空气过滤器技术之深入探讨

1概述

    空气过滤即气滤，是指将空气中的污染粒子接近完全地去除。它比空气净化又进一步，空气净化适用于许多工业过程中对污染空气的处理要求不太严格的场合[1]。空气过滤技术是近百年来随着科学技术和现代化工业的发展而逐步形成的一门综合技术，它是指应用空气净化设备控制粉尘微粒的污染或通过空气循环过滤将空气的悬浮颗粒物捕集，以保护环境及人类的身体健康，它在空调、通风除尘及其它领域得到了广泛应用。

    近年来，空气过滤技术在滤料的研制及开发、过滤机理的研究及过滤设备的开发与应用方面取得了较大的发展。本文主要介绍了近几年来国内外空气过滤技术的发展状况及取得的成果，提出了空气过滤技术的研究及发展有待解决的问题。

    2滤料及过滤器的研究与发展

    2.1我国滤料及过滤器的发展应用

    滤料是可将分散于弥散的流体中的固体颗料分离出来的多孔材料，弥散的流体可以是气体或液体。滤料的种类有纤维滤料、微孔滤膜及覆膜滤料。滤料决定着过滤过程的效果和效益，它的发展决定着空气过滤技术的发展。它广泛地应用于室内、外空气质量品质的控制。此外，在空调的新风过滤、循环空气的处理及利用方面以及环境保护、机械、电力、煤炭、陶瓷、化工、医药、轻工、化肥、农药、粮食加工、港口运输、交通筑路等各行各业都需广泛使用过滤技术和合纤滤料。

    我国滤料生产发展迅速。20世纪50年代初，我国还没有滤料生产厂，市场上也没有专用的滤料产品；60年代逐步将化纤纺织品作为过滤介质，应用到工业各个领域中，满足不同行业的需要，作各种不同用途的过滤材料制成的化纤过滤布具有耐酸、耐碱、高强力、纤维光洁等特性；70年代未，国产滤料208涤纶绒布的诞生为过滤技术推广应用提供了第一1批滤料；80年代又仿照日本产品开发了729聚酯机织滤料，并专为过滤除尘的需要研制出针刺毡滤料，提高了袋式除尘器的滤尘效率；90年代中期，我国科技人员开发成功覆膜滤料，即采用特殊工艺，将聚四氟乙烯微孔薄膜复合在机织布、非织造布滤料或玻璃纤维滤料上，该滤料过滤时形成一次粉尘层，实现了表面过滤，为高效低阻和节能提供了优质过滤材料[2，3]。

    目前滤料的发展趋势是：(1)由二维结构的机织过滤布向三维结构的非织造过滤布发展，由短纤纤化机织过滤布向长丝过滤布发展，由复丝加捻过滤布向单丝过滤布发展；(2)由常规化纤过滤布向高性能、多功能、高质量的过滤布发展，由合纤滤料向覆膜滤料发展[4]。

    目前，我国多数合纤滤料生产企业后整理和复合设备还不够完善，产品的品种和性能开发受到一定限制，一些特殊用途的滤料不得不依靠进口。今后应对现有滤料进行后整理，并应用复合工艺技术，研制开发新型滤料，提高国产滤料的性能，形成针对性和适用性强的产品。

    空气过滤技术是通过将滤料制成不同形式的过滤器实现空气过滤。为增加过滤器有效面积、优化过滤性能，空气过滤器的结构形式已由原单一的单板形发展到褶状板形或筒形、长圆柱形、堆叠圆盘形及矩阵形[5]。国产高效过滤器最早诞生于1964年。20世纪80年代初，国外过滤器开始进入我国，它促进了国产过滤器的发展。近年来，国内已开始研究国产驻极体静电空气过滤器[6]。所谓驻极体是指能长期储存电荷的电解质材料，即采用一些方法使纤维长期具有电荷，利用静电捕集机理提高过滤器捕集效率。目前，国产过滤器的生产存在生产标准和检测标准不统一、效率测试方法不严格、产品规格花样繁多及尺寸不统一等问题；同时，在微电子及精密机械行业，高效过滤器的净化效果已无法满足要求[7]，国产亚高效、超高效过滤器有待开发。这些问题需采用规范管理及增加研究投入的办法来进一步地加以完善解决。目前空气过滤器常应用于住宅、办公、商业及工业建筑的洁净室、HVAC系统、激光外科手术室、空调器等场合。2.2国外滤料及过滤器发展状况

    国外过滤材料开发的新动向为：向非织造布过滤材料、复合膜技术的过滤材料发展，向采用高技术、高性能的玻璃纤维、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维等材料开发多功能的过滤材料发展[4]。

