聚丙烯腈纖維束對可吸入顆粒物的過濾特性研究

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(山東科技大學 化學與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

常規(guī)顆粒物凈化器多為編織纖維過濾器，即依靠纖維編織的高效濾網(wǎng)脫除空氣中的顆粒物，但是濾網(wǎng)不易重復利用，并且壓降較大、能耗高[1-2]。與常規(guī)纖維過濾器的攔截阻隔作用不同，纖維束過濾器是由平行于氣流方向的一條條獨立的單絲纖維排列組成，在低壓下具有高效率且可以重復使用的特點。Park等[3-4]研究表明，纖維束過濾器對亞微米級氣溶膠具有較高的過濾效率，并且其壓降明顯低于具有相同捕獲效率的傳統(tǒng)機械過濾器。Noh等[5-6]在地鐵通風系統(tǒng)的管道末端安裝了纖維長度為70 mm、填充率為0.013 5的聚丙烯纖維束過濾器，在過濾風速為0.5 m/s時，對粒徑100～800 nm顆粒的去除效率在50%～70%；在過濾風速為1.0 m/s時，對0.4和0.6 μm氣溶膠的去除效率分別為52%和65%，PM1.0的去除效率約為51%。Efimov等[7]采用纖維直徑200 μm、填充率為0.25的聚丙烯纖維束，對蚊香燃燒產(chǎn)生的顆粒物進行去除試驗，在風速0.2 m/s、外部電壓10 kV的條件下，對50～600 nm的顆粒物的去除效率達到90%以上。顆粒負載對纖維束過濾器除塵性能具有明顯的影響，纖維束過濾器的過濾效率隨著粒子的附著而降低，且過濾介質(zhì)更有效捕獲高帶電粒子[8-10]。Walsh等[11-12]研究了駐極體過濾材料的容塵特性，結(jié)果表明過濾效率下降的原因為纖維表面的電荷被捕集的顆粒所屏蔽，導致靜電作用減弱。纖維束以低壓降、易循環(huán)的優(yōu)點具有廣闊的發(fā)展前景。目前纖維束過濾器在國內(nèi)主要應用于凈水領(lǐng)域[13-15]，對纖維束過濾器的除塵性能及其影響因素缺乏系統(tǒng)研究。

考察纖維束過濾器對空氣中可吸入顆粒物的除塵性能，以為該類型過濾器在空氣凈化領(lǐng)域的應用提供科學依據(jù)。由于路面揚塵是空氣中可吸入顆粒物的潛在來源，因此本研究利用城市路面揚塵制備的可吸入顆粒物，采用聚丙烯腈纖維作為濾材，考查風速、入口顆粒物濃度、纖維束填充率對纖維束過濾器除塵性能的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所用纖維為聚丙烯腈纖維(濱州市金龍塑料有限責任公司)，纖維束長度為12 cm，直徑8～13 μm。所用顆粒物為從人行道邊緣至路面1 m范圍內(nèi)收集的城市路面揚塵。首先將收集的顆粒物經(jīng)0.074 mm標準篩篩分去除篩上物；然后，采用XQM-2型立式行星球磨機(長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司)將篩下物粉磨90 min；最后，將粉磨后的粉塵混勻、縮分成每份500 g，放在100 ℃的FT101A(s)P-4型電熱鼓風干燥箱內(nèi)(鎮(zhèn)江市豐泰化驗制樣設備有限公司)干燥5 h，取出放入干燥器內(nèi)備用。利用TSI3321型空氣動力學粒徑譜儀(深圳市億天凈化技術(shù)有限公司)對粉磨后的顆粒物進行粒度分析，結(jié)果(圖1)表明，其粒度范圍為0.1～17 μm，-10 μm的顆粒含量93%，屬于可吸入顆粒物。從顆粒物的XRD分析結(jié)果(圖2)可以看出，該顆粒物的主要礦物成分為石英(SiO2)和長石(NaAlSi3O8)。

