空氣過濾器技術之談

　　◆空氣過濾器技術之談◆

　　--------------氣濾技術評述(上)

　　1.概述

　　空氣過濾即氣濾，是指將空氣中的污染粒子接近完全地去除。它比空氣凈化又進一步，空氣凈化適 用于許多工業(yè)過程中對污染空氣的處理要求不太嚴格的場合[1]。空氣過濾技術是近百年來隨著科學技術和現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的一門綜合技術，它是指 應用空氣凈化設備控制粉塵微粒的污染或通過空氣循環(huán)過濾將空氣的懸浮顆粒物捕集，以保護環(huán)境及人類的身體健康，它在空調、通風除塵及其它領域得到了廣泛應 用。

　　近年來，空氣過濾技術在濾料的研制及開發(fā)、過濾機理的研究及過濾設備的開發(fā)與應用方面取得了較大的發(fā)展。本文主要介紹了近幾年來國內外空氣過濾技術的發(fā)展狀況及取得的成果，提出了空氣過濾技術的研究及發(fā)展有待解決的問題。

　　2.濾料及過濾器的研究與發(fā)展

　　2.1我國濾料及過濾器的發(fā)展應用

　　濾料是可將分散于彌散的流體中的固體顆料分離出來的多孔材料，彌散的流體可以是氣體或液體。濾料的種類有纖維濾料、微孔濾膜及覆膜濾料。濾料決 定著過濾過程的效果和效益，它的發(fā)展決定著空氣過濾技術的發(fā)展。它廣泛地應用于室內、外空氣質量品質的控制。此外，在空調的新風過濾、循環(huán)空氣的處理及利 用方面以及環(huán)境保護、機械、電力、煤炭、陶瓷、化工、醫(yī)藥、輕工、化肥、農藥、糧食加工、港口運輸、交通筑路等各行各業(yè)都需廣泛使用過濾技術和合纖濾料。

　　我國濾料生產發(fā)展迅速。20世紀50年代初，我國還沒有濾料生產廠，市場上也沒有專用的濾料產品;60年代逐步將化纖紡織品作為過濾介質，應用 到工業(yè)各個領域中，滿足不同行業(yè)的需要，作各種不同用途的過濾材料制成的化纖過濾布具有耐酸、耐堿、高強力、纖維光潔等特性;70年代未，國產濾料208 滌綸絨布的誕生為過濾技術推廣應用提供了第一1批濾料;80年代又仿照日本產品開發(fā)了729聚酯機織濾料，并專為過濾除塵的需要研制出針刺氈濾料，提高了 袋式除塵器的濾塵效率;90年代中期，我國科技人員開發(fā)成功覆膜濾料，即采用特殊工藝，將聚四氟乙烯微孔薄膜復合在機織布、非織造布濾料或玻璃纖維濾料 上，該濾料過濾時形成一次粉塵層，實現(xiàn)了表面過濾，為高效低阻和節(jié)能提供了優(yōu)質過濾材料[2，3]。

　　目前濾料的發(fā)展趨勢是：(1)由二維結構的機織過濾布向三維結構的非織造過濾布發(fā)展，由短纖纖化機織過濾布向長絲過濾布發(fā)展，由復絲加捻過濾布向單絲過濾布發(fā)展;(2)由常規(guī)化纖過濾布向高性能、多功能、高質量的過濾布發(fā)展，由合纖濾料向覆膜濾料發(fā)展[4]。

　　目前，我國多數(shù)合纖濾料生產企業(yè)后整理和復合設備還不夠完善，產品的品種和性能開發(fā)受到一定限制，一些特殊用途的濾料不得不依靠進口。今后應對現(xiàn)有濾料進行后整理，并應用復合工藝技術，研制開發(fā)新型濾料，提高國產濾料的性能，形成針對性和適用性強的產品。

　　空氣過濾技術是通過將濾料制成不同形式的過濾器實現(xiàn)空氣過濾。為增加過濾器有效面積、優(yōu)化過濾性能，空氣過濾器的結構形式已由原單一的單板形發(fā) 展到褶狀板形或筒形、長圓柱形、堆疊圓盤形及矩陣形[5]。國產高效過濾器*早誕生于1964年。20世紀80年代初，國外過濾器開始進入我國，它促進了 國產過濾器的發(fā)展。近年來，國內已開始研究國產駐極體靜電空氣過濾器[6]。所謂駐極體是指能長期儲存電荷的電解質材料，即采用一些方法使纖維長期具有電 荷，利用靜電捕集機理提高過濾器捕集效率。目前，國產過濾器的生產存在生產標準和檢測標準不統(tǒng)一、效率測試方法不嚴格、產品規(guī)格花樣繁多及尺寸不統(tǒng)一等問 題;同時，在微電子及精密機械行業(yè)，高效過濾器的凈化效果已無法滿足要求[7]，國產亞高效、超高效過濾器有待開發(fā)。這些問題需采用規(guī)范管理及增加研究投 入的辦法來進一步地加以完善解決。目前空氣過濾器常應用于住宅、辦公、商業(yè)及工業(yè)建筑的潔凈室、HVAC系統(tǒng)、激光外科手術室、空調器等場合。

　　2.2國外濾料及過濾器發(fā)展狀況

　　國外過濾材料開發(fā)的新動向為：向非織造布過濾材料、復合膜技術的過濾材料發(fā)展，向采用高技術、高性能的玻璃纖維、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等材料開發(fā)多功能的過濾材料發(fā)展[4]。

