纤维种类对纤维束过滤器除尘性能的影响

为了探究聚丙烯腈纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维3种纤维对纤维束过滤器除尘性能的影响，以路面扬尘为研究对象，在入口颗粒物浓度0.58 g · m-3、风速1.0 m · s-1、流量63.62 m3 · h-1、纤维填充率0.67%的条件下，研究不同过滤单元材质(聚丙烯腈纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维)除尘效率和压降的变化情况。结果表明，3种材质中聚丙烯腈纤维束除尘性能最好，除尘效率为70%~80%，其除尘效率比聚丙烯纤维束整体高20%。通过过滤介质表面电荷密度测定发现，在实验过程中，3种纤维表面都存在电荷，且聚丙烯腈纤维电荷密度>玻璃纤维电荷密度>聚丙烯纤维电荷密度。通过SEM检测发现，粉尘颗粒以静电吸附和纤维间填充2种方式赋存于过滤器内部，这表明纤维束过滤器除尘机理为静电作用和机械拦截作用的联合。

可吸入颗粒物通常是指空气动力学当量直径在10 μm以下的颗粒物，由于其粒径小、比表面积大、细菌和病毒等有害物质易附着其表面，故随呼吸进入人体后会对人类的身体健康产生极大危害[1-3]。研

究表明，可吸入颗粒物会导致心脏类疾病和呼吸类疾病的频发[4-6]。传统过滤网式技术是将材料编成网或袋，利用机械拦截作用实现颗粒物的分离，是人们普遍使用的一种除尘技术。侯力强等[7]测试了5 μm

金属纤维毡的除尘性能，结果表明，在颗粒物浓度5 g · m-?、过滤风速5 m · min-1、纤维毡厚度0.5 mm时，对粒径大于5 μm颗粒物的去除率可达100%；粒径1~5 μm颗粒物去除率可达85%；粒径0.3 μm颗粒物的去除率为58%。水甜甜等[8]对高效滤网过滤器和驻极体过滤器过滤性能进行了对比研究，当2种过滤器具有相同除尘效率时，驻极体过滤器空气处理量比高效滤网大15.27%。传统过滤网式过滤器虽被普遍使用，但其压力损失大、能耗高，高流阻限制了其应用。静电除尘技术是利用外加电场实现气体中颗粒物高效分离的技术。DEY等[9]研究了过滤器对不同粒径蔗糖和硬脂酸纳米颗粒的除尘性能，研究结果表明，过滤器对粒径范围20~80 nm之间颗粒物除尘效率为40%~70%；粒径80~600 nm之间颗粒物除尘效率为40%~90%。LEE等[10]研究了外加电场对过滤器道路粉尘和香草烟雾除尘性能的影响，结果表明，当外加电场为4.7 kV · cm-1、过滤风速为2.5 m · s-1时，过滤器对颗粒粒径为1.96 μm路面扬尘的除尘效率为93%，相同条件下，传统过滤器的除尘效率仅为70%。此外，在过滤风速2.5 m · s-1、过滤器运行30 min 后，过滤器对香烟颗粒物的除尘效率为96%。KIM等[11-12]研究了KCl气溶胶颗粒(100 nm~0.1 μm)电晕放电预处理对过滤器除尘性能的影响，发现提高系统荷电电压可以有效提高过滤器除尘性能，对亚微米级可吸入颗粒物除尘效率可达到99.7%。静电除尘技术具有效率高、处理量大等优势，但是静电技术对电压和工作环境要求极高，其使用有很大的安全隐患。

驻极体除尘技术是将驻极体材料(材料本身可长久携带电荷的材料)用于过滤器单元，通过提高静电作用以提高除尘效率的除尘技术[13]。周刘轲等[14]研究了在风机回风口加装驻极体过滤器后对香烟燃烧后产生的PM2.5颗粒物过滤性能的影响，结果表明，风机盘管回风口加装过滤器后处理风量相较于未加装时的处理风量有所衰减，但加装过滤器后对PM2.5的瞬时净化效率可达68%以上；而未加装过滤器风机盘管对M2.5的瞬时除尘效率只有2%左右。黄翔等[15]将聚丙烯驻极体过滤器应用到医院空调，其中过滤器对空气中粒径小于0.5 μm颗粒物的除尘效率为97.7%，粒径小于5 μm颗粒物的除尘效率为100%，净化后的空气品质符合医院规定要求。驻极体过滤器能在不牺牲压降的基础上很大程度地提高除尘效率，但其使用寿命受材料电性能影响，电荷衰减是其致命缺陷。

