錢 幺， 趙寶寶, 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

強(qiáng)制靜電下導(dǎo)電濾料的過濾效率

錢 幺， 趙寶寶, 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

為解決駐極體過濾材料普遍存在靜電衰減的問題，并使過濾材料在使用中能長(zhǎng)效帶靜電，選取了具有導(dǎo)電性能的非織造材料作為研究對(duì)象，通過改裝過濾測(cè)試裝置，用外加電壓對(duì)導(dǎo)電過濾材料施加靜電，并對(duì)過濾效率與所加靜電的關(guān)系進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：在相對(duì)較小(0～7 kV)的電壓變化范圍內(nèi)，試樣的過濾阻力基本不變，而且過濾效率最大可提高26.1%，同時(shí)過濾效率與電壓值近似一種線性關(guān)系；非導(dǎo)電的滌綸針刺織物在強(qiáng)制靜電下的過濾效率也會(huì)提高，但增長(zhǎng)速率不及導(dǎo)電纖維材料；靜電吸附能有效提高過濾效率并且不影響過濾阻力，為過濾材料中產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供參考。

靜電吸附； 導(dǎo)電濾料； 過濾效率； 外接電壓； 表面電勢(shì)

隨著我國(guó)工業(yè)化程度不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)大氣環(huán)境的破壞日趨嚴(yán)重，尤其是以燃煤發(fā)電廠、水泥廠、垃圾焚燒廠為代表的高排放、重污染企業(yè)，造成了近幾年頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣，其中火電廠的排放就占總排放量的10%左右[1]。面對(duì)如此嚴(yán)峻的環(huán)境形式，國(guó)家對(duì)工業(yè)煙塵排放控制的嚴(yán)格程度已達(dá)到一個(gè)新的高度，例如：2012年1月國(guó)家開始實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定大氣顆粒物排放質(zhì)量濃度小于30 mg/m3[2]。目前，工業(yè)除塵中靜電除塵、袋式除塵作為主流除塵技術(shù)，具有較高的除塵效率，但各具優(yōu)缺點(diǎn)。靜電除塵是通過使粉塵顆粒帶電，再被負(fù)/正電極板吸附，從而將粉塵顆粒從氣體中分離；其運(yùn)行阻力低，排放濃度通常為50～100 mg/m3，但除塵效率受粉塵比電阻影響，比電阻不宜過大或過小，通常對(duì)于PM2.5這種微細(xì)顆粒物難以捕集，因而其煙塵排放濃度難以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。袋式除塵主要依靠纖維濾料捕集含塵氣體中的固體顆粒物，形成濾餅，并通過濾餅進(jìn)一步過濾微細(xì)塵粒，以達(dá)到高效除塵的目的，排放質(zhì)量濃度達(dá)10 mg/m3以下，甚至可達(dá)5 mg/m3；但其運(yùn)行阻力大(1 000～1 500 Pa)，因而運(yùn)行成本高，并且濾袋及組件的投資大。

靜電吸附是一種重要的過濾機(jī)制，能高效地去除煙塵中PM2.5顆粒物，目前研究與開發(fā)的主要除塵技術(shù)有：1)靜電除塵和袋式除塵二者結(jié)合起來的電袋復(fù)合除塵器[3]；2)利用粉塵預(yù)荷電或外加電場(chǎng)來增強(qiáng)纖維層除塵效果的靜電增強(qiáng)纖維過濾技術(shù)[4-6]；3)1種雙極靜電凝聚技術(shù)，利用不同極性放電導(dǎo)致粉塵顆粒荷上不同荷電，進(jìn)而在湍流輸送和靜電力共同作用下凝聚變大，提高除塵器的除塵效率[7-8]。3種方式均能實(shí)現(xiàn)高效過濾。此外，駐極技術(shù)是使纖維質(zhì)過濾材料帶上靜電的有效方式，常用的駐極方式如電暈放電法，是利用非均勻電場(chǎng)引起的空氣局部擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象，離子束轟擊電介質(zhì)材料并沉積在電介質(zhì)內(nèi)[9-10]，這種駐極雖然能實(shí)現(xiàn)高效、低阻過濾，但是靜電衰減速度快，影響過濾效率。

