氣體過濾纖維材料的過濾特性測試方法概述

倪冰選++張鵬

摘要：本文概述了纖維過濾材料在氣體過濾領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，重點詳述了纖維材料氣體過濾特性的測試方法、測量原理和適用性，介紹了稱重法、光度計法、計數(shù)法等測量過濾性能測試方法的特點和其適用產(chǎn)品范圍，以及國內(nèi)外常見的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。

關(guān)鍵詞：氣體過濾；纖維濾料；計數(shù)法；過濾效率；計數(shù)濃度；氣溶膠

1 引言

隨著霧霾天氣出現(xiàn)得越來越頻繁，人們對大氣環(huán)境和空氣質(zhì)量的關(guān)注也越來越多，PM2.5成為了群眾常常提起的熱詞。在政府一系列環(huán)保法規(guī)頒布實施的背景下，氣體過濾用纖維材料在大氣環(huán)境治理中擔(dān)當(dāng)著越來越重要的角色，纖維濾料市場得到了長足的發(fā)展。非織造布工業(yè)的迅速發(fā)展，使氣體過濾纖維材料的發(fā)展邁進了一大步。纖維過濾材料具有比表面積大、孔徑小、孔隙率高、可造型、柔性可彎曲等特點，在氣體過濾材料領(lǐng)域中占有很大的比例，尤其是非織造纖維過濾材料，成為氣體過濾材料的主導(dǎo)產(chǎn)品[1]。

纖維過濾材料在氣體過濾領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：第一，工業(yè)煙氣廢氣的過濾，例如鋼鐵工業(yè)，其排放的煙氣粉塵量很大，有高爐、電爐、轉(zhuǎn)爐、燒結(jié)爐等產(chǎn)生高溫?zé)煔夥蹓m的污染源，需要采用耐高溫纖維過濾材料進行過濾凈化；對于水泥工業(yè)，我國是世界上第一大水泥生產(chǎn)國，每年向大氣排放的煙塵量在1000萬噸以上；另外在有色冶金工業(yè)、火電行業(yè)、垃圾焚燒行業(yè)等領(lǐng)域均會產(chǎn)生煙氣粉塵，這些煙氣粉塵需要經(jīng)過纖維過濾材料凈化后方可排放到大氣中。而隨著國家大氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，纖維過濾材料在這一領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。第二，室內(nèi)空氣凈化處理，主要包括用于生物潔凈室空氣凈化系統(tǒng)、工業(yè)潔凈室空氣凈化系統(tǒng)、普通空調(diào)系統(tǒng)等。工業(yè)潔凈室用于對潔凈度要求極高的生產(chǎn)工藝中使用，例如電子工業(yè)中的集成電路的生產(chǎn)過程，另外在光學(xué)儀器、精密機械等生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崈舳纫灿休^高要求。室內(nèi)空氣凈化處理通過采用纖維過濾材料在常溫下濾除空氣中的微小顆粒物。對于普通空調(diào)系統(tǒng)，采用一道粗效過濾材料和一道中效過濾材料可滿足要求。而對于潔凈室，除了粗效和中效過濾材料以外，還需要高效甚至超高效過濾材料。第三，醫(yī)療衛(wèi)生防護領(lǐng)域，例如日常防護口罩、醫(yī)用防護口罩和防護服等[1-2]。

本文主要介紹了纖維材料氣體過濾特性的測試方法、測量原理和適用性，介紹了稱重法、光度計法、計數(shù)法等測量過濾性能測試方法的特點和其適用產(chǎn)品范圍，以及國內(nèi)外常見的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。

2 過濾特性測試方法

過濾特性試驗用的顆粒物主要包括：（1）各種類型氣溶膠，例如NaCl、KCl等固體氣溶膠，DOP、DEHS、石蠟油等液體氣溶膠；（2）具有一定粒徑分布的氧化鋁顆粒物；（3）聚苯乙烯乳膠微球；（4）大氣塵；（5）美國亞利桑那公路塵等。

顆粒物濃度包括計數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物的質(zhì)量來表示濃度，單位為mg/m3或μg/m3。氣溶膠顆粒物的質(zhì)量濃度法在大氣顆粒物研究中使用最多，其測定方法得到了很大重視，主要包括濾膜稱重法、光散射法等，其中光散射法原理具有測量精度高、測量速度快的優(yōu)點，受到了廣泛應(yīng)用。數(shù)量濃度是指以單位體積空氣中含有的顆粒物個數(shù)表示的濃度值，單位是粒（個）/cm3、粒（個）/m3，多應(yīng)用于空氣潔凈技術(shù)領(lǐng)域，包括無塵室、超凈工作間等，主要采用計數(shù)法，包括采用普通光學(xué)粒子計數(shù)器、激光粒子計數(shù)器、凝聚核粒子計數(shù)器等。

