湿度对ePTFE高效空气过滤材料阻力的影响

陈相玮 林忠平刘鸿洋

同济大学机械与能源工程学院

湿度对ePTFE高效空气过滤材料阻力的影响

陈相玮 林忠平*刘鸿洋

同济大学机械与能源工程学院

实验研究了相对湿度对ePTFE高效空气过滤材料阻力的影响，并与玻璃纤维高效滤料作对比。结果表明：相对湿度对ePTFE和玻纤高效滤料的初阻力没有影响。过滤固态气溶胶时，ePTFE滤料在表面过滤阶段的阻力呈线性增长，但增长速度高于相同湿度下的玻纤滤料；过滤液态气溶胶时，ePTFE滤料早于玻纤滤料进入阻力指数增长阶段，两种滤料的容尘性能存在显著差异。

湿度 ePTFE高效 过滤材料 阻力

1 高效过滤材料容尘实验

1.1 实验装置

图1为高效空气过滤材料容尘实验装置原理图。空气依次经过空气压缩机、冷干机和空气过滤器后成为洁净的干燥气流，随后分为三个支路：干燥空气支路、空气加湿器支路和气溶胶发生器支路。改变干燥空气和湿空气流量的比例，可使汇合气流的相对湿度在20%～85%范围内调节。三个支路汇合后经过充分混合和热湿交换，成为浓度和相对湿度稳定的气溶胶，进入喷嘴流量计、受试滤料样品和变频风机，最后排出实验装置。计算机以一定时间间隔记录滤料样品的气流流量、相对湿度和对应的滤料阻力。变频风机使经过受试滤料的气流量自动保持预设值。湿度仪型号为 VECTOR SOC-H1TI，相对湿度测量范围为0～100%，精度5%。喷嘴流量计前设置放空管。

图1 高效空气过滤材料容尘实验装置原理图

1.2 实验方案

用不同相对湿度的KC（l氯化钾）气溶胶对高效过滤材料进行容尘实验，对比滤料阻力的增长特性。实验中气溶胶发生器使用3%质量浓度的KCl溶液。KCl的潮解湿度为65%，当环境相对湿度低于65%时气溶胶里的KCl呈现为固态，高于65%时KCl潮解，呈液态状。滤料的有效过滤面积为 100cm2，滤速为5.3cm/s，阻力增长到700Pa时实验终止。滤料在容尘前后用TG328A（S）型分析天平称重，天平的量程为0～200g，分度值0.1mg。滤料终重与初重的差值即为容尘量，单位为mg。

表1 滤料样品的基本信息

1.3 实验材料

实验所用高效过滤材料样品共有5种型号，包括ePTFE和玻璃纤维两种材质。滤料的基本信息见表1。滤料的过滤等级根据EN 1822-1：2009标准划分[2]。

2 实验结果

2.1 相对湿度对ePTFE滤料阻力的影响

观察组控制良好41例，尚可9例，不良4例，血糖控制率为92.59%；对照组控制良好29例，尚可14例，不良11例，血糖控制率为79.63%，观察组明显优于对照组，两组比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图2、图3分别为两种ePTFE滤料在不同相对湿度下的阻力变化。图中表明，在27%～72%相对湿度范围内，滤料的初阻力值没有显著差别。5.3cm/s滤速下，A-P-H14和B-P-U17滤料的初阻力值分别为138Pa和324Pa左右，可以认为相对湿度不影响ePTFE高效滤料的初阻力。

图2 不同相对湿度下A-P-H14滤料的阻力与容尘量关系

图3 不同相对湿度下B-P-U17滤料的阻力与容尘量关系

相对湿度低于65%时，较高相对湿度下滤料阻力增长较缓慢，终止阻力所对应的容尘量也越大，例如，27%相对湿度，700Pa终阻力时，A-P-H14滤料的容尘量为35.1mg，而55%相对湿度时容尘量为59.25mg。A-P-H14滤料的阻力-容尘量曲线存在转折点，把曲线分为两个阶段：深层过滤阶段和表面过滤阶段。滤料在深层过滤阶段的阻力增长较为缓慢，表面过滤阶段阻力增长较快，阻力与容尘量呈线性关系。B-P-U17滤料的阻力-容尘量曲线未观察到转折点，阻力始终保持线性增长，可以认为这种滤料的深层过滤阶段非常短暂，自容尘开始就迅速进入表面过滤阶段。