    国外对过滤材料的研究生产应用，已形成一个较完整的系统。每个滤布材料性能，如通气性能、强度、截留粒子能力等，都有一套完整的测试和试验手段。采用新材料开发的滤布不断增加。为了减少清灰阻力，国外已从织布类滤料开始向纤维栅类滤料过渡。纤维栅类滤料是将长纤维上下纵向布置形成一根根的栅栏，当一层栅栏过滤效果不理想时，再加另一层栅栏，直至达到理想的过滤效果。为了减少粉尘泄漏、提高过滤性能、降低成本、延长使用寿命，将细直径的玻璃纤维与耐高温的合成纤维优势互补，制成复合针刺毡滤料。

    近年来，随着高科技的介入、纺织新材料的发展，国外过滤技术已向医疗、新材料提取等高新技术领域发展。

    在空气过滤器发展方面，近年来，驻极体静电空气过滤器为国外应用较多的高性能空气过滤器。一些发达国家如美、日等国，前几年已开发生产出采用64MD级别以上半导体元件、空气过滤效率达99.999999%(0.12～0.17μm)以上的超高效空气过滤器。国内企业在这方面与国外有很大差距。

    气滤技术评述（下）

    3空气过滤理论的研究与发展

    空气过滤技术的发展离不开空气过滤理论的研究与发展。过滤理论特别是空气过滤理论的研究早在19世纪已经开始，而空气过滤器的研制与发展只有20多年的历史，过滤理论由早期的经典过滤理论发展到现代过滤理论及微孔过滤理论。

    对微细颗粒运动规律的最早认识是在19世纪初期，当时植物学家Brown观察了微细颗粒悬浮在液体中的运动(即布朗运动)；1922年，Freundlich发展了对气溶胶过滤规律的认识，提出在0.1～0.2μm半径范围内气溶胶颗粒存在最大渗透率；1931年，Albrecht率先对气流通过单一圆柱纤维运动进行了研究，建立了Albrecht理论，随后Sell对其进行了必要的改进[8]。

    1936年，Kaufmann首先把布朗运动和惯性沉淀的概念一同应用到纤维过滤理论中，推导出过滤作用的数学公式；1942年，Langmuir[9]继续对过滤理论进行研究，认为过滤是截留和扩散的集合及惯性粒子在过滤纤维上的沉淀是可以忽略的。

    1952年，Davies[10]把扩散、截留和惯性3种机制结合起来并用公式表示出来，从而建立了新的过滤理论——孤立纤维理论；1958年Friedlander[11]及1967年Yoshioka[12]发展了独立纤维理论，他们对较大雷诺数情况下颗粒的惯性、扩散沉积及重力效应和过滤器阻塞现象进行了研究和总结；1967年，Pickaar和Clarenburg试图提出一个纤维过滤器微孔结构的数学理论；1987年Pich及1993年Brown在其专著中描述了过滤理论的最新发展。

    早期的经典过滤理论主要以单一纤维模型为基础，认为过滤效率由3种机制决定：惯性效应、截留效应、扩散效应。整个颗粒的捕集依靠多种捕集机理的联合作用。

    现代过滤理论证明了惯性沉淀的正确性和最大穿透力粒子的存在，认为过滤效率是截留效应、布朗扩散效应、重力效应、沉淀效应与压力效应的集合；过滤过程中可能存在的机理有拦截、惯性碰撞、扩散、静电效应、库仑吸引一排斥、映像力、电泳力及沉淀(重力)。现代过滤理论中具有代表性的是Davies的过滤理论与Kuwarbara的流场分布。

    1992年，Payet、Gougeon和Attoui[14]考虑了气体在单一纤维上的滑动，对经典理论引入修正系数，使得理论与实验数据更好地吻合。1995年，Rosnert[12]提出分散在单一纤维体表面的颗粒以不规则的分布和常常形成树枝状结构为特征，建立了最进改善的理论和颗粒在单一纤维体上的空间分布。利用此理论和计算程序可预测颗粒的沉积。

    2001年，Thomas等[14]对过滤器在产生阻塞的情况下进行了空气过滤的理论与实验研究，提出了过滤器在滤饼存在的情况下，过滤效率及压力损失的计算模型。近几年来，国外许多学者对空气过滤器在积尘情况下的效率性能及滤饼的形成和机理进行了理论实验及模拟研究，取得了一定的成果[15～17]。

4结语

    过滤理论的研究目前尚不完善，国内有关过滤机理的研究文献很少。不同结构过滤器的捕集效率和压力损失的理论计算，空气及多分散颗粒分布参数对捕集效率及压力损失的影响，过滤器的负荷特性对捕集效率及压力损失的影响及滤料的结构特性对捕集效率及压力损失的影响等问题，都有待研究解决。因此，过滤理论的进一步研究对空气过滤技术的发展具有重大意义和实用价值。