2.1 稱重法

稱重法（或計重法）主要用于在工業(yè)廢氣粉塵排放處理上的應(yīng)用。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，各類工業(yè)粉塵排放要求達(dá)到一定的限值以下，因此需要采用纖維過濾材料進行過濾后才能進行排放，主要應(yīng)用于垃圾焚燒廠、燃煤電廠、水泥廠、鋼鐵冶金等工業(yè)領(lǐng)域的廢氣煙氣排放的過濾。粉塵過濾測量儀的原理圖如圖1所示。

圖1 粉塵過濾測量儀原理圖

注：FI—氣體流速測量和顯示；FICR—氣體流速測量、顯示、控制和記錄；FIRW—粉塵流速測量、顯示和記錄；KS—信號發(fā)生器和計時器； PDIRS+—阻力測量、顯示、記錄和開關(guān)裝置（引發(fā)脈沖清灰）；PIC—壓力顯示和控制；PIR—壓力顯示和記錄；QIR—濃度測量、顯示和記錄；TIR—溫度測量、顯示和記錄。

1—粉塵喂入裝置（帶稱重系統(tǒng)）；2—混合管道；3—光度計（監(jiān)測粉塵濃度）；4—水平清潔氣體管道；5—垂直含塵氣體管道；6—粉塵容器；7—含塵氣體后端過濾器；8—濾料試樣；9—脈沖清灰噴吹管道；10—絕對濾料；11—壓縮空氣罐；12—閥門；13—環(huán)境空氣入口；14—吹洗空氣；15—壓縮空氣（0.6 MPa）；16—控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；17—工業(yè)用PC機；18—質(zhì)量流量控制器；19—抽氣泵；20—PM2.5分離組件。

粉塵過濾性能主要包括動態(tài)除塵性能和靜態(tài)除塵性能。實驗室通常采用的試驗粉塵為一定粒徑分布的氧化鋁顆粒物。靜態(tài)過濾性能是通過測試不同濾速下清潔濾料的阻力得到清潔濾料阻力系數(shù)，然后從濾料清潔狀態(tài)開始，持續(xù)發(fā)塵，濾料濾塵但不清灰，當(dāng)發(fā)塵量達(dá)到規(guī)定值時，稱量并計算濾料的靜態(tài)除塵效率。

動態(tài)過濾性能的試驗方法是采用一定濃度的含塵氣體在規(guī)定流量下經(jīng)過濾料試樣，粉塵在試樣表面不斷累積，導(dǎo)致濾料阻力增加，阻力達(dá)到一定值時，脈沖氣體對試樣進行反沖清灰，然后試樣又繼續(xù)過濾含塵氣體，重復(fù)一定次數(shù)后，記錄各階段阻力值和質(zhì)量。動態(tài)過濾性能從濾料清潔狀態(tài)開始，持續(xù)發(fā)塵，依次經(jīng)過第一階段（初始濾塵階段）、第二階段（老化處理階段）、第三階段（穩(wěn)定化處理階段）、第四階段（老化穩(wěn)定后濾塵階段），每個階段濾料濾塵且包括清灰動作，四個階段結(jié)束后，測試并計算濾料的殘余阻力、動態(tài)除塵效率和剝離率。動態(tài)過濾性能測量結(jié)果指標(biāo)包括：初始阻力、殘余阻力、粉塵排放濃度、粉塵過濾效率、剝離率、殘余粉塵質(zhì)量、脈沖周期等，以及不同階段清灰后殘余阻力變化，不同階段清灰周期變化，不同清灰周期的阻力變化等。

工業(yè)用除塵濾料過濾性能測試國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要有：建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 404—2013[3]《空氣過濾器用濾料》附錄C；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6719—2009[4]《袋式除塵器技術(shù)要求》附錄A和B；機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11310—2012[5]《垃圾焚燒尾氣治理袋式除塵器用濾料》附錄B；JB/T 11261—2012[6]《燃煤電廠鍋爐尾氣治理 袋式除塵器用濾料》附錄B；廣州纖維產(chǎn)品檢測院內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)GTT TM 039—2014[7]《氣體除塵用纖維濾料 PM2.5粉塵過濾特性試驗方法》。國外標(biāo)準(zhǔn)主要有：德國工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)VDI 3926-1：2004[8]《Testing of cleanable filter media - Standard test for the evaluation of cleanable filter media》；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 11057：2011[9]《Air quality - Test method for filtration characterization of cleanable filter media》；美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 6830-2002（2008） [10]《Standard Test Method for Characterizing the Pressure Drop and Filtration Performance of Cleanable Filter Media》；日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 8909-1-2005[11]《集塵用過濾介質(zhì)的試驗方法 第1部分：過濾效率》等。

