為了探究聚丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維3種纖維對(duì)纖維束過濾器除塵性能的影響，以路面揚(yáng)塵為研究對(duì)象，在入口顆粒物濃度0.58 g · m-3、風(fēng)速1.0 m · s-1、流量63.62 m3 · h-1、纖維填充率0.67%的條件下，研究不同過濾單元材質(zhì)(聚丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維)除塵效率和壓降的變化情況。結(jié)果表明，3種材質(zhì)中聚丙烯腈纖維束除塵性能最好，除塵效率為70%~80%，其除塵效率比聚丙烯纖維束整體高20%。通過過濾介質(zhì)表面電荷密度測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，3種纖維表面都存在電荷，且聚丙烯腈纖維電荷密度>玻璃纖維電荷密度>聚丙烯纖維電荷密度。通過SEM檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，粉塵顆粒以靜電吸附和纖維間填充2種方式賦存于過濾器內(nèi)部，這表明纖維束過濾器除塵機(jī)理為靜電作用和機(jī)械攔截作用的聯(lián)合。

可吸入顆粒物通常是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10 μm以下的顆粒物，由于其粒徑小、比表面積大、細(xì)菌和病毒等有害物質(zhì)易附著其表面，故隨呼吸進(jìn)入人體后會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生極大危害[1-3]。研

究表明，可吸入顆粒物會(huì)導(dǎo)致心臟類疾病和呼吸類疾病的頻發(fā)[4-6]。傳統(tǒng)過濾網(wǎng)式技術(shù)是將材料編成網(wǎng)或袋，利用機(jī)械攔截作用實(shí)現(xiàn)顆粒物的分離，是人們普遍使用的一種除塵技術(shù)。侯力強(qiáng)等[7]測(cè)試了5 μm

金屬纖維氈的除塵性能，結(jié)果表明，在顆粒物濃度5 g · m-³、過濾風(fēng)速5 m · min-1、纖維氈厚度0.5 mm時(shí)，對(duì)粒徑大于5 μm顆粒物的去除率可達(dá)100%；粒徑1~5 μm顆粒物去除率可達(dá)85%；粒徑0.3 μm顆粒物的去除率為58%。水甜甜等[8]對(duì)高效濾網(wǎng)過濾器和駐極體過濾器過濾性能進(jìn)行了對(duì)比研究，當(dāng)2種過濾器具有相同除塵效率時(shí)，駐極體過濾器空氣處理量比高效濾網(wǎng)大15.27%。傳統(tǒng)過濾網(wǎng)式過濾器雖被普遍使用，但其壓力損失大、能耗高，高流阻限制了其應(yīng)用。靜電除塵技術(shù)是利用外加電場實(shí)現(xiàn)氣體中顆粒物高效分離的技術(shù)。DEY等[9]研究了過濾器對(duì)不同粒徑蔗糖和硬脂酸納米顆粒的除塵性能，研究結(jié)果表明，過濾器對(duì)粒徑范圍20~80 nm之間顆粒物除塵效率為40%~70%；粒徑80~600 nm之間顆粒物除塵效率為40%~90%。LEE等[10]研究了外加電場對(duì)過濾器道路粉塵和香草煙霧除塵性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)外加電場為4.7 kV · cm-1、過濾風(fēng)速為2.5 m · s-1時(shí)，過濾器對(duì)顆粒粒徑為1.96 μm路面揚(yáng)塵的除塵效率為93%，相同條件下，傳統(tǒng)過濾器的除塵效率僅為70%。此外，在過濾風(fēng)速2.5 m · s-1、過濾器運(yùn)行30 min 后，過濾器對(duì)香煙顆粒物的除塵效率為96%。KIM等[11-12]研究了KCl氣溶膠顆粒(100 nm~0.1 μm)電暈放電預(yù)處理對(duì)過濾器除塵性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)荷電電壓可以有效提高過濾器除塵性能，對(duì)亞微米級(jí)可吸入顆粒物除塵效率可達(dá)到99.7%。靜電除塵技術(shù)具有效率高、處理量大等優(yōu)勢(shì)，但是靜電技術(shù)對(duì)電壓和工作環(huán)境要求極高，其使用有很大的安全隱患。

駐極體除塵技術(shù)是將駐極體材料(材料本身可長久攜帶電荷的材料)用于過濾器單元，通過提高靜電作用以提高除塵效率的除塵技術(shù)[13]。周劉軻等[14]研究了在風(fēng)機(jī)回風(fēng)口加裝駐極體過濾器后對(duì)香煙燃燒后產(chǎn)生的PM2.5顆粒物過濾性能的影響，結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)盤管回風(fēng)口加裝過濾器后處理風(fēng)量相較于未加裝時(shí)的處理風(fēng)量有所衰減，但加裝過濾器后對(duì)PM2.5的瞬時(shí)凈化效率可達(dá)68%以上；而未加裝過濾器風(fēng)機(jī)盤管對(duì)M2.5的瞬時(shí)除塵效率只有2%左右。黃翔等[15]將聚丙烯駐極體過濾器應(yīng)用到醫(yī)院空調(diào)，其中過濾器對(duì)空氣中粒徑小于0.5 μm顆粒物的除塵效率為97.7%，粒徑小于5 μm顆粒物的除塵效率為100%，凈化后的空氣品質(zhì)符合醫(yī)院規(guī)定要求。駐極體過濾器能在不犧牲壓降的基礎(chǔ)上很大程度地提高除塵效率，但其使用壽命受材料電性能影響，電荷衰減是其致命缺陷。

