气溶胶纤维过滤技术研究综述

2019-12-06朱中奎张爱利范瑞华常玉锋

江汉大学学报（自然科学版） 2019年6期

朱中奎，张爱利，范瑞华，常玉锋，石零

（1.江汉大学工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北武汉 430056；2.天津东方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

0 引言

气溶胶是分散在气体中的固体或液体粒子，由于气溶胶粒子能长时间悬浮于大气中，其累积到一定浓度时则出现雾霾天气，以致大气环境质量恶化，从而危害人类健康［1-2］。

近年来，雾霾天气在我国大部分地区高频季节性发生，引起了国家高度重视。国家连续发布了多项大气污染防治的法律法规。2013年发布了大气污染治理行动计划（大气十条），2016年又在全国实施了新的《大气污染防治法》，2017年两会提出了“打赢蓝天保卫战”的号召，紧接着2018年又发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》。在国家连续颁布实施严格的环保法规背景下，作为大气环境质量改善的重要支撑技术——纤维过滤技术受到广泛关注。

在纤维过滤过程中，气溶胶粒子、气体和过滤介质3 个因素对过滤效率均有影响，且机制复杂，涉及气溶胶物理学、气溶胶计量学、流体力学、物理化学等学科［3-4］。综合研究纤维过滤技术的过滤机理、过滤过程、开发新型过滤材料，对拓宽过滤技术的应用范围及气溶胶粒子的净化有重要意义。

1 纤维过滤技术的过滤机制及特征参数

1.1 气流和粒子绕流运动

在纤维过滤过程中，含尘气流以垂直于圆柱的方式流经圆柱时，气流和粒子做圆柱绕流运动（见图1）。在绕流运动过程中，气流中的粒子一方面在惯性力、热泳力、扩散、静电力等外力的作用下停留在圆柱体纤维表面上，称为捕集；一方面在气流的拖拽力作用下跟随气流绕过圆柱体纤维，称为逃逸。

图1 含尘气流绕柱流运动Fig.1 Picture of dust-laden air flow around a cylinder fiber

气溶胶粒子的过滤机制（捕集）的研究始于气流绕孤立圆柱体（纤维）的运动，气溶胶粒子的运动方程［3-4］可表示为

式中，FD表示气流阻力，N；C表示阻力系数，无量纲；Ap表示气溶胶粒子在来流方向上的投影面积，m2；ρ表示气体密度，kg/m3；u表示气流速度，m/s；v表示粒子速度，m/s，m表示粒子质量，kg；F表示外力，N。

圆柱体（纤维）周围的流场，尤其是近纤维的流场对气溶胶粒子的捕集起着非常重要的作用。对于无黏性、不可压且垂直纤维的二维无限长圆柱体无旋绕流，柱坐标下速度分布［4-5］可表示为

式中，vr表示径向速度，m/s；v0表示来流速度，m/s；rf表示纤维半径，m；r表示极径，m；vθ表示切向速度，rad/s；θ表示极角，rad。

基于上述气溶胶粒子的绕流运动方程和圆柱体的流场方程，结合粒子流态和流体性质，用欧拉法耦合圆柱体周围流场及气溶胶粒子的运动，则可确定气溶胶粒子捕集概率——效率。

1.2 空气介质和粒子运动关键参数

气溶胶粒子是跟随气流运动还是停留在圆柱体表面上，由粒子的特征参数和气流的特征参数决定。

携带气溶胶粒子的介质（空气）对气溶胶粒子的运动行为起着重要作用，它限制气溶胶粒子的随机运动和运动速度。利用气体动力学或流体动力学研究气溶胶粒子的运动规律前，必需确认空气介质的连续性以及粒子大小与介质分子的可比性，因为不同粒径的粒子所遵循的空气动力学规律是不同的。

气溶胶力学研究有一个空气介质的连续性假设，然而当气溶胶粒子的直径很小时，连续性假设不成立。介质连续性判断的准则是克努森数（Knudsen number，Kn）［6］，可表示为

式中，λ是气体分子的平均自由程其中d表示气体分子直径，m，dp是粒子直径，m。

平均自由程和克努森数揭示了气溶胶粒子尤其是小粒子（直径＜1 μm）受介质分子碰撞的影响。当粒子直径小于1 μm 时，粒子主要受单个气体分子碰撞，其运动与气流有关，但却由气体分子决定。

气溶胶粒子是否被捕集还与表征其运动状态的雷诺数、粒子在相应力场中的特征参数有关［6］。其中粒子雷诺数（Rep）可用（1）式表示，而粒子在相应力场中的特征参数可用驰豫时间（τ）表达式（2）表示，即

