空氣過濾器技術(shù)之談

　　◆空氣過濾器技術(shù)之談◆

　　--------------氣濾技術(shù)評述(上)

　　1.概述

　　空氣過濾即氣濾，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)過程中對污染空氣的處理要求不太嚴(yán)格的場合[1]?？諝膺^濾技術(shù)是近百年來隨著科學(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空氣循環(huán)過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，空氣過濾技術(shù)在濾料的研制及開發(fā)、過濾機(jī)理的研究及過濾設(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國內(nèi)外空氣過濾技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及取得的成果，提出了空氣過濾技術(shù)的研究及發(fā)展有待解決的問題。

　　2.濾料及過濾器的研究與發(fā)展

　　2.1我國濾料及過濾器的發(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 定著過濾過程的效果和效益，它的發(fā)展決定著空氣過濾技術(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)都需廣泛使用過濾技術(shù)和合纖濾料。

　　我國濾料生產(chǎn)發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代初，我國還沒有濾料生產(chǎn)廠，市場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濾介質(zhì)，應(yīng)用 到工業(yè)各個領(lǐng)域中，滿足不同行業(yè)的需要，作各種不同用途的過濾材料制成的化纖過濾布具有耐酸、耐堿、高強(qiáng)力、纖維光潔等特性;70年代未，國產(chǎn)濾料208 滌綸絨布的誕生為過濾技術(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，該濾料過濾時形成一次粉塵層，實(shí)現(xiàn)了表面過濾，為高效低阻和節(jié)能提供了優(yōu)質(zhì)過濾材料[2，3]。

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

　　目前，我國多數(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，提高國產(chǎn)濾料的性能，形成針對性和適用性強(qiáng)的產(chǎn)品。

　　空氣過濾技術(shù)是通過將濾料制成不同形式的過濾器實(shí)現(xiàn)空氣過濾。為增加過濾器有效面積、優(yōu)化過濾性能，空氣過濾器的結(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、長圓柱形、堆疊圓盤形及矩陣形[5]。國產(chǎn)高效過濾器*早誕生于1964年。20世紀(jì)80年代初，國外過濾器開始進(jìn)入我國，它促進(jìn)了 國產(chǎn)過濾器的發(fā)展。近年來，國內(nèi)已開始研究國產(chǎn)駐極體靜電空氣過濾器[6]。所謂駐極體是指能長期儲存電荷的電解質(zhì)材料，即采用一些方法使纖維長期具有電 荷，利用靜電捕集機(jī)理提高過濾器捕集效率。目前，國產(chǎn)過濾器的生產(chǎn)存在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、效率測試方法不嚴(yán)格、產(chǎn)品規(guī)格花樣繁多及尺寸不統(tǒng)一等問 題;同時，在微電子及精密機(jī)械行業(yè)，高效過濾器的凈化效果已無法滿足要求[7]，國產(chǎn)亞高效、超高效過濾器有待開發(fā)。這些問題需采用規(guī)范管理及增加研究投 入的辦法來進(jìn)一步地加以完善解決。目前空氣過濾器常應(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)器等場合。

　　2.2國外濾料及過濾器發(fā)展?fàn)顩r

　　國外過濾材料開發(fā)的新動向?yàn)椋合蚍强椩觳歼^濾材料、復(fù)合膜技術(shù)的過濾材料發(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)多功能的過濾材料發(fā)展[4]。

　　國外對過濾材料的研究生產(chǎn)應(yīng)用，已形成一個較完整的系統(tǒng)。每個濾布材料性能，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，國外已從織布類濾料開始向纖維柵類濾料過渡。纖維柵類濾料是將長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^濾效果不理想時，再加另一層?xùn)艡冢敝吝_(dá)到理想的過濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過濾性能、降低成本、延長使用壽命，將細(xì)直徑的玻璃纖 維與耐高溫的合成纖維優(yōu)勢互補(bǔ)，制成復(fù)合針刺氈濾料。

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

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

　　---------------空氣過濾器技術(shù)評述(下)

　　3.空氣過濾理論的研究與發(fā)展

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

　　對微細(xì)顆粒運(yùn)動規(guī)律的*早認(rèn)識是在19世紀(jì)初期，當(dāng)時植物學(xué)家Brown觀察了微細(xì)顆粒懸浮在液體中的運(yùn)動(即布朗運(yùn)動);1922 年，F(xiàn)reundlich發(fā)展了對氣溶膠過濾規(guī)律的認(rèn)識，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 先對氣流通過單一圓柱纖維運(yùn)動進(jìn)行了研究，建立了Albrecht理論，隨后Sell對其進(jìn)行了必要的改進(jìn)[8]。

　　1936年，Kaufmann首先把布朗運(yùn)動和慣性沉淀的概念一同應(yīng)用到纖維過濾理論中，推導(dǎo)出過濾作用的數(shù)學(xué)公式;1942年，Langmuir[9]繼續(xù)對過濾理論進(jìn)行研究，認(rèn)為過濾是截留和擴(kuò)散的集合及慣性粒子在過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)合起來并用公式表示出來，從而建立了新的過濾理論——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試圖提出一個纖維過濾器微孔結(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濾理論的*新發(fā)展。

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

　　現(xiàn)代過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 濾過程中可能存在的機(jī)理有攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散、靜電效應(yīng)、庫侖吸引一排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)。現(xiàn)代過濾理論中具有代表性的是Davies的 過濾理論與Kuwarbara的流場分布。

　　1992年，Payet、Gougeon和Attoui[14]考慮了氣體在單一纖維上的滑動，對經(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。利用此理論和計算程序可預(yù)測顆粒的沉積。

　　2001年，Thomas等[14]對過濾器在產(chǎn)生阻塞的情況下進(jìn)行了空氣過濾的理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出了過濾器在濾餅存在的情況下，過濾效率及 壓力損失的計算模型。近幾年來，國外許多學(xué)者對空氣過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

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

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