非织造布滤料性能及过滤过程的研究进展

薛帆帆,周　蓉

(青岛大学纺织学院，山东青岛 266071)



非织造布滤料性能及过滤过程的研究进展

薛帆帆,周蓉

(青岛大学纺织学院，山东青岛 266071)

摘要：对近年来非织造布滤料的研究进展做了简要综述，介绍了内部结构的研究及表征、过滤性能及其影响因素、过滤过程的计算机模拟，指出进一步发展所需要解决的问题。

关键词：非织造布内部结构表征过滤性能计算机模拟

近年来，随着工业技术的迅猛发展，人们生活水平提高的同时，环境也在恶化，空气污染日益严重。形成空气污染的因素很多，主要包括工业烟尘、有机挥发物、汽车尾气、扬尘等。其中工业烟尘来源于电力、钢铁、水泥等行业，这些行业一般采用袋式除尘技术过滤粉尘，非织造滤袋是袋式除尘器的核心部件。由于非织造布是有一定厚度的纤维集合体，组成纤维集合体的纤维因其细度、长度及成网加固方式不同可以形成孔径不等、曲折的气流通道，使得内部结构较为复杂，又由于它的过滤精度、过滤效率取决于很多因素，所以过滤机理难以把握。对其研究主要集中在以下几个方面：(1)内部结构的研究及表征；(2)纤维过滤介质的结构与其过滤性能的关系，影响滤料的内部因素和外部因素；(3)过滤过程的计算机模拟，包含静态和动态两个方面。倘若能很好地认识和了解纤维过滤介质的结构与性能关系，则可以有目的的设计符合过滤要求的纤维滤料，或者准确预测滤料过滤性能，为滤料的生产和使用提供指导。前人在上述几方面进行了大量的研究和探讨，取得了一定的研究成果，然而研究还在进行，本文对此加以总结以期对今后的研究提供借鉴。

1内部结构的研究及表征

非织造布滤料的内部结构参数主要有孔径大小、孔径分布、孔隙率等，由于纤维细度长度的差异以及缠绕卷曲等使得孔径大小及分布较为复杂，很难度量。内部结构会影响滤料的透气性，进而影响滤料的过滤性能，所以人们进行了诸多研究。

从理论模型到图像处理技术，再到实测仪器，对于非织布滤料的内部结构的研究日臻成熟。建立模型由于将纤维理想化为圆柱体，且没有卷曲和相互缠绕等，并不能真实反映滤料内部结构，所以测量出来的孔径大小及分布和孔隙率有偏差。图像处理技术一般是电镜扫描，将三维的滤料变成了平面的结构，测量出来的孔隙率也不准确，而用实验仪器测量，能测试出孔径真实分布情况，效率高，无偏差。

2 纤维过滤介质的过滤性能及其影响因素

过滤效率是指某个尺寸以上的颗粒物被过滤材料捕集的效率。过滤材料捕集的粉尘量与未经过过滤材料进行过滤的空气中的粉尘量之比为“过滤效率”。过滤效率越高，过滤器的过滤性能越好。过滤阻力是测试过程中过滤材料进风口与出风口之间的压力差。纤维使气流绕行，产生微小阻力。无数纤维的阻力之和就是过滤材料的阻力。阻力大时，能耗较大。为了获得高效低阻的滤料，学者们对过滤性能的影响因素做出了诸多研究。

2.1过滤效率

2.2压降

3过滤过程的计算机模拟

通过实验或者理论分析建立出了计算过滤效率和压降的方程，随着科技的迅猛发展，计算机的三维模拟技术为诸多行业解决了难题，学者们也不断探索能否应用在非织造布过滤滤料中，通过建立模型，模拟非织布滤料真实的内部结构，通过控制模型的参数和外部过滤条件直接预测出过滤材料的过滤效率和过滤阻力，这样便可以省去大量的实验消耗，节省成本。由于纤维型过滤介质的内部结构较为复杂，而且过滤过程气流的流动和微粒的捕集也很难定性地描述，这就导致过滤材料的过滤性能不能通过一个简单的模型就能计算出来。学者们经过长时间的研究和探讨，从二维模型到三维模型，不断地进行完善，在过滤介质的模拟方面有了很大的进展。

