非織造布濾料性能及過濾過程的研究進展

薛帆帆,周　蓉

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

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非織造布濾料性能及過濾過程的研究進展

薛帆帆,周蓉

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

摘要：對近年來非織造布濾料的研究進展做了簡要綜述，介紹了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征、過濾性能及其影響因素、過濾過程的計算機模擬，指出進一步發(fā)展所需要解決的問題。

關(guān)鍵詞：非織造布內(nèi)部結(jié)構(gòu)表征過濾性能計算機模擬

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們生活水平提高的同時，環(huán)境也在惡化，空氣污染日益嚴重。形成空氣污染的因素很多，主要包括工業(yè)煙塵、有機揮發(fā)物、汽車尾氣、揚塵等。其中工業(yè)煙塵來源于電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)，這些行業(yè)一般采用袋式除塵技術(shù)過濾粉塵，非織造濾袋是袋式除塵器的核心部件。由于非織造布是有一定厚度的纖維集合體，組成纖維集合體的纖維因其細度、長度及成網(wǎng)加固方式不同可以形成孔徑不等、曲折的氣流通道，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，又由于它的過濾精度、過濾效率取決于很多因素，所以過濾機理難以把握。對其研究主要集中在以下幾個方面：(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征；(2)纖維過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其過濾性能的關(guān)系，影響濾料的內(nèi)部因素和外部因素；(3)過濾過程的計算機模擬，包含靜態(tài)和動態(tài)兩個方面。倘若能很好地認識和了解纖維過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，則可以有目的的設(shè)計符合過濾要求的纖維濾料，或者準確預(yù)測濾料過濾性能，為濾料的生產(chǎn)和使用提供指導(dǎo)。前人在上述幾方面進行了大量的研究和探討，取得了一定的研究成果，然而研究還在進行，本文對此加以總結(jié)以期對今后的研究提供借鑒。

1內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征

非織造布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有孔徑大小、孔徑分布、孔隙率等，由于纖維細度長度的差異以及纏繞卷曲等使得孔徑大小及分布較為復(fù)雜，很難度量。內(nèi)部結(jié)構(gòu)會影響濾料的透氣性，進而影響濾料的過濾性能，所以人們進行了諸多研究。

從理論模型到圖像處理技術(shù)，再到實測儀器，對于非織布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究日臻成熟。建立模型由于將纖維理想化為圓柱體，且沒有卷曲和相互纏繞等，并不能真實反映濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以測量出來的孔徑大小及分布和孔隙率有偏差。圖像處理技術(shù)一般是電鏡掃描，將三維的濾料變成了平面的結(jié)構(gòu)，測量出來的孔隙率也不準確，而用實驗儀器測量，能測試出孔徑真實分布情況，效率高，無偏差。

2 纖維過濾介質(zhì)的過濾性能及其影響因素

過濾效率是指某個尺寸以上的顆粒物被過濾材料捕集的效率。過濾材料捕集的粉塵量與未經(jīng)過過濾材料進行過濾的空氣中的粉塵量之比為“過濾效率”。過濾效率越高，過濾器的過濾性能越好。過濾阻力是測試過程中過濾材料進風(fēng)口與出風(fēng)口之間的壓力差。纖維使氣流繞行，產(chǎn)生微小阻力。無數(shù)纖維的阻力之和就是過濾材料的阻力。阻力大時，能耗較大。為了獲得高效低阻的濾料，學(xué)者們對過濾性能的影響因素做出了諸多研究。

2.1過濾效率

2.2壓降

3過濾過程的計算機模擬

通過實驗或者理論分析建立出了計算過濾效率和壓降的方程，隨著科技的迅猛發(fā)展，計算機的三維模擬技術(shù)為諸多行業(yè)解決了難題，學(xué)者們也不斷探索能否應(yīng)用在非織造布過濾濾料中，通過建立模型，模擬非織布濾料真實的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過控制模型的參數(shù)和外部過濾條件直接預(yù)測出過濾材料的過濾效率和過濾阻力，這樣便可以省去大量的實驗消耗，節(jié)省成本。由于纖維型過濾介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且過濾過程氣流的流動和微粒的捕集也很難定性地描述，這就導(dǎo)致過濾材料的過濾性能不能通過一個簡單的模型就能計算出來。學(xué)者們經(jīng)過長時間的研究和探討，從二維模型到三維模型，不斷地進行完善，在過濾介質(zhì)的模擬方面有了很大的進展。

