氣溶膠纖維過濾技術(shù)研究綜述

朱中奎，張愛利，范瑞華，常玉鋒，石 零

（1.江漢大學 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430056；2.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

0 引言

氣溶膠是分散在氣體中的固體或液體粒子，由于氣溶膠粒子能長時間懸浮于大氣中，其累積到一定濃度時則出現(xiàn)霧霾天氣，以致大氣環(huán)境質(zhì)量惡化，從而危害人類健康［1-2］。

近年來，霧霾天氣在我國大部分地區(qū)高頻季節(jié)性發(fā)生，引起了國家高度重視。國家連續(xù)發(fā)布了多項大氣污染防治的法律法規(guī)。2013年發(fā)布了大氣污染治理行動計劃（大氣十條），2016年又在全國實施了新的《大氣污染防治法》，2017年兩會提出了“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的號召，緊接著2018年又發(fā)布了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》。在國家連續(xù)頒布實施嚴格的環(huán)保法規(guī)背景下，作為大氣環(huán)境質(zhì)量改善的重要支撐技術(shù)——纖維過濾技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

在纖維過濾過程中，氣溶膠粒子、氣體和過濾介質(zhì)3 個因素對過濾效率均有影響，且機制復(fù)雜，涉及氣溶膠物理學、氣溶膠計量學、流體力學、物理化學等學科［3-4］。綜合研究纖維過濾技術(shù)的過濾機理、過濾過程、開發(fā)新型過濾材料，對拓寬過濾技術(shù)的應(yīng)用范圍及氣溶膠粒子的凈化有重要意義。

1 纖維過濾技術(shù)的過濾機制及特征參數(shù)

1.1 氣流和粒子繞流運動

在纖維過濾過程中，含塵氣流以垂直于圓柱的方式流經(jīng)圓柱時，氣流和粒子做圓柱繞流運動（見圖1）。在繞流運動過程中，氣流中的粒子一方面在慣性力、熱泳力、擴散、靜電力等外力的作用下停留在圓柱體纖維表面上，稱為捕集；一方面在氣流的拖拽力作用下跟隨氣流繞過圓柱體纖維，稱為逃逸。

圖1 含塵氣流繞柱流運動Fig.1 Picture of dust-laden air flow around a cylinder fiber

氣溶膠粒子的過濾機制（捕集）的研究始于氣流繞孤立圓柱體（纖維）的運動，氣溶膠粒子的運動方程［3-4］可表示為

式中，F(xiàn)D表示氣流阻力，N；C表示阻力系數(shù)，無量綱；Ap表示氣溶膠粒子在來流方向上的投影面積，m2；ρ表示氣體密度，kg/m3；u表示氣流速度，m/s；v表示粒子速度，m/s，m表示粒子質(zhì)量，kg；F表示外力，N。

圓柱體（纖維）周圍的流場，尤其是近纖維的流場對氣溶膠粒子的捕集起著非常重要的作用。對于無黏性、不可壓且垂直纖維的二維無限長圓柱體無旋繞流，柱坐標下速度分布［4-5］可表示為

式中，vr表示徑向速度，m/s；v0表示來流速度，m/s；rf表示纖維半徑，m；r表示極徑，m；vθ表示切向速度，rad/s；θ表示極角，rad。

基于上述氣溶膠粒子的繞流運動方程和圓柱體的流場方程，結(jié)合粒子流態(tài)和流體性質(zhì)，用歐拉法耦合圓柱體周圍流場及氣溶膠粒子的運動，則可確定氣溶膠粒子捕集概率——效率。

1.2 空氣介質(zhì)和粒子運動關(guān)鍵參數(shù)

氣溶膠粒子是跟隨氣流運動還是停留在圓柱體表面上，由粒子的特征參數(shù)和氣流的特征參數(shù)決定。

攜帶氣溶膠粒子的介質(zhì)（空氣）對氣溶膠粒子的運動行為起著重要作用，它限制氣溶膠粒子的隨機運動和運動速度。利用氣體動力學或流體動力學研究氣溶膠粒子的運動規(guī)律前，必需確認空氣介質(zhì)的連續(xù)性以及粒子大小與介質(zhì)分子的可比性，因為不同粒徑的粒子所遵循的空氣動力學規(guī)律是不同的。

氣溶膠力學研究有一個空氣介質(zhì)的連續(xù)性假設(shè)，然而當氣溶膠粒子的直徑很小時，連續(xù)性假設(shè)不成立。介質(zhì)連續(xù)性判斷的準則是克努森數(shù)（Knudsen number，Kn）［6］，可表示為

