空氣過(guò)濾器技術(shù)之談

　　◆空氣過(guò)濾器技術(shù)之談◆

　　--------------氣濾技術(shù)評(píng)述(上)

　　1.概述

　　空氣過(guò)濾即氣濾，是指將空氣中的污染粒子接近完全地去除。它比空氣凈化又進(jìn)一步，空氣凈化適 用于許多工業(yè)過(guò)程中對(duì)污染空氣的處理要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合[1]?？諝膺^(guò)濾技術(shù)是近百年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的一門綜合技術(shù)，它是指 應(yīng)用空氣凈化設(shè)備控制粉塵微粒的污染或通過(guò)空氣循環(huán)過(guò)濾將空氣的懸浮顆粒物捕集，以保護(hù)環(huán)境及人類的身體健康，它在空調(diào)、通風(fēng)除塵及其它領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用。

　　近年來(lái)，空氣過(guò)濾技術(shù)在濾料的研制及開發(fā)、過(guò)濾機(jī)理的研究及過(guò)濾設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用方面取得了較大的發(fā)展。本文主要介紹了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及取得的成果，提出了空氣過(guò)濾技術(shù)的研究及發(fā)展有待解決的問題。

　　2.濾料及過(guò)濾器的研究與發(fā)展

　　2.1我國(guó)濾料及過(guò)濾器的發(fā)展應(yīng)用

　　濾料是可將分散于彌散的流體中的固體顆料分離出來(lái)的多孔材料，彌散的流體可以是氣體或液體。濾料的種類有纖維濾料、微孔濾膜及覆膜濾料。濾料決 定著過(guò)濾過(guò)程的效果和效益，它的發(fā)展決定著空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展。它廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)、外空氣質(zhì)量品質(zhì)的控制。此外，在空調(diào)的新風(fēng)過(guò)濾、循環(huán)空氣的處理及利 用方面以及環(huán)境保護(hù)、機(jī)械、電力、煤炭、陶瓷、化工、醫(yī)藥、輕工、化肥、農(nóng)藥、糧食加工、港口運(yùn)輸、交通筑路等各行各業(yè)都需廣泛使用過(guò)濾技術(shù)和合纖濾料。

　　我國(guó)濾料生產(chǎn)發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代初，我國(guó)還沒有濾料生產(chǎn)廠，市場(chǎng)上也沒有專用的濾料產(chǎn)品;60年代逐步將化纖紡織品作為過(guò)濾介質(zhì)，應(yīng)用 到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中，滿足不同行業(yè)的需要，作各種不同用途的過(guò)濾材料制成的化纖過(guò)濾布具有耐酸、耐堿、高強(qiáng)力、纖維光潔等特性;70年代未，國(guó)產(chǎn)濾料208 滌綸絨布的誕生為過(guò)濾技術(shù)推廣應(yīng)用提供了第一1批濾料;80年代又仿照日本產(chǎn)品開發(fā)了729聚酯機(jī)織濾料，并專為過(guò)濾除塵的需要研制出針刺氈濾料，提高了 袋式除塵器的濾塵效率;90年代中期，我國(guó)科技人員開發(fā)成功覆膜濾料，即采用特殊工藝，將聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合在機(jī)織布、非織造布濾料或玻璃纖維濾料 上，該濾料過(guò)濾時(shí)形成一次粉塵層，實(shí)現(xiàn)了表面過(guò)濾，為高效低阻和節(jié)能提供了優(yōu)質(zhì)過(guò)濾材料[2，3]。

　　目前濾料的發(fā)展趨勢(shì)是：(1)由二維結(jié)構(gòu)的機(jī)織過(guò)濾布向三維結(jié)構(gòu)的非織造過(guò)濾布發(fā)展，由短纖纖化機(jī)織過(guò)濾布向長(zhǎng)絲過(guò)濾布發(fā)展，由復(fù)絲加捻過(guò)濾布向單絲過(guò)濾布發(fā)展;(2)由常規(guī)化纖過(guò)濾布向高性能、多功能、高質(zhì)量的過(guò)濾布發(fā)展，由合纖濾料向覆膜濾料發(fā)展[4]。

　　目前，我國(guó)多數(shù)合纖濾料生產(chǎn)企業(yè)后整理和復(fù)合設(shè)備還不夠完善，產(chǎn)品的品種和性能開發(fā)受到一定限制，一些特殊用途的濾料不得不依靠進(jìn)口。今后應(yīng)對(duì)現(xiàn)有濾料進(jìn)行后整理，并應(yīng)用復(fù)合工藝技術(shù)，研制開發(fā)新型濾料，提高國(guó)產(chǎn)濾料的性能，形成針對(duì)性和適用性強(qiáng)的產(chǎn)品。

