高效空氣過濾材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

錢 幺,鄭宇婷,梁紫茵,黃春玲,王曉梅

(五邑大學 紡織材料與工程學院,廣東 江門 529020)

進入21世紀以來,隨著我國工業(yè)化和城市化進程的不斷推進,大量化石能源的消耗,中國大氣污染的嚴峻形勢日益突出,給公共交通及廣大市民們?nèi)粘Ｉ顜韲乐赜绊?。世界衛(wèi)生組織(WHO)通過對大氣污染造成的疾病評價,表明每年有超過200萬人的過早死亡歸因于城市室內(nèi)和室外空氣污染,而室外PM2.5污染導致死亡的比例高達16.2%[1]。我國中科院關于環(huán)境健康的調(diào)研報告也顯示,75%的慢性病與生產(chǎn)、生活中排放的污染物有關[2]。此外,PM2.5還能降低周圍環(huán)境的能見度,造成交通事故,從而影響人們的生產(chǎn)生活[3]。

由于人們環(huán)保意識以及對生活環(huán)境需求的不斷提高,大氣污染問題已得到社會的廣泛關注和相關部門的高度重視,PM2.5等微細顆粒物的去除已成為全國乃至全球性重大課題。

1 大氣污染的來源與治理途徑

1.1 大氣污染的來源

眾所周知,電力、鋼鐵、水泥三大高能耗、高污染行業(yè)以及垃圾焚燒廠,構成了大氣污染的四大重要污染源。我國電力、鋼鐵、水泥產(chǎn)量連續(xù)多年世界第一,PM2.5粉塵在電力、鋼鐵、水泥行業(yè)總粉塵排放量中所占的比例極高[4];2021年,全國火力發(fā)電量為57 702.7億k W·h,占全國發(fā)電量的71.13%,而電力燃煤占全國燃煤總量40%以上[5]。除此之外,城市供暖、汽車尾氣排放、建筑施工揚塵、烹飪油煙排放等也是造成大氣污染的主要污染源。有研究表明,我國機動車等交通源的排放對城市大氣污染的貢獻率仍然在逐年增加[6]。

1.2 大氣污染的治理途徑

世界各國在發(fā)展工業(yè)和交通業(yè)時不可避免地存在大氣污染的問題,同時也要伴隨著大氣污染治理問題。大氣污染的防治途徑主要包括源頭治理和終端治理。

1.2.1 源頭治理

源頭治理是指在工業(yè)氣體污染物排放到大氣之前經(jīng)過一系列除塵過濾、脫硫脫硝等過程達到排放標準。針對我國大氣污染的源頭治理,國家環(huán)保部門早在2013年9月就頒布了《大氣污染防治行動計劃》(大氣十條)[7],并陸續(xù)針對火電廠、燃煤鍋爐、水泥廠等發(fā)布了超凈排放標準,對大氣顆粒污染物排放濃度限值更加嚴格。

從源頭上治理,國家相關部門已經(jīng)出臺了嚴格的大氣污染物排放標準,更重要的是依靠先進的除塵技術?，F(xiàn)已廣泛應用的除塵技術有:機械式除塵技術(重力沉降除塵、慣性除塵、旋風除塵)、濕式除塵技術、靜電除塵技術、袋式(過濾)除塵技術及復合式除塵技術(電袋復合、電旋風復合、濕式電除塵)等[8]。目前,火電、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)廣泛應用的除塵方式主要為靜電除塵、袋式除塵及電袋復合除塵等。電袋復合除塵是靜電除塵和袋式除塵的結合,含塵氣流先通過靜電除塵,再經(jīng)過濾袋過濾,其除塵效率較單一除塵技術有明顯提高,目前主要應用于燃煤電廠、冶金行業(yè)的煙塵去除[9]。隨著未來國家對節(jié)能減排及環(huán)保要求的不斷提高,對除塵器及除塵濾料的性能要求也越來越高。如何提高對微細粉塵的過濾效率,同時降低運行阻力、減少清灰次數(shù)、延長濾袋使用壽命等,仍然是未來除塵技術的發(fā)展重點。

