非織造過濾介質(zhì)孔徑及截留性能的研究

吳 芳 ，王士勇 ，都麗紅 ，朱企新 ，魯淑群

（1.上?；ぱ芯吭河邢薰?，上海200062；2.天津大學(xué)化工學(xué)院；3.全國石油和化工行業(yè)過濾與分離工程研究中心）

近年來，非織造過濾介質(zhì)以其優(yōu)良的過濾性能、低成本、易加工、好成型等特點(diǎn)，逐漸取代了部分傳統(tǒng)織造過濾介質(zhì)，在工業(yè)分離、凈化、提純等液固分離領(lǐng)域及尾氣凈化、PM2.5、空氣凈化等氣固分離領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，涉及包括石油化工行業(yè)（如油品分級(jí)、天然氣除塵、催化劑回收）、精細(xì)化工行業(yè)、無機(jī)鹽工業(yè)（如超細(xì)鈦白粉、白碳黑、磷化工等）、食品行業(yè)（如發(fā)酵液過濾、飲料去渣等）、生物醫(yī)藥行業(yè)（如血液過濾、醫(yī)藥中間體提純等）、汽車工業(yè)（如潤滑油過濾、車廂空氣凈化等）等眾多領(lǐng)域。各行各業(yè)出現(xiàn)了越來越多的細(xì)小顆粒，若采用常用的織造過濾介質(zhì)很難從氣體或液體中將細(xì)小的顆粒分離出來，因此對(duì)精密過濾介質(zhì)提出了更高的要求。而采用非織造過濾介質(zhì)的過濾過程屬于深層過濾，具有截留效果優(yōu)、納污量大等特性，可以在這些領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

當(dāng)然，難度更大、要求更高的過濾技術(shù)的提出也推動(dòng)了非織造過濾介質(zhì)的發(fā)展，人們研發(fā)出更多的新型的非織造過濾介質(zhì)，如復(fù)合過濾介質(zhì)、涂膜過濾介質(zhì)等。同時(shí)也對(duì)過濾介質(zhì)的選用和評(píng)價(jià)提出了新的要求，非織造過濾介質(zhì)的過濾性能測試是其選型的主要依據(jù)。

對(duì)于非織造過濾介質(zhì)，國際上有ISO 9073-1～18非織造布試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)系列，中國有GB/T 24218《紡織品非織造布試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)，紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6003～6020，這些標(biāo)準(zhǔn)主要包含了單位面積質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度及伸長、滲水性、吸收性等在內(nèi)的測試方法。非織造布國內(nèi)外相關(guān)的性能測試標(biāo)準(zhǔn)都是與物理、機(jī)械、化學(xué)等性質(zhì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，無一涉及非織造過濾介質(zhì)過濾性能測定方法，極大影響非織造過濾介質(zhì)過濾技術(shù)的發(fā)展、新產(chǎn)品的開發(fā)和相關(guān)過濾性能的提升。

對(duì)過濾分離過程而言，孔徑和截留性能是非織造過濾介質(zhì)評(píng)價(jià)、選擇及使用過程中十分重要的2個(gè)指標(biāo)。本文就這2個(gè)性能指標(biāo)，針對(duì)性地提出測試方法，以幾種非織造過濾介質(zhì)為例進(jìn)行性能參數(shù)測定的研究，并對(duì)非織造過濾介質(zhì)的孔徑和截留性能之間的關(guān)系做了探索。本實(shí)驗(yàn)選擇應(yīng)用于不同領(lǐng)域的不同材質(zhì)、不同制造工藝的非織造過濾介質(zhì)作為研究對(duì)象，試樣情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)研究用非織造過濾介質(zhì)試樣

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 非織造過濾介質(zhì)孔徑測試方法的實(shí)驗(yàn)研究

