殼形液滴三種不同接觸形態(tài)[9]。Mullins 等[10-11]對(duì)親、疏油單根纖維上液滴運(yùn)動(dòng)進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)疏油纖維上的蛤殼形液滴更易發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性較差，易與纖維分離。上述研究表明，濾材的潤(rùn)濕性在微觀層面影響液滴與纖維的接觸形態(tài)，從而影響液滴的聚結(jié)過程。因此，對(duì)于纖維濾材潤(rùn)濕性的研究具有重要意義。

由于尋找結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、僅潤(rùn)濕性不同的兩種商用濾材較難，國內(nèi)外學(xué)者選用結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的親、疏油型濾材進(jìn)行對(duì)比[12-13]，研究濾材潤(rùn)濕性對(duì)過濾性能的影響。通過對(duì)比不同層數(shù)親、疏油型濾材的壓降，提出了“跳躍-通道”壓降模型，結(jié)合毛細(xì)管理論對(duì)親、疏油型濾材壓降不同的原因進(jìn)行了解釋[14-15]。另外，潤(rùn)濕性影響液體在濾材內(nèi)分布及受力情況[16]，從濾材下游穿透率[17]以及二次夾帶[18]兩個(gè)方面影響濾材過濾效率。對(duì)于粒子穿透率，通過對(duì)不同的親、疏油型濾材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合液體在濾材內(nèi)部運(yùn)移情況對(duì)親、疏油型濾材穿透率不同的原因進(jìn)行了解釋[19]。對(duì)于二次夾帶，Wurster 等[20-21]對(duì)親、疏油型濾材的二次夾帶現(xiàn)象進(jìn)行定量檢測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者規(guī)律有較大不同。常程等[22]針對(duì)聚結(jié)濾芯的二次夾帶現(xiàn)象進(jìn)行研究，認(rèn)為濾芯的表面潤(rùn)濕性對(duì)二次夾帶有重要影響，親油型濾芯更易出現(xiàn)二次夾帶，進(jìn)而影響其過濾效率。然而，上述研究無法排除結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，難以控制變量對(duì)潤(rùn)濕性的影響。

綜上所述，濾材潤(rùn)濕性通過影響液滴在纖維上的捕集、聚結(jié)及排液過程而使得濾材壓降、穿透率等情況發(fā)生改變，濾材潤(rùn)濕性的差別是由于表面能不同所導(dǎo)致，研究濾材表面能有助于深入認(rèn)識(shí)聚結(jié)機(jī)理，可為減小濾材持液率，研制低阻高效聚結(jié)元件提供指導(dǎo)。然而，目前對(duì)于單一表面能因素影響聚結(jié)元件過濾性能的研究較少。為此，本文采用不同濃度的改性溶液通過化學(xué)覆膜的方法對(duì)親油型玻璃纖維濾材進(jìn)行處理，在控制其平均孔徑、纖維直徑、透氣性等結(jié)構(gòu)參數(shù)幾乎不變的情況下，得到表面能不同的改性濾材，將表面能作為單一變量進(jìn)行研究，分析其對(duì)濾材壓降、穿透率、二次夾帶的影響及原因，并對(duì)此改性方法在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料及表征

選用親油型玻璃纖維濾材，記為GF。采用目前國際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中常用的癸二酸二辛酯（DEHS）作為實(shí)驗(yàn)液體，常溫下不易揮發(fā)，密度為912 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.023 Pa·s。為分析不同表面能改性對(duì)濾材氣液過濾性能的影響，使用不同濃度的氟硅氧烷丙烯酸酯共聚物水溶液通過浸漬法對(duì)親油型玻璃纖維濾材GF 進(jìn)行處理，得到改性濾材GF1～GF6。用瑞典BiolinScientific 公司Attension接觸角測(cè)量?jī)x，分別以水和DEHS 為介質(zhì)，使5 μl 液滴自由落下與濾材表面接觸，測(cè)得液滴與濾材表面接觸瞬間的接觸角[22]，每組選擇濾材不同位置測(cè)量5 次取平均值。用美國Quantachrome 公司Porometer 3G 孔徑測(cè)試儀測(cè)量濾材的平均孔徑，每種濾材測(cè)量3次取平均值，結(jié)果見表1。