1.2.2 終端治理

終端治理是針對已排放到大氣中的污染物或形成的二次污染物,在被吸入人體之前的凈化處理,以此提高人們生活區(qū)域的空氣質(zhì)量。研究表明,室內(nèi)空氣污染的危害程度要遠甚于室外。在空氣污染的終端防治過程中,空氣凈化器及口罩是最好的方式[10]。根據(jù)國際職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)發(fā)布的關于空氣凈化防護口罩標準,可分為N(不耐油)、R(耐油)和P(防油)三個系列,每個系列有三種最低過濾效率(95%、99%和99.97%),共9種口罩標準。

空氣凈化器主要由電源、風機、凈化部分和外殼組成,采用循環(huán)過濾吸附的方法,處理室內(nèi)漂浮的塵粒、病毒、細菌、有害氣體等污染物,達到凈化空氣的目的。目前市場上空氣凈化器產(chǎn)品分為三類[11]:濾網(wǎng)過濾式、靜電吸附式、過濾+靜電式凈化器。近年來,家用空調(diào)及空氣凈化器普及率的逐年提高,給空氣過濾材料帶來了潛在的市場。此外,在航天、電子、光學儀器、精密器械等領域的工業(yè)潔凈室,手術室、制藥室等生物潔凈室中對高效空氣過濾材料的要求更高。

2 空氣過濾材料的種類及應用

2.1 空氣過濾材料的特點

任何多孔或做成多孔結構的材料,無論孔徑大小,都能作為空氣過濾材料。多孔材料的種類有很多,可分為無機多孔材料(礦物、碳、玻璃、金屬、金屬氧化物、陶瓷等)和有機多孔材料(天然及合成纖維過濾材料、膜材料等)。從20世紀70年代以來,纖維質(zhì)空氣過濾材料以其獨特的結構與性能特點,在過濾行業(yè)中占據(jù)主導地位,尤其是伴隨合成纖維的發(fā)展及紡織品加工技術的革新,極大地豐富了纖維過濾材料的種類和性能[12]。

2.2 空氣過濾材料的分類

通常根據(jù)濾材的組織結構,纖維質(zhì)空氣過濾材料可以分為梭織布、針織布、非織造布及復合織物。梭織過濾材料的阻力小,機械性能和尺寸穩(wěn)定性好,且容易清灰,但孔隙是直通的,顆粒物容易穿過,因而捕集效率較低,一般采用較高的經(jīng)緯密度提高過濾效率[13]。針織過濾材料的孔隙不像梭織物那樣是直通的,而是彎曲迂回的,因而過濾效率高于梭織物,針織物是以線圈鉤結而成,透氣性能較好,但是機械性能、尺寸穩(wěn)定性較差,應用領域有限[14]。對于非織造材料,由于是三維纖維集合體的組成結構(單根纖維充當過濾元件)以及纖維固結的性質(zhì),因此其過濾效率很高,過濾壓差較小,在空氣過濾材料應用最為廣泛[15]。而在深層過濾應用中,非織造材料中曲折且互通的孔隙有助于更好地捕獲固體顆粒。

按照應用領域分,空氣過濾材料主要包括工業(yè)廢氣過濾、室內(nèi)空氣凈化及個體防護等。

2.2.1 工業(yè)除塵過濾材料

“工業(yè)除塵過濾材料”又稱“袋式除塵過濾材料”,是用于過濾工業(yè)所排放的煙塵氣體的過濾材料。根據(jù)實際應用的環(huán)境,又分為常溫、中低溫(90～140℃)和高溫過濾材料(大于140℃)。中低溫空氣過濾材料主要應用在面粉廠、化工廠、熱電廠、高爐煤氣等工況場合;耐高溫空氣過濾材料主要應用在火電、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等高溫煙塵排放的行業(yè)[16]。不同應用環(huán)境所選用的纖維種類及性能也有很大不同,對于高溫過濾材料,一般除了要求具備除塵效率高、阻力小、過濾風速大等優(yōu)點,還應具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、抗靜電、阻燃等性能[17-19]。對于伴隨有易燃粉塵的工況場合,通常采用防靜電針刺過濾氈進行防爆除塵,要求在生產(chǎn)針刺氈基布的經(jīng)紗中并入導電纖維紗或在化學纖維中混入導電纖維或?qū)щ姴牧蟍20]。