圖1 試驗顆粒物粒徑分布

圖2 試驗顆粒物的XRD圖

圖3 用于測試纖維束性能的實驗系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗裝置及方法

1.2.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖3所示，由測試管道、顆粒物發(fā)生系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。系統(tǒng)管道內(nèi)徑0.15 m。粉塵和空氣分別經(jīng)由DLX-34型稱重螺旋給料機(青島永陽機械有限公司)和CX-75S型中壓鼓風機(上海全風實業(yè)有限公司)給入管道，形成一定濃度的含塵氣流并通過過濾單元。過濾單元的前后兩端各有一個取樣孔便于測量壓降和顆粒濃度。固定纖維束的過濾筒內(nèi)徑為0.15 m，長度為0.12 m。

1.2.2 實驗方法

1) 過濾風速的測定[16]

過濾風速(V)是指過濾器橫截面上通過的氣流速度，m/s。

(1)

式中：Q一經(jīng)過纖維束過濾器的風量，m3/h；F—纖維束過濾器的橫截面積，m2。

2) 除塵效率的測定

用3012H型自動煙塵/煙氣分析儀(青島嶗山應用技術(shù)研究所)測量纖維束過濾單元前后兩端的顆粒物濃度。纖維束除塵效率

(2)

式中：C進—纖維束進口顆粒物質(zhì)量濃度，g/m3；C出—纖維束出口顆粒物質(zhì)量濃度，g/m3。

3) 積塵量的測定[16]

積塵量(D)由纖維束吸附顆粒物質(zhì)量(M)同纖維的體積(V)的比值所得：

(3)

圖4 除塵效率和時間的關(guān)系

先計算任意一時間段纖維束吸附的顆粒物量(Mi)為：

(4)

以除塵效率為縱坐標，時間為橫坐標，繪制時間與除塵效率關(guān)系圖，見圖4。向η1方向延長η2η1，與縱坐標相交，交點數(shù)值即為η0。因此可計算任意時間段內(nèi)平均除塵效率

(5)

M=M1+M2+M3+…+Mi。

(6)

式中：M—纖維束吸附的顆粒物總質(zhì)量，M=M1+M2+M3+…+Mf(g)。

4) 壓降的測定

纖維束過濾器的運行阻力損失稱為壓降，用來表示能耗的指標，可以通過用DP1000-ⅢB型智能數(shù)字微壓計(上海億歐儀表有限公司)測量纖維束過濾器前后兩端的壓差而得到。

ΔP=P1-P2

(7)

式中：ΔP—過濾器總壓力損失(壓降)，Pa；P1—過濾器入口壓力，Pa；P2—過濾器出口壓力，Pa。

5) 填充率的測定

纖維束的填充率α，定義為纖維體積與過濾筒體積的比值。

(8)

式中：R筒內(nèi)—過濾筒的內(nèi)徑，cm；h過濾筒—過濾筒的高度，cm。

6) 電荷密度的測定

將待測的纖維束固定在深2 mm的絕緣凹槽內(nèi)，兩邊拉緊，使纖維束緊緊嵌滿在凹槽內(nèi)，使用靜電測試儀(SIMCO，F(xiàn)MX-003)測試纖維束表面的電荷密度。其中纖維束樣品的電容C(F)與攜帶的電荷Q(C)、表面面積A(m2)和厚度d(m)的關(guān)系[5]可以表示為：

(9)

式中：V—表面電位，V；ε—空氣的介電常數(shù)，8.85×10-12F/m。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口顆粒物濃度對纖維束除塵性能的影響

為了研究顆粒物濃度對纖維束過濾器性能的影響，分別選取過濾器入口顆粒物濃度為0.58、0.77、0.92和1.08 g/m3，在風速1.0 m/s、填充率0.67%(過濾筒容積2 119.5 cm3，纖維體積14.2 cm3)條件下進行實驗。

2.1.1 入口濃度對除塵效率的影響

圖5 不同入口顆粒物濃度下纖維束過濾器的除塵效率

圖5描述了不同顆粒物濃度對纖維束過濾器除塵效率的影響。從圖中可以看出不同濃度下除塵效率的變化趨勢相似，在濃度為1.08 g/m3時，纖維束過濾器的除塵效率的變化范圍為57%～84%；而濃度在0.58 g/m3時，除塵效率的變化范圍為67%～77%。對于給定的過濾速度和填充率，初始除塵效率隨顆粒物濃度增加變化不明顯，隨著過濾的進行，纖維束過濾器的除塵效率會逐漸降低，分析認為隨著過濾的進行，纖維表面未吸附顆粒物的區(qū)域減少，吸附能力降低并且部分顆粒物還可能在氣流和其他粉塵顆粒的裹挾下重新回到氣流中，從而導致穿透率增加，此時的除塵效率逐漸降低。在相同時間內(nèi)，高濃度條件下纖維束可以吸附更多質(zhì)量的顆粒物，導致更快達到飽和狀態(tài)，因此濃度越高，效率下降越快。

