生意社02月10日讯
| 驻极体滤料性能的分析与讨论 东华大学环境科学与工程学院 卢(洁净室) 昱☆ 刘 刚 魏曙光 摘要:随着人们对室内空气品质要求不断地提高, 需要开发更好的过滤材料。驻极体滤料具有过滤效率高、阻力小、容尘量大和抗菌等优点, 所以本文着重分析了该材料在空调中使用的可行性, 结果表明: 在空调系统的实际应用中, 该滤料具有较高的经济性与实用价值。 关键词 空气过滤器 驻极体 过滤材料 性能参数 1 引言 空气传播的粒子对生活在室内的人存在很大的威胁, 长期处在直径小于 2.5μm 大气颗粒的人表现出了较高的死亡率, 而这些死亡都是由肺癌及心肺等相关疾病所引起的。而且引起 “非典”SARS 冠状病毒的主要传播途径之一也是空气, 这就使集中空调系统又可能成为 SARS 病毒和细菌传播的主要渠道。因此, 集中空调系统再一次面临严峻的挑战。 同时, 现代高科技的某些关键部分对环境的净化要求极高。现代社会需要具有高效、低阻等优点的空气过滤器。传统的空气过滤材料, 其过滤性能与经济性不可兼得, 但是驻极体过滤材料能够满足现代社会需求, 因此它已经在各种应用中迅速发展起来了[1]。 2 驻极体空气过滤材料 (器) 的过滤和灭菌机理 2.1 过滤机理 驻极体是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料。驻极体的电荷可以是真实电荷 (或称空间电荷), 也可以是偶极电荷, 或者两者都有[2]。 传统的机械型空气过滤器仅仅依赖于机械阻挡作用,只有当过滤纤维十分细并处于夯实状态时才能高效地捕获微小的微粒, 而此时过滤纤维会表现出高流阻。驻极体空气过滤材料 (器) 除尘的基本原理除具有与其它过滤器相同的捕捉机理, 如惯性碰撞、拦截效应、扩散效应外, 其滤料纤维本身带电, 通过荷电纤维 (驻极体) 的库仑力实现对灰尘的捕获。当灰尘经过过滤器时, 静电力不仅能有效地吸引带电粉尘, 而且以静电感应效应捕获极化的中性粒子。与传统的机械型空气过滤器相比, 在相同的功效时,其流阻仅仅是机械型过滤器的 1/ 9 左右, 比机械型空气过滤器约低一个数量级[2]。 2.2 除菌机理 粉尘通常作为病菌和病毒的载体。细菌和病毒在正常生理条件下都带负电, 经过驻极体空气过滤器处理后的空气, 不仅粉尘浓度大大降低, 而且细菌和病毒的浓度也明显减弱。试验表明: 驻极体空气过滤器滤除细菌的效率高达 95%。其杀菌的主要机理是由驻极体的强静电场和微电流刺激细菌使蛋白质和核酸变异, 损伤细菌的细胞质及细胞膜, 破坏了细菌的表面结构, 导致细菌死亡。驻极体形成的强电场还能抑制细菌的繁殖功能。 2.3 驻极体空气过滤材料的静电驻极机理对比 20 世纪 70 年代以来, 荷电技术以及通过混合不同纤维的带电技术的过滤器得到了开发和利用[3]。这些都导致现在的静电驻极方法 (工艺) 的产生。 静电驻极方法中, 就静电驻极机理及特性而言, 电晕放电法和摩擦起电法由自身的特性仍然是当前研究的重点;热极化法易受温湿度影响, 限制了广泛应用; 静电纺丝法和低能电子束轰击法因其静电驻极机理复杂, 就目前的技术而言, 要达到广泛应用困难还很大。 3 驻极体实验分析与讨论 驻极体过滤效率因颗粒物沉积而减小, 其过滤效率取决于许多参数, 如粒子尺寸, 纤维荷电密度, 颗粒物带电性质, 过滤风速, 填充率及滤料厚度。Baumgartner 和 Lof-fler ( 1986) 研究了驻极体初始效率与容尘量的关系 。 Brown 等人 (1988) 发现了驻极体的过滤效率随时间呈指数下降趋势 。Walsh 和 Stenhouse ( 1997) 在一定容尘条件下研究了粒子尺寸、带电量及成分对的驻极体过滤器的影响。他们发现均一尺度的小颗粒穿透率最大, 其堵塞点也比均一尺度的大颗粒更早出现 。Kanoka, Hiragi 及 Tan-thapanichakoon (2001) 得到三维模型预测过滤器纤维材料上微小气溶胶粒子的沉积会聚过程。