袋式除塵是利用纖維濾料制成的濾袋捕集含塵氣體中的固體顆粒物,現(xiàn)已開發(fā)生產(chǎn)并廣泛應用的主要有玻纖針刺氈、防靜電針刺氈、防油防水針刺氈、耐高溫耐腐蝕針刺氈及聚四氟乙烯覆膜濾料等[21-22]。袋式除塵屬于深層過濾,即依靠截留在過濾材料上的微塵顆粒層(濾餅)進行分離,除塵效率較高(能達到99.99%以上)。隨著粉塵的不斷堆積,濾袋的過濾阻力會逐漸增大,需要通過機械震蕩式、脈沖式或反向氣流式等清灰方式,將濾袋表面的粉塵層清理,降低運行阻力[23-24]。過濾阻力大、反沖洗頻率高等問題會大大影響濾袋的使用壽命,此外,其較高的運行阻力會帶來巨大的能源浪費。

2.2.2 室內(nèi)空氣凈化用過濾材料

室內(nèi)污染物的濃度通常是室外的幾倍到幾十倍,暖通空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾器能給建筑和車輛環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)、健康的空氣質(zhì)量。室內(nèi)空氣凈化一般使用聚丙烯、聚酯、聚丙烯腈等纖維做成的常溫過濾材料,包括熔噴、紡黏、針刺等非織造材料及高效過濾(HEPA)濕法玻纖濾紙[25]?？諝膺^濾器按照MERV標準和歐洲標準進行評級,可劃分為“粗效、中效、高效、超高效”不同的等級(1～20級)[26],粗效過濾器主要過濾一些毛發(fā)、飛絮、大顆?；覊m等,高效過濾器則可以去除微生物、灰塵和過敏源等傳播力強的微粒?？諝膺^濾器可以制成平板式、折疊式、袋式等類型,并且可以通過纖維駐極充電來提高過濾效率和殺滅細菌[27-28]。

2.2.3 個體防護用過濾材料

隨著新冠病毒疫情防控和環(huán)境污染越來越被重視,促進了個體防護過濾材料消費需求的快速增長。熔噴非織造材料具有纖維細、孔徑小、孔隙分布均勻、結構蓬松、柔軟、比表面積大、容污能力強、過濾效率高等特點[29],主要應用在個體防護口罩、防毒面具、通風系統(tǒng)、汽車用過濾介質(zhì)等空氣凈化領域,尤其是駐極體熔噴非織造材料對空氣中的PM2.5等微細顆粒物的防范效果顯著,不僅能長期獲得高效的過濾效率,而且不影響過濾阻力,對空氣中的有害微生物也有良好的抑制作用[30]。

2.3 影響空氣過濾材料過濾性能的因素

通常,空氣過濾材料的過濾性能除了取決于纖維直徑、纖維形貌、纖維性質(zhì)和材料結構特征,還取決于顆粒物的粒徑、性質(zhì)、過濾條件、環(huán)境因素等,影響空氣過濾材料過濾性能的因素如下。

(1)纖維自身性質(zhì)的影響。由過濾機理可知,當減小纖維直徑,顆粒物被攔截可能性大大提高,過濾效率明顯提高,因此微納米纖維過濾材料能夠獲得高效過濾效率;文獻[31-32]表明,纖維的截面形狀對過濾效率也有一定影響,但纖維的比表面積才是影響過濾效率的最主要因素;在其他條件相同情況下,纖維直徑相同時,形狀系數(shù)較大的三葉形截面的纖維得到的過濾材料,其過濾阻力較其他截面形狀大,而且效率也較高。此外,纖維的電學性能[33-34]也間接影響過濾性能,對于易于帶電的化學纖維,其靜電吸附作用要高于普通纖維。

(2)濾材結構的影響[35-36]。纖維的直徑直接影響濾材的結構,相同厚度的濾料,當纖維直徑減小時,濾料的填充率提高,即纖維之間的結構密實,慣性碰撞和攔截效應都明顯提高;當纖維直徑不變時,提高濾料的克重或厚度,能夠延長顆粒通過過濾材料的路徑,從而也能提高過濾效率,但同時也會增加過濾阻力;在一定程度上,纖維的容塵情況也會改變?yōu)V材的內(nèi)部結構特征,隨著顆粒物在纖維表面的沉積,過濾效率也隨之提高。

