典型滤料对PM1.0/PM2.5/PM10细颗粒物捕集性能的研究

柳静献，常德强，毛 宁，邱乾胜，陈小松，孙 熙

（东北大学滤料检测中心，沈阳 110004）

1 概述

工业烟尘的大量排放给我国大气质量造成了严重影响，近年来引发了频繁的雾霾天气，尤其在2012年冬季至2013年的春节期间，我国东部地区发生的雾霾范围之大、时间之长前所未见，给公众健康、工业生产带来了很大影响，严重干扰了陆路及航空运输，影响了社会的稳定，成为近期媒体关注的焦点之一。

理论与实践证明，过滤是微细粒子捕集控制的最有效方式，滤料作为核心材料，其性能影响着颗粒物捕集的效果。目前，市场上的各种滤料主要针对全尘捕集设计制造，对以PM2.5为代表的微细颗粒物的捕集效率有较大的差别。

本文通过实验手段研究目前市场上流行的、来自于不同厂商的几种典型滤料对微细粒子的过滤性能，包括对全尘的计重效率，对PM1.0、PM2.5、PM10的计重效率，对1.0μm、2.0μm、2.5μm、5μm、10μm粒子的分粒级计数效率，以及在过滤过程中的阻力特性等。

2 实验方案

2.1 实验装置

滤料过滤性能研究采用的装置如图1所示。

将被测滤料的样品夹持在竖直与水平管交汇处，粉尘通过精密螺旋发尘器供给，通过气流引射到方形竖管，气流内粉尘浓度为5g/m3。系统由真空泵提供抽吸动力，使含尘气流通过滤料时，粉尘被捕集。当滤料两侧的压差达到一定数值（本实验中为1000Pa）时，系统控制脉冲阀开启，高压空气从滤料样品的净气侧喷出，滤料表面的粉尘层在高压气体作用下脱落。

滤料对全尘的计重效率按照ISO11057-2011和GB6719-2009进行，采用绝对滤膜的增重来测算，滤料压差记录和脉冲清灰控制由计算机进行。实验证明，滤料在洁净状态时和使用一段时间后的效率和阻力变化有所不同。开始时，洁净过滤采用1000Pa定压喷吹方式清灰，共30个过滤周期，称为A过程；然后经过1万次强制脉冲喷吹对滤料进行老化处理，称为B过程；之后进行10个定压周期的恢复过滤过程，称为C过程；最后进行与A过程相同的过滤过程，来测试滤料处于稳定状态的性能，称为D过程。在A过程及D过程中记录其阻力变化，测算过滤效率。

滤料对PM1.0、PM2.5、PM10的计重效率利用美国TSI公司的DUSTRAK 8520进行。在进行PM1.0、PM2.5及PM10不同粒径的效率测试时，要换用不同的颗粒采样切割头，保证合适粒径的粒子进入。测试时，把仪器分别连接在被测滤料样品的上游管道和下游管道上测试粉尘浓度，由上、下游粉尘浓度测算滤料的过滤效率。测试上游时由于粉尘浓度过大，需要使用稀释器。

滤料对微细粒子的分粒级计数效率用美国MetOne公司的3313激光粒子计数器进行。由于激光粒子计数器所测试的颗粒物浓度很小，本项实验使用大气尘作为尘源。测试时仪器分别连接滤料的上游和下游管道测试颗粒的计数浓度，计算出滤料对不同直径粒子的计数效率。

2.2 实验材料

实验用的滤料样品选自不同制造商的几种典型滤料产品，分别为涤纶针刺毡、PPS针刺毡、PPS水刺毡、聚酰亚胺针刺毡、覆膜涤纶针刺毡。几种样品的特征参数见表1所示，典型滤料电镜照片见图2。实验用粉尘样品为中位径1.0μm的氧化铝，其粒度分布见表2所示。

3 数据与分析

本文对几种典型滤料在洁净状态的全尘效率及阻力变化、老化后稳定状态的全尘效率及阻力变化，以及PM1.0、PM2.5、PM10粒子的计重效率，1μm、2μm、2.5μm、5μm、10μm粒子的分粒级计数效率进行了实验。

表1 滤料样品的特征参数

表2 实验用氧化铝粉尘的粒度分布

3.1 全尘效率

滤料由纤维经过针刺或水刺加工，并辅以不同的后处理工艺制成。在洁净状态时，滤料的阻力低，效率也相对较低。随着过滤的进行，纤维间的孔隙逐渐被粉尘填满，在滤料表面形成粉尘层，此时过滤由滤料和粉尘层共同承担，其阻力高，效率也高。

几种滤料样品在洁净状态时和老化后稳定状态时的全尘效率见表3。

从表3中可以看出，在洁净状态时，几种滤料的效率都在99.9%以上，覆膜玻纤针刺毡滤料的效率最大，为99.9990%，其次为覆膜玻纤机织布，为99.9978%，其它几个样品的效率相差不大。经过喷吹老化后，滤料内部的孔隙被粉尘填满，达到了一种稳定的过滤状态，滤料表面也容易形成稳定的粉尘层，过滤由粉尘层与纤维层共同承担，滤料的效率有所提升。几种滤料的除尘效率都在99.999%以上，覆膜玻纤针刺毡滤料的效率最高。