此模型也可以预测颗粒物在滤料表面沉积物形状及此形状是如何来影响过滤器的过滤效率的 。Ji 等人 (2003) 进行了许多实验, 分析了容尘量对驻极体过滤器效率的影响。他们提出了电荷的数量, 颗粒物尺寸及物性会影响过滤效率。他们同时也发现当颗粒物在滤料表面沉积时效率会降低, 出现一个最低效率值 。Tanthapanichakoon, Maneeintr, Charinpanitkul 及 Kanaoka(2003) 得到三维随机模型, 可在考虑布朗运动影响的条件下, 模拟颗粒物在驻极体表面的沉积过程。此模型也可以在弱电情况下得到收集效率与容尘量的线性关系。 3.1 效率分布图 David L Myers 和 Bean Arnold 对效率与粒径的关系作了分析 [10]。实验中采用了 CFM 驻极体滤料, 袋式过滤器尺 寸为 20×20×15 英寸 ( 51×51×38.1cm) , 袋数 5。实验在亚特兰大一个办公楼的空调系统中进行, 该系统是一次回风系统, 室内外空气混合后通过滤料。整个共测试 155 天,风量为 1000SCFM ( 标准立方英尺/分钟) 约为 28.4 标准立方米/分钟。实验中测试了新驻极体滤料, 得到初始过滤效率与经过一定天数后的效率作比较。把过滤器送到实验室进行测试时, 对滤料上形成的滤饼要格外注意, 以免影响测试结果。实验结果见图 1。 图中曲线分别为新滤料, 运行 19、35、71、155 天时的效率值 从图 1 发现, CFM 驻极体滤料在前 35 天基本保持稳定, 35 天之后在 0.8 微米附近出现了效率小幅下降, 在粒径 0.3- 0.4 微米范围内, 运行 155 天的效率比新滤料的效率低 12.5%左右。 3.2 压降分布图 AFFCO 公司对压降与面风速的关系作了深入分析 。 图 1 CFM驻极体滤料袋式过滤器过滤效率与颗粒物颗径的关系图 实验中使用了三种滤料: NP 表示针织滤料 (400g/m2) , 30表示驻极体滤料 (30g/m2) , 30/NP 表示驻极体与针织的混合滤料 (30g/m2) , 混合滤料是在针织滤料的基础上加一层驻极体材料, 其过滤效率要明显高于针织滤料但压降比较大。测试用管路满足美国汽车工程师学会 ( SAE) 过滤器测试方法标准 J1669A, 实验过程中面风速都维持在 15cm/s, 测试用的 KCl 气溶胶是由 TSI3054 型气溶胶发生器发生, 见图 2 和表 1。 从图 2 及表 1 中可以看出驻极体滤料的压降明显低于其它两种滤料, 混合滤料的压降要比其它两种滤料的压降之和多 10%左右。 3.3 穿透率分布图 Weeraya Sae-lim一文中阐述了穿透率与容尘量的关系[12]。在实验过程中使用了粒径在 0.46- 1.40μm 的硬脂酸颗粒。此单一分散气溶胶是在 MAGE (Monodisperse Aerosol Gen- ![]() erator) 中发生的, 此后气溶胶经过放射源, 粒子呈现玻尔兹曼平衡, 最小的粒子在玻尔兹曼平衡时平均有 1.6 个单位电荷, 最后再使其通过空气过滤器。气溶胶在经过过滤器前先用 LSP ( light scattering photometer) 进行浓度测量,在经过滤料后用相同的仪器进行测量。 图 3 具有玻尔兹曼平衡分布的硬脂酸粒子, 其穿透率与容尘量的关系图 ( 粒径范围 0.46- 1.26μm, 面风速 0.1m/s) 在图 3 中可以发现, 带电的气溶胶粒子开始时穿透率很低, 原因是滤料没有沉积颗粒并且静电效应很强。随着颗粒在滤料上的沉积, 静电效应逐渐降低, 穿透率也相应增大。当颗粒物形成链状沉积物时, 过滤效率又逐渐上升,因为此时机械效应逐渐显现出来。在最大穿透率的那点上,增加的机械效应与降低的静电效应刚好相等。随后沉积量继续加大, 穿透率呈单一下降趋势。此实验的意义在于它包括了驻极体过滤器在不同容尘量下穿透率的变化。实验 数据一定程度有些分散, 是控制条件不完整所造成的, 但它揭示了驻极体过滤器在初始过滤阶段效率总体变化趋势。 