空氣過濾用玻璃纖維濾材的油霧聚結(jié)性能及改性優(yōu)化

陳 鋒, 姬忠禮, 巴其鑫, 于文瀚, 王倩琳, 王德國

空氣過濾用玻璃纖維濾材的油霧聚結(jié)性能及改性優(yōu)化

陳 鋒1,2, 姬忠禮1,2, 巴其鑫1,2, 于文瀚1,2, 王倩琳3, 王德國1,2

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院, 北京 102249;2. 過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 102249;3. 北京化工大學機電工程學院, 北京 100029)

為了提高濾材對油霧液滴的過濾性能，采用油霧聚結(jié)過濾性能測試評價系統(tǒng)，對比不同精度等級的空氣過濾用濾材性能，建立濾材表面改性優(yōu)化方法。結(jié)果表明：液滴在濾材表面呈現(xiàn)過渡潤濕特征，且隨著濾材精度提高，壓降曲線增長率上升、液滴二次夾帶現(xiàn)象增強，但對亞微米液滴的綜合過濾性能呈現(xiàn)先增后減趨勢；液體表面張力增大后，在纖維表面鋪展性變差，通道分布均勻性降低，顯著提高濾材穩(wěn)態(tài)過濾效率；液體黏度減小后，濾材綜合過濾性能降低極為明顯；親油改性對濾材過濾性能影響較小，不同的疏油改性方法效果差異很大，經(jīng)浸漬涂層疏油改性后，穩(wěn)態(tài)壓降相比原濾材降低約40%，且效率明顯提升。

濾材；油霧；聚結(jié)；過濾；表面改性

1 前 言

在石油化工生產(chǎn)裝置、天然氣長輸管道等領(lǐng)域都會產(chǎn)生大量油霧，若無法高效脫除，則容易對設備、儀表等造成嚴重損害[1-2]。油霧脫除方法很多，如重力分離[3]、旋流分離[4]、折流分離[5]等，而對微納米油霧液滴，聚結(jié)過濾是目前最為有效的方法之一[1]。學者們在油霧聚結(jié)方面已開展廣泛研究，但焦點集中在操作條件影響、材料組合匹配和理論模型建立等方面[6-8]，且實驗材料大多選自液壓過濾或油水分離等領(lǐng)域常規(guī)親、疏油濾材，可選材料類型有限，造成有關(guān)材料結(jié)構(gòu)與性能間的相互關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)解析。

陳鋒等[9]研究了孔徑梯度分布對親油濾材聚結(jié)過濾性能的影響。Kampa等[10]提出了“跳躍-通道”壓降模型，即親油濾材的過程壓降變化曲線由通道階段和跳躍階段組成，而疏油濾材正好相反。Kolb等[11]基于該模型分析了油霧過濾器壓降對表觀濾速的依賴關(guān)系。Mullins等[12]對比了親、疏油濾材放置順序?qū)σ旱味螉A帶的影響，發(fā)現(xiàn)2種濾材夾帶機理不同，Wurster等[13]對夾帶液滴粒徑區(qū)間進行了觀測和量化。Penner等[14]研究了親、疏油濾材組合對聚結(jié)過濾性能的影響，發(fā)現(xiàn)上游放置大孔徑濾材可降低壓降。Mullins等[15-16]研究了液滴在親、疏油纖維表面的運動和受力情況。這些研究表明，濾材(纖維)潤濕性對聚結(jié)過濾性能具有重要影響，明確液體與濾材纖維間的相互作用十分必要。對此，Contal等[17]分析了液體物性對親油濾材壓降變化過程的影響；Chen等[18]研究了液體表面張力對濾材過濾性能的影響，發(fā)現(xiàn)親、疏油濾材液體通道形狀隨表面張力增大而呈現(xiàn)不同的變化特征。然而，上述研究僅從常規(guī)親、疏油濾材出發(fā)，關(guān)于過渡潤濕型濾材未見報道，從而無法深度挖掘液體與濾材纖維間的相互作用機制。