2.2 光度計法

光度計法基于MIE光散射理論，其工作原理就是粉塵顆粒物的質(zhì)量濃度與光通量探測器響應(yīng)信號成線性關(guān)系，光度計將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大，通過電壓反映出來。光度計通過接收顆粒物的散射光，通過光探測器測量光通量的大小來表達(dá)氣溶膠的質(zhì)量濃度，也稱光學(xué)質(zhì)量濃度。光度計法測量儀原理如圖2所示。

圖2 光度計法測量儀原理圖

注：1—前端過濾器；2—氣溶膠發(fā)生器；3—加熱器；4—混合室；5—靜電中和器；6—上夾具；7—下夾具；8—空氣過濾布試樣；9—壓力傳感器；10—過濾前端激光光度計（或激光粒子計數(shù)器）；11—過濾后端激光光度計（或激光粒子計數(shù)器）；12—流量計；13—后端過濾器；14—真空泵。

試驗過程中，采用氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生含顆粒物的氣流，氣流穿過纖維過濾材料，在過濾材料的上下游分別有一個光度計，用于檢測上下游的氣溶膠濃度，通過上下游氣溶膠濃度可以計算出纖維過濾材料的過濾效率或者穿透率。另外，儀器的壓差傳感器可以測量過濾材料兩側(cè)的阻力。利用氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生固體氣溶膠或者液體氣溶膠是目前測量過濾材料過濾性能非常常用的方法，常見的氣溶膠包括NaCl氣溶膠、DOP氣溶膠、石蠟油氣溶膠等。

光度計法可以用于日常防霾口罩、N95和N99口罩、醫(yī)用防護口罩、防護服等對于顆粒物的防護效果的測試表征。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2626—2006[12]《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》；GB 19083—2010[13]《醫(yī)用防護口罩技術(shù)要求》；醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0469—2011[14]《醫(yī)用外科口罩》；GB 19082—2009[15]《醫(yī)用一次性防護服技術(shù)要求》；美國法規(guī)NIOSH-42 CFR Part 84[16]《Respiratory Protective Devices》等。

2.3 計數(shù)法

計數(shù)法采用粒子計數(shù)器進行顆粒物數(shù)量濃度的測量，激光粒子計數(shù)器工作原理是：光學(xué)傳感器的探測激光經(jīng)顆粒物散射后被光敏元件接收并產(chǎn)生脈沖信號，該脈沖信號被輸出并放大，然后進行數(shù)字信號處理，通過與標(biāo)準(zhǔn)粒子信號進行比較，可以得到微粒的粒徑分布。就散射光強度和微粒大小而言，微粒散射光的強度隨微粒表面積的增加而增大，通過測定散射光的強度就可以知道微粒的大小。實際上，每個微粒產(chǎn)生的散射光強度很弱，是一個很小的光脈沖，需要通過光電轉(zhuǎn)換器的放大作用，把光脈沖轉(zhuǎn)化為信號幅度較大的電脈沖，然后經(jīng)過電子線路的進一步放大，從而完成對大量電脈沖的計數(shù)工作。此時，電脈沖數(shù)量對應(yīng)微粒的個數(shù)，而電脈沖的幅度對應(yīng)微粒的大小。

計數(shù)法的主要應(yīng)用領(lǐng)域為高效和超高效纖維過濾材料。通過采用兩個粒子計數(shù)器測量纖維過濾材料上下游的顆粒物數(shù)量濃度，根據(jù)上下游顆粒物的數(shù)量濃度可以計算得到纖維過濾材料的過濾效率。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6165—2008[17]《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》；建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 404—2013[3]《空氣過濾器用濾料》附錄A；歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 779—2012[18]《Particulate air filters for general ventilation - Determination of the filtration performance》；美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 52.2-2012[19]《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》等。