式中，μ表示气体动力黏性系数，Pa·s。

1.3 过滤机制

气溶胶粒子通过过滤介质被纤维捕集的作用机制有5 种效应（见表1），分别为拦截、碰撞、扩散、重力和静电效应。在捕集过程中，大尺度粒子拦截效应占优，小尺度粒子扩散效应明显，而粒子在大惯性条件下碰撞效应起显著作用［7-8］。气溶胶粒子的过滤捕集机制中的重力效应只在粒子密度大、颗粒大、气流速度低时才明显，尽管静电效应在过滤机制中可能是一种重要的机制，但是由于粉尘和纤维的荷电量定量难，且带电量也不稳定，在非人为干预下带电量消失为0。基于这些因素，气溶胶粒子在纤维过滤过程中主要有拦截、碰撞、扩散3 种捕集效应。

表1 过滤机制及特征参数表［7-8］Tab.1 Filtration mechanism and characteristic parameters

由于气流绕流流动和粒子运动的复杂性，且区分单效应作用较困难，表1中仅给出了某些特殊条件下的单效应效率公式。在这些机制综合作用下单纤维的分级净化效率趋势曲线呈现图2所示的特征。在整个粒子直径范围内，粒子直径越小（直径＜0.1 μm），扩散效应越明显，而拦截和碰撞效应较弱，所以扩散效应对小粒子直径的去除率越高，随粒子直径增加（直径＞0.3 μm），扩散效应变弱，拦截和碰撞效应变强，粒子的去除则由拦截和碰撞效应去除，且直径越大拦截和碰撞效应去除率越大。粒径在0.1～0.3 μm 间的粒子效率较小，原因可能是在该粒径范围内，对于扩散效应来说粒径太大，而对于拦截和碰撞效应来说粒径又太小。

图2 孤立纤维过滤净化效率随粒径演变趋势图Fig.2 Trend chart of separate fiber filtration purification efficiency with particle size

在过滤过程中纤维过滤效率并不是简单的各效应叠加，而是按独立事件捕集概率的方式起作用，所以纤维过滤过程中各机制共同作用的总效率（η）［9］可表示为

式中，ηi表示单效应效率，%。

2 纤维过滤技术的过滤介质和过滤过程

2.1 过滤介质

气溶胶过滤介质广泛应用在工业过滤装置和民用空气净化产品中，这些产品中的过滤部件通常由过滤介质按应用需求设计而成。多纤维通过平纹织法、斜纹织法、缎纹织法、针刺毡织工艺形成具有一定厚度、孔洞随机分布的过滤介质。纤维过滤介质由基质纤维采用合适的技术手段制造成具有相当孔隙比的网状结构的过滤基本单元，其类别主要有纺织过滤材料、无纺过滤材料、覆膜过滤材料［10］。图3是纤维过滤介质的表面和断面SEM 照片［7］。

图3 滤料的 SEM 照片［7，10］Fig.3 SEM photographs of filter media

过滤介质单位面积的质量、纤维直径、填充密度（packing density）、厚度、空隙率、透气率、耐温、断裂强度、延伸率和材质等是工程常用的滤料指标参数，这些指标不仅决定着渗透率（效率），也决定着气流通过的压力损失和过滤介质的使用寿命。

气流中的颗粒以一定的速度通过过滤器的过程中，会有一定量的颗粒撞击在过滤介质的表面，这种由气流通过过滤介质实现气-固分离的过程有以下3 个步骤［11］:

1）颗粒到达清洁过滤介质的表面，并停留在过滤介质的表面——深层过滤；

2）停留在过滤介质表面的粒子随时间的延续，进入过滤介质的深部，过滤介质的表面停留更多的颗粒，形成颗粒层——过渡转变区；

3）随时间的延续，随后到达的颗粒停留在颗粒层的迎风面，颗粒层进一步变厚——表面过滤。

所以，整个过滤过程是一个从清洁滤料到表面覆盖粉尘的深层过滤到表面过滤的过程，由此可见上述从清洁滤料到滤料负载粉尘的压力损失演变呈现3 个阶段（见图4）。Ⅰ区是压力损失的线性区，Ⅱ区是压力增加的非线性过渡区，Ⅲ区是表面压力损失线性缓增区。

图4 过滤介质压力演变图Fig.4 Pressure evolution diagram of filter media

2.2 过滤过程的压力演变

含尘气流通过滤料时，滤料两侧的总压差（PT）由气流通过粉尘层的压差（ΔPf）和气流通过滤料层的压差（ΔP0）构成，可表示为

气流无论是通过粉尘层的压差还是通过滤料层的压差，均与气流流经的长度、流体黏度、渗透率和气流通过的速度、过滤媒介的填充率、气流方向有关［11-13］。在准稳态的条件下，过滤的压力损失有通道理论和拖曳理论两大理论，通道理论的压力损失用Darcy′s 表达式（3）表示，即