付海明，沈恒根教授最早在一篇文献[14]中对过滤过程做了简化，采用Visual Basic6.0，使模拟程序可视化，建立起两层过滤介质，相互独立，假设纤维是圆柱体，纤维的直径，水平间距及垂直间距可以调节，来表征复合滤料或覆膜滤料。微粒采用正态分布，在二维平面上，使微粒从一定高度落下，如果与纤维和其他微粒接触则被捕集，最终计算出捕集效率和阻力。得出粉尘在过滤纤维表面呈树枝状沉积状态，在非稳态过滤时，由于被捕集颗粒沉积的存在使粉尘捕集效率增加，与实际结论相符。由于假设被过滤的微粒做直线运动，忽略了布朗运动，纤维附近的流场以及纤维和微粒的反弹，而且采用的是简单的二维模型，使得模型不能真实有效地模拟出滤料的过滤过程。文献[15]对于过滤介质内部的气相流场进行研究，建立二维模型，进行数值计算，采用多孔介质模型，得到在不同填充密度和过滤器深度时纤维过滤器内的静压分布。结果表明：静压沿着过滤器深度方向线性变化，填充密度越大，初始压降越大。随着计算机技术的发展，模型从二维逐渐发展到三维。徐芳芳[16]等人采用CFD软件，建立三维随机纤维过滤介质模型，通过大量的数值研究，得出迎面风速、过滤介质填充密度对压降和渗透率的影响，由于将非织布微观结构中纤维位置和方向的杂乱性和随机性考虑在内，使得模型具有一定的真实性。李艳艳[17]等人为了模拟其内部的气相流场，采用计算机技术建立三维纤维过滤介质微观结构模型，有纤维交错排列、纤维平行和纤维随机排列这三种排列方式，在不同的填充率和过滤风速条件下进行数值模拟，得出三种无因次压力损失表达式。得到压力损失随过滤风速呈线性增加，随填充密度成非线性增加的结论。另外有学者[18]将过滤速度分成高速和低速，基于VBA编程，采用CFD计算其内部流场，建立模型，结果研究低速和高速过滤状态下压力损失与速度的关系。结果当流体平均速度大于0.3m/s时，压力损失与流体平均速度不再是简单的线性关系。文献[19]研究空调净化领域的高效过滤器，利用计算流体动力学技术，由交错排列纤维组成，分析得到，随着迎面风速的增加，压力损失线性增加；在过滤器中不同粒径范围内捕集机理也不同。惯性碰撞主要对于粒径大于0.5 μm 的颗粒贡献较大，而由于扩散导致的布朗运动主要对于粒径在0.2 μm 左右的颗粒起较大的作用。对于粒径在0.2～0.5 μm 之间的颗粒，惯性碰撞和布朗力都相对较弱。因此，纤维过滤器对于该粒径范围内的颗粒具有最小捕集效率。对于梯度滤料和覆膜滤料，文献[20]做了模拟和研究。根据Matlab软件和数值计算前处理软件Gambit中的Journal文件建立多层复合纤维滤料模型，采用计算流体动力学对滤料内部的气—固两相流动特性进行数值研究，计算不同纤维填充密度和直径分布时的压力损失和过滤效率。研究表明迎面风速增加，压力损失线性增加，过滤效率是先减小后增大。颗粒大小不同时，过滤机理也不同。采用纤维直径逐层增大的梯次结构时，过滤效率较高。复合滤料经过覆膜后效率明显增加。

随着颗粒在滤料上的沉积，滤料的过滤变成了非稳定状态，粉尘的粒径大小和浓度以及粉尘在滤料上的堆积状态也会影响到滤料的过滤效率和压降。朱辉等人[21-23]为了研究粉尘颗粒在单纤维表面的沉积过程，采用Kuwabara流场表征单纤维表面的气流绕流特征，采用随机模拟方法，建立计算模型，结果表明，沉积状态依赖于Stokes数、粒径分布和纤维扭曲程度。随着St数减小，沉积物由紧密的堆积结构演变成分叉显著的树枝状结构，随捕集粒子数的增加，单纤维捕集效率增加。为了进一步研究荷尘对于压降的影响，采用Monte Carlo法和Kuwabara单元模型，建立模型。分析得出过滤风速、粒子大小和粉尘树枝形态结构对压降影响显著，纤维直径影响不明显。王国呈[24]也利用CFD-DEM耦合方法，对单纤维过滤介质进行了数值模拟，研究颗粒和纤维体间碰撞恢复系数的变化对颗粒在单纤维体上的沉积及捕集特性的影响。结果表明，颗粒的捕集数量随颗粒与纤维体间的恢复系数呈先增加后减少，然后达到平稳状态的趋势。

学者们通过计算机模拟建立出非织造布滤料的三维模型，通过改变过滤器的填充率、厚度、过滤风速等条件，研究其对过滤效率和压降的影响，结论基本上与Davies给出的公式相一致，实际上，影响过滤性能的还有一个重要的指标就是构成滤料的纤维的直径，纤维的粗细会影响滤料的孔径大小和分布，从而影响到透气性，进一步对过滤性能产生影响。由于构成滤料的纤维直径分布不均匀，导致对于纤维直径这个因素的研究比较困难，今后可以在模型中加入相关的程序，将纤维直径考虑在内。对于非稳定状态下过滤过程，可以通过分形理论，探索粉尘堆积结构的分形维数和过滤性能之间的关系。

4展望

随着先进实验仪器的发明，对于非织造布滤料的内部结构以及过滤性能都可以很方便地测试出来，但是测试过滤效率和压降时成本较高且费时费力，所以计算机模拟预测过滤性能是一个很好的发展趋势。

纤维型过滤介质内部的结构非常复杂，纤维直径，长短不一，横截面也多种多样，纤维之间有缠绕，扭曲，压缩等现象，过滤时气流在纤维之间通道的流动也没有定向的运动，所以进行数值模拟时经常会进行一些简化，最后导致预测出的结果并不能真实反映过滤材料的过滤性能。在下一步的研究中，需要进行理论方面的完善，在进行计算机模拟时，考虑到纤维直径的分布，以及纤维的扭曲和相互之间的缠绕，将模拟计算出来的过滤性能与实际滤料测试出来的过滤性能进行比较，找出模型有待完善的地方，以期能更好地预测滤料的过滤性能，指导滤料的生产工艺。

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Research Progress on Performance and Filtration Process of Non-woven Filtering Material

XUEFan-fan,ZHOURong

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao 266071)

Abstract:Research progress of non-woven filtering material was briefly reviewed, such key points were introduced as internal structure’s research and its characterization, filtration performance and its influencing elements and computerized simulation of filtration process, and problems for further development were put forward.

Key words:internal structure’s research and its characterizationfiltration performance and its influencing elementscomputerized simulation of filtration process

中图分类号：TS179

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0032-05

通讯作者：周蓉(1968-)，女，博士，教授，硕士生导师。

收稿日期：2015-09-25

第一作者：薛帆帆(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织新工艺、新设备。