本文嘗試以一種新的長(zhǎng)效駐極方式，通過外加電壓強(qiáng)制使過濾材料帶上靜電，結(jié)合靜電吸附效應(yīng)與纖維濾料的過濾作用，來提高對(duì)微細(xì)顆粒物的過濾效率，克服駐極中靜電衰減的問題。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要儀器設(shè)備

YG461型中壓透氣量?jī)x，YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀，VC9807A+型萬用表，SX-L1050型濾料試驗(yàn)臺(tái)，HB-Z503-1AC型直流高壓電源，EFM-022型靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，CP224C型精密電子天平，DZF 6020型烘箱。

1.2 試樣制備

本文試驗(yàn)中共制備了3種不同的導(dǎo)電過濾材料試樣以及1種非導(dǎo)電過濾材料試樣，制備過程如下。

1)碳纖維針刺氈(試樣A)。由長(zhǎng)度為5～10 mm、平均直徑為6.7 μm的純碳纖維經(jīng)過特定的成網(wǎng)方式及針刺加工工藝制成的非織造材料，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性能。

2)碳纖維/滌綸混紡針刺氈(試樣B)。 10%的碳纖維短纖與滌綸短纖維開松混合均勻后，經(jīng)過氣流成網(wǎng)、折疊鋪網(wǎng)，再由針刺機(jī)將蓬松的纖維網(wǎng)加固成具有一定強(qiáng)力與厚度的非織造材料，得到的非織造布具有一定的過濾性能和較好的導(dǎo)電性能、透氣性能。

3)水性聚氨酯(WPU)/炭黑浸漬非織造布(試樣C)。將固含量為40%的WPU(DG-6100，煙臺(tái)華大化學(xué)有限公司)稀釋成3%的溶液，加入1%炭黑粉末，充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚍稚?。將普通的滌綸針刺布在該溶液中浸漬一段時(shí)間，取出后經(jīng)過氣動(dòng)小軋車擠壓出余液，放置鼓風(fēng)烘箱中烘干為止，制成表面與內(nèi)部均勻附著炭黑的非織造布。

4)滌綸針刺布(試樣D)。滌綸短纖維開松混合均勻后，經(jīng)過梳理成網(wǎng)、折疊鋪網(wǎng)，在經(jīng)過預(yù)針刺、主針刺將纖維網(wǎng)加固成一定強(qiáng)力與厚度的非織造材料。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣基本性能測(cè)試

根據(jù)非織造布性能測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上制備的3種導(dǎo)電非織造材料的厚度、定量、導(dǎo)電性能、透氣量進(jìn)行測(cè)試。其中，厚度測(cè)試參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分 厚度的測(cè)定》，選用YG141LA數(shù)字式織物厚度儀測(cè)量，壓腳面積25 cm2，并選擇100 cN的壓腳。透氣量的測(cè)試參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，采用YG461中壓透氣量?jī)x測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為單位時(shí)間內(nèi)垂直透過織物單位面積的氣流量，單位為L(zhǎng)/(m2·s)。非織造材料導(dǎo)電性能的測(cè)試使用VC9807A+數(shù)字萬用表，測(cè)量材料的表面比電阻，根據(jù)電阻值的大小確定是否具有導(dǎo)電性以及導(dǎo)電性的優(yōu)良。1.3.2 強(qiáng)制靜電吸附的驗(yàn)證

為驗(yàn)證高壓直流電源的單極(正極或負(fù)極)接入導(dǎo)電濾料上，是否產(chǎn)生電荷以及電荷引力的強(qiáng)弱，現(xiàn)連接如圖1所示裝置，導(dǎo)電濾料經(jīng)鐵架臺(tái)懸空放置，高壓直流電源正極連接在導(dǎo)電濾料一端，將化學(xué)纖維(滌綸)或紙屑從導(dǎo)電濾料附近的一定距離s、一定高度H自由釋放，觀察纖維或紙屑吸附現(xiàn)象；調(diào)節(jié)電壓值以及釋放的位置，進(jìn)一步觀察吸附強(qiáng)弱。

