典型濾料對PM1.0/PM2.5/PM10細顆粒物捕集性能的研究

柳靜獻，常德強，毛 寧，邱乾勝，陳小松，孫 熙

（東北大學濾料檢測中心，沈陽 110004）

1 概述

工業煙塵的大量排放給我國大氣質量造成了嚴重影響，近年來引發了頻繁的霧霾天氣，尤其在2012年冬季至2013年的春節期間，我國東部地區發生的霧霾范圍之大、時間之長前所未見，給公眾健康、工業生產帶來了很大影響，嚴重干擾了陸路及航空運輸，影響了社會的穩定，成為近期媒體關注的焦點之一。

理論與實踐證明，過濾是微細粒子捕集控制的最有效方式，濾料作為核心材料，其性能影響著顆粒物捕集的效果。目前，市場上的各種濾料主要針對全塵捕集設計制造，對以PM2.5為代表的微細顆粒物的捕集效率有較大的差別。

本文通過實驗手段研究目前市場上流行的、來自于不同廠商的幾種典型濾料對微細粒子的過濾性能，包括對全塵的計重效率，對PM1.0、PM2.5、PM10的計重效率，對1.0μm、2.0μm、2.5μm、5μm、10μm粒子的分粒級計數效率，以及在過濾過程中的阻力特性等。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置

濾料過濾性能研究采用的裝置如圖1所示。

將被測濾料的樣品夾持在豎直與水平管交匯處，粉塵通過精密螺旋發塵器供給，通過氣流引射到方形豎管，氣流內粉塵濃度為5g/m3。系統由真空泵提供抽吸動力，使含塵氣流通過濾料時，粉塵被捕集。當濾料兩側的壓差達到一定數值（本實驗中為1000Pa）時，系統控制脈沖閥開啟，高壓空氣從濾料樣品的凈氣側噴出，濾料表面的粉塵層在高壓氣體作用下脫落。

濾料對全塵的計重效率按照ISO11057-2011和GB6719-2009進行，采用絕對濾膜的增重來測算，濾料壓差記錄和脈沖清灰控制由計算機進行。實驗證明，濾料在潔凈狀態時和使用一段時間后的效率和阻力變化有所不同。開始時，潔凈過濾采用1000Pa定壓噴吹方式清灰，共30個過濾周期，稱為A過程；然后經過1萬次強制脈沖噴吹對濾料進行老化處理，稱為B過程；之后進行10個定壓周期的恢復過濾過程，稱為C過程；最后進行與A過程相同的過濾過程，來測試濾料處于穩定狀態的性能，稱為D過程。在A過程及D過程中記錄其阻力變化，測算過濾效率。

濾料對PM1.0、PM2.5、PM10的計重效率利用美國TSI公司的DUSTRAK 8520進行。在進行PM1.0、PM2.5及PM10不同粒徑的效率測試時，要換用不同的顆粒采樣切割頭，保證合適粒徑的粒子進入。測試時，把儀器分別連接在被測濾料樣品的上游管道和下游管道上測試粉塵濃度，由上、下游粉塵濃度測算濾料的過濾效率。測試上游時由于粉塵濃度過大，需要使用稀釋器。

濾料對微細粒子的分粒級計數效率用美國MetOne公司的3313激光粒子計數器進行。由于激光粒子計數器所測試的顆粒物濃度很小，本項實驗使用大氣塵作為塵源。測試時儀器分別連接濾料的上游和下游管道測試顆粒的計數濃度，計算出濾料對不同直徑粒子的計數效率。

2.2 實驗材料

實驗用的濾料樣品選自不同制造商的幾種典型濾料產品，分別為滌綸針刺氈、PPS針刺氈、PPS水刺氈、聚酰亞胺針刺氈、覆膜滌綸針刺氈。幾種樣品的特征參數見表1所示，典型濾料電鏡照片見圖2。實驗用粉塵樣品為中位徑1.0μm的氧化鋁，其粒度分布見表2所示。

3 數據與分析

本文對幾種典型濾料在潔凈狀態的全塵效率及阻力變化、老化后穩定狀態的全塵效率及阻力變化，以及PM1.0、PM2.5、PM10粒子的計重效率，1μm、2μm、2.5μm、5μm、10μm粒子的分粒級計數效率進行了實驗。

表1 濾料樣品的特征參數

表2 實驗用氧化鋁粉塵的粒度分布

3.1 全塵效率

濾料由纖維經過針刺或水刺加工，并輔以不同的后處理工藝制成。在潔凈狀態時，濾料的阻力低，效率也相對較低。隨著過濾的進行，纖維間的孔隙逐漸被粉塵填滿，在濾料表面形成粉塵層，此時過濾由濾料和粉塵層共同承擔，其阻力高，效率也高。

幾種濾料樣品在潔凈狀態時和老化后穩定狀態時的全塵效率見表3。

從表3中可以看出，在潔凈狀態時，幾種濾料的效率都在99.9%以上，覆膜玻纖針刺氈濾料的效率最大，為99.9990%，其次為覆膜玻纖機織布，為99.9978%，其它幾個樣品的效率相差不大。經過噴吹老化后，濾料內部的孔隙被粉塵填滿，達到了一種穩定的過濾狀態，濾料表面也容易形成穩定的粉塵層，過濾由粉塵層與纖維層共同承擔，濾料的效率有所提升。幾種濾料的除塵效率都在99.999%以上，覆膜玻纖針刺氈濾料的效率最高。