图 4 粒径为 1.03μm 的带电和未带电的硬脂酸粒子, 其穿透率与容尘量的关系图 ( 面风速 0.1m/s)图 4 中可以看到, 未带电的气溶胶粒子比带电的气溶胶粒子穿透率要大的多, 前者较早出现最大穿透率点, 且数值很大。此后未带电的气溶胶粒子穿透率快速下降, 最 后其穿透率低于带电气溶胶粒子。静电力和机械力都会影响滤饼的结构形状。在未带电和带电的滤料表面都会形成突出状的珠状结构, 但枝状长度会有所不同。对未带电的粒子, 枝状突出随机但却均匀地分布在纤维的表面, 并且与纤维表面垂直。带电粒子通常只是分布在有相反电荷的区域, 在超出静电效应范围时, 粒子就在纤维表面随机沉积。 在过滤器初始阶段, 单位气溶胶粒子沉降所引起的压降增量很小。随着沉积量的增大, 枝状沉降物开始形成,因此压力下降也增大。这些枝状沉积物最终联结在一起,从而滤饼在滤料上形成。在滤饼完全形成的那个点上, 其压降变化值最大, 此后压降与气溶胶沉积呈线性关系。过滤器堵塞主要是受到小尺寸粒子的影响, 在堵塞点附近的压降曲线, 未带电的粒子比带电的粒子更陡, 因此未带电的气溶胶粒子更容易使过滤器堵塞。 比效率是有一定容尘量的驻极体过滤器效率与全新驻极体过滤器效率的比值。从图 5 中可以看出, 随着容尘量的增大, 比效率非线性的下降到最低点。此后机械效应的增大超过了静电效应的降低, 并占了主导, 因此比效率又 开始上升。小粒子可以使静电效应下降的更快, 而且更容易达到堵塞点。 4 应用与讨论 驻极体空气过滤器可以代替初、中效过滤器, 因其效率高而压降低得到广泛应用, 其价格 ( 15 元 /m2) 相当于粗效空气过滤器, 但是过滤效率已可近似达到高中效空气过滤器的要求。不过驻极体压降相对一般的初、中效过滤器还是较高的, 因此如何使管路与驻极体过滤器相匹配成为当前空调净化消毒领域的主要研究方向之一。把集中空调系统的初、中效过滤器换成驻极体滤料压降会增加 30-40Pa, 由此带来管路动力系统相应增大, 风机选型增大, 导致耗电量增大, 运行成本也增加, 且风机型号增大也增加了初投资。空气过滤器的容尘量大, 由于静电作用, 附着在过滤器上的灰尘厚度达 30~40mm, 而且采用吸尘器器可以很容易地清除, 所以更换时间比粗中效过滤器要更长。表 2 列出了在空调箱里不同的滤料面风速条件下滤料表面(单面) 实际设计参考值。设计者可以根据不同的空调箱截面积与所确定的面风速得到不同滤料表面积 ( 单面) 。例如单位空调箱面积需要获得 2.2m/s 的过滤器面速, 在滤料面速为 0.02m/s 时需要 110 单位空调箱面积的滤料面积。 表 2 驻极体滤料过滤面积 (m2/单位空调箱截面积(m2) ) 与不同滤料面风速 (m/s) 的关系 对空气洁净度有要求的建筑如电子厂房, 生物洁净室等, 使用驻极体滤料可以过滤大部分颗粒并杀灭多数细菌,因此可以减轻末端高效、亚高效过滤器的负担, 延长高效、亚高效过滤器的使用年限, 更换高效、亚高效过滤器滤料 的周期变长, 从而又可降低运行费用。为减小压降, 系统可以适当增加过滤器迎风面积, 从而驻极体表面的面风速可以降低, 滤料前后的压降也可以降低, 风机的压头可以选择小些, 这样可以节省用电量, 降低运行成本。但此时因管路迎风面积增大, 管路初投资增大。不过从长远角度来看运行费用的降低可以弥补初投资的增加, 甚至可以带来收益。因此由上述分析可得在有净化需要的建筑中, 使用驻极体滤料可以节省总投资 (包括初投资和运行费用)。 对于民用空调, 虽然对洁净度没有特殊要求, 但随着人们生活水平的日益提高, 人们对室内空气环境的要求也越来越高。因此空调领域所面临的问题就是在新风进入室内时, 尽可能减少空气中的颗粒与病菌的浓度, 而驻极体在吸附颗粒物与除菌方面有特殊的功效。但由于使用驻极体会使管路压降增大, 初投资和运行费用也会相应上升,这些都是业主在投资时所要考虑的经济性问题。虽然目前不一定会大范围应用, 但随着人们对自身健康度的日趋关注, 驻极体滤料在民用空调中也会得到广泛的应用。 |