纖維束過濾器結(jié)構(gòu)簡單、壓降低、容塵量大，在可吸入顆粒物的凈化研究方面也開始受到重視。LI等[16]探究了常規(guī)纖維過濾器、駐極體過濾器和駐極體纖維束過濾器在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中的除塵性能，發(fā)現(xiàn)常規(guī)纖維過濾器的滲透率在3%~64%之間變化，駐極體過濾器的滲透率為35%~85%；而駐極體纖維束過濾器滲透率僅為1%~27%，駐極體纖維束過濾器的除塵性能要優(yōu)于其他2種過濾器。PARK等[17]提出將預(yù)過濾器與駐極體過濾器(EF)、駐極體束過濾器(EBF)或駐極體褶皺過濾器(EPF)組合在一起，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，過濾器組合對(duì)空氣中PM10的效率為85%，對(duì)空氣中PM2.5的過濾效率為55%。NOH[18-19]將聚丙烯纖維束安置在地鐵通風(fēng)系統(tǒng)之中進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，發(fā)現(xiàn)過濾風(fēng)速為0.5 m · s-1時(shí)，過濾器對(duì)粒徑100~800 nm氣溶膠的去除效率為50%~70%；過濾風(fēng)速為1.0 m · s-1時(shí)，0.4 μm和0.6 μm氣溶膠的去除效率分別為52%和65%。EFIMOV等[20]利用聚丙烯纖維束對(duì)蚊香燃燒產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)行去除實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顆粒物施加10 kV電壓后除塵效率明顯提高，對(duì)粒徑為50~600 nm顆粒物的去除率可達(dá)90%。纖維束過濾器因其獨(dú)特的纖維排列及松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其具有容塵量大、壓降小的特點(diǎn)，以上特點(diǎn)使其實(shí)際應(yīng)用具有極大優(yōu)勢(shì)和前景。聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚丙烯腈纖維是3種比較常見的纖維材料常被用作各種濾料，本研究考察這3種纖維對(duì)纖維束過濾器除塵性能的影響，并通過表面電荷密度測(cè)定和SEM檢測(cè)等方法對(duì)纖維束過濾器除塵機(jī)理進(jìn)行了研究，為纖維束過濾器的推廣應(yīng)用提供理論支持。

結(jié)果與討論

2.1 纖維束種類對(duì)過濾器除塵效率和積塵量的影響

以路面揚(yáng)塵為研究對(duì)象，探究了聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維對(duì)過濾器除塵性能的影響。在入口顆粒物濃度為0.58 g · m-3、過濾風(fēng)速為1.0 m · s-1、流量為63.62 m3 · h-1、纖維填充率(纖維束截面積與管道截面積之比)為0.67%、纖維長度為12 cm的條件下，過濾器除塵效率與積塵量隨時(shí)間變化情況見圖3。如圖3所示，不同種類纖維束過濾器除塵效率皆隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐漸降低，但過濾器之間除塵效率相差很大；聚丙烯腈纖維除塵效率最高，為70%~80%；玻璃纖維除塵效率次之，為60%~70%；聚丙烯纖維除塵效率最低，為45%~60%。而從圖3(b)積塵量曲線可以看到其變化趨勢(shì)與除塵效率相反，隨時(shí)間增加，各過濾器積塵量均有增加的趨勢(shì)，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，聚丙烯腈纖維積塵量>玻璃纖維積塵量>聚丙烯纖維積塵量。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，氣流中粉塵顆粒不斷被過濾器攔截，過濾器積塵量不斷增加，積塵量的增加使過濾器容塵空間越來越小，因而過濾效率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2 纖維束種類對(duì)過濾器壓降的影響

