張濤 劉思含 周志強 周浩 孫召霞 梁云，*

（1.清潔高效燃煤發(fā)電與污染物控制國家重點實驗室，江蘇南京，210023；2.華南理工大學輕工科學與工程學院，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、使用壽命長是優(yōu)質(zhì)濾材研制的永恒標準[1-3]。通常，濾材在一定測試標準條件下的容塵量被用于評估其使用壽命，濾材容塵量越高，其使用壽命越長[4-6]。使用環(huán)境包括溫度、濕度及氣溶膠特性，其對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濾材性能的影響[7-9]。油性氣溶膠對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純灰容塵過程中阻力增加速率的12倍。我國大氣環(huán)境惡劣，空氣中含有大量油性污染物[11-13]，會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)境中的長壽命濾材對空氣過濾材料行業(yè)具有重要意義。

具有梯度結(jié)構(gòu)的超細纖維復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)，本研究制備了超細纖維在濾材厚度方向呈梯度分布的復合空氣濾材，對其過濾效率曲線進行了分析，并探究了濾材對油-灰（癸二酸二異辛-A2灰）混合污染物的容塵性能。

1 實 驗

1.1 濾材制備及表征

具有梯度結(jié)構(gòu)的超細纖維復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)實現(xiàn)，流程如圖1所示。將植物纖維和聚對苯二甲酸乙二酯（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)的階梯擴散器后，達到穩(wěn)定的層流狀態(tài)，2個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，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

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

1.2 濾材過濾性能及對癸二酸二異辛（DEHS）-A2灰混合塵的容塵性能

為了探究濾材的最易穿透粒徑（過濾效率最低時對應(yīng)的顆粒粒徑），在面流速5 cm/s的條件下，測試分析濾材對粒徑20、50、80、100、200、300、500 nm的NaCl顆粒的過濾效率。測試系統(tǒng)設(shè)置如圖2(a)所示。其中，NaCl顆粒由霧化器發(fā)出后進入干燥器，后經(jīng)差分電遷移率粒徑分析儀進行篩分，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入測試夾具，測試過程中凝結(jié)核計數(shù)器對上下游顆粒的數(shù)量濃度進行實時監(jiān)測，濾材對不同粒徑的顆粒的過濾效率（E）計算如式(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DEHS-A2灰混合塵的容塵性能測試系統(tǒng)如圖2(b)所示。測試面流速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，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種顆粒物單獨經(jīng)發(fā)塵、發(fā)霧器產(chǎn)生后在測試管道混合，進入測試夾具，當濾材壓差上升至2 kPa時，終止實驗。取出濾材稱重，濾材容塵量（DHC）計算如式(2)所示。

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

式中，M1為容塵測試結(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，測試結(jié)果如表1所示。濾材形貌及孔徑分布測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，超細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NaCl顆粒粒徑小于100 nm時，隨顆粒粒徑的增加，濾材的過濾效率減小。當NaCl顆粒粒徑大于100 nm時，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，纖維對顆粒物的捕集機理為：擴散、攔截、慣性碰撞。粒徑20、50、80 nm的顆粒通過擴散被濾材攔截。在此范圍內(nèi)，隨顆粒粒徑的增加，顆粒的擴散系數(shù)減小，導致擴散效率降低[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的顆粒由于對應(yīng)慣性碰撞來說粒徑太小，而對于擴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

濾材對純A2灰、純DEHS及不同DEHS含量的DEHS-A2混合塵的容塵量（DHC）測試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在相同測試條件下，濾材對純A2灰和純DEHS的DHC分別為92.0 g/m2和182.5 g/m2。對不同DEHS含量的DEHS-A2混合塵的容塵測試結(jié)果表明，當混合塵中DEHS含量為20%時，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DEHS含量為60%時，濾材DHC最低，為84.1 g/m2。宋強等人[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)的超細纖維復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間增加的變化情況。從圖6可以看出，濾材在對純A2灰容塵過程中，壓差變化經(jīng)歷了3個階段[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，隨著時間的增加，濾材壓差快速增加。濾材對油性液滴DEHS的容塵過程中壓差變化也經(jīng)歷了3個階段[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。當混合塵中DEHS含量為40%、60%和80%時，濾材的壓差增加趨勢與加載純DEHS液滴時相同，但在第一階段和第三階段的壓差增加速率更大，導致濾材的總?cè)輭m時間減少，濾材DHC降低。當混合塵中DEHS含量為20%時，濾材壓差隨著時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DEHS含量為60%時，混合塵形成的濾餅結(jié)構(gòu)致密。當DEHS含量為80%時，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，穿透進入濾材內(nèi)部的油性液滴DEHS增加，當DEHS含量為80%時，油性液滴已分布在整個濾材中。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)的超細纖維復合空氣過濾材料，探究了其過濾效率及對純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)化熔噴纖維雙層復合濾材相比，相同條件下，具有梯度結(jié)構(gòu)的超細纖維復合空氣濾材在含油污環(huán)境中具有較大的容塵量，更長的使用壽命。

3.2 混合塵中含有少量的油性液滴DEHS會增加濾材使用壽命。與純A2灰相比，混合塵中含有20%DEHS會使濾材容塵量由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 當混合塵中DEHS含量大于20%時，濾材容塵量隨著DEHS含量的增加而降低，當DEHS含量為60%時，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DEHS含量為80%時，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，混合塵的流動性增加，穿透進入濾材內(nèi)部的顆粒物增加。