復合過濾材料性能檢測研究

張楝聃，汪 磊，彭明江，劉原宏，黃 丹，李玲龍

(成都工業學院，四川 成都 610031)

1 引言

隨著城市化進程加快，空氣污染加劇，過濾材料的發展愈發受到大眾關注。空氣污染物質成分復雜，其中可吸入顆粒物(粒徑小于10 μm的顆粒物)在環境空氣中持續存在的時間很長，被人體吸入后會積累在呼吸系統中，引發許多疾病，對人類危害大。大量研究表明，熔噴布濾料具有纖維細、空隙多、過濾效率高的特點[1～3]，是口罩、空氣凈化器/過濾器等產品的重要濾材；而活性炭纖維濾料具有較大的比表面積、吸附脫附速率快、吸附容量大的特點[4～7]，在空氣凈化領域得到極為廣泛的應用[8～10]。

本研究檢測了熔噴布與活性炭纖維復合過濾材料及其單層結構對空氣中顆粒污染物的去除效果，分析了過濾時間、材料及復合等影響因素對過濾效率和壓力損失的影響，對材料性能進行了對比和評價。

2 材料與方法

2.1 主要儀器與試劑

儀器：AS-510型壓差計、HT9829型熱敏式風速儀、CW-HAT200型顆粒物檢測儀等過濾材料性能檢測裝置(圖1)。

圖1 過濾材料性能檢測裝置

濾料：熔噴布(廣東某棉廠)、活性炭纖維(山東某環保公司)、熔噴布+活性炭纖維復合材料。

2.2 顆粒物發生源

為了達到更好的擬真效果，顆粒物發生源采用熏香，其釋放的顆粒物有超細碳基微粒，以及多環芳香烴、羰基化合物和苯等VOCs氣溶膠。其產生的煙塵穩定均勻、較易控制，具有代表性，是本實驗較為理想的顆粒物發生源。

2.3 實驗方法

2.3.1 準備工作

分別測量各種過濾材料的定量、厚度等物理參數，并進行記錄。在實驗開始之前，對室內的溫度和濕度進行測量并記錄，確定發生源位置并記錄。檢查實驗裝置、儀表和器材情況，確認其是否符合實驗要求。

2.3.2 過濾材料測試

(1)單層過濾材料測試。將所測試的熔噴布、活性炭纖維樣品剪裁成合適大小，放置于實驗儀器中，并固定好，開啟實驗裝置。根據需要預設風速，通過變頻器調整風機轉速達到預設風速，在預設風速下進行實驗。開始計時，此時t=0，當時間為0、5、10、20、30、40 min時，觀察儀器數值并記錄下風速、過濾面前后壓力差，記錄過濾面后方有機氣溶膠濃度，計算出過濾效率。

(2)雙層過濾材料測試。將所測試的熔噴布、活性炭纖維樣品剪裁成合適大小，將需測試的過濾材料放置于實驗儀器中，并固定好，開啟實驗裝置。根據需要預設風速，通過變頻器調整風機轉速達到預設風速，在預設風速下進行實驗。開始計時，此時t=0，當時間為0、5、10、20、30、40 min時，觀察儀器數值并記錄下風速、過濾面前后壓力差，記錄過濾面后方有機氣溶膠濃度，計算出過濾效率。

2.4 分析方法

壓差采用壓差計測定，風速采用熱敏式風速儀測定，PM2.5、PM10顆粒含量采用手持式顆粒物檢測儀測定。

3 結果與討論

3.1 過濾材料的物理參數

從表1可見，活性炭纖維的單位面積定量、厚度均值均高于熔噴布。

表1 各過濾材料的物理參數

3.2 測試材料對不同粒徑顆粒物去除效率隨時間的變化情況

從圖2可見，過濾開始時熔噴布，對PM2.5、PM10顆粒去除率達到90%以上。隨著過濾時間的增加，過濾效率維持穩定。分析認為，熔噴布纖維直徑較小、孔隙率高，立體三維微過濾結構使其對各粒徑顆粒的去除率均較高。對于較大的顆粒，主要通過慣性效應、篩效應、重力沉降效應的綜合作用進行去除；對于較小的顆粒，主要通過靜電效應、擴散效應的綜合作用進行去除。在圖2所示實驗時間內，過濾效率處于穩定狀態，但在更長時間的實驗中其效率有所下降。

圖2 熔噴布對不同粒徑顆粒物去除效率隨時間的變化情況

從圖3可見，過濾開始時活性炭纖維對PM2.5、PM10顆粒去除率達到50%以上，隨著過濾時間的增長，對PM2.5顆粒去除率整體呈下降趨勢，而對PM10粒徑顆粒的去除率略有下降且趨于平穩。分析認為，由于活性炭纖維直徑較大、孔隙較大，使其對各粒徑顆粒的去除率具有較大差異。

圖3 活性炭纖維對不同粒徑顆粒物去除效率隨時間的變化情況

(1)對于較大的PM10顆粒，主要通過活性炭纖維慣性效應、篩效應、重力沉降效應的綜合作用而去除。5～10 min時，由于顆粒過多的聚集在材料纖維上及纖維間隙中，形成粉塵初層，其篩效應有所提高，去除率小幅提升。10 min后，隨著過濾時間的增長，已被阻截的顆粒也會受力脫落，所以其去除率有所降低并趨于穩定狀態。

