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空氣過濾器技術之談

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  ◆空氣過濾器技術之談◆

  --------------氣濾技術評述(上)

  1.概述

  空氣過濾即氣濾,是指將空氣中的汙染粒子接近完全地去除。它比空氣淨化又進一步,空氣淨化適 用於許多工業過程中對汙染空氣的處理要求不太嚴格的場合[1]。空氣過濾技術是近百年來隨著科學技術和現代化工業的發展而逐步形成的一門綜合技術,它是指 應用空氣淨化設備控製粉塵微粒的汙染或通過空氣循環過濾將空氣的懸浮顆粒物捕集,以保護環境及人類的身體健康,它在空調、通風除塵及其它領域得到了廣泛應 用。

  近年來,空氣過濾技術在濾料的研製及開發、過濾機理的研究及過濾設備的開發與應用方麵取得了較大的發展。本文主要介紹了近幾年來國內外空氣過濾技術的發展狀況及取得的成果,提出了空氣過濾技術的研究及發展有待解決的問題。

  2.濾料及過濾器的研究與發展

  2.1我國濾料及過濾器的發展應用

  濾料是可將分散於彌散的流體中的固體顆料分離出來的多孔材料,彌散的流體可以是氣體或液體。濾料的種類有纖維濾料、微孔濾膜及覆膜濾料。濾料決 定著過濾過程的效果和效益,它的發展決定著空氣過濾技術的發展。它廣泛地應用於室內、外空氣質量品質的控製。此外,在空調的新風過濾、循環空氣的處理及利 用方麵以及環境保護、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、交通築路等各行各業都需廣泛使用過濾技術和合纖濾料。

  我國濾料生產發展迅速。20世紀50年代初,我國還沒有濾料生產廠,市場上也沒有專用的濾料產品;60年代逐步將化纖紡織品作為過濾介質,應用 到工業各個領域中,滿足不同行業的需要,作各種不同用途的過濾材料製成的化纖過濾布具有耐酸、耐堿、高強力、纖維光潔等特性;70年代未,國產濾料208 滌綸絨布的誕生為過濾技術推廣應用提供了第一1批濾料;80年代又仿照日本產品開發了729聚酯機織濾料,並專為過濾除塵的需要研製出針刺氈濾料,提高了 袋式除塵器的濾塵效率;90年代中期,我國科技人員開發成功覆膜濾料,即采用特殊工藝,將聚四氟乙烯微孔薄膜複合在機織布、非織造布濾料或玻璃纖維濾料 上,該濾料過濾時形成一次粉塵層,實現了表麵過濾,為高效低阻和節能提供了優質過濾材料[2,3]。

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

  目前,我國多數合纖濾料生產企業後整理和複合設備還不夠完善,產品的品種和性能開發受到一定限製,一些特殊用途的濾料不得不依靠進口。今後應對現有濾料進行後整理,並應用複合工藝技術,研製開發新型濾料,提高國產濾料的性能,形成針對性和適用性強的產品。

  空氣過濾技術是通過將濾料製成不同形式的過濾器實現空氣過濾。為增加過濾器有效麵積、優化過濾性能,空氣過濾器的結構形式已由原單一的單板形發 展到褶狀板形或筒形、長圓柱形、堆疊圓盤形及矩陣形[5]。國產高效過濾器最早誕生於1964年。20世紀80年代初,國外過濾器開始進入我國,它促進了 國產過濾器的發展。近年來,國內已開始研究國產駐極體靜電空氣過濾器[6]。所謂駐極體是指能長期儲存電荷的電解質材料,即采用一些方法使纖維長期具有電 荷,利用靜電捕集機理提高過濾器捕集效率。目前,國產過濾器的生產存在生產標準和檢測標準不統一、效率測試方法不嚴格、產品規格花樣繁多及尺寸不統一等問 題;同時,在微電子及精密機械行業,高效過濾器的淨化效果已無法滿足要求[7],國產亞高效、超高效過濾器有待開發。這些問題需采用規範管理及增加研究投 入的辦法來進一步地加以完善解決。目前空氣過濾器常應用於住宅、辦公、商業及工業建築的潔淨室、HVAC係統、激光外科手術室、空調器等場合。

