强制静电下导电滤料的过滤效率

钱 幺， 赵宝宝, 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

强制静电下导电滤料的过滤效率

钱 幺， 赵宝宝, 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

为解决驻极体过滤材料普遍存在静电衰减的问题，并使过滤材料在使用中能长效带静电，选取了具有导电性能的非织造材料作为研究对象，通过改装过滤测试装置，用外加电压对导电过滤材料施加静电，并对过滤效率与所加静电的关系进行了分析。研究结果表明：在相对较小(0～7 kV)的电压变化范围内，试样的过滤阻力基本不变，而且过滤效率最大可提高26.1%，同时过滤效率与电压值近似一种线性关系；非导电的涤纶针刺织物在强制静电下的过滤效率也会提高，但增长速率不及导电纤维材料；静电吸附能有效提高过滤效率并且不影响过滤阻力，为过滤材料中产业应用提供参考。

静电吸附； 导电滤料； 过滤效率； 外接电压； 表面电势

随着我国工业化程度不断提高，工业生产对大气环境的破坏日趋严重，尤其是以燃煤发电厂、水泥厂、垃圾焚烧厂为代表的高排放、重污染企业，造成了近几年频繁出现的雾霾天气，其中火电厂的排放就占总排放量的10%左右[1]。面对如此严峻的环境形式，国家对工业烟尘排放控制的严格程度已达到一个新的高度，例如：2012年1月国家开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》规定大气颗粒物排放质量浓度小于30 mg/m3[2]。目前，工业除尘中静电除尘、袋式除尘作为主流除尘技术，具有较高的除尘效率，但各具优缺点。静电除尘是通过使粉尘颗粒带电，再被负/正电极板吸附，从而将粉尘颗粒从气体中分离；其运行阻力低，排放浓度通常为50～100 mg/m3，但除尘效率受粉尘比电阻影响，比电阻不宜过大或过小，通常对于PM2.5这种微细颗粒物难以捕集，因而其烟尘排放浓度难以达到国家排放标准。袋式除尘主要依靠纤维滤料捕集含尘气体中的固体颗粒物，形成滤饼，并通过滤饼进一步过滤微细尘粒，以达到高效除尘的目的，排放质量浓度达10 mg/m3以下，甚至可达5 mg/m3；但其运行阻力大(1 000～1 500 Pa)，因而运行成本高，并且滤袋及组件的投资大。

静电吸附是一种重要的过滤机制，能高效地去除烟尘中PM2.5颗粒物，目前研究与开发的主要除尘技术有：1)静电除尘和袋式除尘二者结合起来的电袋复合除尘器[3]；2)利用粉尘预荷电或外加电场来增强纤维层除尘效果的静电增强纤维过滤技术[4-6]；3)1种双极静电凝聚技术，利用不同极性放电导致粉尘颗粒荷上不同荷电，进而在湍流输送和静电力共同作用下凝聚变大，提高除尘器的除尘效率[7-8]。3种方式均能实现高效过滤。此外，驻极技术是使纤维质过滤材料带上静电的有效方式，常用的驻极方式如电晕放电法，是利用非均匀电场引起的空气局部击穿产生放电现象，离子束轰击电介质材料并沉积在电介质内[9-10]，这种驻极虽然能实现高效、低阻过滤，但是静电衰减速度快，影响过滤效率。

本文尝试以一种新的长效驻极方式，通过外加电压强制使过滤材料带上静电，结合静电吸附效应与纤维滤料的过滤作用，来提高对微细颗粒物的过滤效率，克服驻极中静电衰减的问题。

1 试验部分

1.1 主要仪器设备

YG461型中压透气量仪，YG141LA型数字式织物厚度仪，VC9807A+型万用表，SX-L1050型滤料试验台，HB-Z503-1AC型直流高压电源，EFM-022型静电场测量仪，CP224C型精密电子天平，DZF 6020型烘箱。