圖6 不同入口顆粒物濃度下纖維束過濾器的壓降

圖7 纖維束

2.1.2 入口濃度對壓降的影響

圖6描述了不同入口顆粒物濃度下系統(tǒng)壓降隨運行時間的變化情況。從圖中可以看出，隨著運行時間的延長纖維束過濾器壓降總體呈現(xiàn)增大的趨勢，分析以為吸附的顆粒物對氣流產(chǎn)生一定的阻力，引起壓降微弱的增加。在1.08 g/m3時纖維束的壓降水平為22～26 Pa；0.92 g/m3時纖維束的壓降水平為21～26 Pa；0.77 g/m3時纖維束的壓降水平為21～25 Pa；0.58 g/m3時纖維束的壓降水平為20～24 Pa。總體來看，顆粒物濃度的變化對纖維束過濾器壓降變化影響不大。圖7是試驗1 h前后纖維束的形態(tài)變化，可以看出顆粒附著在纖維表面后使纖維發(fā)生了一定程度的聚集，但是氣流通道基本沒有被阻擋，因此壓降增大不明顯。

2.2 過濾風速對纖維束除塵性能的影響

在入口顆粒物濃度為0.58 g/m3、纖維束填充率為0.67%條件下考察了過濾風速對纖維束過濾器除塵性能的影響。

2.2.1 過濾風速對除塵效率的影響

圖8為纖維束過濾器在不同過濾風速下的除塵效率變化規(guī)律。由圖可知，纖維束除塵效率隨著過濾的進行整體呈現(xiàn)下降的趨勢。在30 min之前，4種風速對應的過濾效率互有高低，因此初期的過濾效率變化情況與風速沒有嚴格的對應關(guān)系。隨著時間的延長，纖維表面逐漸被顆粒物覆蓋，此時過高的風速將會使得顆粒的動能增強，更容易發(fā)生彈性碰撞，部分被捕集的顆粒重新回到氣流中，從而導致更多的顆粒穿過纖維束，增大了纖維束過濾器的穿透率[17]，因此在30 min之后，風速1.5和2.0 m/s時對應的效率明顯低于其他兩種風速。總體看，風速為1.0 m/s時除塵效率最佳。

2.2.2 過濾風速對壓降的影響

圖9描述了不同過濾風速對纖維束過濾器壓降的影響。從圖中可以看出，隨著風速的增加，纖維束過濾器的壓降會增大。當過濾風速為0.5和1.0 m/s時，壓降變化不明顯，當風速超過1.0 m/s后，壓降增加明顯，其中風速2.0 m/s條件下的壓降水平為61 ～63 Pa，明顯高于其他3組，表明風速對系統(tǒng)壓降的影響程度是非常大的。

2.3 填充率對纖維束除塵性能的影響

在過濾速度為1.0 m/s，入口濃度為0.58 g/m3條件下，考察了不同填充率下纖維束過濾器的除塵性能。

2.3.1 填充率對除塵效率的影響

圖10描述了不同填充率下纖維束過濾器的除塵效率變化情況。從圖中可以看出，纖維束除塵效率隨著填充率的增大而增大，填充率為1.46%時最高效率為89%，比填充率0.31%時的最高效率高14%左右，但是當填充率達到1.06%以上時效率提高的幅度趨緩，說明此時再繼續(xù)提高填充率已不再是提高效率的最優(yōu)選擇。對于特定的填充率，纖維束的除塵效率隨過濾時間的進行而逐漸降低，其中填充率為0.31%時對應的除塵效率下降速率明顯更快。這是因為隨著顆粒物在纖維表面的附著，導致未吸附顆粒物的區(qū)域明顯減少，低填充率下很快達到吸附飽和的臨界狀態(tài)，引起效率明顯下降；并且在相同條件下，填充率越高纖維束的飽和量越大，吸附相同質(zhì)量的顆粒物，其效率下降的趨勢越小。但是過高的填充率也會引起壓降增大，因此通過實驗對其進行了考察。