表1 濾材物性參數(shù)Table 1 Properties of experimental filter materials

利用日本日立公司SU8010 型掃描電鏡觀察濾材微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。由圖可見，改性濾材GF1 的纖維形態(tài)未發(fā)生明顯變化，僅在纖維連接處及纖維表面的粗糙度較未處理濾材GF 纖維的光滑表面有所增加。用FEI 公司Quanta 200F 場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡能譜系統(tǒng)分析其元素變化，如圖2所示。由圖可見，處理后濾材表面氟元素含量較未處理濾材增加了約1.5 倍，氟元素的存在降低了纖維的表面能。由于低表面能和粗糙度增加的耦合作用，處理后的濾材具有良好的疏水疏油性質(zhì)。

圖1 濾材微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of filter material structure

由于聚結(jié)濾芯與實(shí)驗(yàn)濾材的氣流方向有所不同（濾芯為柱形，氣流方向一般為內(nèi)進(jìn)外出，即由下端口進(jìn)氣到柱形內(nèi)部空間，之后氣流沿斜上方向通過濾材；而濾材實(shí)驗(yàn)中氣流水平通過濾材），實(shí)際應(yīng)用中的濾芯性能可能與實(shí)驗(yàn)濾材性能存在差異。因此，本文對(duì)改性在濾芯上的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行研究。由于制作濾芯成本較高、工期較長(zhǎng)，因此，本文先對(duì)不同表面能的濾材進(jìn)行研究，再用改性濾材制作濾芯進(jìn)行驗(yàn)證。選用親油型玻璃纖維濾材GF，制作尺寸為φ62 mm×140 mm、層數(shù)分別為4、6、8 層的聚結(jié)濾芯，記為F4、F6、F8。選用改性濾材GF1，并制作尺寸為φ62 mm×140 mm、層數(shù)分別為4、6、8 層的改性濾芯，記為FN4、FN6、FN8。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及過濾性能評(píng)價(jià)

如圖3 所示，利用美國TSI 公司氣溶膠發(fā)生器9306A 產(chǎn)生DEHS 霧化液滴，保持上游氣流中液滴濃度和粒徑分布穩(wěn)定，氣體含液濃度700 mg/m3，在下游真空泵負(fù)壓作用下，與潔凈空氣混合，水平通過直徑150 mm 垂直放置的圓盤型濾材或氣流方向內(nèi)進(jìn)外出通過尺寸為φ62 mm×140 mm 的待測(cè)濾芯。在下游設(shè)置美國Alicat Scientific 公司MCR 500 slpm質(zhì)量流量控制器控制管道流量，以保持通過濾材表觀氣速為0.12 m/s。利用美國TSI 公司掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀（APS）測(cè)量濾材上下游氣流的液滴濃度和粒徑分布，總測(cè)量粒徑范圍為0.05～20 μm。利用差壓變送器對(duì)濾材兩端壓降進(jìn)行連續(xù)測(cè)量記錄。當(dāng)壓降和下游氣流的液滴濃度基本保持不變時(shí)，認(rèn)為過濾達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[23]。過濾過程中的壓降稱為過程壓降。實(shí)驗(yàn)開始前和結(jié)束后，利用瑞士Mettler Toledo 公司電子分析天平（AL204-IC）對(duì)濾材進(jìn)行稱重，用于計(jì)算濾材飽和度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器參數(shù)見表2。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)3 組相同的GF 濾材進(jìn)行過濾測(cè)試，計(jì)算3次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，驗(yàn)證上、下游氣溶膠液滴濃度及壓降的重復(fù)性。3 組濾材的上、下游氣溶膠液滴濃度和穩(wěn)態(tài)壓降的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.62%、0.27%和1.6%。

聚結(jié)元件的過濾性能主要由壓降和過濾效率決定。過濾效率較高的聚結(jié)元件一般壓降也較高，引入同時(shí)考慮壓降及過濾效率影響的品質(zhì)因子[24]綜合評(píng)價(jià)其性能。