1.2 试样制备

本文试验中共制备了3种不同的导电过滤材料试样以及1种非导电过滤材料试样，制备过程如下。

1)碳纤维针刺毡(试样A)。由长度为5～10 mm、平均直径为6.7 μm的纯碳纤维经过特定的成网方式及针刺加工工艺制成的非织造材料，具有很强的导电性能。

2)碳纤维/涤纶混纺针刺毡(试样B)。 10%的碳纤维短纤与涤纶短纤维开松混合均匀后，经过气流成网、折叠铺网，再由针刺机将蓬松的纤维网加固成具有一定强力与厚度的非织造材料，得到的非织造布具有一定的过滤性能和较好的导电性能、透气性能。

3)水性聚氨酯(WPU)/炭黑浸渍非织造布(试样C)。将固含量为40%的WPU(DG-6100，烟台华大化学有限公司)稀释成3%的溶液，加入1%炭黑粉末，充分搅拌至均匀分散。将普通的涤纶针刺布在该溶液中浸渍一段时间，取出后经过气动小轧车挤压出余液，放置鼓风烘箱中烘干为止，制成表面与内部均匀附着炭黑的非织造布。

4)涤纶针刺布(试样D)。涤纶短纤维开松混合均匀后，经过梳理成网、折叠铺网，在经过预针刺、主针刺将纤维网加固成一定强力与厚度的非织造材料。

1.3 试验方法

1.3.1 试样基本性能测试

根据非织造布性能测试的相关标准，对以上制备的3种导电非织造材料的厚度、定量、导电性能、透气量进行测试。其中，厚度测试参照GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分 厚度的测定》，选用YG141LA数字式织物厚度仪测量，压脚面积25 cm2，并选择100 cN的压脚。透气量的测试参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG461中压透气量仪测量，测量结果为单位时间内垂直透过织物单位面积的气流量，单位为L/(m2·s)。非织造材料导电性能的测试使用VC9807A+数字万用表，测量材料的表面比电阻，根据电阻值的大小确定是否具有导电性以及导电性的优良。1.3.2 强制静电吸附的验证

为验证高压直流电源的单极(正极或负极)接入导电滤料上，是否产生电荷以及电荷引力的强弱，现连接如图1所示装置，导电滤料经铁架台悬空放置，高压直流电源正极连接在导电滤料一端，将化学纤维(涤纶)或纸屑从导电滤料附近的一定距离s、一定高度H自由释放，观察纤维或纸屑吸附现象；调节电压值以及释放的位置，进一步观察吸附强弱。

1.3.3 过滤材料表面电位测量

通常表面电位的测量可使用表面静电电位计或配有探头的静电压表，且探头(测定电极)的形状和大小应尽量不扰乱电场，应具有保护电极[11-12]；本文试验使用EFM-022静电场测量仪对过滤材料的表面电位进行测量，可在不同距离非接触地精确测量0～±200 kV的带电物体表面静电位，其采用旋转叶片式探头测量静电场强，适合连续性长时间测量，能自动将场强根据选定的测试距离转换为静电位。旋转叶片式静电场测量仪的探头部位有1个十字形的旋转叶片，将固定叶片的感应直流信号转变成交变信号，然后经过交流放大，避免直流放大器零点漂移的影响[11]。试验中采用2 cm的测试距离，对过滤材料5个不同位置进行测量，求取平均值，测量示意图如图2所示。

1.3.4 静电过滤效率测试

本文试验在改装SX-L1050型滤料试验台情况下，分别对4种滤料进行过滤性能的测试，试验条件为：温度25 ℃、湿度40%；苏信SX-L1050滤料试验台滤料试验面积为100 cm2，滤速为5.33 cm/s (即流量32 L/min)，检测颗粒为聚苯乙烯(PSL)，气溶胶粒径大于等于0.3 μm。

为测试高压静电对过滤性能的影响，需要对滤料试验台进行改装，将夹持试样的位置用一定厚度的绝缘橡胶上下隔绝开，形成“三明治”结构，主要是为了与夹持试样的金属部件绝缘，防止电荷的泄露；并将金属试验台整体接地，从而对整个测试平台进行有效保护。试验装置连接如图3所示，首先在不加电情况下(空白组试验)对试样的过滤效率进行测试；然后接通高压直流电源，通过调节电源电压值(1～7 kV)，测得不同电压下试样的过滤效率。