式中，λ是氣體分子的平均自由程其中d表示氣體分子直徑，m，dp是粒子直徑，m。

平均自由程和克努森數(shù)揭示了氣溶膠粒子尤其是小粒子（直徑＜1 μm）受介質(zhì)分子碰撞的影響。當粒子直徑小于1 μm 時，粒子主要受單個氣體分子碰撞，其運動與氣流有關(guān)，但卻由氣體分子決定。

氣溶膠粒子是否被捕集還與表征其運動狀態(tài)的雷諾數(shù)、粒子在相應(yīng)力場中的特征參數(shù)有關(guān)［6］。其中粒子雷諾數(shù)（Rep）可用（1）式表示，而粒子在相應(yīng)力場中的特征參數(shù)可用馳豫時間（τ）表達式（2）表示，即

式中，μ表示氣體動力黏性系數(shù)，Pa·s。

1.3 過濾機制

氣溶膠粒子通過過濾介質(zhì)被纖維捕集的作用機制有5 種效應(yīng)（見表1），分別為攔截、碰撞、擴散、重力和靜電效應(yīng)。在捕集過程中，大尺度粒子攔截效應(yīng)占優(yōu)，小尺度粒子擴散效應(yīng)明顯，而粒子在大慣性條件下碰撞效應(yīng)起顯著作用［7-8］。氣溶膠粒子的過濾捕集機制中的重力效應(yīng)只在粒子密度大、顆粒大、氣流速度低時才明顯，盡管靜電效應(yīng)在過濾機制中可能是一種重要的機制，但是由于粉塵和纖維的荷電量定量難，且?guī)щ娏恳膊环€(wěn)定，在非人為干預(yù)下帶電量消失為0?；谶@些因素，氣溶膠粒子在纖維過濾過程中主要有攔截、碰撞、擴散3 種捕集效應(yīng)。

表1 過濾機制及特征參數(shù)表［7-8］Tab.1 Filtration mechanism and characteristic parameters

由于氣流繞流流動和粒子運動的復(fù)雜性，且區(qū)分單效應(yīng)作用較困難，表1中僅給出了某些特殊條件下的單效應(yīng)效率公式。在這些機制綜合作用下單纖維的分級凈化效率趨勢曲線呈現(xiàn)圖2所示的特征。在整個粒子直徑范圍內(nèi)，粒子直徑越?。ㄖ睆剑?.1 μm），擴散效應(yīng)越明顯，而攔截和碰撞效應(yīng)較弱，所以擴散效應(yīng)對小粒子直徑的去除率越高，隨粒子直徑增加（直徑＞0.3 μm），擴散效應(yīng)變?nèi)?，攔截和碰撞效應(yīng)變強，粒子的去除則由攔截和碰撞效應(yīng)去除，且直徑越大攔截和碰撞效應(yīng)去除率越大。粒徑在0.1～0.3 μm 間的粒子效率較小，原因可能是在該粒徑范圍內(nèi)，對于擴散效應(yīng)來說粒徑太大，而對于攔截和碰撞效應(yīng)來說粒徑又太小。

圖2 孤立纖維過濾凈化效率隨粒徑演變趨勢圖Fig.2 Trend chart of separate fiber filtration purification efficiency with particle size

在過濾過程中纖維過濾效率并不是簡單的各效應(yīng)疊加，而是按獨立事件捕集概率的方式起作用，所以纖維過濾過程中各機制共同作用的總效率（η）［9］可表示為

式中，ηi表示單效應(yīng)效率，%。

2 纖維過濾技術(shù)的過濾介質(zhì)和過濾過程

2.1 過濾介質(zhì)

氣溶膠過濾介質(zhì)廣泛應(yīng)用在工業(yè)過濾裝置和民用空氣凈化產(chǎn)品中，這些產(chǎn)品中的過濾部件通常由過濾介質(zhì)按應(yīng)用需求設(shè)計而成。多纖維通過平紋織法、斜紋織法、緞紋織法、針刺氈織工藝形成具有一定厚度、孔洞隨機分布的過濾介質(zhì)。纖維過濾介質(zhì)由基質(zhì)纖維采用合適的技術(shù)手段制造成具有相當孔隙比的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過濾基本單元，其類別主要有紡織過濾材料、無紡過濾材料、覆膜過濾材料［10］。圖3是纖維過濾介質(zhì)的表面和斷面SEM 照片［7］。