品質(zhì)因子QF計(jì)算公式為

式中，Cin和Cout分別為上游和下游氣流中液滴的計(jì)數(shù)濃度，#/cm3；Δp為過濾介質(zhì)壓降。飽和度S計(jì)算公式為

式中，moil為過濾介質(zhì)內(nèi)部油的質(zhì)量，kg；moil,max為過濾介質(zhì)內(nèi)部能夠容納的最大油質(zhì)量，kg；mfilter和mfilter,0分別為過濾介質(zhì)穩(wěn)態(tài)質(zhì)量和初始質(zhì)量，kg；V為過濾介質(zhì)體積，m3；ρoil為油的密度，kg/m3；α 為過濾介質(zhì)填充密度。

圖3 過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Filtration performance experimental set-up

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改性對(duì)濾材過濾性能的影響

2.1.1 改性對(duì)濾材壓降的影響 濾材是聚結(jié)元件的核心組成部分，為分析疏油改性對(duì)濾材過濾性能的影響，控制濾材結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下對(duì)濾材GF進(jìn)行改性，得到不同表面能濾材GF1～GF6，其對(duì)水和DEHS 的接觸角變化趨勢(shì)如圖4。圖5 為濾材的壓降對(duì)比，改性濾材GF1～GF6 相比濾材GF 穩(wěn)態(tài)壓降降低幅度在12%～34%之間，改性濾材在相同實(shí)驗(yàn)條件下更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 濾材對(duì)水和DEHS的接觸角Fig.4 Contact angle of the material to water and DEHS

以改性濾材GF1 為例，分析改性對(duì)濾材壓降的影響，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)未處理濾材GF 和改性濾材GF1 的初始?jí)航?、過程壓降和穩(wěn)態(tài)壓降進(jìn)行對(duì)比。如圖5 所示，改性處理對(duì)濾材初始?jí)航涤绊戄^小，但是降低了濾材的穩(wěn)態(tài)壓降。為分析濾材壓降變化的原因，對(duì)過濾過程中的液滴進(jìn)行受力分析，液滴在水平氣流方向受到氣流的曳力Fd，濾材孔隙形成的毛細(xì)管對(duì)液滴的毛細(xì)管阻力P和液滴在濾材通道間運(yùn)移受到的運(yùn)動(dòng)阻力Fr。根據(jù)克服的阻力不同，將穩(wěn)態(tài)壓降分為克服P 導(dǎo)致的跳躍壓降和克服Fr導(dǎo)致的通道壓降兩部分進(jìn)行討論。

如圖6 所示，濾材GF1 相比濾材GF 跳躍壓降明顯減小，是造成濾材GF1 穩(wěn)態(tài)壓降小的主要原因。跳躍壓降與液體進(jìn)入或離開纖維濾材所克服的毛細(xì)力相關(guān)[15]。分析認(rèn)為，所克服毛細(xì)管阻力P 是液滴與形成毛細(xì)管的纖維接觸界面之間的附著力和液滴分子的內(nèi)聚力的合力。附著力和內(nèi)聚力的大小比較決定了纖維濾材的毛細(xì)管對(duì)液滴作用力是牽引或排斥。Washburn[25]基于圓柱型毛細(xì)管與液滴的界面附著力和內(nèi)聚力提出毛細(xì)管壓力公式

式中，γ為液體表面張力，N/m；r為毛細(xì)管半徑，m；θ為液滴接觸角。

Mullins 等[26]對(duì)平均纖維直徑＜5 μm 的薄玻璃纖維濾材提出等效毛細(xì)管半徑模型

式中，rc為濾材等效毛細(xì)管半徑，α 為濾材填充密度，rf是纖維半徑。將式（4）代入式（3），得出玻璃纖維濾材毛細(xì)管阻力

圖5 濾材壓降對(duì)比Fig.5 Comparison of pressure drop for filter materials

可知，毛細(xì)管阻力P 與液滴表面張力γ、濾材填充密度與纖維半徑的比值α/rf和液滴與濾材接觸角θ相關(guān)。而本實(shí)驗(yàn)中液滴的表面張力γ不變，且改性后濾材填充密度與纖維半徑的比值α/rf不變。DEHS 液滴在濾材GF、GF1 上的接觸角分別為39.89°和121.40°,可知|cos θGF|＞|cos θGF1|。因此，改性后濾材GF1 毛細(xì)管阻力數(shù)值減小。濾材GF 與濾材GF1的毛細(xì)管阻力方向相反，濾材GF毛細(xì)管力阻止液體離開，在濾材后表面形成液膜，而濾材GF1毛細(xì)管力阻止液體進(jìn)入，在濾材前表面形成液膜，濾材的跳躍壓降與形成的液膜相關(guān)。這也是圖6中濾材GF的跳躍壓降在后，而濾材GF1的跳躍壓降在前，且改性濾材GF1跳躍壓降數(shù)值較小的原因。