1.3.3 過濾材料表面電位測(cè)量

通常表面電位的測(cè)量可使用表面靜電電位計(jì)或配有探頭的靜電壓表，且探頭(測(cè)定電極)的形狀和大小應(yīng)盡量不擾亂電場(chǎng)，應(yīng)具有保護(hù)電極[11-12]；本文試驗(yàn)使用EFM-022靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x對(duì)過濾材料的表面電位進(jìn)行測(cè)量，可在不同距離非接觸地精確測(cè)量0～±200 kV的帶電物體表面靜電位，其采用旋轉(zhuǎn)葉片式探頭測(cè)量靜電場(chǎng)強(qiáng)，適合連續(xù)性長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，能自動(dòng)將場(chǎng)強(qiáng)根據(jù)選定的測(cè)試距離轉(zhuǎn)換為靜電位。旋轉(zhuǎn)葉片式靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的探頭部位有1個(gè)十字形的旋轉(zhuǎn)葉片，將固定葉片的感應(yīng)直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成交變信號(hào)，然后經(jīng)過交流放大，避免直流放大器零點(diǎn)漂移的影響[11]。試驗(yàn)中采用2 cm的測(cè)試距離，對(duì)過濾材料5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，求取平均值，測(cè)量示意圖如圖2所示。

1.3.4 靜電過濾效率測(cè)試

本文試驗(yàn)在改裝SX-L1050型濾料試驗(yàn)臺(tái)情況下，分別對(duì)4種濾料進(jìn)行過濾性能的測(cè)試，試驗(yàn)條件為：溫度25 ℃、濕度40%；蘇信SX-L1050濾料試驗(yàn)臺(tái)濾料試驗(yàn)面積為100 cm2，濾速為5.33 cm/s (即流量32 L/min)，檢測(cè)顆粒為聚苯乙烯(PSL)，氣溶膠粒徑大于等于0.3 μm。

為測(cè)試高壓靜電對(duì)過濾性能的影響，需要對(duì)濾料試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改裝，將夾持試樣的位置用一定厚度的絕緣橡膠上下隔絕開，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，主要是為了與夾持試樣的金屬部件絕緣，防止電荷的泄露；并將金屬試驗(yàn)臺(tái)整體接地，從而對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行有效保護(hù)。試驗(yàn)裝置連接如圖3所示，首先在不加電情況下(空白組試驗(yàn))對(duì)試樣的過濾效率進(jìn)行測(cè)試；然后接通高壓直流電源，通過調(diào)節(jié)電源電壓值(1～7 kV)，測(cè)得不同電壓下試樣的過濾效率。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本性能測(cè)試結(jié)果分析

在相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，分別對(duì)試樣的厚度、定量、導(dǎo)電性、透氣量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 試樣基本性能指標(biāo)測(cè)試Tab.1 Basic performance test for samples

由表1可看出：碳纖維針刺氈(試樣A)的厚度最大，透氣性能最差，但其導(dǎo)電性能最優(yōu)；碳纖維/滌綸混紡針刺氈(試樣B)的導(dǎo)電性能一般，但透氣性能最好，因此在過濾時(shí)的阻力最低；聚氨酯含浸非織造布(試樣C)盡管較薄，但是由于含浸水性聚氨酯的影響，導(dǎo)致其透氣性不如試樣B，導(dǎo)電性能也最差。