　　空氣過(guò)濾技術(shù)是通過(guò)將濾料制成不同形式的過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)空氣過(guò)濾。為增加過(guò)濾器有效面積、優(yōu)化過(guò)濾性能，空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)形式已由原單一的單板形發(fā) 展到褶狀板形或筒形、長(zhǎng)圓柱形、堆疊圓盤形及矩陣形[5]。國(guó)產(chǎn)高效過(guò)濾器*早誕生于1964年。20世紀(jì)80年代初，國(guó)外過(guò)濾器開始進(jìn)入我國(guó)，它促進(jìn)了 國(guó)產(chǎn)過(guò)濾器的發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已開始研究國(guó)產(chǎn)駐極體靜電空氣過(guò)濾器[6]。所謂駐極體是指能長(zhǎng)期儲(chǔ)存電荷的電解質(zhì)材料，即采用一些方法使纖維長(zhǎng)期具有電 荷，利用靜電捕集機(jī)理提高過(guò)濾器捕集效率。目前，國(guó)產(chǎn)過(guò)濾器的生產(chǎn)存在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、效率測(cè)試方法不嚴(yán)格、產(chǎn)品規(guī)格花樣繁多及尺寸不統(tǒng)一等問 題;同時(shí)，在微電子及精密機(jī)械行業(yè)，高效過(guò)濾器的凈化效果已無(wú)法滿足要求[7]，國(guó)產(chǎn)亞高效、超高效過(guò)濾器有待開發(fā)。這些問題需采用規(guī)范管理及增加研究投 入的辦法來(lái)進(jìn)一步地加以完善解決。目前空氣過(guò)濾器常應(yīng)用于住宅、辦公、商業(yè)及工業(yè)建筑的潔凈室、HVAC系統(tǒng)、激光外科手術(shù)室、空調(diào)器等場(chǎng)合。

　　2.2國(guó)外濾料及過(guò)濾器發(fā)展?fàn)顩r

　　國(guó)外過(guò)濾材料開發(fā)的新動(dòng)向?yàn)椋合蚍强椩觳歼^(guò)濾材料、復(fù)合膜技術(shù)的過(guò)濾材料發(fā)展，向采用高技術(shù)、高性能的玻璃纖維、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等材料開發(fā)多功能的過(guò)濾材料發(fā)展[4]。

　　國(guó)外對(duì)過(guò)濾材料的研究生產(chǎn)應(yīng)用，已形成一個(gè)較完整的系統(tǒng)。每個(gè)濾布材料性能，如通氣性能、強(qiáng)度、截留粒子能力等，都有一套完整的測(cè)試和試驗(yàn)手 段。采用新材料開發(fā)的濾布不斷增加。為了減少清灰阻力，國(guó)外已從織布類濾料開始向纖維柵類濾料過(guò)渡。纖維柵類濾料是將長(zhǎng)纖維上下縱向布置形成一根根的柵黎明液壓濾芯欄，當(dāng)一層?xùn)艡谶^(guò)濾效果不理想時(shí)，再加另一層?xùn)艡冢敝吝_(dá)到理想的過(guò)濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過(guò)濾性能、降低成本、延長(zhǎng)使用壽命，將細(xì)直徑的玻璃纖 維與耐高溫的合成纖維優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制成復(fù)合針刺氈濾料。

　　近年來(lái)，隨著高科技的介入、紡織新材料的發(fā)展，國(guó)外過(guò)濾技術(shù)已向醫(yī)療、新材料提取等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。

　　在空氣過(guò)濾器發(fā)展方面，近年來(lái)，駐極體靜電空氣過(guò)濾器為國(guó)外應(yīng)用較多的高性能空氣過(guò)濾器。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美、日等國(guó)，前幾年已開發(fā)生產(chǎn)出采用 64MD級(jí)別以上半導(dǎo)體元件、空氣過(guò)濾效率達(dá)99.999999%(0.12～0.17μm)以上的超高效空氣過(guò)濾器。國(guó)內(nèi)企業(yè)在這方面與國(guó)外有很大差 距。

　　---------------空氣過(guò)濾器技術(shù)評(píng)述(下)

　　3.空氣過(guò)濾理論的研究與發(fā)展

　　空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展離不開空氣過(guò)濾理論的研究與發(fā)展。過(guò)濾理論特別是空氣過(guò)濾理論的研究早在19世紀(jì)已經(jīng)開始，而空氣過(guò)濾器的研制與發(fā)展只有20多年的歷史，過(guò)濾理論由早期的經(jīng)典過(guò)濾理論發(fā)展到現(xiàn)代過(guò)濾理論及微孔過(guò)濾理論。