圖6 濾材壓降劃分及下游粒子濃度Fig.6 Pressure drop division and downstream particle concentration for filter materials

此外，由于濾材中的毛細(xì)孔道是各向隨機(jī)分布的，縱向也同樣存在毛細(xì)管力，而濾材GF 的縱向毛細(xì)管力對(duì)液滴有吸附作用，液滴需要聚合到其重力足以抵消縱向毛細(xì)管力時(shí)才可以排下，加劇了濾材GF后表面液膜的形成。此過程可由濾材飽和度（圖7）證明，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，濾材表面形成的液膜被吸附在濾材上而導(dǎo)致了濾材飽和度的升高，濾材GF的飽和度明顯高于濾材GF1，說明其形成液膜的含液量高于濾材GF1，導(dǎo)致濾材GF的跳躍壓降較高。

通道壓降與液滴從厚度方向通過整個(gè)濾材并行通道所受到的阻力Fr相關(guān)。液滴在親油和疏油纖維上分別呈膜狀分布和滴狀分布[27]，如表1 所示，纖維間的等效孔道直徑只有10 μm 左右，如圖8（a）、（d）所示，對(duì)于濾材GF1，在纖維上呈滴狀分布的微米級(jí)液滴比膜狀分布的薄液膜占據(jù)纖維間孔道更多的體積，使得氣體流道更加曲折，增加了氣流通過流道的阻力Fr，故濾材GF1的通道壓降較高。因此，對(duì)濾材的疏油改性處理減小了其跳躍壓降，雖然小幅增加了通道壓降，但仍減小了濾材的穩(wěn)態(tài)壓降，這意味著改性后濾材在使用過程中有更低的能耗。

圖7 濾材飽和度對(duì)比Fig.7 Comparison of saturation for filter materials

圖8 液滴在濾材孔隙組成的毛細(xì)管中的形態(tài)Fig.8 Droplets morphology in capillary composed of filter materials pores

對(duì)于不同表面能的疏油改性濾材，如圖5所示，濾材GF1～GF6 之間跳躍壓降相差較小，圖7 顯示其飽和度也相差較小，但改性濾材的跳躍壓降和飽和度都比未處理濾材GF 小近40%。跳躍壓降和飽和度趨勢(shì)相近的原因是單層濾材在實(shí)驗(yàn)過程中由于克服毛細(xì)力而形成的液膜在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后仍然吸附在濾材上。如圖5 所示，濾材GF1～GF6 的通道壓降先減小后增加，由于GF1～GF6的纖維表面能先增加后減?。▓D4），因此，濾材的通道壓降隨纖維表面能的減小而增大。分析認(rèn)為，隨著纖維表面能的減小，由于體系Gibbs 自由能趨向于減小，液滴越收縮趨向于球形，接觸角越大，圖8為液滴在纖維表面能逐漸減小的濾材孔道中的形態(tài)，孔道中的微米級(jí)液滴接觸角越大，液滴在纖維上滴狀分布的高度越高，占據(jù)纖維間孔道的截面面積越大，使得氣體流道越曲折，氣流通過流道的阻力越大，即濾材的通道壓降越高。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的疏油濾材，隨著纖維表面能的減小，濾材通道壓降增加，穩(wěn)態(tài)壓降也隨之增加。