表3 滤料在不同状态时的全尘效率 （单位：%）

3.2 PM1.0/PM2.5/PM10粒子的计重效率

实验中采用DUSTRAK 8520测试了几种滤料样品对PM1.0、PM2.5及PM10粒子的捕集情况，结果见表4和图3所示。

表4 各种滤料分粒径捕集计重效率 （单位：%）

图3 几种滤料对不同粒径粉尘的捕集计重效率对比

从表4和图3可以看出，几种滤料对PM1.0的计重效率相差较大，在40.12%～83.17%；随着粉尘颗粒的增大，滤料的效率也增大，对PM2.5的计重效率在72.73%～95.45%；几种滤料对PM10的过滤效率相差不大，在92.31%～99.32%；不管是PM1.0、PM2.5还是PM10，覆膜玻纤针刺毡滤料的过滤效率最高。

3.3 分粒级计数效率

使用激光粒子计数器对几种滤料的分粒级捕集计数效率进行了测试，结果见表5和图4所示。

表5 几种滤料的分粒径捕集计数效率 （单位：%）

图4 滤料的分粒径捕集计数效率

从表5和图4可以看出，对1μm之下的小粒子，几种滤料的分粒径捕集计数效率在40.29%～80.93%，其中涤纶针刺毡效率最低，为40.29%，覆膜玻纤针刺毡最高，为80.93%；随着粒子直径的增大，捕集效率也呈现出增长的趋势，对2～2.5μm间的粒子而言，几种滤料的效率在55.23%～ 95.34%，覆膜玻纤针刺毡滤料捕集效率最高；对5～10μm的粒子，滤料的捕集效率提升到89.77%～98.89%，覆膜针刺毡滤料的捕集效率最高。

3.4 阻力性能

洁净滤料在过滤过程中，粉尘会进入滤料内部，使阻力上升，达到一定程度后需要用压缩空气来清灰。脉冲喷吹清灰时，滤料表面的粉尘层会脱落，内部部分粉尘被清出，但仍会有一些粉尘留在滤料内部，致使滤料的残留阻力逐渐上升。图5给出了洁净滤料在初始30个过滤周期内的残余阻力变化情况。

图5 洁净滤料阻力随过滤周期变化

从图5可以看出，在初始过滤阶段，滤料的残余阻力都会逐渐上升。覆膜滤料由于其表面有一层光滑致密的聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜，粉尘较难进入其内部，阻力上升的速率最小；针刺毡滤料的表面刺孔大，致密度较小，粉尘容易进入滤料内部而沉积下来，残余阻力上升速率最快。

经过1万次的强力脉冲喷吹后，滤料充分老化，阻力趋于平稳，此时的滤料状态能够表征现场使用很长时间的滤袋状态，属于稳定过滤时期。图6给出了典型滤料经过老化后的30个过滤周期的阻力变化。

图6 洁净滤料阻力随过滤周期的变化

从图6可以看出，几种滤料的阻力增长速率均不大，覆膜滤料的阻力增长幅度最小，基本还维持在洁净状态的阻力水平上。

4 结论

（1）目前市场上常用的滤料在洁净状态时，对全尘的计重捕集效率都高达99.9%以上，滤料经过老化进入稳定过滤状态时，效率提高一个数量级，在99.99%以上；

（2）几种滤料样品对PM1.0的计重捕集效率在40.12%～83.17%，对PM2.5的捕集效率在72.73%～95.45%，对PM10的效率在92.31%～99.32%；

（3）几种滤料样品对直径为2～2.5μm粒子的计数捕集效率在55.23%～95.34%，对5～10μm粒子的捕集效率在89.77%～98.89%；

（4）滤料在洁净状态时，其残余阻力增长较快，经过老化后进入稳定过滤状态时，阻力增长平缓；

（5）滤料样品中的几种针刺毡由于采用的纤维、制造水平不同，其过滤效率存在差别；本实验中选用的水刺毡为某企业的中间样品，并非其最终产品，其效率与针刺毡相差不大，过滤性能尚有很大的提升空间；几种样品中覆膜玻纤针刺毡滤料的效率最高，但在实际使用中，覆膜容易破损和脱落，其质量尚需提高；

（6）由于计数捕集效率和计重捕集效率采用的方法不同，对细粒子的测试存在很大难度，同时考虑粉尘样品对实验结果的影响等因素，因此其间的数据对应关系尚需大量的实验研究。

目前常规的滤料针对全尘捕集设计，尽管对全尘的过滤效率很高，但对细粒子尤其PM2.5的捕集效率尚低，仍需努力研发针对PM2.5捕集的新型滤料。 ■