2.2 強(qiáng)制靜電吸附的定性分析

通過觀察可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)化學(xué)纖維(滌綸)從導(dǎo)電濾料上方一定距離s、一定高度H自由釋放時(shí)，纖維均呈拋物線的軌跡吸附到導(dǎo)電濾料上，并分散成單根纖維直立排列于濾料表面；在s不變的情況下，吸附強(qiáng)度隨電壓的變化而不同，當(dāng)電壓較高(5～10 kV)時(shí)，吸附作用明顯，飄落的纖維束很快吸附在導(dǎo)電濾料上，且纖維下降的距離h較??；當(dāng)降低電壓時(shí)，吸附作用明顯減弱，纖維下降的距離h較大，如圖4所示。纖維在下降過程中主要受自身重力G、空氣阻力f以及導(dǎo)電濾料的靜電吸引力F的共同作用，假設(shè)纖維本身的電荷量一定，纖維距離導(dǎo)電濾料越近，則靜電吸引力越大；并且外接電壓越高，則導(dǎo)電濾料表面的場(chǎng)強(qiáng)越高，對(duì)纖維的靜電吸引力也越大。隨著纖維不斷靠近導(dǎo)電濾料，當(dāng)靜電吸引力足夠大時(shí)，使得重力G、空氣阻力f幾乎可忽略，此時(shí)纖維將會(huì)以水平方向的速度迅速地吸附到濾料表面。反之，通過觀察纖維運(yùn)行軌跡就可定性地判斷出導(dǎo)電濾料表面場(chǎng)強(qiáng)的強(qiáng)弱以及帶電量的高低。

此外還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓逐漸降低直至關(guān)閉電源后，濾料表面仍然能夠吸附化學(xué)纖維，可能的原因是濾料表面殘留大量靜電荷；如果濾料進(jìn)行接地處理，將表面電荷導(dǎo)出后，這種吸附現(xiàn)象立即消失，表明高壓直流電源單極接電條件下，由于濾料中的纖維被極化，導(dǎo)電濾料表面會(huì)因此產(chǎn)生大量靜電荷，能夠吸附周圍帶電的細(xì)微物體，并且導(dǎo)電材料的帶電量與外加電壓呈正相關(guān)。

2.3 過濾材料的表面電位測(cè)量結(jié)果分析

圖5示出4種試樣在不同外接電壓下的表面電位。從圖中可明顯看出，導(dǎo)電過濾材料在外接電壓下，材料表面充入大量靜電荷，形成的靜電位大小與外接電壓值基本相等，但也有一些偏差，原因可能是，在實(shí)際測(cè)量中，由于針刺非織造布蓬松的纖維結(jié)構(gòu)，使帶電體表面凹凸不平，因此測(cè)量值往往不能與理論值相等，特別是當(dāng)測(cè)量距離為數(shù)厘米(2 cm)時(shí)，凸起或凹陷的帶電纖維改變了測(cè)量極距，使這種偏差更大。由于電位是與電荷成正比的物理量，電位的高低相對(duì)能反映物體的帶電程度，因而可用電位的測(cè)量值衡量帶電量的大小[11,13]，但是，非導(dǎo)電的滌綸針刺布在外接電壓下，材料表面也表現(xiàn)出一定的靜電位，但遠(yuǎn)低于導(dǎo)電過濾材料，隨著外接電壓的增加，材料的表面電位也不斷增大；在不加電的情況下，由于滌綸纖維帶有負(fù)電性，材料表面電位為-34.6 V，在高壓靜電的刺激下，纖維得到極化，使得材料表面逐漸積聚正電荷，外接電壓越高，積聚的正電荷越多，因此表面電位越高。

2.4 靜電過濾效率測(cè)試結(jié)果分析

在加電與不加電條件下，分別對(duì)4種濾料的過濾效率進(jìn)行測(cè)試，圖6示出過濾材料在不同電壓下的過濾效率變化曲線。從圖中可看出，碳纖維針刺氈(試樣A)的初始過濾效率最高，而碳纖維/滌綸混紡針刺氈(試樣B)、WPU/炭黑浸漬非織造布(試樣C)以及滌綸針刺布(試樣D)的初始過濾效率略低。

