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空氣過(guò)濾器技術(shù)之談

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  ◆空氣過(guò)濾器技術(shù)之談◆

  --------------氣濾技術(shù)評述(上)

  1.概述

  空氣過(guò)濾即氣濾,是指將空氣中的污染粒子接近完全地去除。它比空氣凈化又進(jìn)一步,空氣凈化適 用于許多工業(yè)過(guò)程中對污染空氣的處理要求不太嚴格的場(chǎng)合[1]??諝膺^(guò)濾技術(shù)是近百年來(lái)隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和現代化工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的一門(mén)綜合技術(shù),它是指 應用空氣凈化設備控制粉塵微粒的污染或通過(guò)空氣循環(huán)過(guò)濾將空氣的懸浮顆粒物捕集,以保護環(huán)境及人類(lèi)的身體健康,它在空調、通風(fēng)除塵及其它領(lǐng)域得到了廣泛應 用。

  近年來(lái),空氣過(guò)濾技術(shù)在濾料的研制及開(kāi)發(fā)、過(guò)濾機理的研究及過(guò)濾設備的開(kāi)發(fā)與應用方面取得了較大的發(fā)展。本文主要介紹了近幾年來(lái)國內外空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展狀況及取得的成果,提出了空氣過(guò)濾技術(shù)的研究及發(fā)展有待解決的問(wèn)題。

  2.濾料及過(guò)濾器的研究與發(fā)展

  2.1我國濾料及過(guò)濾器的發(fā)展應用

  濾料是可將分散于彌散的流體中的固體顆料分離出來(lái)的多孔材料,彌散的流體可以是氣體或液體。濾料的種類(lèi)有纖維濾料、微孔濾膜及覆膜濾料。濾料決 定著(zhù)過(guò)濾過(guò)程的效果和效益,它的發(fā)展決定著(zhù)空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展。它廣泛地應用于室內、外空氣質(zhì)量品質(zhì)的控制。此外,在空調的新風(fēng)過(guò)濾、循環(huán)空氣的處理及利 用方面以及環(huán)境保護、機械、電力、煤炭、陶瓷、化工、醫藥、輕工、化肥、農藥、糧食加工、港口運輸、交通筑路等各行各業(yè)都需廣泛使用過(guò)濾技術(shù)和合纖濾料。

  我國濾料生產(chǎn)發(fā)展迅速。20世紀50年代初,我國還沒(méi)有濾料生產(chǎn)廠(chǎng),市場(chǎng)上也沒(méi)有專(zhuān)用的濾料產(chǎn)品;60年代逐步將化纖紡織品作為過(guò)濾介質(zhì),應用 到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中,滿(mǎn)足不同行業(yè)的需要,作各種不同用途的過(guò)濾材料制成的化纖過(guò)濾布具有耐酸、耐堿、高強力、纖維光潔等特性;70年代未,國產(chǎn)濾料208 滌綸絨布的誕生為過(guò)濾技術(shù)推廣應用提供了第一1批濾料;80年代又仿照日本產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了729聚酯機織濾料,并專(zhuān)為過(guò)濾除塵的需要研制出針刺氈濾料,提高了 袋式除塵器的濾塵效率;90年代中期,我國科技人員開(kāi)發(fā)成功覆膜濾料,即采用特殊工藝,將聚四氟乙烯微孔薄膜復合在機織布、非織造布濾料或玻璃纖維濾料 上,該濾料過(guò)濾時(shí)形成一次粉塵層,實(shí)現了表面過(guò)濾,為高效低阻和節能提供了優(yōu)質(zhì)過(guò)濾材料[2,3]。

  目前濾料的發(fā)展趨勢是:(1)由二維結構的機織過(guò)濾布向三維結構的非織造過(guò)濾布發(fā)展,由短纖纖化機織過(guò)濾布向長(cháng)絲過(guò)濾布發(fā)展,由復絲加捻過(guò)濾布向單絲過(guò)濾布發(fā)展;(2)由常規化纖過(guò)濾布向高性能、多功能、高質(zhì)量的過(guò)濾布發(fā)展,由合纖濾料向覆膜濾料發(fā)展[4]。