付海明，沈恒根教授最早在一篇文獻[14]中對過濾過程做了簡化，采用Visual Basic6.0，使模擬程序可視化，建立起兩層過濾介質(zhì)，相互獨立，假設(shè)纖維是圓柱體，纖維的直徑，水平間距及垂直間距可以調(diào)節(jié)，來表征復(fù)合濾料或覆膜濾料。微粒采用正態(tài)分布，在二維平面上，使微粒從一定高度落下，如果與纖維和其他微粒接觸則被捕集，最終計算出捕集效率和阻力。得出粉塵在過濾纖維表面呈樹枝狀沉積狀態(tài)，在非穩(wěn)態(tài)過濾時，由于被捕集顆粒沉積的存在使粉塵捕集效率增加，與實際結(jié)論相符。由于假設(shè)被過濾的微粒做直線運動，忽略了布朗運動，纖維附近的流場以及纖維和微粒的反彈，而且采用的是簡單的二維模型，使得模型不能真實有效地模擬出濾料的過濾過程。文獻[15]對于過濾介質(zhì)內(nèi)部的氣相流場進行研究，建立二維模型，進行數(shù)值計算，采用多孔介質(zhì)模型，得到在不同填充密度和過濾器深度時纖維過濾器內(nèi)的靜壓分布。結(jié)果表明：靜壓沿著過濾器深度方向線性變化，填充密度越大，初始壓降越大。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模型從二維逐漸發(fā)展到三維。徐芳芳[16]等人采用CFD軟件，建立三維隨機纖維過濾介質(zhì)模型，通過大量的數(shù)值研究，得出迎面風(fēng)速、過濾介質(zhì)填充密度對壓降和滲透率的影響，由于將非織布微觀結(jié)構(gòu)中纖維位置和方向的雜亂性和隨機性考慮在內(nèi)，使得模型具有一定的真實性。李艷艷[17]等人為了模擬其內(nèi)部的氣相流場，采用計算機技術(shù)建立三維纖維過濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型，有纖維交錯排列、纖維平行和纖維隨機排列這三種排列方式，在不同的填充率和過濾風(fēng)速條件下進行數(shù)值模擬，得出三種無因次壓力損失表達式。得到壓力損失隨過濾風(fēng)速呈線性增加，隨填充密度成非線性增加的結(jié)論。另外有學(xué)者[18]將過濾速度分成高速和低速，基于VBA編程，采用CFD計算其內(nèi)部流場，建立模型，結(jié)果研究低速和高速過濾狀態(tài)下壓力損失與速度的關(guān)系。結(jié)果當流體平均速度大于0.3m/s時，壓力損失與流體平均速度不再是簡單的線性關(guān)系。文獻[19]研究空調(diào)凈化領(lǐng)域的高效過濾器，利用計算流體動力學(xué)技術(shù)，由交錯排列纖維組成，分析得到，隨著迎面風(fēng)速的增加，壓力損失線性增加；在過濾器中不同粒徑范圍內(nèi)捕集機理也不同。慣性碰撞主要對于粒徑大于0.5 μm 的顆粒貢獻較大，而由于擴散導(dǎo)致的布朗運動主要對于粒徑在0.2 μm 左右的顆粒起較大的作用。對于粒徑在0.2～0.5 μm 之間的顆粒，慣性碰撞和布朗力都相對較弱。因此，纖維過濾器對于該粒徑范圍內(nèi)的顆粒具有最小捕集效率。對于梯度濾料和覆膜濾料，文獻[20]做了模擬和研究。根據(jù)Matlab軟件和數(shù)值計算前處理軟件Gambit中的Journal文件建立多層復(fù)合纖維濾料模型，采用計算流體動力學(xué)對濾料內(nèi)部的氣—固兩相流動特性進行數(shù)值研究，計算不同纖維填充密度和直徑分布時的壓力損失和過濾效率。研究表明迎面風(fēng)速增加，壓力損失線性增加，過濾效率是先減小后增大。顆粒大小不同時，過濾機理也不同。采用纖維直徑逐層增大的梯次結(jié)構(gòu)時，過濾效率較高。復(fù)合濾料經(jīng)過覆膜后效率明顯增加。