事實上，現(xiàn)有研究最終目的都是提升濾材過濾性能。其中，表面改性既是提升濾材性能的重要方法之一，也是揭示液體-纖維相互作用機制的有效手段。Wei等[19]利用涂層方法制備了超疏油濾材，與傳統(tǒng)濾材相比，壓降上升6%，但下游小液滴濃度降低85%。劉宇峰等[20]利用不同濃度氟硅氧烷丙烯酸酯溶液對聚結(jié)濾材進行疏油改性，發(fā)現(xiàn)表面能最大的濾材具有最高的品質(zhì)因子。然而，不同改性方法之間的差異以及聚結(jié)過濾性能提升機理仍不明確，導致實際聚結(jié)過濾器的設計研發(fā)缺乏理論指導和數(shù)據(jù)支撐。

綜上所述，研究以空氣過濾用玻纖濾材為對象，分析濾材結(jié)構(gòu)及表面潤濕性對油霧聚結(jié)過濾性能的影響，揭示液體與濾材纖維間的相互作用機制，在此基礎上利用不同方法對優(yōu)選出的纖維濾材進行表面改性，實現(xiàn)微納米油霧聚結(jié)過濾用濾材性能最優(yōu)化。研究結(jié)果對于完善油霧聚結(jié)過濾理論及開發(fā)新型高效聚結(jié)濾材具有重要意義。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

選用4種常見的空氣過濾用玻纖濾材，按精度等級由低到高分別為F8、F9、H12和U15，物性參數(shù)見表1。厚度由紙張測厚儀測得。每種濾材經(jīng)掃描電鏡(SU 8010，日本Hitachi)拍照后，隨機選取至少30根纖維，計算得到平均纖維直徑。平均孔徑和泡點孔徑由毛細管流動法孔徑分析儀(CFP-1200 AEF，美國PMI)測得。實驗采用單層和四層濾材，根據(jù)后綴數(shù)字區(qū)分濾材層數(shù)，如U15-4代表四層濾材U15。

表1 不同濾材的物性參數(shù)

表2 用于油霧發(fā)生的液體參數(shù)

為研究液體與纖維間的相互作用，選用標準測試液體癸二酸二辛酯(DEHS)和3種天然氣管道中常見液體雜質(zhì)作為被過濾介質(zhì)。液體物性參數(shù)見表2，黏度和表面張力分別由旋轉(zhuǎn)黏度計和表面張力儀測得。

2.2 實驗裝置及方法

2.2.1 濾材油霧聚結(jié)過濾性能測試

圖1為濾材油霧聚結(jié)過濾性能測試評價系統(tǒng)流程圖。壓縮空氣經(jīng)高效過濾器(HEPA Filter)凈化后進入氣溶膠發(fā)生器(9306A，美國TSI；ATM 240，德國TOPAS)，產(chǎn)生高濃度霧化液滴后與潔凈空氣在混合腔中均勻混合，然后沿水平方向通過垂直放置的圓盤型測試濾材，被過濾下來的液體進入排液瓶，剩余氣溶膠經(jīng)下游高效過濾器凈化后排出。整套系統(tǒng)由真空泵(U4.40，德國Becker)提供氣流動力，由質(zhì)量流量控制器(MCR 500 slpm，美國Alicat)保證實驗全程的氣體流量相對穩(wěn)定。利用差壓變送器(EJX-110A，日本Yokogawa)測量并記錄濾材兩端壓降的實時變化。利用掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS 3936，美國TSI)和空氣動力學粒徑譜儀(APS 3321，美國TSI)，分別測量濾材上下游氣流中亞微米(0.05～0.8 μm)和微米級(0.8～20 μm)液滴的濃度及粒徑分布。在所有濾材的實驗過程中，油霧濃度和表觀濾速均保持一致且不隨時間發(fā)生變化，分別控制在0.39～0.40 mL×m-3和0.12 m×s-1。