1.1.1 孔徑測試方法

孔徑及孔徑大小分布直接決定了過濾介質(zhì)的透過性能及過濾性能，也是選擇過濾介質(zhì)的主要依據(jù)之一，因此，過濾介質(zhì)孔徑的表征方法受到了廣泛關(guān)注。過濾介質(zhì)的孔徑以平均孔徑或等效孔徑的形式表示?？讖降臏y試方法有很多，如S.Langlois等［1］在1989年就提出采用光學(xué)或掃描電子顯微鏡直接觀察多孔介質(zhì)的斷面得出其孔徑大小及分布。這種直接觀察的方法局限較大，只能測出介質(zhì)表面的孔徑情況，準(zhǔn)確度有限。間接測量方法有鼓泡法、透過法、壓汞法、氣體吸附法、X射線小角度散射法等［2-4］。鼓泡法因原理簡單、操作方便、準(zhǔn)確度相對(duì)較高而備受青睞，其測量原理是在過濾介質(zhì)一側(cè)加壓，使氣體穿過過濾介質(zhì)的孔隙達(dá)到另一側(cè)的試驗(yàn)液中產(chǎn)生氣泡。過濾介質(zhì)孔隙大小不同，要穿過孔隙產(chǎn)生氣泡所施加的壓力也不一樣，根據(jù)液體性質(zhì)、壓力的大小及界面間表面張力等可計(jì)算出過濾介質(zhì)的孔徑。鼓泡法適用于測定織造濾布、金屬網(wǎng)孔、金屬板沖孔、金屬絲網(wǎng)、膜等的孔徑，國內(nèi)外早已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5-7］，很多研究者也做了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究［8-9］。

非織造過濾介質(zhì)因其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的特殊性，有的并不適合用鼓泡法測定，尤其對(duì)于柔性的非織造過濾介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)過程中很容易造成過濾介質(zhì)變形，導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)。此外，非織造過濾介質(zhì)是具有獨(dú)特的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多微孔材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過濾精度高，其過濾機(jī)理屬于深層過濾［10］。因此，不宜只用最大孔徑、沸騰孔徑等鼓泡法測定得到的常規(guī)指標(biāo)來評(píng)判其孔徑大小和性能的好壞，而應(yīng)該結(jié)合不同孔徑的分布情況來對(duì)孔徑性能做綜合評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)過濾介質(zhì)的選用。

因此，借助多孔材料孔徑及孔徑大小分布測試方法，根據(jù) ASTM F316-86 標(biāo)準(zhǔn)［11］的測試原理，本研究探索采用氣體流量法測定非織造過濾介質(zhì)的孔徑及孔徑分布。測試方法是將實(shí)驗(yàn)液充分浸潤過濾介質(zhì)孔隙，由過濾介質(zhì)一端充入潔凈氣體，氣體逐漸取代孔中液體，測量其過程所需壓力，根據(jù)液體性質(zhì)、壓力的大小及界面間表面張力等計(jì)算孔徑大小。過濾介質(zhì)孔徑的計(jì)算公式［8］：

式中，Dn為過濾介質(zhì)的孔徑，μm；σ為實(shí)驗(yàn)用氣體與實(shí)驗(yàn)液界面間的表面張力，N/m；θ為實(shí)驗(yàn)液與試樣的接觸角，°；ΔPn為濕態(tài)曲線上對(duì)應(yīng)的壓差值，Pa。

實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)加壓，直到微孔中的液體被完全排空，得到透過試樣的氣體流量與壓差的關(guān)系曲線，稱為濕態(tài)曲線；在過濾介質(zhì)保持干燥無液體填充的狀態(tài)下測試，得到氣體流量與壓差的干態(tài)關(guān)系曲線。將過濾介質(zhì)的濕態(tài)和干態(tài)關(guān)系曲線繪制在同一坐標(biāo)軸下，結(jié)果見圖1。由圖1可見，濕態(tài)條件下，最先出現(xiàn)氣泡時(shí)的壓差為泡點(diǎn)壓差，對(duì)應(yīng)的孔徑為最大孔徑。干態(tài)曲線的半高線與濕態(tài)曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓差為平均孔徑壓差，對(duì)應(yīng)的孔徑為平均孔徑。

圖1 試樣的干態(tài)及濕態(tài)曲線［8］

實(shí)驗(yàn)前采用實(shí)驗(yàn)液將試樣充分浸潤，θ為0，這樣實(shí)驗(yàn)用氣體與實(shí)驗(yàn)液界面間的表面張力和試樣兩側(cè)壓差與試樣的當(dāng)量孔徑就建立了直接的關(guān)聯(lián)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)液表面張力較大時(shí)，一定孔徑大小的非織造過濾介質(zhì)需要更大的壓力才能完成測試，而過濾介質(zhì)兩側(cè)壓差過大容易造成試樣變形。因此針對(duì)非織造過濾介質(zhì)而言，通常需要采用表面張力較小的實(shí)驗(yàn)液來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本研究過程中采用PSM-165型孔徑測試儀做非織造過濾介質(zhì)孔徑性能測試，儀器專用試驗(yàn)液Topor，表面張力為16 mN/m。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用氣體流量法對(duì)1#～8#試樣做孔徑測試，測試結(jié)果見表2。