圖8 不同風速下纖維束過濾器的除塵效率

圖9 不同風速下纖維束過濾器的壓降

圖10 不同填充率下纖維束過濾器的除塵效率

圖11 不同填充率下纖維束過濾器的壓降

2.3.2 填充率對壓降的影響

圖11顯示了不同填充率下纖維束過濾器的壓降變化結(jié)果。從圖中可以看出，壓降隨填充率增加而增加。分析認為隨著填充纖維量的增大，對氣流產(chǎn)生一定的阻力，引起壓降增大。填充率為1.46%時對應的壓降明顯高于其他幾個條件，但即使如此，該條件對應的壓降水平僅為34～40 Pa。對于給定的填充率，隨著運行時間的增加，壓降變化不明顯，說明纖維過濾裝置可以在較高填充率下實現(xiàn)長時間的低能耗運行。

2.4 機理分析

2.4.1 纖維束表面顆粒物的靜電吸附

圖12 SEM圖像

將編織纖維和纖維束放在Nova Nano SEM450型高分辨掃描電鏡(美國FEI公司)下進行了表面形貌的觀察。傳統(tǒng)的濾網(wǎng)式纖維過濾器采用的是編織纖維，通過多層纖維疊加，降低濾網(wǎng)的孔隙(如圖12(a))，從而實現(xiàn)過濾器對顆粒物的攔截，其作用機理主要依賴于攔截作用。與傳統(tǒng)纖維過濾器相反，本實驗中采用的纖維束過濾器的纖維平行于氣流方向(如圖12(b))，此結(jié)構(gòu)可以降低對氣流的阻力，因此纖維束過濾器即使在較高的過濾風速、高入口濃度以及高填充率條件下仍然具有較小的壓降。

圖13 纖維束吸附粉塵的SEM圖像

圖14 積塵量對表面電荷密度的影響

基于本過濾裝置的結(jié)構(gòu)特點，攔截作用在顆粒物捕集過程中并不是主要作用機制。纖維與顆粒物摩擦會產(chǎn)生靜電，這是因為不同物體的介電常數(shù)不同，其相互摩擦時，由于彼此對電子的束縛能力不同，所以會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生靜電。介電常數(shù)大的物體，具有較高的能位，易于給出外層電子帶正電；反之，則帶負電。通過電鏡照片(圖13)可以發(fā)現(xiàn)，顆粒物被捕集后會沉降到纖維表面。因此，該類過濾器的顆粒物凈化機制應該是纖維束與粉塵顆粒之間的靜電吸引作用，即首先纖維束表面因摩擦(顆粒與纖維束摩擦以及氣流與纖維束摩擦)而出現(xiàn)帶電層，然后在靜電力作用下氣流中的顆粒物被捕集到纖維表面。

2.4.2 纖維束表面電荷密度的變化

為了驗證纖維束表面的靜電吸附特性，測定了纖維表面電荷密度隨積塵量的變化情況。測量條件為：纖維束厚度2 mm、過濾風速1.0 m/s、顆粒物濃度為0.58 g/m3、填充率為1.06%，結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，表面電荷密度隨積塵量的增加呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，分析認為顆粒物在纖維表面沉積并且將纖維表面的電荷屏蔽，其變化趨勢與除塵效率隨著積塵量的增大逐漸降低相吻合。因此可以認為靜電力是纖維過濾器捕集顆粒物的重要機制。

3 結(jié)論

1) 聚丙烯腈纖維束過濾器能夠有效凈化城市路面揚塵可吸入顆粒物。能夠通過靜電吸附的方式實現(xiàn)對微細顆粒的過濾凈化，而且壓降小、易清洗重復使用。直徑為8～13 μm、長度12 cm的聚丙烯腈纖維束，在纖維充填率為1.06%、顆粒物濃度為0.58 g/m3、過濾風速1.0 m/s的最佳條件下，過濾效率可達到85%、壓降水平為26～30 Pa。

2) 顆粒物濃度、過濾風速和纖維束充填率對過濾效率、過濾壓降均有影響，為了保證凈化效果，應選用較大的纖維束充填率和適宜的過濾風速。