　　對(duì)微細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的*早認(rèn)識(shí)是在19世紀(jì)初期，當(dāng)時(shí)植物學(xué)家Brown觀察了微細(xì)顆粒懸浮在液體中的運(yùn)動(dòng)(即布朗運(yùn)動(dòng));1922 年，F(xiàn)reundlich發(fā)展了對(duì)氣溶膠過(guò)濾規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提出在0.1～0.2μm半徑范圍內(nèi)氣溶膠顆粒存在*大滲透率;1931年，Albrecht率 先對(duì)氣流通過(guò)單一圓柱纖維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，建立了Albrecht理論，隨后Sell對(duì)其進(jìn)行了必要的改進(jìn)[8]。

　　1936年，Kaufmann首先把布朗運(yùn)動(dòng)和慣性沉淀的概念一同應(yīng)用到纖維過(guò)濾理論中，推導(dǎo)出過(guò)濾作用的數(shù)學(xué)公式;1942年，Langmuir[9]繼續(xù)對(duì)過(guò)濾理論進(jìn)行研究，認(rèn)為過(guò)濾是截留和擴(kuò)散的集合及慣性粒子在過(guò)濾纖維上的沉淀是可以忽略的。

　　1952年，Davies[10]把擴(kuò)散、截留和慣性3種機(jī)制結(jié)合起來(lái)并用公式表示出來(lái)，從而建立了新的過(guò)濾理論——孤立纖維理論;1958年 Friedlander[11]及1967年Yoshioka[12]發(fā)展了獨(dú)立纖維理論，他們對(duì)較大雷諾數(shù)情況下顆粒的慣性、擴(kuò)散沉積及重力效應(yīng)和過(guò)濾 器阻塞現(xiàn)象進(jìn)行了研究和總結(jié);1967年，Pickaar和Clarenburg試圖提出一個(gè)纖維過(guò)濾器微孔結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論;1987年P(guān)ich及 1993年Brown在其專著中描述了過(guò)濾理論的*新發(fā)展。

　　早期的經(jīng)典過(guò)濾理論主要以單一纖維模型為基礎(chǔ)，認(rèn)為過(guò)濾效率由3種機(jī)制決定：慣性效應(yīng)、截留效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)。整個(gè)顆粒的捕集依靠多種捕集機(jī)理的聯(lián)合作用。

　　現(xiàn)代過(guò)濾理論證明了慣性沉淀的正確性和*大穿透力粒子的存在，認(rèn)為過(guò)濾效率是截留效應(yīng)、布朗擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)、沉淀效應(yīng)與壓力效應(yīng)的集合;過(guò) 濾過(guò)程中可能存在的機(jī)理有攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散、靜電效應(yīng)、庫(kù)侖吸引一排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?，F(xiàn)代過(guò)濾理論中具有代表性的是Davies的 過(guò)濾理論與Kuwarbara的流場(chǎng)分布。

　　1992年，Payet、Gougeon和Attoui[14]考慮了氣體在單一纖維上的滑動(dòng)，對(duì)經(jīng)典理論引入修正系數(shù)，使得理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更 好地吻合。1995年，Rosnert[12]提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規(guī)則的分布和常常形成樹枝狀結(jié)構(gòu)為特征，建立了*進(jìn)改善的理論和顆粒在 單一纖維體上的空間分布。利用此理論和計(jì)算程序可預(yù)測(cè)顆粒的沉積。

　　2001年，Thomas等[14]對(duì)過(guò)濾器在產(chǎn)生阻塞的情況下進(jìn)行了空氣過(guò)濾的理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出了過(guò)濾器在濾餅存在的情況下，過(guò)濾效率及 壓力損失的計(jì)算模型。近幾年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者對(duì)空氣過(guò)濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機(jī)理進(jìn)行了理論實(shí)驗(yàn)及模擬研究，取得了一定的成果。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　過(guò)濾理論的研究目前尚不完善，國(guó)內(nèi)有關(guān)過(guò)濾機(jī)理的研究文獻(xiàn)很少。不同結(jié)構(gòu)過(guò)濾器的捕集效率和壓力損失的理論計(jì)算，空氣及多分散顆粒分布參數(shù)對(duì)捕 集效率及壓力損失的影響，過(guò)濾器的負(fù)荷特性對(duì)捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結(jié)構(gòu)特性對(duì)捕集效率及壓力損失的影響等問題，都有待研究解決。因此，過(guò)濾理 論的進(jìn)一步研究對(duì)空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。

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