圖1 油霧聚結(jié)過濾性能測試評價系統(tǒng)流程圖

2.2.2 濾材改性處理

浸漬涂層親油改性：將濾材置于改性劑(ZXL-CQS，青島子西萊)中浸漬25 min，提拉出來后自然晾干2 h，烘箱中40 ℃干燥2 h。

浸漬涂層疏油改性：改性劑(YM-313，上海雨木化工)與蒸餾水按體積比1:100混合，磁力攪拌10 min，制得混合溶液；將濾材置于混合溶液中浸漬40 min，提拉出來后自然晾干2 h，烘箱中60 ℃干燥2 h。

低壓等離子體改性：濾材放入等離子體設備(CD400 Nanofics，比利時Europlasma)，分別以氧氣和液態(tài)單體(Nanofics 120，比利時Europlasma)為等離子體發(fā)生源，低壓處理15 min，得到親、疏油改性濾材。

2.3 濾材過濾性能評價

3 結(jié)果與討論

3.1 濾材表征結(jié)果及聚結(jié)過濾性能

3.1.1 濾材纖維形貌與表面潤濕性

圖2 不同濾材的掃描電鏡圖

圖3 DEHS液滴在不同濾材表面的接觸角變化圖

圖2為4種濾材的掃描電鏡圖，所有圖像放大倍數(shù)相同?？梢姡S著濾材精度等級提高，纖維變得更細、更致密，單根纖維彎曲度逐漸增大，與表1孔徑測試結(jié)果一致。在空氣過濾領(lǐng)域，濾材過濾性能受表面潤濕性影響很?。坏谟挽F聚結(jié)過濾領(lǐng)域，纖維表面潤濕性直接影響液滴沉降形態(tài)、運移速率和出氣側(cè)排液狀態(tài)。為此，圖3給出了DEHS液滴在不同濾材表面的接觸角隨時間變化情況，由光學接觸角測量儀測得。不同濾材的初始液滴接觸角均在100°±5°，呈疏油狀態(tài)(>90°)。所有液滴均在3～60 s內(nèi)完全浸入濾材。通常，親油濾材表面液滴會在2 s內(nèi)快速浸入且初始接觸角小于90°，疏油濾材表面液滴至少在12 h內(nèi)不會浸入且接觸角隨時間無明顯變化(保持大于90°)，因此表明所研究濾材具有介于親、疏油間的過渡潤濕性。

3.1.2 濾材聚結(jié)過濾性能分析

圖4為不同濾材的過程壓降和下游液滴濃度變化曲線圖。由圖4(a)可見，濾材精度越高，壓降越早達到穩(wěn)定，且壓降隨時間延長上升速率越大。各濾材在壓降上升階段的斜率基本不變，未呈現(xiàn)緩慢和急劇上升2個階段，即過渡潤濕型濾材的過程壓降變化特征與常規(guī)親、疏油濾材不同，其跳躍和通道階段并不明顯。該性質(zhì)能夠防止濾材進氣側(cè)與出氣側(cè)表面形成整片液膜，避免壓降急劇上升。由圖4(b)可見，除濾材F8-4外，其他濾材均在壓降拐點處出現(xiàn)下游液滴濃度突增。根據(jù)APS所測粒徑范圍，可知此時出現(xiàn)了明顯的微米級液滴二次夾帶現(xiàn)象[13]，且精度越高的濾材夾帶越嚴重?；趫D2結(jié)果，高精度濾材的纖維排布更密、流體運移通道更曲折，引起的氣流阻力更大，更容易將濾材出氣側(cè)表面向下排驅(qū)的液體吹散或發(fā)生起泡現(xiàn)象[12]而導致二次夾帶。濾材F8-4的下游液滴濃度在實驗全程均保持較高水平，與其材料孔徑大、無法有效攔截液滴有關(guān)。此外，根據(jù)圖4結(jié)果，當濾材壓降和下游液滴濃度均保持基本不變時，認為過濾達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時的壓降和過濾效率分別稱為穩(wěn)態(tài)壓降和穩(wěn)態(tài)過濾效率。