相对湿度高于65%时，两种ePTFE滤料在较长时间内阻力较缓慢增长，然后进入阻力指数增长阶段。

2.2 相对湿度对玻纤滤料阻力的影响

不同相对湿度下C-F-U15滤料的阻力-容尘量关系见图4。与ePTFE高效滤料相同，在27%～72%相对湿度范围内，玻纤高效滤料的初阻力不受相对湿度影响。相对湿度越高，阻力到达700Pa时滤料的容尘量也越高，且相对湿度高于65%后，相对湿度对滤料容尘性能的提高更加显著。

图4 不同相对湿度下C-F-U15滤料的阻力与容尘量关系

相对湿度低于65%时，C-F-U15滤料的阻力-容尘量曲线也可分为深层过滤和表面过滤两个阶段。玻纤滤料在深层过滤阶段的阻力增长较为缓慢，短时间的深层过滤阶段后经过转折点进入表面过滤阶段。滤料在表面过滤阶段阻力增长较快，阻力-容尘量曲线呈线性。相对湿度越高，滤料到达转折点时的容尘量也提高，表面过滤阶段阻力曲线的斜率也越小。

相对湿度高于65%时，滤料阻力在较长时间内缓慢增长，到达转折点后开始呈指数上升。

2.3 相同湿度下ePTFE与玻璃纤维滤料的阻力对比

图5为27%相对湿度时，5种滤料的阻力-容尘量关系曲线。图中可见，相同材质的滤料在表面过滤阶段的曲线斜率比较接近，但玻纤滤料的斜率比ePTFE滤料要小，说明相同湿度下，ePTFE滤料在表面容尘阶段的阻力增长速度要比玻璃纤维滤料更高。

图5 27%相对湿度下5种滤料的阻力与容尘量关系

同为H13级的C-F-H13和A-F-H13滤料的初阻力较为接近，整个容尘阶段的阻力曲线也有相似形状，导致这两种滤料的容尘量也比较接近。同一生产厂商的C-F-H13和C-F-U15滤料在整个容尘阶段的阻力曲线形状也相似，但C-F-U15滤料的初阻力较高，导致700Pa终阻力时的容尘量不及C-F-H13。

过滤等级包括H13和U15的3种玻璃纤维滤料的阻力曲线都可分为深层过滤阶段和表面过滤阶段。H14的ePTFE滤料的阻力曲线也分为两个阶段，但U17的ePTFE滤料未观察到深层过滤阶段，仅有表面过滤阶段。且U17滤料的初阻力较高，认为这种滤料的内部纤维极细、堆积密度较高，难以容纳太多的气溶胶颗粒。

图6 70%相对湿度下5种滤料的阻力与容尘量关系

图6为70%相对湿度时，5种型号滤料的阻力-容尘量关系曲线。与27%相对湿度的实验结果相似，同种材质的滤料在整个容尘过程有着形状相似的阻力增长曲线。由于ePTFE滤料的阻力更早进入指数增长阶段，导致整个容尘阶段的阻力增长速度均高于玻纤滤料。因此，环境相对湿度高于KCl潮解湿度时，ePTFE高效滤料与玻纤高效滤料的容尘性能有显著差异。

3 分析与讨论

相对湿度低于65%时，气溶胶里KCl为固态颗粒物，被滤料捕获后首先在纤维表面形成树枝状结构[3]，因此滤料在深层过滤阶段对气流有较高的阻力。被捕获的KCl颗粒物越来越多，逐渐在滤料表面形成粉尘层，滤料进入表面过滤阶段。由于毛细凝聚效应，进入粉尘层毛细管和细孔的水蒸气产生了凝结水。凝结水使KCl颗粒之间产生了毛细管力，限制了颗粒之间的相对位移，使得粉尘层有着更高的孔隙率[4]。较高的相对湿度使颗粒物之间的粘附力也较高，粉尘层的孔隙率也随之提高，因此降低了对气流的阻力[5]。本次实验中观察到：较高相对湿度下，ePTFE和玻纤滤料在表面过滤阶段的阻力增长都较为缓慢，但相同的湿度条件下，不同材质的高效滤料在表面过滤阶段阻力增长速度并不相同，不妨假设粉尘层的形成不仅与气溶胶特性相关，还与滤料材质有关，其机理有待进一步研究。