隨著顆粒在濾料上的沉積，濾料的過濾變成了非穩(wěn)定狀態(tài)，粉塵的粒徑大小和濃度以及粉塵在濾料上的堆積狀態(tài)也會影響到濾料的過濾效率和壓降。朱輝等人[21-23]為了研究粉塵顆粒在單纖維表面的沉積過程，采用Kuwabara流場表征單纖維表面的氣流繞流特征，采用隨機模擬方法，建立計算模型，結(jié)果表明，沉積狀態(tài)依賴于Stokes數(shù)、粒徑分布和纖維扭曲程度。隨著St數(shù)減小，沉積物由緊密的堆積結(jié)構(gòu)演變成分叉顯著的樹枝狀結(jié)構(gòu)，隨捕集粒子數(shù)的增加，單纖維捕集效率增加。為了進一步研究荷塵對于壓降的影響，采用Monte Carlo法和Kuwabara單元模型，建立模型。分析得出過濾風(fēng)速、粒子大小和粉塵樹枝形態(tài)結(jié)構(gòu)對壓降影響顯著，纖維直徑影響不明顯。王國呈[24]也利用CFD-DEM耦合方法，對單纖維過濾介質(zhì)進行了數(shù)值模擬，研究顆粒和纖維體間碰撞恢復(fù)系數(shù)的變化對顆粒在單纖維體上的沉積及捕集特性的影響。結(jié)果表明，顆粒的捕集數(shù)量隨顆粒與纖維體間的恢復(fù)系數(shù)呈先增加后減少，然后達到平穩(wěn)狀態(tài)的趨勢。

學(xué)者們通過計算機模擬建立出非織造布濾料的三維模型，通過改變過濾器的填充率、厚度、過濾風(fēng)速等條件，研究其對過濾效率和壓降的影響，結(jié)論基本上與Davies給出的公式相一致，實際上，影響過濾性能的還有一個重要的指標就是構(gòu)成濾料的纖維的直徑，纖維的粗細會影響濾料的孔徑大小和分布，從而影響到透氣性，進一步對過濾性能產(chǎn)生影響。由于構(gòu)成濾料的纖維直徑分布不均勻，導(dǎo)致對于纖維直徑這個因素的研究比較困難，今后可以在模型中加入相關(guān)的程序，將纖維直徑考慮在內(nèi)。對于非穩(wěn)定狀態(tài)下過濾過程，可以通過分形理論，探索粉塵堆積結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)和過濾性能之間的關(guān)系。

4展望

隨著先進實驗儀器的發(fā)明，對于非織造布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及過濾性能都可以很方便地測試出來，但是測試過濾效率和壓降時成本較高且費時費力，所以計算機模擬預(yù)測過濾性能是一個很好的發(fā)展趨勢。

纖維型過濾介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，纖維直徑，長短不一，橫截面也多種多樣，纖維之間有纏繞，扭曲，壓縮等現(xiàn)象，過濾時氣流在纖維之間通道的流動也沒有定向的運動，所以進行數(shù)值模擬時經(jīng)常會進行一些簡化，最后導(dǎo)致預(yù)測出的結(jié)果并不能真實反映過濾材料的過濾性能。在下一步的研究中，需要進行理論方面的完善，在進行計算機模擬時，考慮到纖維直徑的分布，以及纖維的扭曲和相互之間的纏繞，將模擬計算出來的過濾性能與實際濾料測試出來的過濾性能進行比較，找出模型有待完善的地方，以期能更好地預(yù)測濾料的過濾性能，指導(dǎo)濾料的生產(chǎn)工藝。

參考文獻

[1]吳兆平，李艱，陳建敏,等．非織造土工布幾何結(jié)構(gòu)與孔徑分布計算[J]．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，1997，11(3)：23-27．

[2]李巖，付海明，張?。w維過濾介質(zhì)孔隙率及其分形維數(shù)[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2012，31(4)：18-21．

[3]楊旭紅，李棟高．非織造材料孔隙結(jié)構(gòu)的定量表述[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005(1)：10-15．

[4]簡小平．非織造布空氣過濾材料過濾性能的研究[D]．2013．

[5]殷保璞，吳海波，靳向煜等．非織造過濾材料的孔隙結(jié)構(gòu)與透氣性能研究[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007(5)：20-23．

[6]Davies C N. The Separation of Airborne Dust and Particles[J]. Arhiv za HigijenuRada, 1950,1(4): 393-427.