過濾器過濾單元上、下游之間壓力的差值能夠反映除塵設(shè)備的能量消耗，壓降越大，能耗越高。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)纖維束過濾單元上、下游之間的壓降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。壓降小是纖維束過濾器優(yōu)勢(shì)之一，為此，在與纖維束過濾器同一條件下，對(duì)直徑為150 mm、厚度為12 cm的常規(guī)過濾單元的壓降進(jìn)行了測(cè)試，2類過濾器對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖4所示。如圖4所示，3種纖維束過濾器壓降相比常規(guī)過濾器較小，且隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，二者之差越來越大；從圖4中還可知，3種纖維束過濾器過濾單元上、下游之間壓差變化很小，聚丙烯腈纖維壓降從20 Pa增至24 Pa，玻璃纖維從19 Pa增至22 Pa，聚丙烯纖維從19 Pa增至21 Pa。纖維束過濾器獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)與內(nèi)部發(fā)達(dá)的空氣通道使其在實(shí)驗(yàn)過程中能夠保持壓降的穩(wěn)定性，這使得過濾器在使用過程中能耗不會(huì)隨著負(fù)載的增加而增加；另外，從2種過濾器壓降結(jié)果的對(duì)比來看，也進(jìn)一步證明纖維束過濾器具有低壓降的優(yōu)勢(shì)。

2.3 不同種類纖維的表面電荷密度

為探究3種纖維除塵效率出現(xiàn)顯著差異的原因，實(shí)驗(yàn)過程中，每隔10 min對(duì)纖維束表面電荷密度進(jìn)行測(cè)量，利用式(3)和圖3求出對(duì)應(yīng)時(shí)間的積塵量，得到積塵量與表面電荷密度的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示?？梢?，實(shí)驗(yàn)過程中纖維表面存在電荷，且隨表面積塵量的增加，纖維表面電荷密度逐漸降低。顆粒物在移動(dòng)過程中極易因摩擦等因素而攜帶靜電荷[21]，實(shí)驗(yàn)所用3 種纖維皆為良好的絕緣體，當(dāng)纖維與空氣和空氣中顆粒物接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維表面電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生剩余電荷，導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生；隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，纖維表面負(fù)載粉塵量逐漸增多，粉塵會(huì)對(duì)纖維表面靜電荷產(chǎn)生屏蔽作用，進(jìn)而使得纖維表面電荷密度逐漸降。從圖5中還發(fā)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，聚丙烯腈纖維電荷密度>玻璃纖維電荷密度>聚丙烯纖維電荷密度；研究表明，擁有不同介電常數(shù)的2種物質(zhì)相互接觸時(shí)產(chǎn)生的電荷量與電性不同[22]，所以實(shí)驗(yàn)中3種纖維表面電荷密度不同，可能是由3種纖維與路面揚(yáng)塵之間的介電常數(shù)之差不同導(dǎo)致。表2為3種纖維與路面揚(yáng)塵的介電常數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，3種纖維與路面揚(yáng)塵的差值從大到小分別為聚丙烯腈、玻璃纖維和聚丙烯纖維，此排列順序與電荷密度排列順序一致；同時(shí)，電荷密度排列順序與纖維除塵效率變化趨勢(shì)一致，這說明纖維表面電荷是影響過濾器除塵效率的因素之一。

2.4 粉塵顆粒在纖維束內(nèi)附著狀態(tài)

為觀察粉塵顆粒在纖維束內(nèi)附著狀態(tài)，剪取部分實(shí)驗(yàn)后纖維束進(jìn)行SEM檢測(cè)。圖6為實(shí)驗(yàn)后纖維表面SEM圖。如圖6所示，粉塵顆粒有2種賦存狀態(tài)，單獨(dú)附著和纖維間填充。結(jié)合SEM圖像和過濾器表面電荷密度曲線分析認(rèn)為，粉塵在過濾器內(nèi)部的2種存在狀態(tài)是因?yàn)?，纖維在使用過程中會(huì)產(chǎn)生靜電荷，在靜電作用下粉塵吸附于纖維表面；而在纖維束內(nèi)部，由于靜電作用粉塵吸附于纖維表面，形成了粉塵初層，這使得纖維束之間的通道變窄，從而提高了其機(jī)械攔截作用效果，通過纖維表面粉塵初層的攔截作用，使更多的粉塵得到了捕集。綜上所述，粉塵顆粒賦存于過濾器內(nèi)部是靜電作用與機(jī)械力作用共同作用的結(jié)果，而除塵效率隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐漸降低是以除塵機(jī)制為靜電作用為主，靜電作用引起的機(jī)械攔截作用為輔。

3 結(jié)論

1) 3種材料中聚丙烯腈纖維過濾性能最好，其次為玻璃纖維，聚丙烯纖維最差。

2) 通過表面電荷密度測(cè)定和SEM檢測(cè)，纖維束過濾器的除塵機(jī)制為靜電和靜電引起的機(jī)械作用力的結(jié)合，其中以靜電作用為主，機(jī)械力作用為輔；在相同實(shí)驗(yàn)條件下，丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維所產(chǎn)生的電荷量依次減小，使得聚丙烯腈纖維表現(xiàn)的過濾性能最好，聚丙烯纖維最差。

3) 纖維束獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)和內(nèi)部發(fā)達(dá)的空氣通道使得纖維束過濾器具有壓降小、能耗低的特點(diǎn)。