相对湿度高于65%时，气溶胶里的KCl潮解，呈现为液态，在纤维表面沉积后会逐渐把纤维包裹，形成一层液膜[6]。与固态KCl颗粒物形成的树枝状结构相比，液膜对气流的阻力较低，形成液膜所需要的时间也较长，因此滤料在容尘前期的阻力较低，增长较为缓慢。形成液膜后，纤维间的缝隙也逐渐被液态KCl填充，导致滤料阻力呈指数增长[7]。由于ePTFE滤料纤维之间的缝隙所能容纳的液体KCl量少于玻璃纤维滤料，因此阻力较快进入指数增长阶段。从实验结果看：ePTFE高效滤料不宜用于过滤液体气溶胶。

4 结论

在不同的相对湿度下对ePTFE高效空气过滤材料进行容尘实验，观察相对湿度对滤料阻力的影响，并将实验结果与玻璃纤维高效空气过滤材料对比。实验结果表明：

1）ePTFE和玻璃纤维高效滤料的初阻力与相对湿度无关。

2）相对湿度通过影响KCl气溶胶的物态，从而影响高效滤料的阻力增长特性。使用固态KCl气溶胶对滤料容尘时，除了U17的ePTFE滤料仅观察到表面过滤阶段，其他4种滤料均观察到深层过滤和表面过滤两个阶段。滤料在表面过滤阶段的阻力变化与容尘量呈线性关系。

3）使用液态KCl气溶胶对滤料容尘时，阻力在较长时间内缓慢增长，经过转折点后呈指数增长。与玻纤高效滤料相比，ePTFE滤料在较低容尘量时就进入阻力指数增长阶段，导致两种材质的高效滤料在容尘性能方面有显著差异。

4）相同湿度下，相同材质的滤料有着形状相似的阻力-容尘量曲线，但在表面过滤阶段时ePTFE滤料比玻纤滤料有更快的阻力增长速度。

5）从本次实验结果看，ePTFE高效滤料不宜用于过滤液态气溶胶。

[1]D Thomas,P Penicot,P Contal.Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles Experimental and modeling study[J].Chemical Engineering Science,2001,56:3549-3561

[2]European Committee for Standardization.High Efficiency Air Filters(EPA,HEPA and ULPA)(BS EN 1822-1)[S].2009

[3]D Thomas,P Contal,V Renaudin,et al.Modeling pressure drop in HEPA filters during dynamic filtration[J].J.Aerosol Sci.1999, 30(2):235-246

[4]Feng C L,Yu A B.Effect of liquid addition on the packing of mono-sized coarse spheres[J].Powder Technol.,1998,99:22-28

[5]Gupta A,Novick V J,Biswas P,et al.Effect of humidity and parti -cle hygroscopicity on the mass loading capacity of High Efficien -cy Particulate Air(HEPA)filter[J].Aerosol Sci.Tech.,1993,19: 94-107

[6]P Penicot,D Thomas,P Contal.Clogging of HEPA fibrous filters by solid and liquid aerosol particles:an experimental study[J]. Filtration and Separation.,1999,3:59-64

[7]A Joubert,J C Laborde,L Bouilloux,et al.Influence of humidity on clogging of flat and pleated HEPA filters[J].Aerosol Science and Technology,2010,44:1065-1076

Influe nc e of Hum idity on Re s is ta nc e of e PTFE High Effic ie nc y Air(HEPA)Filte r Me dium

CHEN Xiang-wei,LIN Zhong-ping*,LIU Hong-yang
College of Mechanical Engineering,Tongji University

An experimental study on the influence of relative humidity on resistance of ePTFE high efficiency air filter medium,and compared the results to glass fiber high efficiency air filter medium.The results show that,relative humidity has no significant influence on the initial resistance of both ePTFE and glass fiber filter medium.When challenged by solid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium in the stage of surface filtration increases linearly but faster than that of glass fiber filter medium.When challenged by liquid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium enters exponential increase earlier than glass fiber,leading to significant difference in capacity performance between these two kinds of filter medium.

humidity,ePTFE,high efficiency,filter medium,resistance

1003-0344（2015）03-026-4

2014-2-27

林忠平（1968～），男，博士，教授；上海四平路1239号（200092）；E-mail:zplin99@tongji.edu.cn