圖4 不同濾材的過程參數(shù)變化曲線

圖5為不同濾材的穩(wěn)態(tài)過濾效率。由圖5可以看出對于微米級液滴，濾材F9-4、H12-4和U15-4的過濾效率逐漸降低但差別不大，且明顯高于濾材F8-4，這與常規(guī)親、疏油濾材過濾效率隨孔徑增大而分別減小和增大的趨勢[21]不同。結(jié)合圖5(b)的分級效率對比結(jié)果，進一步說明過渡潤濕性在抑制較大孔徑濾材的液滴二次夾帶方面具有優(yōu)勢。此外，如圖5(a)所示，對于亞微米液滴，過濾效率隨濾材精度提高而先增大后減小，濾材H12-4效率最高，約為99.93%。根據(jù)圖3結(jié)果，濾材H12的液滴消失速率最快，即該濾材兼具雙重優(yōu)勢——疏油型濾材在液滴與纖維觸碰瞬間對小液滴的“彈跳-碰撞-捕集”作用[19]，以及親油型濾材將捕集到的液滴搭建成橋、進而增大有效攔截面積。上述結(jié)果表明，濾材的油霧聚結(jié)過濾效率與空氣過濾效率不同，前者最佳值受到孔隙結(jié)構(gòu)和表面潤濕性的共同影響。

圖5 不同濾材的穩(wěn)態(tài)過濾效率

圖6為不同濾材的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子?？梢?，由于4種濾材對微米級液滴的過濾效率均很高，因此品質(zhì)因子變化趨勢主要取決于壓降；隨著濾材精度提高，品質(zhì)因子下降比例與壓降上升比例近似呈線性關(guān)系。在高精度油霧聚結(jié)過濾場合，液滴粒徑以亞微米尺寸為主，此時高效濾材H12-4的品質(zhì)因子最高(0.42 kPa-1)，即相比其他濾材更優(yōu)。若從孔徑出發(fā)，則意味著適當孔徑的空氣過濾用濾材具有最佳的綜合過濾性能，而非最小或最大孔徑濾材。該結(jié)果與常規(guī)親、疏油濾材結(jié)果[21]一致，拓寬了上述結(jié)論的適用范圍。

圖6 不同濾材的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子

圖7 濾材H12-1對不同液體的過程壓降變化曲線

3.2 液體與濾材纖維間相互作用

3.2.1 液體物性對濾材過濾性能的影響

以綜合性能最佳的濾材H12為對象，分析液體物性對濾材過濾性能的影響。隨著濾材層數(shù)增加，其對不同液體的過濾性能差異明顯減小，給液體-纖維相互作用分析造成困難。為此，圖7給出了單層濾材H12-1在過濾不同液體時的過程壓降變化曲線。結(jié)合表2可知，濾材穩(wěn)態(tài)壓降隨液體表面張力增大而上升，這是因為表面張力增大后，液體在纖維表面潤濕性變差，不易往下游運移，造成更高的氣流阻礙作用。潤滑油和DEHS表面張力接近，但后者穩(wěn)態(tài)壓降明顯更高，說明液體黏度對濾材過濾性能具有重要影響。當黏度減小時，液體更易霧化形成小液滴，覆蓋整個濾材橫截面，且由于液體與纖維間的黏性作用減弱，導致整個氣流通道區(qū)域均受到液體阻力影響，穩(wěn)態(tài)壓降增大。此外，液體表面張力越大，濾材壓降越快達到相對穩(wěn)定，但二甲基硅油例外，對應的濾材壓降達到相對穩(wěn)定所需時間最短，與潤濕性變化有關(guān)。二甲基硅油液滴在1 s內(nèi)浸入濾材H12內(nèi)部，呈親油特征，因此纖維表面液體量達到平衡所需的時間明顯縮短。