(2)對于PM2.5小粒徑顆粒，由于活性炭纖維過濾層具有靜電效應、擴散效應和吸附的綜合作用，加之活性炭對于吸附小分子物質吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附[11]，因此活性炭纖維對小粒徑顆粒具有一定的初始去除率，隨著過濾時間的增長，已被阻截的顆粒會受力脫落，已被吸附的顆粒會解吸，兩方面原因導致其去除率逐漸降低，而后趨于穩定狀態。

從圖4可見，過濾開始時熔噴布+活性炭纖維復合材料對各粒徑顆粒去除率均達到90%左右，在圖4所示實驗時間內乃至更長實驗時間，其去除率均較高且比較穩定。分析認為，復合濾料多層次過濾纖維對各粒徑顆粒的具有較高且持續穩定的去除率。

圖4 熔噴布+活性炭復合材料對不同粒徑顆粒物去除效率隨時間的變化情況

分析認為，對于較大的PM10顆粒，主要由于慣性效應、篩效應、重力沉降效應的綜合作用而去除；對于PM2.5顆粒，主要由于靜電效應、擴散效應、吸附的綜合作用而去除。從整體來看，熔噴布+活性炭纖維復合材料對各粒徑顆粒物去除率均有小幅度上升。主要是由于兩種濾料的堆積、纖維相互層疊在一起，使擴散效應、攔截效應、慣性效應、篩效應作用更加明顯，增大了容塵量，過濾性能更能持久。

綜上所述，過濾時間的長短對濾料去除率有較明顯的影響。單層濾料對各粒徑的綜合去除率均隨時間增長而略有下降，而熔噴布+活性炭復合材料整體上看，對各粒徑去除率隨時間增長而比較穩定。

3.3 測試材料過濾阻力隨時間的變化情況

從圖5可見，熔噴布作濾料時過濾阻力整體呈現上升的趨勢。分析認為，5～10 min時，可能由于氣流不穩定，所以壓差略有減少。10～40 min時，過濾時間越長熔噴布上被截留的顆粒物越多，所以壓差又開始逐漸上升，且上升加速度逐漸降低，40 min達到最高并趨于穩定。

圖5 3種材料過濾阻力隨時間的變化情況

從圖5可見，活性炭纖維作濾料時前后壓差整體變化不大。分析認為，這與活性炭纖維較大的孔徑和孔隙率有關，小粒徑顆粒的截留對其阻力變化影響不明顯。熔噴布+活性炭纖維復合材料作濾料時前后壓差整體呈現上升趨勢。分析認為，5～10 min時，由于氣流不穩定所以壓差略有減少。10～15 min時，越來越多的顆粒物被吸附到了濾料上，濾料內的孔隙減少，壓差越來越大，15～30 min時，壓差變化平緩，30 min后又逐漸上升，最終壓差升至160 Pa左右。

綜上所述，活性炭纖維的壓阻明顯比熔噴布的壓阻小，兩種材料組成的復合濾料壓阻達到160 Pa左右。過濾材料層級越多，纖維孔徑越小，氣流通過纖維層時，需要克服的纖維阻力就越大，導致了過濾阻力的增大，壓阻也就更高。

3.4 不同過濾材料性能比較分析

活性炭纖維、熔噴布和熔噴布+活性炭3種材料中，活性炭纖維由于其較大的孔徑和孔隙率，對于小粒徑顆粒的去除效果較差，其性能更多體現在于對氣態分子的吸附上，單獨使用過濾效果并不好。故以下主要對熔噴布和熔噴布+活性炭兩種材料的過濾性能進行對比。

從圖6可見，由于實驗時氣溶膠發生源的波動，單層濾料各粒徑的進口濃度高于復合濾料，這可能是導致實驗結果中效率計算差異性的原因，使其對PM2.5、PM10粒徑顆粒物的去除率略微高一點。但如果從出口濃度來看，熔噴布+活性炭材料凈化各粒徑顆粒物的出口濃度均低于熔噴布，達到了更好的凈化效果。復合材料具有比單層材料更高的性能，此外復合材料還可吸附凈化空氣中的氣態污染物，這也是單層熔噴布材料不能實現的。

圖6 熔噴布和熔噴布+活性炭進出口平均濃度對比

從圖7可見，由于熔噴布的孔隙率較小所以過濾阻力相對較高，而活性炭纖維的孔隙率較大所以其過濾阻力相對較低。熔噴布+活性炭纖維復合濾料由于其多層復合結構，過濾阻力也較高。

圖7 3種過濾材料過濾阻力比較

綜上認為，復合材料相較于單層材料具有更好的去除效果，過濾阻力有一定增加但不明顯。

4 結論

通過3種材料過濾效率隨時間變化，壓損變化，過濾效率和壓損性能對此，有如下結論：

(1)過濾時間的長短對濾料去除率有較明顯的影響。單層濾料特別是活性炭纖維對各粒徑的去除率隨時間增長有一定下降，而熔噴布+活性炭復合材料整體上看，對各粒徑去除率隨時間增長而比較穩定。體現了多層復合材料更大的容塵量和更長的使用壽命。

(2)多層復合材料的壓損大于熔噴布。而熔噴布壓損大于活性炭纖維，說明過濾材料層級越多，纖維孔徑越小，氣流通過纖維層時，需要克服的纖維阻力就越大，導致了過濾阻力的增大，壓阻也就更高。

(3)復合材料的凈化效果優于單層材料，過濾阻力有一定增加但不明顯，容塵量和使用壽命得到一定提升，其過濾性能相對單層材料具有一定的比較優勢。