复合过滤材料性能检测研究

张楝聃，汪 磊，彭明江，刘原宏，黄 丹，李玲龙

(成都工业学院，四川 成都 610031)

1 引言

随着城市化进程加快，空气污染加剧，过滤材料的发展愈发受到大众关注。空气污染物质成分复杂，其中可吸入颗粒物(粒径小于10 μm的颗粒物)在环境空气中持续存在的时间很长，被人体吸入后会积累在呼吸系统中，引发许多疾病，对人类危害大。大量研究表明，熔喷布滤料具有纤维细、空隙多、过滤效率高的特点[1～3]，是口罩、空气净化器/过滤器等产品的重要滤材；而活性炭纤维滤料具有较大的比表面积、吸附脱附速率快、吸附容量大的特点[4～7]，在空气净化领域得到极为广泛的应用[8～10]。

本研究检测了熔喷布与活性炭纤维复合过滤材料及其单层结构对空气中颗粒污染物的去除效果，分析了过滤时间、材料及复合等影响因素对过滤效率和压力损失的影响，对材料性能进行了对比和评价。

2 材料与方法

2.1 主要仪器与试剂

仪器：AS-510型压差计、HT9829型热敏式风速仪、CW-HAT200型颗粒物检测仪等过滤材料性能检测装置(图1)。

图1 过滤材料性能检测装置

滤料：熔喷布(广东某棉厂)、活性炭纤维(山东某环保公司)、熔喷布+活性炭纤维复合材料。

2.2 颗粒物发生源

为了达到更好的拟真效果，颗粒物发生源采用熏香，其释放的颗粒物有超细碳基微粒，以及多环芳香烃、羰基化合物和苯等VOCs气溶胶。其产生的烟尘稳定均匀、较易控制，具有代表性，是本实验较为理想的颗粒物发生源。

2.3 实验方法

2.3.1 准备工作

分别测量各种过滤材料的定量、厚度等物理参数，并进行记录。在实验开始之前，对室内的温度和湿度进行测量并记录，确定发生源位置并记录。检查实验装置、仪表和器材情况，确认其是否符合实验要求。

2.3.2 过滤材料测试

(1)单层过滤材料测试。将所测试的熔喷布、活性炭纤维样品剪裁成合适大小，放置于实验仪器中，并固定好，开启实验装置。根据需要预设风速，通过变频器调整风机转速达到预设风速，在预设风速下进行实验。开始计时，此时t=0，当时间为0、5、10、20、30、40 min时，观察仪器数值并记录下风速、过滤面前后压力差，记录过滤面后方有机气溶胶浓度，计算出过滤效率。

(2)双层过滤材料测试。将所测试的熔喷布、活性炭纤维样品剪裁成合适大小，将需测试的过滤材料放置于实验仪器中，并固定好，开启实验装置。根据需要预设风速，通过变频器调整风机转速达到预设风速，在预设风速下进行实验。开始计时，此时t=0，当时间为0、5、10、20、30、40 min时，观察仪器数值并记录下风速、过滤面前后压力差，记录过滤面后方有机气溶胶浓度，计算出过滤效率。

2.4 分析方法

压差采用压差计测定，风速采用热敏式风速仪测定，PM2.5、PM10颗粒含量采用手持式颗粒物检测仪测定。

3 结果与讨论

3.1 过滤材料的物理参数

从表1可见，活性炭纤维的单位面积定量、厚度均值均高于熔喷布。

表1 各过滤材料的物理参数

3.2 测试材料对不同粒径颗粒物去除效率随时间的变化情况

从图2可见，过滤开始时熔喷布，对PM2.5、PM10颗粒去除率达到90%以上。随着过滤时间的增加，过滤效率维持稳定。分析认为，熔喷布纤维直径较小、孔隙率高，立体三维微过滤结构使其对各粒径颗粒的去除率均较高。对于较大的颗粒，主要通过惯性效应、筛效应、重力沉降效应的综合作用进行去除；对于较小的颗粒，主要通过静电效应、扩散效应的综合作用进行去除。在图2所示实验时间内，过滤效率处于稳定状态，但在更长时间的实验中其效率有所下降。

图2 熔喷布对不同粒径颗粒物去除效率随时间的变化情况

从图3可见，过滤开始时活性炭纤维对PM2.5、PM10颗粒去除率达到50%以上，随着过滤时间的增长，对PM2.5颗粒去除率整体呈下降趋势，而对PM10粒径颗粒的去除率略有下降且趋于平稳。分析认为，由于活性炭纤维直径较大、孔隙较大，使其对各粒径颗粒的去除率具有较大差异。

图3 活性炭纤维对不同粒径颗粒物去除效率随时间的变化情况

(1)对于较大的PM10颗粒，主要通过活性炭纤维惯性效应、筛效应、重力沉降效应的综合作用而去除。5～10 min时，由于颗粒过多的聚集在材料纤维上及纤维间隙中，形成粉尘初层，其筛效应有所提高，去除率小幅提升。10 min后，随着过滤时间的增长，已被阻截的颗粒也会受力脱落，所以其去除率有所降低并趋于稳定状态。