纤维束过滤器结构简单、压降低、容尘量大，在可吸入颗粒物的净化研究方面也开始受到重视。LI等[16]探究了常规纤维过滤器、驻极体过滤器和驻极体纤维束过滤器在地铁通风系统中的除尘性能，发现常规纤维过滤器的渗透率在3%~64%之间变化，驻极体过滤器的渗透率为35%~85%；而驻极体纤维束过滤器渗透率仅为1%~27%，驻极体纤维束过滤器的除尘性能要优于其他2种过滤器。PARK等[17]提出将预过滤器与驻极体过滤器(EF)、驻极体束过滤器(EBF)或驻极体褶皱过滤器(EPF)组合在一起，实验结果显示，过滤器组合对空气中PM10的效率为85%，对空气中PM2.5的过滤效率为55%。NOH[18-19]将聚丙烯纤维束安置在地铁通风系统之中进行现场测试，发现过滤风速为0.5 m · s-1时，过滤器对粒径100~800 nm气溶胶的去除效率为50%~70%；过滤风速为1.0 m · s-1时，0.4 μm和0.6 μm气溶胶的去除效率分别为52%和65%。EFIMOV等[20]利用聚丙烯纤维束对蚊香燃烧产生的颗粒物进行去除实验，发现颗粒物施加10 kV电压后除尘效率明显提高，对粒径为50~600 nm颗粒物的去除率可达90%。纤维束过滤器因其独特的纤维排列及松散的内部结构使其具有容尘量大、压降小的特点，以上特点使其实际应用具有极大优势和前景。聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚丙烯腈纤维是3种比较常见的纤维材料常被用作各种滤料，本研究考察这3种纤维对纤维束过滤器除尘性能的影响，并通过表面电荷密度测定和SEM检测等方法对纤维束过滤器除尘机理进行了研究，为纤维束过滤器的推广应用提供理论支持。

结果与讨论

2.1 纤维束种类对过滤器除尘效率和积尘量的影响

以路面扬尘为研究对象，探究了聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维和玻璃纤维对过滤器除尘性能的影响。在入口颗粒物浓度为0.58 g · m-3、过滤风速为1.0 m · s-1、流量为63.62 m3 · h-1、纤维填充率(纤维束截面积与管道截面积之比)为0.67%、纤维长度为12 cm的条件下，过滤器除尘效率与积尘量随时间变化情况见图3。如图3所示，不同种类纤维束过滤器除尘效率皆随实验进行逐渐降低，但过滤器之间除尘效率相差很大；聚丙烯腈纤维除尘效率最高，为70%~80%；玻璃纤维除尘效率次之，为60%~70%；聚丙烯纤维除尘效率最低，为45%~60%。而从图3(b)积尘量曲线可以看到其变化趋势与除尘效率相反，随时间增加，各过滤器积尘量均有增加的趋势，且在整个实验过程中，聚丙烯腈纤维积尘量>玻璃纤维积尘量>聚丙烯纤维积尘量。随着实验的进行，气流中粉尘颗粒不断被过滤器拦截，过滤器积尘量不断增加，积尘量的增加使过滤器容尘空间越来越小，因而过滤效率会呈现下降趋势。