圖9 濾材過濾效率對(duì)比Fig.9 Comparison of filtration efficiency for filter materials

2.1.2 改性對(duì)濾材效率的影響 圖9（a）為濾材對(duì)0.05～0.5 μm 液滴的累積計(jì)數(shù)效率對(duì)比，改性濾材相比未處理濾材對(duì)0.05 μm 以上液滴的穩(wěn)態(tài)過濾效率從87.24%提高到95.85%以上，并且隨著濾材纖維表面能的減小，其對(duì)0.05 μm 以上液滴的過濾效率逐漸升高。分析認(rèn)為，對(duì)于粒徑＜0.5μm 的小液滴，主要由擴(kuò)散作用被纖維攔截[3]。纖維對(duì)顆粒的擴(kuò)散分離效率與顆粒運(yùn)動(dòng)黏度、運(yùn)動(dòng)速度、纖維填充密度、纖維直徑、纖維有效過濾面積等參數(shù)相關(guān)[28]。隨著纖維表面能的減小，液滴在纖維上的接觸形態(tài)由膜狀鋪展變?yōu)榈螤罘植迹捎谑栌蜑V材的纖維表面能較液滴更小，體系Gibbs 自由能趨向于減小，液滴收縮成球形，表面減少，而纖維表面增加，纖維有效過濾面積變大，所以纖維擴(kuò)散攔截作用更強(qiáng)[19]；且液滴越難潤(rùn)濕纖維，纖維越潔凈，液體越難在纖維間形成液橋和液膜，氣流通過潔凈纖維時(shí)更有機(jī)會(huì)因擴(kuò)散作用而被纖維攔截。圖10為實(shí)驗(yàn)后濾材GF 和GF1中液體分布的電鏡照片，在濾材GF的纖維間可以看到明顯的液橋和液膜，由于小液滴的氣體跟隨性較好，而大部分氣流從液膜間的空隙流過，故液膜的存在減小了氣流中小液滴與纖維接觸的面積；而改性濾材GF1 則較為潔凈，氣流通過這些潔凈纖維時(shí)更有機(jī)會(huì)因擴(kuò)散作用而被纖維攔截，所以對(duì)0.05～0.5 μm液滴的過濾效率更高。

另外，在纖維表面對(duì)油具有高排斥性的時(shí)候，小油滴可以看作彈性小球，當(dāng)油霧穿過濾材內(nèi)部纖維層時(shí)，小油滴會(huì)在對(duì)油具有高排斥性的纖維之間彈跳碰撞[29]，聚成大油滴而后被纖維攔截，彈跳碰撞過程增加了液滴被捕集的概率。

圖9（b）為濾材對(duì)0.5～20 μm 液滴的累積計(jì)數(shù)效率對(duì)比，改性濾材相比未處理濾材對(duì)0.5 μm 以上液滴的穩(wěn)態(tài)過濾效率從99.28%提高到99.93%以上，并且隨著濾材纖維表面能的減小，其對(duì)0.5 μm 以上液滴的過濾效率逐漸升高。分析認(rèn)為，對(duì)于粒徑＞0.5 μm 的大液滴，主要由慣性碰撞作用被纖維攔截[3]。隨著纖維表面能的減小，液滴在纖維上由膜狀分布變?yōu)榈螤罘植?。纖維間的等效孔道直徑只有10 μm 左右（表1），如圖8 所示，孔道中的微米級(jí)液滴越趨于球形，液滴在纖維上的高度越高，占據(jù)纖維間孔道的截面面積越大，使得氣體流道越曲折，越利于0.5 μm 以上液滴的慣性分離。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的濾材，其對(duì)液滴的擴(kuò)散、慣性分離作用隨表面能的減小而增強(qiáng)，故其過濾效率隨表面能的減小而升高。

另外，在圖9（b）中，濾材GF在液滴粒徑1～2 μm處的效率有所降低，其原因是氣流的剪切力使濾材后表面的液膜破裂[22]，造成夾帶。夾帶液滴粒徑范圍主要集中在1～2 μm，與Wurster 等[21]對(duì)聚結(jié)濾材夾帶液滴粒徑范圍的研究結(jié)果相一致。而改性濾材GF1～GF6在此處效率提高較多，其原因是液滴從其前表面進(jìn)入需克服毛細(xì)力，液膜形成在濾材前表面，氣流的剪切力使液膜破裂所造成的液滴夾帶仍有可能被濾材內(nèi)部纖維所攔截。因此，對(duì)濾材的疏油改性增強(qiáng)了對(duì)液滴的擴(kuò)散、慣性分離作用，減小了二次夾帶，因而提高了濾材的過濾效率。

圖10 實(shí)驗(yàn)后濾材的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM micrographs of filter materials after experiments