圖3 濾料的 SEM 照片［7，10］Fig.3 SEM photographs of filter media

過濾介質(zhì)單位面積的質(zhì)量、纖維直徑、填充密度（packing density）、厚度、空隙率、透氣率、耐溫、斷裂強度、延伸率和材質(zhì)等是工程常用的濾料指標參數(shù)，這些指標不僅決定著滲透率（效率），也決定著氣流通過的壓力損失和過濾介質(zhì)的使用壽命。

氣流中的顆粒以一定的速度通過過濾器的過程中，會有一定量的顆粒撞擊在過濾介質(zhì)的表面，這種由氣流通過過濾介質(zhì)實現(xiàn)氣-固分離的過程有以下3 個步驟［11］:

1）顆粒到達清潔過濾介質(zhì)的表面，并停留在過濾介質(zhì)的表面——深層過濾；

2）停留在過濾介質(zhì)表面的粒子隨時間的延續(xù)，進入過濾介質(zhì)的深部，過濾介質(zhì)的表面停留更多的顆粒，形成顆粒層——過渡轉(zhuǎn)變區(qū)；

3）隨時間的延續(xù)，隨后到達的顆粒停留在顆粒層的迎風面，顆粒層進一步變厚——表面過濾。

所以，整個過濾過程是一個從清潔濾料到表面覆蓋粉塵的深層過濾到表面過濾的過程，由此可見上述從清潔濾料到濾料負載粉塵的壓力損失演變呈現(xiàn)3 個階段（見圖4）。Ⅰ區(qū)是壓力損失的線性區(qū)，Ⅱ區(qū)是壓力增加的非線性過渡區(qū)，Ⅲ區(qū)是表面壓力損失線性緩增區(qū)。

圖4 過濾介質(zhì)壓力演變圖Fig.4 Pressure evolution diagram of filter media

2.2 過濾過程的壓力演變

含塵氣流通過濾料時，濾料兩側(cè)的總壓差（PT）由氣流通過粉塵層的壓差（ΔPf）和氣流通過濾料層的壓差（ΔP0）構(gòu)成，可表示為

氣流無論是通過粉塵層的壓差還是通過濾料層的壓差，均與氣流流經(jīng)的長度、流體黏度、滲透率和氣流通過的速度、過濾媒介的填充率、氣流方向有關(guān)［11-13］。在準穩(wěn)態(tài)的條件下，過濾的壓力損失有通道理論和拖曳理論兩大理論，通道理論的壓力損失用Darcy′s 表達式（3）表示，即

式中，x表示粉塵層的厚度或濾料厚度，m；v表示氣流表面速度，m/s；μg表示氣體的粘性系數(shù)，無量綱；K表示濾料的滲透率。

拖曳理論的提出者Emersleben O.認為過濾媒介空隙邊緣內(nèi)壁是產(chǎn)生阻力、阻礙氣流流動的主要因素［13］，拖曳理論壓力損失可用公式（4）表示，即

式中，α表示纖維體積比，無量綱；di表示纖維直徑，m；gc表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，無量綱；CDαi表示拖曳系數(shù)，無量綱。

2.3 過濾器性能參數(shù)

纖維濾料能夠有效地發(fā)揮作用主要依靠良好的過濾設(shè)備的設(shè)計和運行，評價過濾設(shè)備的指標有以下3 個。

1）過濾效率和滲透率

纖維過濾總效率在單個纖維擴散、攔截、碰撞、靜電等效應(yīng)綜合作用的基礎(chǔ)上還增加了篩分效應(yīng)。由于非編織纖維過濾介質(zhì)空隙分布的隨機性和纖維排列的隨機性，很難準確地用結(jié)構(gòu)化排列圓柱體來描述其過濾效率，通常認為所有單個纖維過濾疊加的總效率（ηT）［3］可表示為

式中，ηi表示單個纖維過濾效應(yīng)的效率，%；α（packing density，常數(shù)）表示單位體積濾料內(nèi)的纖維充填率；Lf表示纖維長度，m；df表示纖維直徑，m。

滲透率是氣溶膠粒子通過濾料量與入流氣溶膠粒子總量的比值，氣溶膠粒子的透過率與過濾效率之和為1。

2）壓力損失

由于工業(yè)過程是連續(xù)性的，停留在過濾介質(zhì)表面的顆粒需定時或定壓差清灰，于是連續(xù)過程的過濾介質(zhì)壓差呈現(xiàn)周期性［14］，圖5給出了工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室實測的濾料周期性噴吹的壓力損失特征的變化圖，其結(jié)果也顯示過濾過程的壓力變化呈現(xiàn)周期性變化。