(3)顆粒物性質(zhì)的影響[37]。顆粒物直徑越大,與纖維發(fā)生碰撞及攔截的概率也越大;微粒的形狀越不規(guī)則,與纖維接觸的幾率也越大;對于相同粒徑的顆粒物,處于不同相態(tài)的微粒對過濾效率也有不同的影響;試驗表明[38-39]顆粒帶電與否以及顆粒負載對過濾材料的阻力和效率有明顯影響。

(4)過濾條件的影響[40-41]。過濾風速影響過濾材料的過濾效率和阻力,隨著過濾風速的增加,過濾效率下降,而過濾阻力增加;氣流的溫濕度影響微細顆粒物的擴散性能,溫度升高后,由于分子熱運動加劇,顆粒物的擴散系數(shù)系數(shù)提高,并且氣體的黏性增大,因此降低重力效應和慣性效應,增加了過濾阻力。氣流濕度的增加也將提高顆粒的擴散系數(shù),從而降低過濾效率,并且,濕度的增加使空氣和纖維之間的靜電效應減弱,也可能降低過濾效率。

3 空氣過濾材料的發(fā)展趨勢

針對我國目前的重度霧霾現(xiàn)狀,工業(yè)袋式除塵濾料及空氣凈化材料的需求不斷升級,高效低阻、高容塵量、長壽命、梯度過濾的過濾材料正不斷被研制。根據(jù)纖維過濾機理可知,常規(guī)的空氣過濾材料主要通過慣性碰撞、擴散、篩分攔截、重力沉降等機械過濾機制來實現(xiàn)過濾,降低纖維直徑是提高濾材過濾性能的重要途徑之一[42]。因此微米/納米纖維在高效過濾方面極具優(yōu)勢,例如:超細玻纖過濾材料、熔噴過濾材料、靜電紡過濾材料、濕法非織造材料等正逐步替代傳統(tǒng)過濾材料,但是納米纖維較低的生產(chǎn)效率和較高的成本仍然限制其大規(guī)模應用。而納米級別的熔噴纖維過濾材料已具備產(chǎn)業(yè)化能力,在高效過濾的市場上得到廣泛應用,但是這類過濾材料在高效的同時存在著阻力過大的缺點。

另一條提高濾材過濾性能的途徑是使纖維帶電,也就是“駐極處理”[43]。對于駐極體過濾材料,由于增加了靜電吸附機制,因此對PM2.5等微粒的過濾效率大大提高,而且不會增加過濾阻力;駐極體過濾材料是目前空氣凈化材料及個人防護濾材研發(fā)及應用的重要材料。但是駐極體纖維材料的電荷穩(wěn)定性受環(huán)境和材料本身影響較大,目前能夠被廣泛應用的駐極體纖維種類較少,并且是在常溫環(huán)境中使用,對于高溫和高濕環(huán)境下駐極體纖維的靜電吸附作用研究較少。

4 結束語

空氣過濾材料在大氣污染的防范與治理過程中發(fā)揮巨大的作用,高效空氣過濾材料不僅在工業(yè)過濾除塵領域中廣泛需求,而且在室內(nèi)空氣凈化材料和個體防護過濾材料中有著顯著的效果。高效空氣過濾材料的應用領域不同,種類繁多,在選擇過濾材料時要結合實際工況條件及過濾級別要求,既要考慮過濾效率和阻力之間的平衡,又要考慮濾材使用壽命、安全性,還要考慮材料成本、加工難易程度等。結合過濾機理及影響過濾性能的因素等理論可知,未來研發(fā)高效空氣過濾材料仍然是從纖維或高分子材料的結構與性能的方向著手,通過開發(fā)新型紡絲成型技術制備微納米尺度纖維,通過研究高分子材料的物理和化學特性,生產(chǎn)出能適應各種復雜環(huán)境的纖維材料,最終實現(xiàn)高效、低阻空氣過濾材料的良好應用。