表2 氣體流量法測得孔徑

一般來講，過濾介質(zhì)的平均孔徑越大，其通透性就越好，在液固或氣固分離過程中更容易讓液體或氣體透過，但是過濾介質(zhì)的通透性還受其孔隙率的影響，孔隙率大的過濾介質(zhì)通透性能好，過濾介質(zhì)的孔隙率是評(píng)價(jià)其孔徑性能的一個(gè)比較直觀的指標(biāo)。

用氣體流量法不僅可以測得非織造過濾介質(zhì)的最大孔徑和平均孔徑，還可以測得過濾介質(zhì)的孔徑分布。圖2和圖3為其中幾個(gè)非織造過濾介質(zhì)試樣的孔徑分布圖。

圖2 非金屬材料非織造過濾介質(zhì)試樣孔徑分布圖

采用氣體流量法測定孔徑性能，對(duì)不同孔徑所占的比例如果劃分得越細(xì)、分布范圍越窄，則開孔均勻程度越好，但還是不能反映總的開孔率，卻可以用于度量過濾介質(zhì)開孔的均勻程度。由圖2～3可知，對(duì)于1#、2#、5#非織造過濾介質(zhì)試樣，孔徑分布比較寬，在各孔徑大小區(qū)間孔徑分布都不同、分布不集中，而對(duì)于6#、7#非織造過濾介質(zhì)試樣，孔徑分布比較集中，基本都在平均孔徑附近，可以認(rèn)為這種非織造過濾介質(zhì)開孔的均勻性比較好。

圖3 不銹鋼金屬材料非織造過濾介質(zhì)試樣孔徑分布圖

1.1.3 用氣體流量法測定非織造過濾介質(zhì)孔徑性能的討論

依據(jù)氣體流量法測定孔徑的原理，針對(duì)三維孔徑的非織造過濾介質(zhì)，認(rèn)為還有不足：1）非織造過濾介質(zhì)是具有三維結(jié)構(gòu)的深層過濾介質(zhì)，過濾機(jī)理應(yīng)是深層過濾機(jī)理為主；2）非織造過濾介質(zhì)的孔隙率或開孔率，實(shí)際上是空隙率，不一定都是通孔，因此有些標(biāo)準(zhǔn)中（如GB/T 5163—2006《燒結(jié)金屬材料可滲性燒結(jié)金屬材料》）給出的孔隙率或開孔率對(duì)過濾分離特性而言，參照意義有限；3）非織造過濾介質(zhì)是三維結(jié)構(gòu)，具有彎曲的通孔，還有好多盲孔，因此針對(duì)非織造過濾介質(zhì)，其孔徑的測定與用鼓泡法測定直通孔的孔徑，從原理上嚴(yán)格講不應(yīng)該完全一樣的；4）在直通孔和彎曲孔2種情況下的氣體與液體、過濾介質(zhì)界間面的接觸工況完全不同，因此用2.1.1節(jié)計(jì)算直通孔孔徑公式計(jì)算非織造過濾介質(zhì)的孔徑時(shí)，應(yīng)該考慮修正；5）對(duì)三維結(jié)構(gòu)的過濾介質(zhì)，由于不是直通孔，不僅要考慮細(xì)小流道的長度、直徑及變化和直徑與流道的比值，以及流道的曲折度等，也應(yīng)由實(shí)驗(yàn)加以修正。如目前顆粒狀過濾介質(zhì)有因顆粒大小等不一也是有修正，GB/T 5249—2013《可滲透性燒結(jié)金屬材料氣泡試驗(yàn)孔徑的測定》規(guī)定：根據(jù)顆粒均勻程度的差異給出了不同的修正系數(shù)對(duì)于均勻球形粉末制成的金屬多孔材料系數(shù)約為0.4，不規(guī)則粉末制成的金屬多孔材料系數(shù)約為0.2。對(duì)三維結(jié)構(gòu)的非織造過濾介質(zhì)關(guān)于孔徑的計(jì)算也可借鑒，應(yīng)在實(shí)測的基礎(chǔ)上，采用修正系數(shù)加以修正。