(2)对于PM2.5小粒径颗粒，由于活性炭纤维过滤层具有静电效应、扩散效应和吸附的综合作用，加之活性炭对于吸附小分子物质吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附[11]，因此活性炭纤维对小粒径颗粒具有一定的初始去除率，随着过滤时间的增长，已被阻截的颗粒会受力脱落，已被吸附的颗粒会解吸，两方面原因导致其去除率逐渐降低，而后趋于稳定状态。

从图4可见，过滤开始时熔喷布+活性炭纤维复合材料对各粒径颗粒去除率均达到90%左右，在图4所示实验时间内乃至更长实验时间，其去除率均较高且比较稳定。分析认为，复合滤料多层次过滤纤维对各粒径颗粒的具有较高且持续稳定的去除率。

图4 熔喷布+活性炭复合材料对不同粒径颗粒物去除效率随时间的变化情况

分析认为，对于较大的PM10颗粒，主要由于惯性效应、筛效应、重力沉降效应的综合作用而去除；对于PM2.5颗粒，主要由于静电效应、扩散效应、吸附的综合作用而去除。从整体来看，熔喷布+活性炭纤维复合材料对各粒径颗粒物去除率均有小幅度上升。主要是由于两种滤料的堆积、纤维相互层叠在一起，使扩散效应、拦截效应、惯性效应、筛效应作用更加明显，增大了容尘量，过滤性能更能持久。

综上所述，过滤时间的长短对滤料去除率有较明显的影响。单层滤料对各粒径的综合去除率均随时间增长而略有下降，而熔喷布+活性炭复合材料整体上看，对各粒径去除率随时间增长而比较稳定。

3.3 测试材料过滤阻力随时间的变化情况

从图5可见，熔喷布作滤料时过滤阻力整体呈现上升的趋势。分析认为，5～10 min时，可能由于气流不稳定，所以压差略有减少。10～40 min时，过滤时间越长熔喷布上被截留的颗粒物越多，所以压差又开始逐渐上升，且上升加速度逐渐降低，40 min达到最高并趋于稳定。

图5 3种材料过滤阻力随时间的变化情况

从图5可见，活性炭纤维作滤料时前后压差整体变化不大。分析认为，这与活性炭纤维较大的孔径和孔隙率有关，小粒径颗粒的截留对其阻力变化影响不明显。熔喷布+活性炭纤维复合材料作滤料时前后压差整体呈现上升趋势。分析认为，5～10 min时，由于气流不稳定所以压差略有减少。10～15 min时，越来越多的颗粒物被吸附到了滤料上，滤料内的孔隙减少，压差越来越大，15～30 min时，压差变化平缓，30 min后又逐渐上升，最终压差升至160 Pa左右。

综上所述，活性炭纤维的压阻明显比熔喷布的压阻小，两种材料组成的复合滤料压阻达到160 Pa左右。过滤材料层级越多，纤维孔径越小，气流通过纤维层时，需要克服的纤维阻力就越大，导致了过滤阻力的增大，压阻也就更高。

3.4 不同过滤材料性能比较分析

活性炭纤维、熔喷布和熔喷布+活性炭3种材料中，活性炭纤维由于其较大的孔径和孔隙率，对于小粒径颗粒的去除效果较差，其性能更多体现在于对气态分子的吸附上，单独使用过滤效果并不好。故以下主要对熔喷布和熔喷布+活性炭两种材料的过滤性能进行对比。

从图6可见，由于实验时气溶胶发生源的波动，单层滤料各粒径的进口浓度高于复合滤料，这可能是导致实验结果中效率计算差异性的原因，使其对PM2.5、PM10粒径颗粒物的去除率略微高一点。但如果从出口浓度来看，熔喷布+活性炭材料净化各粒径颗粒物的出口浓度均低于熔喷布，达到了更好的净化效果。复合材料具有比单层材料更高的性能，此外复合材料还可吸附净化空气中的气态污染物，这也是单层熔喷布材料不能实现的。

图6 熔喷布和熔喷布+活性炭进出口平均浓度对比

从图7可见，由于熔喷布的孔隙率较小所以过滤阻力相对较高，而活性炭纤维的孔隙率较大所以其过滤阻力相对较低。熔喷布+活性炭纤维复合滤料由于其多层复合结构，过滤阻力也较高。

图7 3种过滤材料过滤阻力比较

综上认为，复合材料相较于单层材料具有更好的去除效果，过滤阻力有一定增加但不明显。

4 结论

通过3种材料过滤效率随时间变化，压损变化，过滤效率和压损性能对此，有如下结论：

(1)过滤时间的长短对滤料去除率有较明显的影响。单层滤料特别是活性炭纤维对各粒径的去除率随时间增长有一定下降，而熔喷布+活性炭复合材料整体上看，对各粒径去除率随时间增长而比较稳定。体现了多层复合材料更大的容尘量和更长的使用寿命。

(2)多层复合材料的压损大于熔喷布。而熔喷布压损大于活性炭纤维，说明过滤材料层级越多，纤维孔径越小，气流通过纤维层时，需要克服的纤维阻力就越大，导致了过滤阻力的增大，压阻也就更高。

(3)复合材料的净化效果优于单层材料，过滤阻力有一定增加但不明显，容尘量和使用寿命得到一定提升，其过滤性能相对单层材料具有一定的比较优势。