2.2 纤维束种类对过滤器压降的影响

过滤器过滤单元上、下游之间压力的差值能够反映除尘设备的能量消耗，压降越大，能耗越高。因此，在实验过程中，对纤维束过滤单元上、下游之间的压降进行了监测。压降小是纤维束过滤器优势之一，为此，在与纤维束过滤器同一条件下，对直径为150 mm、厚度为12 cm的常规过滤单元的压降进行了测试，2类过滤器对比测试结果如图4所示。如图4所示，3种纤维束过滤器压降相比常规过滤器较小，且随着实验进行，二者之差越来越大；从图4中还可知，3种纤维束过滤器过滤单元上、下游之间压差变化很小，聚丙烯腈纤维压降从20 Pa增至24 Pa，玻璃纤维从19 Pa增至22 Pa，聚丙烯纤维从19 Pa增至21 Pa。纤维束过滤器独特的三维结构与内部发达的空气通道使其在实验过程中能够保持压降的稳定性，这使得过滤器在使用过程中能耗不会随着负载的增加而增加；另外，从2种过滤器压降结果的对比来看，也进一步证明纤维束过滤器具有低压降的优势。

2.3 不同种类纤维的表面电荷密度

为探究3种纤维除尘效率出现显著差异的原因，实验过程中，每隔10 min对纤维束表面电荷密度进行测量，利用式(3)和图3求出对应时间的积尘量，得到积尘量与表面电荷密度的关系，结果如图5所示。可见，实验过程中纤维表面存在电荷，且随表面积尘量的增加，纤维表面电荷密度逐渐降低。颗粒物在移动过程中极易因摩擦等因素而携带静电荷[21]，实验所用3 种纤维皆为良好的绝缘体，当纤维与空气和空气中颗粒物接触并产生相对运动时，纤维表面电子发生转移，产生剩余电荷，导致静电的产生；随着实验进行，纤维表面负载粉尘量逐渐增多，粉尘会对纤维表面静电荷产生屏蔽作用，进而使得纤维表面电荷密度逐渐降。从图5中还发现，整个实验过程中，聚丙烯腈纤维电荷密度>玻璃纤维电荷密度>聚丙烯纤维电荷密度；研究表明，拥有不同介电常数的2种物质相互接触时产生的电荷量与电性不同[22]，所以实验中3种纤维表面电荷密度不同，可能是由3种纤维与路面扬尘之间的介电常数之差不同导致。表2为3种纤维与路面扬尘的介电常数，可以发现，3种纤维与路面扬尘的差值从大到小分别为聚丙烯腈、玻璃纤维和聚丙烯纤维，此排列顺序与电荷密度排列顺序一致；同时，电荷密度排列顺序与纤维除尘效率变化趋势一致，这说明纤维表面电荷是影响过滤器除尘效率的因素之一。

2.4 粉尘颗粒在纤维束内附着状态

为观察粉尘颗粒在纤维束内附着状态，剪取部分实验后纤维束进行SEM检测。图6为实验后纤维表面SEM图。如图6所示，粉尘颗粒有2种赋存状态，单独附着和纤维间填充。结合SEM图像和过滤器表面电荷密度曲线分析认为，粉尘在过滤器内部的2种存在状态是因为，纤维在使用过程中会产生静电荷，在静电作用下粉尘吸附于纤维表面；而在纤维束内部，由于静电作用粉尘吸附于纤维表面，形成了粉尘初层，这使得纤维束之间的通道变窄，从而提高了其机械拦截作用效果，通过纤维表面粉尘初层的拦截作用，使更多的粉尘得到了捕集。综上所述，粉尘颗粒赋存于过滤器内部是静电作用与机械力作用共同作用的结果，而除尘效率随实验进行逐渐降低是以除尘机制为静电作用为主，静电作用引起的机械拦截作用为辅。

3 结论

1) 3种材料中聚丙烯腈纤维过滤性能最好，其次为玻璃纤维，聚丙烯纤维最差。

2) 通过表面电荷密度测定和SEM检测，纤维束过滤器的除尘机制为静电和静电引起的机械作用力的结合，其中以静电作用为主，机械力作用为辅；在相同实验条件下，丙烯腈纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维所产生的电荷量依次减小，使得聚丙烯腈纤维表现的过滤性能最好，聚丙烯纤维最差。

3) 纤维束独特的三维结构和内部发达的空气通道使得纤维束过滤器具有压降小、能耗低的特点。