[7]蘇小紅，付海明．淺析袋式除塵器孔隙率與過濾特性之間的關(guān)系[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(2)：100-103．

[8]付海明，沈恒根．非穩(wěn)定過濾捕集效率的理論計算研究[J]．中國粉體技術(shù)，2003(6)：4-7．

[9]付海明，李陽．顆粒層非穩(wěn)態(tài)過濾捕集效率的研究[J]．環(huán)境工程學(xué)報 ，2009，3(9)：1625-1629．

[10]Davies C N. Air filtration [M].Academic Press, 1973:110-112.

[11]趙友軍，付海明，李陽．過濾風(fēng)速對纖維過濾器壓力損失的試驗研究[J]．潔凈與空調(diào) 技術(shù)， 2007(3)：14-16．

[12]李陽，付海明，趙友軍．固定床顆粒過濾壓降的正交實驗及回歸分析[J]．能源與環(huán)境，2007(5)：16-17．

[13]唐敏，梁云，胡?。＠w濾材過濾阻力的預(yù)測[J]．過濾與分離，2012，22(4)：17-20．

[14]付海明，沈恒根．纖維過濾介質(zhì)過濾行為計算機模擬研究[C]．全國暖通空調(diào)，2004年學(xué)術(shù)文集 ：98-103．

[15]錢付平，韓云龍，陳光，等．纖維過濾器氣相流場的數(shù)值研究[J]．節(jié)能技術(shù)，2008，26(5)：393-395．

[16]付海明，徐芳芳，李艷艷．纖維過濾介質(zhì)滲透率及壓力損失數(shù)值模擬[J]．華僑大學(xué)學(xué)報，2012，33(5)：535-542．

[17]李艷艷，付海明，胡玉樂．纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部三維流場模擬[J]．紡織學(xué)報 ，2011，32(5)：16-21．

[18]徐芳芳，付海明，雷澤明，等．三維纖維過濾介質(zhì)壓力損失數(shù)值模擬[J]．東華大學(xué)學(xué)報，2012，38(6)：745-749．

[19]錢付平．高效過濾器內(nèi)氣—固兩相流動特性的數(shù)值研究[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28(1)：18-22．

[20]錢付平，王海剛，陳光．表面覆膜多層復(fù)合纖維濾料過濾性能的數(shù)值研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，30(12)：2392-2398．

[21]朱輝，付海明，亢燕銘．粉塵顆粒在單纖維表面沉積的計算機模擬[J]．環(huán)境污染與防治，2009，31(3)：10-15．

[22]朱輝，付海明，亢燕銘．單纖維過濾介質(zhì)表面塵粒捕集的隨機模擬[J]．環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(8)：1881-1886．

[23]朱輝，付海明，亢燕銘．荷塵狀態(tài)單纖維過濾壓降數(shù)值計算與分析[J]．化工學(xué)報，2012，63(12)：3927-3935．

[24]王國呈．碰撞恢復(fù)系數(shù)對單纖維顆粒捕集特性的影響[J]．過濾與分離，2015，25(1)：9-13．

Research Progress on Performance and Filtration Process of Non-woven Filtering Material

XUEFan-fan,ZHOURong

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao 266071)

Abstract:Research progress of non-woven filtering material was briefly reviewed, such key points were introduced as internal structure’s research and its characterization, filtration performance and its influencing elements and computerized simulation of filtration process, and problems for further development were put forward.

Key words:internal structure’s research and its characterizationfiltration performance and its influencing elementscomputerized simulation of filtration process

中圖分類號：TS179

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0032-05

通訊作者：周蓉(1968-)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

收稿日期：2015-09-25

第一作者：薛帆帆(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織新工藝、新設(shè)備。