  目前,我國多數合纖濾料生產(chǎn)企業(yè)后整理和復合設備還不夠完善,產(chǎn)品的品種和性能開(kāi)發(fā)受到一定限制,一些特殊用途的濾料不得不依靠進(jìn)口。今后應對現有濾料進(jìn)行后整理,并應用復合工藝技術(shù),研制開(kāi)發(fā)新型濾料,提高國產(chǎn)濾料的性能,形成針對性和適用性強的產(chǎn)品。

  空氣過(guò)濾技術(shù)是通過(guò)將濾料制成不同形式的過(guò)濾器實(shí)現空氣過(guò)濾。為增加過(guò)濾器有效面積、優(yōu)化過(guò)濾性能,空氣過(guò)濾器的結構形式已由原單一的單板形發(fā) 展到褶狀板形或筒形、長(cháng)圓柱形、堆疊圓盤(pán)形及矩陣形[5]。國產(chǎn)高效過(guò)濾器*早誕生于1964年。20世紀80年代初,國外過(guò)濾器開(kāi)始進(jìn)入我國,它促進(jìn)了 國產(chǎn)過(guò)濾器的發(fā)展。近年來(lái),國內已開(kāi)始研究國產(chǎn)駐極體靜電空氣過(guò)濾器[6]。所謂駐極體是指能長(cháng)期儲存電荷的電解質(zhì)材料,即采用一些方法使纖維長(cháng)期具有電 荷,利用靜電捕集機理提高過(guò)濾器捕集效率。目前,國產(chǎn)過(guò)濾器的生產(chǎn)存在生產(chǎn)標準和檢測標準不統一、效率測試方法不嚴格、產(chǎn)品規格花樣繁多及尺寸不統一等問(wèn) 題;同時(shí),在微電子及精密機械行業(yè),高效過(guò)濾器的凈化效果已無(wú)法滿(mǎn)足要求[7],國產(chǎn)亞高效、超高效過(guò)濾器有待開(kāi)發(fā)。這些問(wèn)題需采用規范管理及增加研究投 入的辦法來(lái)進(jìn)一步地加以完善解決。目前空氣過(guò)濾器常應用于住宅、辦公、商業(yè)及工業(yè)建筑的潔凈室、HVAC系統、激光外科手術(shù)室、空調器等場(chǎng)合。

  2.2國外濾料及過(guò)濾器發(fā)展狀況

  國外過(guò)濾材料開(kāi)發(fā)的新動(dòng)向為:向非織造布過(guò)濾材料、復合膜技術(shù)的過(guò)濾材料發(fā)展,向采用高技術(shù)、高性能的玻璃纖維、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等材料開(kāi)發(fā)多功能的過(guò)濾材料發(fā)展[4]。

  國外對過(guò)濾材料的研究生產(chǎn)應用,已形成一個(gè)較完整的系統。每個(gè)濾布材料性能,如通氣性能、強度、截留粒子能力等,都有一套完整的測試和試驗手 段。采用新材料開(kāi)發(fā)的濾布不斷增加。為了減少清灰阻力,國外已從織布類(lèi)濾料開(kāi)始向纖維柵類(lèi)濾料過(guò)渡。纖維柵類(lèi)濾料是將長(cháng)纖維上下縱向布置形成一根根的柵黎明液壓濾芯欄,當一層柵欄過(guò)濾效果不理想時(shí),再加另一層柵欄,直至達到理想的過(guò)濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過(guò)濾性能、降低成本、延長(cháng)使用壽命,將細直徑的玻璃纖 維與耐高溫的合成纖維優(yōu)勢互補,制成復合針刺氈濾料。

  近年來(lái),隨著(zhù)高科技的介入、紡織新材料的發(fā)展,國外過(guò)濾技術(shù)已向醫療、新材料提取等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。

  在空氣過(guò)濾器發(fā)展方面,近年來(lái),駐極體靜電空氣過(guò)濾器為國外應用較多的高性能空氣過(guò)濾器。一些發(fā)達國家如美、日等國,前幾年已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出采用 64MD級別以上半導體元件、空氣過(guò)濾效率達99.999999%(0.12~0.17μm)以上的超高效空氣過(guò)濾器。國內企業(yè)在這方面與國外有很大差 距。

  ---------------空氣過(guò)濾器技術(shù)評述(下)