圖5 定時清灰壓力變化圖Fig.5 Evolution diagram of timing ash cleaning pressure

3）過濾風速（氣布比）

氣布比是過濾式除塵器的一個重要的技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟參數(shù)，表示袋式除塵器處理氣體量與過濾總面積之比。氣布比對收集效率有重要影響，也決定過濾式除塵器的體積、功耗。在當前細粒子排放標準的要求下，適當降低過濾風速是一種可能選項。

從技術(shù)和經(jīng)濟性能上講，性能良好的過濾器表現(xiàn)在有大煙氣凈化量、高效率、低壓力損失和占地面積小等特點。然而，這些指標值間大小不一致，難以統(tǒng)一。為取得過濾器良好的技術(shù)經(jīng)濟效能，建議選取過濾風速這個關(guān)鍵參數(shù)作為評價指標，來達到效率、壓力損失、有效過濾面積三者間的優(yōu)化。

在實際設(shè)計過程中，為滿足高效率的要求，選擇降低過濾風速，不僅可以提高效率也可以降低壓力損失，然而過濾風速降低卻導(dǎo)致過濾面積和除塵器體積的增加，進而使投資成本增加。氣溶膠粒子的過濾不僅要在效率、壓力損失、有效過濾面積間保持平衡，也要在效率、處理量和氣布比間保持平衡，這幾個量間的關(guān)聯(lián)也是通過降低過濾風速來提高效率，但這會使相同體積下的過濾處理體積量減小。所以過濾風速的設(shè)計選擇需認真對待。

3 過濾新技術(shù)

隨著理論和技術(shù)的進一步發(fā)展，離心過濾、覆膜過濾、靜電過濾等新過濾技術(shù)隨之出現(xiàn)［15-19］。離心過濾技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)比較，通過使原來靜止的過濾部件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，其機制是在攔截、碰撞等基礎(chǔ)上增加了離心效應(yīng)，離心力的導(dǎo)入也使氣溶膠粒子的遷移速度降低，進而提高了效率［8，15］。

覆膜過濾技術(shù)是在傳統(tǒng)過濾基材的基礎(chǔ)上覆蓋一層膜材料的新型過濾材料。從LIU［16］等的研究來看，亞微米氣溶膠顆粒的粒徑分布范圍很廣，粒徑的大小一般在l0-3～1 μm 量級，覆膜過濾技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米粒子的高效凈化，并使清灰更加容易。覆膜過濾的顯著特征是將過濾過程的深層過濾進行了簡化，不僅可實現(xiàn)亞微米氣溶膠顆粒接近于零排放，同時由于其薄膜不黏性、摩擦系數(shù)小等優(yōu)勢，粉餅會在過濾過程中自動脫落，確保了設(shè)備長期穩(wěn)定［17-18］。

靜電過濾的機制是在氣溶膠粒子隨氣流到達濾料表面時，氣溶膠粒子帶電，這樣形成濾料纖維表面的粉塵間具有靜電力作用，于是氣溶膠粒子間間隙增加，氣流通過濾料時壓力損失減小，同時在纖維表面形成了電場，也可以提高氣溶膠粒子的凈化效率［19-20］。靜電過濾的顯著特征是融合了傳統(tǒng)的過濾技術(shù)和靜電技術(shù)來提高效率，可以針對亞微米甚至納米級的細微顆粒物來進行攔截，更好滿足人們對高效過濾的要求。目前，靜電紡絲技術(shù)是制備超細納米纖維最常用的方法之一。靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜因纖維直徑小、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，在高效空氣過濾材料的應(yīng)用中顯現(xiàn)出優(yōu)異的性能，因此成為空氣過濾領(lǐng)域的研究重點［21］。

4 結(jié)語

氣溶膠粒子的纖維過濾是一種高效凈化技術(shù)，它具有高效和維護簡單的顯著特征，但氣溶膠粒子纖維過濾的機制復(fù)雜，新技術(shù)和新發(fā)展也不斷出現(xiàn)，隨著氣溶膠過濾技術(shù)和材料的發(fā)展，過濾設(shè)備和裝置的性能也會隨之提高，其應(yīng)用范圍也將更廣泛。