圖8為濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)過濾效率。對于微米級液滴，效率均達到99.9% 以上，其中DEHS比其他液體略低，由其黏度較低所致。液滴被纖維捕集后，在氣流作用下運移至出氣側(cè)，同時在重力作用下向下排液而產(chǎn)生液橋或液膜，一定條件下由于氣流作用而發(fā)生破碎，產(chǎn)生二次夾帶。由于低黏度液體對破碎的阻礙作用較小[22]，因此DEHS效率較低。濾材對亞微米級DEHS液滴的過濾效率也明顯低于其他液體，說明液體黏度是影響過渡潤濕型濾材效率的關(guān)鍵因素之一。然而，濾材對亞微米級二甲基硅油液滴具有較高的過濾效率，由潤濕類型發(fā)生變化導致?；谝陨蠑?shù)據(jù)，圖9給出了濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子?？傮w而言，濾材對三甘醇具有最佳綜合過濾性能，而對DEHS的綜合過濾性能最差。

圖8 濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)過濾效率

圖9 濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子

3.2.2 濾材表面液體分布

圖10為不同液體在濾材H12-1表面的穩(wěn)態(tài)分布情況，由高分辨率相機拍照獲得，灰色和黑色區(qū)域分別代表被潤濕和未被潤濕區(qū)域。由圖10(a)可見，二甲基硅油形成的液體通道沿水平方向已相互連通，沿垂直方向分布均勻，通道顏色相比其他液體明顯更深，具備典型的親油特征。對比圖10(b)和(c)可發(fā)現(xiàn)，當液體黏度減小時，通道數(shù)目增加，單個通道平均尺寸減小，通道沿橫截面分布的均勻性增加。對比圖10(b)和(d)可發(fā)現(xiàn)，當液體表面張力增大時，通道更加清晰、彼此間架橋減少，但通道沿橫截面分布的均勻性降低，即液體沿纖維表面鋪展性變差。

圖10 濾材H12-1表面的穩(wěn)態(tài)液體分布

圖11為濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)含液體積。由于DEHS黏度最低，液體沿濾材橫截面發(fā)生擴散以及在出氣側(cè)表面向下流動排出的阻力最小，因此濾材含液體積最小。當纖維對液體的潤濕類型未轉(zhuǎn)變時，濾材含液體積隨液體表面張力增大而減小，與親、疏油濾材結(jié)果一致[18]。然而，當纖維對液體的潤濕類型由過渡型向親油型轉(zhuǎn)變時，濾材持液量顯著下降，表明達到穩(wěn)態(tài)所需的液體量較少，與圖7結(jié)果一致，這也是圖8中濾材對亞微米級二甲基硅油液滴過濾效率出現(xiàn)意外上升的主要原因。

圖11 濾材H12-1對不同液體的穩(wěn)態(tài)含液體積

3.3 基于表面改性的濾材過濾性能優(yōu)化

3.3.1 改性前后濾材參數(shù)

根據(jù)前述分析，濾材H12的綜合過濾性能相對最優(yōu)，在過濾不同液體時對DEHS性能最差。因此，為實現(xiàn)濾材性能最優(yōu)化，以濾材H12-1和DEHS為對象，采用低壓等離子體(干法)和浸漬涂層(濕法)表面改性方法對濾材進行處理。具體改性方法和材料物性見表3。

表3 濾材H12-1改性前后的物性參數(shù)

圖12為不同改性濾材的孔徑分布圖?？梢?，濾材經(jīng)低壓等離子體法改性后，孔徑分布比例基本不變，但經(jīng)浸漬涂層法改性后，孔徑分布變得更加集中，60% 以上孔徑處于3～3.5 μm。然而，所有改性處理對濾材的平均孔徑幾乎無影響，保持在(3.20±0.15) μm。