隨外接電壓的增大，過濾效率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但增加速率有所不同。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到過濾效率對(duì)電壓的線性回歸方程，根據(jù)回歸方程可知，4種濾料在加電過程中，過濾效率的增長(zhǎng)速率為：試樣B最快，試樣A、C其次，試樣D最慢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在外接電壓激發(fā)下，過濾材料的纖維表面產(chǎn)生一定的靜電荷，促進(jìn)了過濾效率的提升；試樣B在強(qiáng)制靜電下的過濾效果最好，因?yàn)閷?dǎo)電混紡針刺過濾材料的孔隙率高，在外接高壓靜電情況下，材料內(nèi)部形成靜電場(chǎng)，導(dǎo)電纖維充當(dāng)一個(gè)個(gè)小電極，自身具有大量靜電荷，還會(huì)激發(fā)非導(dǎo)電纖維產(chǎn)生靜電荷，靜電場(chǎng)促使微細(xì)粒子吸附捕集，因而靜電過濾效率增長(zhǎng)越快。盡管試樣A的導(dǎo)電性最強(qiáng)，但其靜電吸附作用略低于試樣B，可能是由于導(dǎo)電性過強(qiáng)，致使絕緣材料擊穿，電荷泄露。試樣C的導(dǎo)電性較差，但是在高壓直流電下，材料內(nèi)部產(chǎn)生極化，也能積累大量電荷，相反，電荷不易泄露，因此在過濾中的靜電吸附作用大大增加。試樣D為非導(dǎo)電過濾材料，但是在外接電壓下，過濾效率也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，只是增長(zhǎng)速率低于前3種導(dǎo)電過濾材料，結(jié)合表面電位測(cè)試結(jié)果可看出，試樣D的表面電荷量均低于導(dǎo)電過濾材料，因此其靜電吸附作用相對(duì)較弱。

由以上可知，隨靜電位提高，濾料的電荷面密度越大，作用于粒子的帶電電荷越多，靜電作用越強(qiáng)。文獻(xiàn)表明，靜電不僅能有效吸附帶電粉塵，而且以靜電感應(yīng)效應(yīng)捕獲感應(yīng)極化的中性粒子和濾料的中性纖維[13]。此外，試驗(yàn)中加電狀態(tài)幾乎不會(huì)影響過濾阻力，通過這種強(qiáng)制靜電方法，可實(shí)現(xiàn)濾料高效、低阻的過濾性能。

3 結(jié) 論

1)高壓直流電源單極接電條件下，導(dǎo)電材料與非導(dǎo)電材料的表面均會(huì)形成大量靜電荷，并且能夠吸附周圍帶電的細(xì)微物體，這種吸附強(qiáng)弱與導(dǎo)電材料的帶電量即外加電壓值有一定關(guān)系。

2)纖維過濾材料在接電情況下的過濾效率有顯著提高，并且在一定范圍內(nèi)過濾效率與所施加電壓值近似呈線性關(guān)系。

3)碳纖維/滌綸混紡針刺氈在強(qiáng)制靜電下的過濾效果最佳，而滌綸針刺布在強(qiáng)制靜電下的過濾效率也會(huì)提高，但增長(zhǎng)速率不及導(dǎo)電纖維濾料。

FZXB

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Study on filtration efficiency of conductive media under forced static electricity

QIAN Yao, ZHAO Baobao, QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to solve a common problem of static decay in electret filter materials, and make static long-lasted in filter materials, the conductive nonwoven material was selected as the research object in this experiment, while the filter test device was modified and electrostatic was applied on the conductive filter material, and the relationship between the filtration efficiency and the applied static electricity was studied experimentally. The results show that the resistance of the samples are substantially unchanged, but the filtration efficiency can greatly be improved by 26.1% in a relatively small voltage range (0-7 kV), and approximately a linear relationship exists between the filtration efficiency and the voltage value. The filtration efficiency of non-conductive polyester fabric is also improved under forced static electricity, but the growth rate is not as fast as the conductive fiber filter. Electrostatic adsorption plays an important role in the fabric filtration, can improve the filtration efficiency effectively, and does not affect the filtration resistance, which provides reference for the industrial application of filter material.

electrostatic adsorption; conductive media; filtration efficiency; applied voltage; surface potential

10.13475/j.fzxb.20151203405

2015-12-31

2016-06-24

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2014BAE09B00)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(15JCZDJC38500)；天津市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(14TXGCCX00014)

錢幺(1990—)，男，博士生。主要研究方向?yàn)榉强椩爝^濾材料。錢曉明，通信作者，E-mail:qxm@tjpu.edu.cn。

TS 176.4

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