式中，x表示粉尘层的厚度或滤料厚度，m；v表示气流表面速度，m/s；μg表示气体的粘性系数，无量纲；K表示滤料的渗透率。

拖曳理论的提出者Emersleben O.认为过滤媒介空隙边缘内壁是产生阻力、阻碍气流流动的主要因素［13］，拖曳理论压力损失可用公式（4）表示，即

式中，α表示纤维体积比，无量纲；di表示纤维直径，m；gc表示转换系数，无量纲；CDαi表示拖曳系数，无量纲。

2.3 过滤器性能参数

纤维滤料能够有效地发挥作用主要依靠良好的过滤设备的设计和运行，评价过滤设备的指标有以下3 个。

1）过滤效率和渗透率

纤维过滤总效率在单个纤维扩散、拦截、碰撞、静电等效应综合作用的基础上还增加了筛分效应。由于非编织纤维过滤介质空隙分布的随机性和纤维排列的随机性，很难准确地用结构化排列圆柱体来描述其过滤效率，通常认为所有单个纤维过滤叠加的总效率（ηT）［3］可表示为

式中，ηi表示单个纤维过滤效应的效率，%；α（packing density，常数）表示单位体积滤料内的纤维充填率；Lf表示纤维长度，m；df表示纤维直径，m。

渗透率是气溶胶粒子通过滤料量与入流气溶胶粒子总量的比值，气溶胶粒子的透过率与过滤效率之和为1。

2）压力损失

由于工业过程是连续性的，停留在过滤介质表面的颗粒需定时或定压差清灰，于是连续过程的过滤介质压差呈现周期性［14］，图5给出了工业烟尘污染控制湖北省重点实验室实测的滤料周期性喷吹的压力损失特征的变化图，其结果也显示过滤过程的压力变化呈现周期性变化。

图5 定时清灰压力变化图Fig.5 Evolution diagram of timing ash cleaning pressure

3）过滤风速（气布比）

气布比是过滤式除尘器的一个重要的技术参数和经济参数，表示袋式除尘器处理气体量与过滤总面积之比。气布比对收集效率有重要影响，也决定过滤式除尘器的体积、功耗。在当前细粒子排放标准的要求下，适当降低过滤风速是一种可能选项。

从技术和经济性能上讲，性能良好的过滤器表现在有大烟气净化量、高效率、低压力损失和占地面积小等特点。然而，这些指标值间大小不一致，难以统一。为取得过滤器良好的技术经济效能，建议选取过滤风速这个关键参数作为评价指标，来达到效率、压力损失、有效过滤面积三者间的优化。

在实际设计过程中，为满足高效率的要求，选择降低过滤风速，不仅可以提高效率也可以降低压力损失，然而过滤风速降低却导致过滤面积和除尘器体积的增加，进而使投资成本增加。气溶胶粒子的过滤不仅要在效率、压力损失、有效过滤面积间保持平衡，也要在效率、处理量和气布比间保持平衡，这几个量间的关联也是通过降低过滤风速来提高效率，但这会使相同体积下的过滤处理体积量减小。所以过滤风速的设计选择需认真对待。

3 过滤新技术

随着理论和技术的进一步发展，离心过滤、覆膜过滤、静电过滤等新过滤技术随之出现［15-19］。离心过滤技术与传统技术比较，通过使原来静止的过滤部件旋转产生离心力，其机制是在拦截、碰撞等基础上增加了离心效应，离心力的导入也使气溶胶粒子的迁移速度降低，进而提高了效率［8，15］。

覆膜过滤技术是在传统过滤基材的基础上覆盖一层膜材料的新型过滤材料。从LIU［16］等的研究来看，亚微米气溶胶颗粒的粒径分布范围很广，粒径的大小一般在l0-3～1 μm 量级，覆膜过滤技术能够实现亚微米粒子的高效净化，并使清灰更加容易。覆膜过滤的显著特征是将过滤过程的深层过滤进行了简化，不仅可实现亚微米气溶胶颗粒接近于零排放，同时由于其薄膜不黏性、摩擦系数小等优势，粉饼会在过滤过程中自动脱落，确保了设备长期稳定［17-18］。

静电过滤的机制是在气溶胶粒子随气流到达滤料表面时，气溶胶粒子带电，这样形成滤料纤维表面的粉尘间具有静电力作用，于是气溶胶粒子间间隙增加，气流通过滤料时压力损失减小，同时在纤维表面形成了电场，也可以提高气溶胶粒子的净化效率［19-20］。静电过滤的显著特征是融合了传统的过滤技术和静电技术来提高效率，可以针对亚微米甚至纳米级的细微颗粒物来进行拦截，更好满足人们对高效过滤的要求。目前，静电纺丝技术是制备超细纳米纤维最常用的方法之一。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜因纤维直径小、比表面积大、孔隙率高等优点，在高效空气过滤材料的应用中显现出优异的性能，因此成为空气过滤领域的研究重点［21］。