現(xiàn)有的氣體流量法測定的孔徑，對(duì)不同孔徑所占的比例如果劃分得越細(xì)、分布范圍越窄，則不同孔徑所占的百分?jǐn)?shù)越精確。

1.2 截留性能測試方法的實(shí)驗(yàn)研究

1.2.1 截留性能測試方法

過濾介質(zhì)的截留性能是衡量對(duì)固相顆粒大小攔截能力的一個(gè)指標(biāo)，它可以比較不同過濾介質(zhì)在過濾初始階段對(duì)固相的截留能力。過濾介質(zhì)孔徑雖然與截留性能有一定關(guān)系，但測試得到的都是當(dāng)量孔徑，無法通過孔徑直接推斷過濾介質(zhì)的截留性能，只能定性地判斷截留性能的好壞。

液固分離用非織造過濾介質(zhì)截留性能測定可采用與織造濾布截留性能測試相同的方法進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11093—2011《固液分離用織造濾布過濾性能測試方法》，采用加入少量標(biāo)準(zhǔn)粒子于潔凈水中，根據(jù)分離后上游、下游溶液中單位體積內(nèi)含相同粒徑的顆粒數(shù)判斷截留精度的高低。

氣固分離用非織造過濾介質(zhì)截留性能測試是通過在規(guī)定的風(fēng)量和壓降條件下，使具有一定濃度、規(guī)定粒徑范圍的氣溶膠通過過濾介質(zhì)試樣，測試過濾介質(zhì)上下游風(fēng)道系統(tǒng)中不同粒徑顆粒的數(shù)量，可計(jì)算過濾介質(zhì)對(duì)不同粒徑顆粒的截留效率。

非織造過濾介質(zhì)具有獨(dú)特的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此外，還會(huì)進(jìn)行不同的表面處理，如燒毛、熱定型、熱砑光、涂層、疏水處理等，使得非織造過濾介質(zhì)的性能非常好，可以截留比其孔徑小很多的顆粒。在非織造過濾介質(zhì)截留性能測試實(shí)驗(yàn)研究中，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇非常重要。

針對(duì)液固和氣固分離用過濾介質(zhì)截留性能測試而言，測試原理相同，但由于其應(yīng)用領(lǐng)域不同，需要采用不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者顆粒物進(jìn)行測試。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

1）液固分離用非織造過濾介質(zhì)截留性能測試。液固分離用非織造過濾介質(zhì)截留性能測試過程中，采用國家標(biāo)準(zhǔn)粒子，該標(biāo)準(zhǔn)粒子為窄分布顆粒，正確選擇標(biāo)準(zhǔn)粒子的大小可以盡快確定其截留性能。實(shí)驗(yàn)過程中需要特別注意的是，由于非織造過濾介質(zhì)的原材料多為纖維類物質(zhì)，加工方法的差異性導(dǎo)致其表面可能有一些纖維沉積，使用過程中可能會(huì)存在一定程度的纖維脫落現(xiàn)象，引起測試結(jié)果的偏差。因此在實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)非織造過濾介質(zhì)反復(fù)沖洗，確保過濾介質(zhì)試樣潔凈。

實(shí)驗(yàn)過程中采用超純水作為分散相，將一定量的標(biāo)準(zhǔn)粒子加入超純水中充分混合形成實(shí)驗(yàn)溶液，采用顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)算單位溶液中的顆粒數(shù)量，將溶液通過潔凈的待測過濾介質(zhì)試樣，測定單位濾液中顆粒的數(shù)量，采用如下公式計(jì)算過濾介質(zhì)試樣的截留率：

式中，c為非織造過濾介質(zhì)的截留率，%；n1為濾前單位體積實(shí)驗(yàn)溶液中的顆粒數(shù)；n1為濾后單位體積濾液中的顆粒數(shù)。

考慮到選擇標(biāo)準(zhǔn)粒子大小來標(biāo)定截留精度，目前中國尚無標(biāo)準(zhǔn)可依。因此本研究中針對(duì)已知過濾介質(zhì)孔徑，暫采用已有的不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)乳膠顆粒來分別標(biāo)定，以檢驗(yàn)其截留結(jié)果并進(jìn)行比較。

以下以1#過濾介質(zhì)為例：其最大孔徑為52.07μm，平均孔徑為16.84 μm，采用LJ150C顆粒計(jì)數(shù)器，用50 μm的標(biāo)準(zhǔn)乳膠顆粒標(biāo)定，其截留率為97.59%，截留率非常高。又分別采用32 μm和10 μm的標(biāo)準(zhǔn)乳膠顆粒標(biāo)定，得到的截留率分別為96.76%和42.53%，可以看出1#試樣對(duì)≥32 μm顆粒的截留效果很好，對(duì)小于10μm顆粒的截留效果就相對(duì)較差。