  3.空氣過(guò)濾理論的研究與發(fā)展

  空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)空氣過(guò)濾理論的研究與發(fā)展。過(guò)濾理論特別是空氣過(guò)濾理論的研究早在19世紀已經(jīng)開(kāi)始,而空氣過(guò)濾器的研制與發(fā)展只有20多年的歷史,過(guò)濾理論由早期的經(jīng)典過(guò)濾理論發(fā)展到現代過(guò)濾理論及微孔過(guò)濾理論。

  對微細顆粒運動(dòng)規律的*早認識是在19世紀初期,當時(shí)植物學(xué)家Brown觀(guān)察了微細顆粒懸浮在液體中的運動(dòng)(即布朗運動(dòng));1922 年,Freundlich發(fā)展了對氣溶膠過(guò)濾規律的認識,提出在0.1~0.2μm半徑范圍內氣溶膠顆粒存在*大滲透率;1931年,Albrecht率 先對氣流通過(guò)單一圓柱纖維運動(dòng)進(jìn)行了研究,建立了Albrecht理論,隨后Sell對其進(jìn)行了必要的改進(jìn)[8]。

  1936年,Kaufmann首先把布朗運動(dòng)和慣性沉淀的概念一同應用到纖維過(guò)濾理論中,推導出過(guò)濾作用的數學(xué)公式;1942年,Langmuir[9]繼續對過(guò)濾理論進(jìn)行研究,認為過(guò)濾是截留和擴散的集合及慣性粒子在過(guò)濾纖維上的沉淀是可以忽略的。

  1952年,Davies[10]把擴散、截留和慣性3種機制結合起來(lái)并用公式表示出來(lái),從而建立了新的過(guò)濾理論——孤立纖維理論;1958年 Friedlander[11]及1967年Yoshioka[12]發(fā)展了獨立纖維理論,他們對較大雷諾數情況下顆粒的慣性、擴散沉積及重力效應和過(guò)濾 器阻塞現象進(jìn)行了研究和總結;1967年,Pickaar和Clarenburg試圖提出一個(gè)纖維過(guò)濾器微孔結構的數學(xué)理論;1987年P(guān)ich及 1993年Brown在其專(zhuān)著(zhù)中描述了過(guò)濾理論的*新發(fā)展。

  早期的經(jīng)典過(guò)濾理論主要以單一纖維模型為基礎,認為過(guò)濾效率由3種機制決定:慣性效應、截留效應、擴散效應。整個(gè)顆粒的捕集依靠多種捕集機理的聯(lián)合作用。

  現代過(guò)濾理論證明了慣性沉淀的正確性和*大穿透力粒子的存在,認為過(guò)濾效率是截留效應、布朗擴散效應、重力效應、沉淀效應與壓力效應的集合;過(guò) 濾過(guò)程中可能存在的機理有攔截、慣性碰撞、擴散、靜電效應、庫侖吸引一排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?,F代過(guò)濾理論中具有代表性的是Davies的 過(guò)濾理論與Kuwarbara的流場(chǎng)分布。

  1992年,Payet、Gougeon和Attoui[14]考慮了氣體在單一纖維上的滑動(dòng),對經(jīng)典理論引入修正系數,使得理論與實(shí)驗數據更 好地吻合。1995年,Rosnert[12]提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規則的分布和常常形成樹(shù)枝狀結構為特征,建立了*進(jìn)改善的理論和顆粒在 單一纖維體上的空間分布。利用此理論和計算程序可預測顆粒的沉積。

  2001年,Thomas等[14]對過(guò)濾器在產(chǎn)生阻塞的情況下進(jìn)行了空氣過(guò)濾的理論與實(shí)驗研究,提出了過(guò)濾器在濾餅存在的情況下,過(guò)濾效率及 壓力損失的計算模型。近幾年來(lái),國外許多學(xué)者對空氣過(guò)濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機理進(jìn)行了理論實(shí)驗及模擬研究,取得了一定的成果。

  4.結語(yǔ)

  過(guò)濾理論的研究目前尚不完善,國內有關(guān)過(guò)濾機理的研究文獻很少。不同結構過(guò)濾器的捕集效率和壓力損失的理論計算,空氣及多分散顆粒分布參數對捕 集效率及壓力損失的影響,過(guò)濾器的負荷特性對捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結構特性對捕集效率及壓力損失的影響等問(wèn)題,都有待研究解決。因此,過(guò)濾理 論的進(jìn)一步研究對空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。


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