  2.2國外濾料及過濾器發展狀況

  國外過濾材料開發的新動向為:向非織造布過濾材料、複合膜技術的過濾材料發展,向采用高技術、高性能的玻璃纖維、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等材料開發多功能的過濾材料發展[4]。

  國外對過濾材料的研究生產應用,已形成一個較完整的係統。每個濾布材料性能,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。采用新材料開發的濾布不斷增加。為了減少清灰阻力,國外已從織布類濾料開始向纖維柵類濾料過渡。纖維柵類濾料是將長纖維上下縱向布置形成一根根的柵黎明液壓濾芯欄,當一層柵欄過濾效果不理想時,再加另一層柵欄,直至達到理想的過濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過濾性能、降低成本、延長使用壽命,將細直徑的玻璃纖 維與耐高溫的合成纖維優勢互補,製成複合針刺氈濾料。

  近年來,隨著高科技的介入、紡織新材料的發展,國外過濾技術已向醫療、新材料提取等高新技術領域發展。

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

  ---------------空氣過濾器技術評述(下)

  3.空氣過濾理論的研究與發展

  空氣過濾技術的發展離不開空氣過濾理論的研究與發展。過濾理論特別是空氣過濾理論的研究早在19世紀已經開始,而空氣過濾器的研製與發展隻有20多年的曆史,過濾理論由早期的經典過濾理論發展到現代過濾理論及微孔過濾理論。

  對微細顆粒運動規律的最早認識是在19世紀初期,當時植物學家Brown觀察了微細顆粒懸浮在液體中的運動(即布朗運動);1922 年,Freundlich發展了對氣溶膠過濾規律的認識,提出在0.1~0.2μm半徑範圍內氣溶膠顆粒存在最大滲透率;1931年,Albrecht率 先對氣流通過單一圓柱纖維運動進行了研究,建立了Albrecht理論,隨後Sell對其進行了必要的改進[8]。

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

  1952年,Davies[10]把擴散、截留和慣性3種機製結合起來並用公式表示出來,從而建立了新的過濾理論——孤立纖維理論;1958年 Friedlander[11]及1967年Yoshioka[12]發展了獨立纖維理論,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濾 器阻塞現象進行了研究和總結;1967年,Pickaar和Clarenburg試圖提出一個纖維過濾器微孔結構的數學理論;1987年Pich及 1993年Brown在其專著中描述了過濾理論的最新發展。

  早期的經典過濾理論主要以單一纖維模型為基礎,認為過濾效率由3種機製決定:慣性效應、截留效應、擴散效應。整個顆粒的捕集依靠多種捕集機理的聯合作用。

  現代過濾理論證明了慣性沉澱的正確性和最大穿透力粒子的存在,認為過濾效率是截留效應、布朗擴散效應、重力效應、沉澱效應與壓力效應的集合;過 濾過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、電泳力及沉澱(重力)。現代過濾理論中具有代表性的是Davies的 過濾理論與Kuwarbara的流場分布。

  1992年,Payet、Gougeon和Attoui[14]考慮了氣體在單一纖維上的滑動,對經典理論引入修正係數,使得理論與實驗數據更 好地吻合。1995年,Rosnert[12]提出分散在單一纖維體表麵的顆粒以不規則的分布和常常形成樹枝狀結構為特征,建立了最進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]對過濾器在產生阻塞的情況下進行了空氣過濾的理論與實驗研究,提出了過濾器在濾餅存在的情況下,過濾效率及 壓力損失的計算模型。近幾年來,國外許多學者對空氣過濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機理進行了理論實驗及模擬研究,取得了一定的成果。

  4.結語

  過濾理論的研究目前尚不完善,國內有關過濾機理的研究文獻很少。不同結構過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題,都有待研究解決。因此,過濾理 論的進一步研究對空氣過濾技術的發展具有重大意義和實用價值。


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