2）氣固分離用非織造過濾介質(zhì)截留性能測試。針對(duì)氣固分離用非織造過濾介質(zhì)，截留效率測試原理與計(jì)算方法和液固分離用過濾介質(zhì)相同，但采用的是氣溶膠發(fā)生器向過濾介質(zhì)上游釋放氣溶膠顆粒，通過風(fēng)道系統(tǒng)，較大顆粒的氣溶膠被截留，較小顆粒透過過濾介質(zhì)進(jìn)入風(fēng)道系統(tǒng)下游。在截留效率測定過程中，一方面需要選擇合適的氣溶膠，同時(shí)需要保證風(fēng)道系統(tǒng)中風(fēng)量適當(dāng)。安裝過濾介質(zhì)后，實(shí)驗(yàn)開始前，不開啟氣溶膠發(fā)生器，直接在風(fēng)道系統(tǒng)中送風(fēng)，對(duì)過濾介質(zhì)試樣進(jìn)行吹掃，確保其充分清潔。

本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)氣源為空氣，相對(duì)濕度為65%，測試溫度為29℃，裁取圓片試樣直徑為15 cm，濾料測試臺(tái)對(duì)3#、4#非織造過濾介質(zhì)試樣做截留性能測試，所用氣溶膠顆粒的最大粒徑為6.5 μm，最小粒徑為0.3 μm。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見圖4、5。由圖4、圖5可見，3#試樣的最大孔徑和平均孔徑分別為78.82 μm和 58.18 μm，對(duì) 2.0 μm 顆粒的截留率為 30.0%，對(duì)4.9 μm顆粒的截留率為86.9%；4#試樣的最大孔徑和平均孔徑分別為 71.35 μm和 47.41 μm，對(duì)2.0 μm顆粒的截留率為81.5%，對(duì)4.9 μm顆粒的截留率為96.2%，由此可見3#和4#非織造過濾介質(zhì)因其三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以截留比其孔徑小很多的顆粒。4#試樣的平均孔徑（47.41 μm）比3#試樣的（58.18 μm）略細(xì)，4#試樣對(duì) 2.7 μm 顆粒的截留率高達(dá)94.4%，而3#試樣對(duì)2.7 μm顆粒的截留率僅為41.1%，由此可見對(duì)于非織造過濾介質(zhì)，通過比較孔徑的大小可以定性判斷其截留性能的好壞。

圖4 3#試樣對(duì)不同粒徑顆粒的截留率

圖5 4#試樣對(duì)不同粒徑顆粒的截留率

與液固分離中過濾介質(zhì)的截留性能相比，氣固分離中非織造過濾介質(zhì)在孔徑相近情況下，可以截留更小的顆粒，這主要是因?yàn)榕c液固分離相比，氣固分離中非織造過濾介質(zhì)對(duì)顆粒的捕集時(shí)，擴(kuò)散、慣性、靜電作用更為顯著，使得在相近孔徑情況下氣固分離用非織造過濾介質(zhì)可以攔截更小的顆粒。

2 結(jié)論

非織造過濾介質(zhì)的選用和評(píng)價(jià)基于對(duì)其過濾性能的測試。目前，國內(nèi)外還未見非織造過濾介質(zhì)的過濾性能測試方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，本文分別對(duì)幾種液固、氣固分離用非織造過濾介質(zhì)做過濾性能的測試，得出結(jié)論：1）非織造過濾介質(zhì)因其獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)，屬于深層過濾介質(zhì)類型，采用氣體流量法做孔徑性能測試，并可得到過濾介質(zhì)的孔徑分布，它可以更全面地表征過濾介質(zhì)的孔徑性能，可以度量其開孔的均勻程度，為實(shí)際非織造過濾介質(zhì)的制造和選用提供指導(dǎo)。2）在截留性能測試過程中，對(duì)于液固分離用非織造過濾介質(zhì)，可采用國家標(biāo)準(zhǔn)粒子作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)液為超純水；對(duì)于氣固分離用非織造過濾介質(zhì)，可采用適宜的氣溶膠顆粒作為實(shí)驗(yàn)物質(zhì)。3）實(shí)測證明，非織造過濾介質(zhì)獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)可以截留比孔徑小很多的顆粒；此外，本文還對(duì)非織造過濾介質(zhì)的孔徑及截留性能之間的關(guān)系做了對(duì)比，結(jié)果表明，通過非織造過濾介質(zhì)的孔徑大小可以定性判斷其截留性能的好壞，但還不能定量得出截留性能的大小及關(guān)系。