　　國外對過濾材料的研究生產應用，已形成一個較完整的系統(tǒng)。每個濾布材料性能，如通氣性能、強度、截留粒子能力等，都有一套完整的測試和試驗手 段。采用新材料開發(fā)的濾布不斷增加。為了減少清灰阻力，國外已從織布類濾料開始向纖維柵類濾料過渡。纖維柵類濾料是將長纖維上下縱向布置形成一根根的柵黎明液壓濾芯欄，當一層柵欄過濾效果不理想時，再加另一層柵欄，直至達到理想的過濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過濾性能、降低成本、延長使用壽命，將細直徑的玻璃纖 維與耐高溫的合成纖維優(yōu)勢互補，制成復合針刺氈濾料。

　　近年來，隨著高科技的介入、紡織新材料的發(fā)展，國外過濾技術已向醫(yī)療、新材料提取等高新技術領域發(fā)展。

　　在空氣過濾器發(fā)展方面，近年來，駐極體靜電空氣過濾器為國外應用較多的高性能空氣過濾器。一些發(fā)達國家如美、日等國，前幾年已開發(fā)生產出采用 64MD級別以上半導體元件、空氣過濾效率達99.999999%(0.12～0.17μm)以上的超高效空氣過濾器。國內企業(yè)在這方面與國外有很大差 距。

　　---------------空氣過濾器技術評述(下)

　　3.空氣過濾理論的研究與發(fā)展

　　空氣過濾技術的發(fā)展離不開空氣過濾理論的研究與發(fā)展。過濾理論特別是空氣過濾理論的研究早在19世紀已經開始，而空氣過濾器的研制與發(fā)展只有20多年的歷史，過濾理論由早期的經典過濾理論發(fā)展到現(xiàn)代過濾理論及微孔過濾理論。

　　對微細顆粒運動規(guī)律的*早認識是在19世紀初期，當時植物學家Brown觀察了微細顆粒懸浮在液體中的運動(即布朗運動);1922 年，F(xiàn)reundlich發(fā)展了對氣溶膠過濾規(guī)律的認識，提出在0.1～0.2μm半徑范圍內氣溶膠顆粒存在*大滲透率;1931年，Albrecht率 先對氣流通過單一圓柱纖維運動進行了研究，建立了Albrecht理論，隨后Sell對其進行了必要的改進[8]。

　　1936年，Kaufmann首先把布朗運動和慣性沉淀的概念一同應用到纖維過濾理論中，推導出過濾作用的數(shù)學公式;1942年，Langmuir[9]繼續(xù)對過濾理論進行研究，認為過濾是截留和擴散的集合及慣性粒子在過濾纖維上的沉淀是可以忽略的。

　　1952年，Davies[10]把擴散、截留和慣性3種機制結合起來并用公式表示出來，從而建立了新的過濾理論——孤立纖維理論;1958年 Friedlander[11]及1967年Yoshioka[12]發(fā)展了獨立纖維理論，他們對較大雷諾數(shù)情況下顆粒的慣性、擴散沉積及重力效應和過濾 器阻塞現(xiàn)象進行了研究和總結;1967年，Pickaar和Clarenburg試圖提出一個纖維過濾器微孔結構的數(shù)學理論;1987年Pich及 1993年Brown在其專著中描述了過濾理論的*新發(fā)展。

　　早期的經典過濾理論主要以單一纖維模型為基礎，認為過濾效率由3種機制決定：慣性效應、截留效應、擴散效應。整個顆粒的捕集依靠多種捕集機理的聯(lián)合作用。

　　現(xiàn)代過濾理論證明了慣性沉淀的正確性和*大穿透力粒子的存在，認為過濾效率是截留效應、布朗擴散效應、重力效應、沉淀效應與壓力效應的集合;過 濾過程中可能存在的機理有攔截、慣性碰撞、擴散、靜電效應、庫侖吸引一排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?，F(xiàn)代過濾理論中具有代表性的是Davies的 過濾理論與Kuwarbara的流場分布。

　　1992年，Payet、Gougeon和Attoui[14]考慮了氣體在單一纖維上的滑動，對經典理論引入修正系數(shù)，使得理論與實驗數(shù)據(jù)更 好地吻合。1995年，Rosnert[12]提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規(guī)則的分布和常常形成樹枝狀結構為特征，建立了*進改善的理論和顆粒在 單一纖維體上的空間分布。利用此理論和計算程序可預測顆粒的沉積。

　　2001年，Thomas等[14]對過濾器在產生阻塞的情況下進行了空氣過濾的理論與實驗研究，提出了過濾器在濾餅存在的情況下，過濾效率及 壓力損失的計算模型。近幾年來，國外許多學者對空氣過濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機理進行了理論實驗及模擬研究，取得了一定的成果。

　　4.結語

　　過濾理論的研究目前尚不完善，國內有關過濾機理的研究文獻很少。不同結構過濾器的捕集效率和壓力損失的理論計算，空氣及多分散顆粒分布參數(shù)對捕 集效率及壓力損失的影響，過濾器的負荷特性對捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結構特性對捕集效率及壓力損失的影響等問題，都有待研究解決。因此，過濾理 論的進一步研究對空氣過濾技術的發(fā)展具有重大意義和實用價值。

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