圖12 不同改性濾材的孔徑分布

3.3.2 改性方法對濾材過濾性能的影響

圖13(a)為不同改性濾材的過程壓降變化曲線圖?？梢?，濾材經(jīng)改性處理后，壓降達到穩(wěn)定所需時間明顯縮短，其中疏油改性濾材所需時間最短，約為40 min。對于穩(wěn)態(tài)壓降，濾材經(jīng)親油改性后基本不變，但經(jīng)疏油改性后變化趨勢不一。濾材H12-1-S2的穩(wěn)態(tài)壓降僅為濾材H12-1-S1的一半，比H12-1降低約40% (4 kPa)。為驗證該結(jié)果，對4層濾材進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)濾材H12-4、H12-4-S1和H12-4-S2的穩(wěn)態(tài)壓降分別為17.1、16.2和10.6 kPa，表明浸漬涂層疏油改性可顯著降低過渡潤濕型濾材的穩(wěn)態(tài)壓降。為分析其原因，圖13(b)和(c)給出了2種疏油改性濾材的表面液體分布圖，在相同實驗條件和對比度下拍攝得到?？梢?，即使均為疏油處理，但由于方法不同，形成的通道形狀與平均單通道面積完全不同。與濾材H12-1-S1相比，濾材H12-1-S2的液體通道輪廓更加清晰且相對固定，有利于將液體從進氣側(cè)順暢地運移至出氣側(cè)，而非通道區(qū)域大多仍處于干燥狀態(tài)，有利于氣體保持接近初始時刻的低阻流動模式，因此穩(wěn)態(tài)壓降明顯更低。

圖13 不同改性濾材的過程壓降變化曲線及疏油改性濾材穩(wěn)態(tài)液體分布圖

圖14為不同改性濾材的穩(wěn)態(tài)過濾效率。濾材經(jīng)疏油改性后過濾效率均上升，經(jīng)親油改性后基本下降，僅濾材H12-1-Q1對微米級液滴的過濾效率出現(xiàn)增大，但仍明顯低于疏油改性濾材。2種疏油改性方法在提升濾材的油霧聚結(jié)過濾效率方面各有優(yōu)勢。濾材經(jīng)低壓等離子體疏油改性后，對亞微米液滴的過濾效率大幅提高，主要是因為亞微米液滴大多以擴散、彈跳等被纖維捕集，該方法改性后的濾材纖維表面能較低，為亞微米液滴捕集提供了有利條件。濾材經(jīng)浸漬涂層疏油改性后，對微米級液滴的過濾效率大幅提高，主要是因為微米級液滴大多采用慣性碰撞的捕集方式，相對固定的液體通道區(qū)域(圖13(c))液滴流速增加，提高了碰撞幾率。然而，如圖15所示，浸漬涂層疏油改性濾材對亞微米和微米級液滴均具有最佳的綜合過濾性能，可實現(xiàn)過渡潤濕型濾材的油霧聚結(jié)過濾性能優(yōu)化。

圖14 不同改性濾材的穩(wěn)態(tài)過濾效率

圖15 不同改性濾材的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子

圖16 不同改性濾材的穩(wěn)態(tài)飽和度

圖16為不同改性濾材的穩(wěn)態(tài)飽和度?？梢姡^渡潤濕型濾材的飽和度最大，親油改性可適當降低濾材飽和度，但疏油改性后濾材飽和度均大幅降低。濾材H12-1-S1的飽和度最低，約為0.24，這是因為該濾材對液滴的接觸角較大，即潤濕性較差。結(jié)合圖13的壓降結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)壓降與飽和度的變化趨勢不一定呈正相關(guān)，換言之，穩(wěn)態(tài)壓降能否下降更多取決于液體在濾材內(nèi)部及表面的分布狀態(tài)。此外，對于親油改性濾材，其達到飽和所需時間隨著油霧濃度和表觀濾速升高而縮短，與文獻[7, 11]結(jié)果一致。對于疏油改性濾材，其達到飽和所需時間比親油改性濾材短，且同樣隨著油霧濃度和表觀濾速升高而縮短，這是因為油霧濃度的增加有助于濾材在相同時間內(nèi)捕獲更多液滴，而表觀濾速的增加有助于提高氣流曳力、加快液體運移以及降低濾材達到飽和所需的持液量。