同時，計數(shù)法可以用于測量纖維過濾材料的最易穿透粒徑（MPPS）及其最低過濾效率。

對于顆粒物而言，小于0.1μm的顆粒物，主要做布朗運動，越小越容易被濾除；大于0.5μm的顆粒物主要做慣性運動，越大越容易被濾除；而對于粒徑在0.1μm～0.5μm之間的顆粒物，擴散和慣性效果都不明顯，較難除去。對于高效、超高效空氣纖維過濾材料，最容易穿透的顆粒物粒徑在0.1μm～0.5μm之間的某點，濾料的過濾效率就以這點的過濾效率值來表示，故稱為最易穿透粒徑法（MPPS法）。顆粒物粒徑和過濾效率關(guān)系如圖3所示。

圖3 顆粒物粒徑和過濾效率關(guān)系圖

最易穿透粒徑法是目前測試高效及超高效纖維過濾材料過濾效率最嚴(yán)格的方法。在試驗中使用的塵源為單分散或多分散的氣溶膠，可用的物質(zhì)不限，包括NaCl、石蠟油、DEHS和DOP等。通過利用凝結(jié)核粒子計數(shù)器或激光粒子計數(shù)器測量纖維濾料上下游氣流的顆粒物濃度，從而計算出其計數(shù)過濾效率，通過求出一系列不同粒徑顆粒物的計數(shù)效率值，最后得到濾料的最易穿透粒徑（MPPS）和最低過濾效率（MPPS效率）[2]。最易穿透粒徑法由于采用粒子計數(shù)器直接測定過濾前后的顆粒物數(shù)量，測試方法與潔凈室級別的規(guī)定相統(tǒng)一，為潔凈室過濾器合理選用纖維過濾材料提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

計數(shù)法可以用于測量纖維濾料的分級過濾效率，采用激光粒子計數(shù)器作為檢測器，可以對不同的粒徑級的顆粒物進行測量，例如包括≥0.3μm、≥0.5μm、≥1.0μm、≥3.0μm、≥5.0μm、≥10.0μm 6個粒徑范圍。

2.4 鈉焰法

鈉焰法的檢測儀器采用鈉焰光度計，使用鈉焰光度計測量濾料前后采樣空氣的火焰強度差別來測定纖維濾料對鹽霧的過濾效率。試驗塵源為一定濃度的鹽水通過噴霧干燥的方法產(chǎn)生的氯化鈉氣溶膠，鈉鹽的粒徑范圍在0.02μm～2μm。當(dāng)空氣中含氯化鈉氣溶膠鹽霧時，氫氣火焰的亮度和顏色會發(fā)生變化，含鹽霧濃度越大，火焰顏色越亮。試驗中將采集到的濾料上游、下游的氯化鈉氣溶膠氣樣在氫火焰下燃燒，通過光電轉(zhuǎn)換器將燃燒產(chǎn)生的鈉焰光強度轉(zhuǎn)換為電流信號并由光電測量儀檢測，電流值反映了氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量濃度，用測定的電流值即可求出濾料的過濾效率。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 6165—2008[17]《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》。

2.5 比色法

比色法應(yīng)用于中效過濾纖維過濾材料，主要針對粒徑大于等于1μm的顆粒粉塵的過濾效率測試。在過濾材料前后采樣，采樣頭上有高效濾紙，過濾前和過濾后的氣體經(jīng)過高效濾紙，高效濾紙的污染程度會不同，試驗中，每經(jīng)過一段時間的發(fā)塵試驗，用光電管比色計測量過濾前后高效濾紙的透光度，利用透光量與積塵量間的對應(yīng)關(guān)系，以及過濾前后高效濾紙的透光度差別，可以計算出纖維材料的過濾效率。比色效率是試驗全過程各階段過濾效率值依據(jù)發(fā)塵量的加權(quán)平均值。

2.6 其他

油霧法的塵源采用油霧，例如石蠟油，通過采用濁度儀測量含油霧空氣的濁度，通過過濾前后采集氣樣的濁度差來計算纖維過濾材料對油霧顆粒物的過濾效率。

3 結(jié)語

纖維濾料過濾特性測量結(jié)果的有效性是建立在測試方法、顆粒物和試驗參數(shù)選擇的基礎(chǔ)上的，撇開這些單談過濾效率是不科學(xué)的。

對于不同的氣體過濾用纖維材料，根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的測試方法，不同的測量方法，由于測試原理和步驟不同，采用的顆粒物類型和大小也不盡相同，所使用的測量參數(shù)（例如過濾速度）等都會對測量結(jié)果有很大影響，方法間不具有可比性。

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