為分析濾材綜合過濾性能變化，對(duì)比濾材壓降及下游粒子計(jì)數(shù)濃度的變化趨勢(shì)，如圖6所示，濾材GF液膜形成階段是粒子穿透率最高的階段，分析認(rèn)為，濾材后表面的排液薄膜在氣流作用下形成氣泡，其破碎產(chǎn)生碎片液滴[30]使得穿透率增加。而濾材GF1 下游濃度則一直下降，最后維持在較低水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濾材GF。因此，對(duì)濾材的疏油改性可降低濾材穩(wěn)態(tài)壓降，同時(shí)提高濾材過濾效率，提升其綜合過濾性能。

2.1.3 改性對(duì)濾材品質(zhì)因子的影響 為分析改性對(duì)濾材綜合過濾性能的影響，對(duì)濾材的品質(zhì)因子進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖11所示。改性處理后濾材的品質(zhì)因子均有所增加，對(duì)于＞0.05 μm 液滴的品質(zhì)因子增加幅度在85%～136%之間，對(duì)于＞0.5 μm 液滴的品質(zhì)因子增加幅度在93%～124%之間。改性濾材GF1～GF6 的品質(zhì)因子隨著濾材表面能的增加而增加，表面能最大的改性濾材GF4 的品質(zhì)因子最高，雖然其過濾效率較其他改性濾材有小幅降低，但是其穩(wěn)態(tài)壓降較小，仍使其具有最佳的綜合過濾性能。

2.2 改性在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用

圖11 濾材品質(zhì)因子對(duì)比Fig.11 Comparison of quality factor for filter materials

圖12 濾芯過程壓降對(duì)比Fig.12 Comparison of process pressure drop for filters

2.2.1 改性對(duì)濾芯壓降的影響 為驗(yàn)證改性在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用效果，分別用未處理濾材GF 和改性濾材GF1 制作4、6、8 層的未處理濾芯F4、F6、F8和改性濾芯FN4、FN6、FN8，在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)其壓降和穩(wěn)態(tài)效率進(jìn)行對(duì)比。圖12 為濾芯過程壓降對(duì)比，表3為濾芯初始、通道、跳躍、潤(rùn)濕及穩(wěn)態(tài)壓降對(duì)比。改性處理對(duì)濾芯初始?jí)航涤绊戄^小，濾芯的初始?jí)航?、穩(wěn)態(tài)壓降及達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間均隨層數(shù)增加而增大。濾芯F4、F6、F8跳躍壓降相差較小，其原因在于跳躍壓降代表著氣流穿過液膜時(shí)克服的泡點(diǎn)壓力，其數(shù)值由濾材的毛細(xì)作用力決定，由于本文濾芯使用同種濾材，無論層數(shù)多少，其跳躍壓降數(shù)值相近。所以，穩(wěn)態(tài)壓降的差別主要體現(xiàn)在通道壓降，隨層數(shù)的增加而增大，其原因是在于通道壓降代表氣流通過濾材并行通道受到的阻力，其數(shù)值上取決于通道長(zhǎng)度。

改性濾芯FN4、FN6 較未處理濾芯F4、F6 穩(wěn)態(tài)壓降分別降低10%和5%，從8 層開始，改性濾芯FN8 穩(wěn)態(tài)壓降高于未處理濾芯F8。可見改性濾芯較未處理濾芯的壓降降低效果隨濾芯層數(shù)的增加而減弱，分析認(rèn)為，如2.1.1 節(jié)中所述，改性濾材較未處理濾材壓降的降低主要體現(xiàn)在跳躍壓降的大幅降低上，而通道壓降反而有小幅升高。而濾芯層數(shù)的增加不會(huì)影響液滴進(jìn)入或離開濾材表面所克服的毛細(xì)力，故多層改性濾芯跳躍壓降的降低效果是不疊加的；隨著濾芯層數(shù)的增加，相當(dāng)于通道長(zhǎng)度增加，氣流通過濾材并行通道受到的阻力隨通道長(zhǎng)度線性增加，故多層改性濾芯通道壓降的升高效果是隨層數(shù)增加而疊加的。如表3 所示，隨層數(shù)的增加，改性濾芯多層通道壓降的升高逐漸抵消了濾芯表面跳躍壓降的降低，從8 層開始，改性濾芯通道壓降升高的數(shù)值超過了跳躍壓降降低的數(shù)值。