表3 濾料在不同狀態時的全塵效率 （單位：%）

3.2 PM1.0/PM2.5/PM10粒子的計重效率

實驗中采用DUSTRAK 8520測試了幾種濾料樣品對PM1.0、PM2.5及PM10粒子的捕集情況，結果見表4和圖3所示。

表4 各種濾料分粒徑捕集計重效率 （單位：%）

圖3 幾種濾料對不同粒徑粉塵的捕集計重效率對比

從表4和圖3可以看出，幾種濾料對PM1.0的計重效率相差較大，在40.12%～83.17%；隨著粉塵顆粒的增大，濾料的效率也增大，對PM2.5的計重效率在72.73%～95.45%；幾種濾料對PM10的過濾效率相差不大，在92.31%～99.32%；不管是PM1.0、PM2.5還是PM10，覆膜玻纖針刺氈濾料的過濾效率最高。

3.3 分粒級計數效率

使用激光粒子計數器對幾種濾料的分粒級捕集計數效率進行了測試，結果見表5和圖4所示。

表5 幾種濾料的分粒徑捕集計數效率 （單位：%）

圖4 濾料的分粒徑捕集計數效率

從表5和圖4可以看出，對1μm之下的小粒子，幾種濾料的分粒徑捕集計數效率在40.29%～80.93%，其中滌綸針刺氈效率最低，為40.29%，覆膜玻纖針刺氈最高，為80.93%；隨著粒子直徑的增大，捕集效率也呈現出增長的趨勢，對2～2.5μm間的粒子而言，幾種濾料的效率在55.23%～ 95.34%，覆膜玻纖針刺氈濾料捕集效率最高；對5～10μm的粒子，濾料的捕集效率提升到89.77%～98.89%，覆膜針刺氈濾料的捕集效率最高。

3.4 阻力性能

潔凈濾料在過濾過程中，粉塵會進入濾料內部，使阻力上升，達到一定程度后需要用壓縮空氣來清灰。脈沖噴吹清灰時，濾料表面的粉塵層會脫落，內部部分粉塵被清出，但仍會有一些粉塵留在濾料內部，致使濾料的殘留阻力逐漸上升。圖5給出了潔凈濾料在初始30個過濾周期內的殘余阻力變化情況。

圖5 潔凈濾料阻力隨過濾周期變化

從圖5可以看出，在初始過濾階段，濾料的殘余阻力都會逐漸上升。覆膜濾料由于其表面有一層光滑致密的聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜，粉塵較難進入其內部，阻力上升的速率最小；針刺氈濾料的表面刺孔大，致密度較小，粉塵容易進入濾料內部而沉積下來，殘余阻力上升速率最快。

經過1萬次的強力脈沖噴吹后，濾料充分老化，阻力趨于平穩，此時的濾料狀態能夠表征現場使用很長時間的濾袋狀態，屬于穩定過濾時期。圖6給出了典型濾料經過老化后的30個過濾周期的阻力變化。

圖6 潔凈濾料阻力隨過濾周期的變化

從圖6可以看出，幾種濾料的阻力增長速率均不大，覆膜濾料的阻力增長幅度最小，基本還維持在潔凈狀態的阻力水平上。

4 結論

（1）目前市場上常用的濾料在潔凈狀態時，對全塵的計重捕集效率都高達99.9%以上，濾料經過老化進入穩定過濾狀態時，效率提高一個數量級，在99.99%以上；

（2）幾種濾料樣品對PM1.0的計重捕集效率在40.12%～83.17%，對PM2.5的捕集效率在72.73%～95.45%，對PM10的效率在92.31%～99.32%；

（3）幾種濾料樣品對直徑為2～2.5μm粒子的計數捕集效率在55.23%～95.34%，對5～10μm粒子的捕集效率在89.77%～98.89%；

（4）濾料在潔凈狀態時，其殘余阻力增長較快，經過老化后進入穩定過濾狀態時，阻力增長平緩；

（5）濾料樣品中的幾種針刺氈由于采用的纖維、制造水平不同，其過濾效率存在差別；本實驗中選用的水刺氈為某企業的中間樣品，并非其最終產品，其效率與針刺氈相差不大，過濾性能尚有很大的提升空間；幾種樣品中覆膜玻纖針刺氈濾料的效率最高，但在實際使用中，覆膜容易破損和脫落，其質量尚需提高；

（6）由于計數捕集效率和計重捕集效率采用的方法不同，對細粒子的測試存在很大難度，同時考慮粉塵樣品對實驗結果的影響等因素，因此其間的數據對應關系尚需大量的實驗研究。

目前常規的濾料針對全塵捕集設計，盡管對全塵的過濾效率很高，但對細粒子尤其PM2.5的捕集效率尚低，仍需努力研發針對PM2.5捕集的新型濾料。 ■