2 结果与分析

2.1 基本性能测试结果分析

在相应的测试标准下，分别对试样的厚度、定量、导电性、透气量进行测试，结果如表1所示。

表1 试样基本性能指标测试Tab.1 Basic performance test for samples

由表1可看出：碳纤维针刺毡(试样A)的厚度最大，透气性能最差，但其导电性能最优；碳纤维/涤纶混纺针刺毡(试样B)的导电性能一般，但透气性能最好，因此在过滤时的阻力最低；聚氨酯含浸非织造布(试样C)尽管较薄，但是由于含浸水性聚氨酯的影响，导致其透气性不如试样B，导电性能也最差。

2.2 强制静电吸附的定性分析

通过观察可发现：当化学纤维(涤纶)从导电滤料上方一定距离s、一定高度H自由释放时，纤维均呈抛物线的轨迹吸附到导电滤料上，并分散成单根纤维直立排列于滤料表面；在s不变的情况下，吸附强度随电压的变化而不同，当电压较高(5～10 kV)时，吸附作用明显，飘落的纤维束很快吸附在导电滤料上，且纤维下降的距离h较小；当降低电压时，吸附作用明显减弱，纤维下降的距离h较大，如图4所示。纤维在下降过程中主要受自身重力G、空气阻力f以及导电滤料的静电吸引力F的共同作用，假设纤维本身的电荷量一定，纤维距离导电滤料越近，则静电吸引力越大；并且外接电压越高，则导电滤料表面的场强越高，对纤维的静电吸引力也越大。随着纤维不断靠近导电滤料，当静电吸引力足够大时，使得重力G、空气阻力f几乎可忽略，此时纤维将会以水平方向的速度迅速地吸附到滤料表面。反之，通过观察纤维运行轨迹就可定性地判断出导电滤料表面场强的强弱以及带电量的高低。

此外还可发现，当电压逐渐降低直至关闭电源后，滤料表面仍然能够吸附化学纤维，可能的原因是滤料表面残留大量静电荷；如果滤料进行接地处理，将表面电荷导出后，这种吸附现象立即消失，表明高压直流电源单极接电条件下，由于滤料中的纤维被极化，导电滤料表面会因此产生大量静电荷，能够吸附周围带电的细微物体，并且导电材料的带电量与外加电压呈正相关。

2.3 过滤材料的表面电位测量结果分析

图5示出4种试样在不同外接电压下的表面电位。从图中可明显看出，导电过滤材料在外接电压下，材料表面充入大量静电荷，形成的静电位大小与外接电压值基本相等，但也有一些偏差，原因可能是，在实际测量中，由于针刺非织造布蓬松的纤维结构，使带电体表面凹凸不平，因此测量值往往不能与理论值相等，特别是当测量距离为数厘米(2 cm)时，凸起或凹陷的带电纤维改变了测量极距，使这种偏差更大。由于电位是与电荷成正比的物理量，电位的高低相对能反映物体的带电程度，因而可用电位的测量值衡量带电量的大小[11,13]，但是，非导电的涤纶针刺布在外接电压下，材料表面也表现出一定的静电位，但远低于导电过滤材料，随着外接电压的增加，材料的表面电位也不断增大；在不加电的情况下，由于涤纶纤维带有负电性，材料表面电位为-34.6 V，在高压静电的刺激下，纤维得到极化，使得材料表面逐渐积聚正电荷，外接电压越高，积聚的正电荷越多，因此表面电位越高。

2.4 静电过滤效率测试结果分析

在加电与不加电条件下，分别对4种滤料的过滤效率进行测试，图6示出过滤材料在不同电压下的过滤效率变化曲线。从图中可看出，碳纤维针刺毡(试样A)的初始过滤效率最高，而碳纤维/涤纶混纺针刺毡(试样B)、WPU/炭黑浸渍非织造布(试样C)以及涤纶针刺布(试样D)的初始过滤效率略低。