4 結(jié) 論

研究以空氣過濾用玻纖濾材為對象，分析了濾材結(jié)構(gòu)及表面潤濕性對油霧聚結(jié)性能的影響，明確了液體與濾材纖維間相互作用，在此基礎上提出了基于表面改性的濾材過濾性能優(yōu)化方法，得出結(jié)論如下：

(1) 過渡潤濕型濾材的過程壓降變化特征與常規(guī)親、疏油濾材不同，其跳躍和通道階段并不明顯，且聚結(jié)過濾效率隨濾材精度提高而先增大后減小，效率最佳值受到濾材孔隙結(jié)構(gòu)和表面潤濕性共同影響。

(2) 液體表面張力上升和黏度下降均會引起濾材穩(wěn)態(tài)壓降增加，前者可提高過濾效率而后者可導致效率驟減。通過液體分布觀測，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象主要由纖維表面液體潤濕性和通道分布均勻性變化造成。

(3) 表面改性不會引起濾材物性的顯著變化，濾材由過渡潤濕型向親油型轉(zhuǎn)變時效率不升反降，而向疏油型轉(zhuǎn)變時，改性方法起關(guān)鍵作用；浸漬涂層疏油改性可使濾材穩(wěn)態(tài)壓降降低約40%，而且對于不同粒徑范圍液滴，均具有最佳的綜合過濾性能。研究結(jié)果對油霧聚結(jié)過濾理論的完善和新型高效聚結(jié)濾材的開發(fā)具有重要的指導意義。

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Oil-mist coalescence performance and optimization of filters for air filtration

CHEN Feng1,2, JI Zhong-li1,2, BA Qi-xin1,2, YU Wen-han1,2, WANG Qian-lin3, WANG De-guo1,2

(1. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2. Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation, Beijing 102249, China;3College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029, China)

In order to improve the filtration performance of filters for oil-mist droplets, an oil-mist coalescence filtration performance test and evaluation system was used to compare filter performance for air filtration under different accuracy grades, and a surface modification method for filter optimization was established. The results show that droplets present transitional wettability on filter surface. With the improvement of filter accuracy grade, the growth rate of the pressure drop curve increases and drop re-entrainment enhances, but the overall filtration performance for submicron droplets increases first and then decreases. With the increase of liquid surface tension, both the spreading ability of liquid on the fiber surface and the uniformity of channel distribution decrease, and the steady-state filtration efficiency of the filter improves significantly. The overall filtration performance of the filter decreases obviously with the decrease of liquid viscosity. The oleophilic modification has little effect on the filter performance, but the effects of various oleophobic modification methods are different. After oleophobic surface modification by dip coating, the steady-state pressure drop is reduced by about 40% compared with the original filter, and the efficiency is greatly improved.

filter; oil-mist; coalescence; filtration; surface modification

TQ 028.2

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.01.013

1003-9015(2022)01-0101-09

2021-06-13；

2021-08-11。

國家自然科學基金(22008259)；中國博士后科學基金(2019M660930)；中國石油大學(北京)科研基金(2462019YJRC010，2462020YXZZ043)。

陳鋒(1991-)，男，浙江江山人，中國石油大學(北京)講師，博士。

陳鋒，E-mail：chenfeng@cup.edu.cn

陳鋒, 姬忠禮, 巴其鑫, 于文瀚, 王倩琳, 王德國. 空氣過濾用玻璃纖維濾材的油霧聚結(jié)性能及改性優(yōu)化[J]. 高校化學工程學報, 2022, 36(1): 101-109.

：CHEN Feng, JI Zhong-li, BA Qi-xin, YU Wen-han, WANG Qian-lin, WANG De-guo. Oil-mist coalescence performance and optimization of filters for air filtration [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(1): 101-109.