阻隔雾霾用纤维复合材料PM2.5过滤效率测试研究

2018-04-26张鹏严玉蓉倪冰选

中国纤检 2018年2期

文/张鹏严玉蓉倪冰选

1 引言

雾霾中对人体有危害的主要成分是PM2.5，持续的雾霾天气使得人们产生了对PM2.5的担忧。所以，在雾霾天气人们会遇到是否开窗的难题，开窗外面的雾霾空气会进入屋内，不打开窗户则导致室内空气不流通。为了解决开窗通风和阻隔雾霾之间的矛盾，市场上出现了一些用于阻隔雾霾的纤维复合材料，如何测试其PM2.5过滤效率成为一个亟待解决的问题。本文通过对主要颗粒介质、浓度和风速等测试条件进行研究，模拟雾霾天气环境，测试市场上阻隔雾霾用纤维复合材料过滤效率，验证其防雾霾效果。

2 试验部分

2.1 试验原理

过滤材料捕集颗粒物机理主要有惯性碰撞、布朗扩散、拦截效应、重力效应和静电效应[1]，见图1。一般来说，各种除尘机理并不是同时有效，而是一种或是几种联合起作用。而且，随着滤料的空隙、气流流速、粉尘粒径以及其他原因的变化，各种机理对不同滤料的过滤性能的影响也不同。因此，通常会让含有颗粒介质的气流通过纤维过滤材料，通过检测过滤材料上下游颗粒介质的浓度，来计算出纤维过滤材料的过滤效率。

图1 过滤材料过滤机理示意图

2.2 测试装置

根据测试原理，本文设计的试验装置主要包括风道系统、模拟雾霾发生装置和测量设备三部分。测试管道截面为620mm×620mm的全密封方形不锈钢管道，管道中的空气流量：（600～6000）m3/h。模拟雾霾发生装置为压缩空气喷雾式气溶胶发生器。测量设备为两台激光粒子计数器，测试粒径范围：（0.2～10）μm，测试流量：2.83L/min。

2.3 测试步骤

在每个阻隔雾霾用纤维复合材料（如防雾霾窗纱）样品中裁取620mm×620mm大小的试样一块，试样应避开疵点、褶皱等缺陷处。按试验装置规定的操作步骤进行测试，在1.5m/s的测试风速下，用两台激光粒子计数器同时测出试样上、下风侧粒径≤2.5µm的粒子计数浓度，试样对气溶胶颗粒的过滤效率即为其上下风侧计数浓度之差与上风侧浓度之比，以百分数（%）表示。

3 结果与讨论

3.1 模拟测试条件建立

3.1.1 主要颗粒介质

过滤效率测试试验用常用的颗粒介质主要包括气溶胶（例如NaCl、KCl、DOP、DEHS、石蜡油等）、氧化铝粉尘、聚苯乙烯乳胶微球、人工模拟尘[2]。雾霾是人类活动向大气排放微小颗粒物质可以分散到大气中形成的固体气溶胶[3]，因此，本试验为模拟雾霾天气环境，选用NaCl固体气溶胶作为试验用颗粒介质。

3.1.2 介质溶液浓度的确定

本文采用压缩空气喷雾式气溶胶发生器产生气溶胶，分别往其注入不同质量浓度的NaCl溶液，然后使用激光粒子计数器进行采样测量，测试结果见图2。刘新春[4]等人的研究指出，在我国北方地区的雾霾天气环境中，大气中的气溶胶粒子主要集中在粒径小于0.65μm范围内，占比约为96%～98.5%。由图2可见，NaCl溶液的质量溶度为5%时，其所产生的气溶胶粒子的粒径分布比最接近刘新春等人的研究监测结果。因此，本试验过程最终选用5%NaCl溶液作为气溶胶颗粒发生介质。

图2 不同质量浓度NaCl溶液产生的气溶胶粒子粒径分布

3.1.3 测试风速的确定

相关研究指出，雾霾天气的出现与静稳天气下空气水平对流的不通畅导致大气气溶胶和气体污染物大量聚集有关[5]，即风力越小，大气中的气溶胶颗粒物越不易扩散。并且，通过随机查阅北京地区2016年12月的部分天气数据，见表1，显示当出现雾霾天气时，风力情况一般小于3级，风速在0.3m/s～3m/s之间。因此，本文将试验中的测试风速设定为1.5m/s。

表1 北京地区空气质量指数和风力

3.2 模拟测试试验结果

从市场随机采集了10批次标识有防雾霾和防PM2.5效果，由纤维复合材料制成的防雾霾窗纱，测试其对PM2.5的过滤效率，试验结果见表2所示。

表2 PM2.5的过滤效率测试结果

按照GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的标准要求，在严重污染天气条件下，若其室内PM2.5日平均浓度符合国家标准要求，其安装的防雾霾窗纱PM2.5过滤效率须在70%以上。由表1可知，本次试验中的10批次样品，都对PM2.5具有过滤效果，但只有两批次样品的PM2.5过滤效率大于70%，达到其宣称的防雾霾和防PM2.5效果。