表3 濾芯壓降對(duì)比Table 3 Comparison of pressure drop for filters

2.2.2 改性對(duì)濾芯效率的影響 圖13 為濾芯的穩(wěn)態(tài)累積計(jì)數(shù)效率對(duì)比。改性濾芯FN4、FN6、FN8 相比濾芯F4、F6、F8 對(duì)＞0.05 μm 液滴的穩(wěn)態(tài)效率分別從99.061%、99.324%和99.935%提高到99.967%、99.949%和99.955%。改性濾芯FN4、FN6、FN8相比濾芯F4、F6、F8 對(duì)＞0.5 μm 液滴的穩(wěn)態(tài)效率分別從99.944%、99.814% 和99.978% 提 高 到99.999%、99.999%和99.996%。改性濾芯穩(wěn)態(tài)效率提高的原因與濾材同理。值得注意的是，隨著層數(shù)的增加，未處理濾芯對(duì)小液滴（＞0.05 μm）的穩(wěn)態(tài)效率有明顯的升高，而對(duì)大液滴（＞0.5 μm）的穩(wěn)態(tài)效率變化無明顯規(guī)律，其原因是小液滴主要靠擴(kuò)散作用分離，隨著層數(shù)的增加，用于捕集液滴的有效纖維面積增加，故效率升高；而大液滴主要靠慣性作用分離，層數(shù)的增加對(duì)氣流通過纖維間隙的速度無明顯影響，所以對(duì)大液滴的慣性分離作用無明顯影響，另外，氣流通過親油型濾芯后表面的液膜時(shí)易產(chǎn)生二次夾帶，故層數(shù)增加對(duì)大液滴效率的影響無明顯規(guī)律。

2.2.3 改性對(duì)濾芯品質(zhì)因子的影響 圖14 為濾芯的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子對(duì)比。改性濾芯FN4 相比濾芯F4對(duì)＞0.5 μm 和＞0.05 μm 液滴品質(zhì)因子分別增加了70%和90%，改性濾芯FN6 相比濾芯F6 對(duì)＞0.5 μm和＞0.05 μm 液滴品質(zhì)因子分別增加了92%和59%，改性濾芯FN8相比濾芯F8對(duì)＞0.5 μm和＞0.05 μm液滴品質(zhì)因子分別增加了8%和減小了6%。

綜上所述，改性濾芯FN4、FN6、FN8的過濾效率均大于任何層數(shù)的未處理濾芯F4、F6、F8，4 層的改性濾芯FN4 在所有濾芯中有最低的穩(wěn)態(tài)壓降，且其效率高于未處理濾芯F4、F6、F8。改性濾芯可以在較少的層數(shù)下，保持比多層的未處理濾芯更高的過濾效率以及更低的壓降，優(yōu)化濾芯綜合過濾性能，在圖14中可以得到印證，改性濾芯FN4擁有最高的品質(zhì)因子。因此，改性處理能夠提高濾芯的過濾性能，尤其在濾芯層數(shù)少的時(shí)候優(yōu)勢(shì)更為明顯。

圖13 濾芯過濾效率對(duì)比Fig.13 Comparison of filtration efficiency for filters

圖14 濾芯品質(zhì)因子對(duì)比Fig.14 Comparison of quality factor for filters

3 結(jié) 論

（1）提高聚結(jié)元件過濾效率的同時(shí)，一般伴隨著阻力的升高，本文提出一種改性方法，可以使濾材過濾效率提高10%的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)壓降降低約30%。濾材效率的提高由擴(kuò)散、慣性分離作用的增強(qiáng)和二次夾帶的減少導(dǎo)致；濾材壓降的降低主要由濾材毛細(xì)作用力的改變而導(dǎo)致。

（2）纖維表面能通過影響液滴與纖維的接觸形態(tài)，進(jìn)而影響濾材過濾性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的疏油濾材，其穩(wěn)態(tài)壓降和過濾效率均隨表面能的減小而升高。

（3）經(jīng)過改性后的聚結(jié)濾芯具有低阻高效的優(yōu)勢(shì)，尤其在濾芯層數(shù)少的時(shí)候優(yōu)勢(shì)更為明顯，其品質(zhì)因子最大可提高92%。