随外接电压的增大，过滤效率均呈现增加的趋势，但增加速率有所不同。对试验数据进行线性拟合，得到过滤效率对电压的线性回归方程，根据回归方程可知，4种滤料在加电过程中，过滤效率的增长速率为：试样B最快，试样A、C其次，试样D最慢。产生这种现象的原因是：在外接电压激发下，过滤材料的纤维表面产生一定的静电荷，促进了过滤效率的提升；试样B在强制静电下的过滤效果最好，因为导电混纺针刺过滤材料的孔隙率高，在外接高压静电情况下，材料内部形成静电场，导电纤维充当一个个小电极，自身具有大量静电荷，还会激发非导电纤维产生静电荷，静电场促使微细粒子吸附捕集，因而静电过滤效率增长越快。尽管试样A的导电性最强，但其静电吸附作用略低于试样B，可能是由于导电性过强，致使绝缘材料击穿，电荷泄露。试样C的导电性较差，但是在高压直流电下，材料内部产生极化，也能积累大量电荷，相反，电荷不易泄露，因此在过滤中的静电吸附作用大大增加。试样D为非导电过滤材料，但是在外接电压下，过滤效率也呈现增加的趋势，只是增长速率低于前3种导电过滤材料，结合表面电位测试结果可看出，试样D的表面电荷量均低于导电过滤材料，因此其静电吸附作用相对较弱。

由以上可知，随静电位提高，滤料的电荷面密度越大，作用于粒子的带电电荷越多，静电作用越强。文献表明，静电不仅能有效吸附带电粉尘，而且以静电感应效应捕获感应极化的中性粒子和滤料的中性纤维[13]。此外，试验中加电状态几乎不会影响过滤阻力，通过这种强制静电方法，可实现滤料高效、低阻的过滤性能。

3 结 论

1)高压直流电源单极接电条件下，导电材料与非导电材料的表面均会形成大量静电荷，并且能够吸附周围带电的细微物体，这种吸附强弱与导电材料的带电量即外加电压值有一定关系。

2)纤维过滤材料在接电情况下的过滤效率有显著提高，并且在一定范围内过滤效率与所施加电压值近似呈线性关系。

3)碳纤维/涤纶混纺针刺毡在强制静电下的过滤效果最佳，而涤纶针刺布在强制静电下的过滤效率也会提高，但增长速率不及导电纤维滤料。

FZXB

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Study on filtration efficiency of conductive media under forced static electricity

QIAN Yao, ZHAO Baobao, QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to solve a common problem of static decay in electret filter materials, and make static long-lasted in filter materials, the conductive nonwoven material was selected as the research object in this experiment, while the filter test device was modified and electrostatic was applied on the conductive filter material, and the relationship between the filtration efficiency and the applied static electricity was studied experimentally. The results show that the resistance of the samples are substantially unchanged, but the filtration efficiency can greatly be improved by 26.1% in a relatively small voltage range (0-7 kV), and approximately a linear relationship exists between the filtration efficiency and the voltage value. The filtration efficiency of non-conductive polyester fabric is also improved under forced static electricity, but the growth rate is not as fast as the conductive fiber filter. Electrostatic adsorption plays an important role in the fabric filtration, can improve the filtration efficiency effectively, and does not affect the filtration resistance, which provides reference for the industrial application of filter material.

electrostatic adsorption; conductive media; filtration efficiency; applied voltage; surface potential

10.13475/j.fzxb.20151203405

2015-12-31

2016-06-24

国家科技支撑项目(2014BAE09B00)；天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目(15JCZDJC38500)；天津市科技计划资助项目(14TXGCCX00014)

钱幺(1990—)，男，博士生。主要研究方向为非织造过滤材料。钱晓明，通信作者，E-mail:qxm@tjpu.edu.cn。

TS 176.4

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