王士勇 張 茹 吳 芳

（1.上海化工研究院有限公司；2.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系；3.安徽瑞祥安全環(huán)保咨詢有限公司；4.全國(guó)石油和化工行業(yè)過濾與分離工程研究中心）

科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，但同時(shí)大氣污染、水污染及資源貧化等問題也逐漸凸顯。 尤其是近幾年來，霧霾頻發(fā)、水體質(zhì)量惡化及土壤污染嚴(yán)重等問題已成為人民安居生活、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展、社會(huì)和諧進(jìn)步的困擾。 如何有效地保護(hù)生態(tài)、治理環(huán)境，實(shí)施水、土、氣的環(huán)境綜合治理，已成為急需解決的問題。

過濾分離是生態(tài)治理與環(huán)境工程中所依賴的必要技術(shù)手段，用來實(shí)現(xiàn)過程的分離凈化與污染物減量或去除。 濾材作為過濾設(shè)備的“心臟”，在過濾分離過程中備受重視。 非織造濾材是由定向或隨機(jī)排列的纖維通過摩擦、抱合及粘合等方法或這些方法的組合制造而成的非剛性片狀纖網(wǎng)或絮墊新型過濾材料。 與傳統(tǒng)的織造濾材相比，非織造濾材具有特有的孔隙三維立體流道結(jié)構(gòu)，流動(dòng)阻力低、過濾效率高，加之其原料來源廣、成本低、易加工及好成型等特質(zhì)，近年來非織造濾材異軍突起，尤其是在煙氣除塵、霧霾治理及空氣凈化等環(huán)境治理領(lǐng)域中的氣固分離上應(yīng)用十分廣泛［1～3］。

采用非織造濾材進(jìn)行氣固分離， 其過程機(jī)理較為復(fù)雜，包括慣性、碰撞、攔截、擴(kuò)散效應(yīng)、靜電及重力等綜合作用，其處理能力、過程阻力、截留效果及使用壽命等應(yīng)用效果不僅與工況有關(guān)，還與濾材的結(jié)構(gòu)特性（如纖維的直徑和形狀、濾材的孔徑大小及其分布、孔隙率及厚度等）直接相關(guān)。目前，非織造濾材的實(shí)際應(yīng)用效果很難通過計(jì)算、模擬等手段進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)， 還需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并輔以必要的測(cè)試和試驗(yàn)，科學(xué)地選擇。

相對(duì)于非織造濾材的廣泛應(yīng)用，其測(cè)試表征方法、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等相對(duì)滯后。 關(guān)于非織造濾材相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上有ISO 9073-1～18《非織造布試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)有GB/T 24218《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法》 系列標(biāo)準(zhǔn)， 紡織行業(yè)有FZ/T 6003～6020《非織造布試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)。 上述這些標(biāo)準(zhǔn)主要包含了對(duì)非織造濾材單位面積質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、滲水性及吸收性等的測(cè)試方法，而對(duì)于應(yīng)用過程中最受關(guān)注的過濾性能卻未有提及。 關(guān)于氣固分離濾材過濾性能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外雖然有BS EN 779—2012標(biāo)準(zhǔn)［4］和ISO/TS 21220—2009標(biāo)準(zhǔn)［5］；國(guó)內(nèi)也有GB/T 6165—2008《高效空氣過濾器性能試驗(yàn)方法效率和阻力》標(biāo)準(zhǔn)［6］，但這些都僅針對(duì)暖通的通風(fēng)凈化過濾器， 而對(duì)氣固分離濾材測(cè)試和應(yīng)用參照意義有限，國(guó)內(nèi)的JB/T 13511—2018《分離機(jī)械用柔性非織造過濾介質(zhì)過濾性能測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)液固和氣固分離用非織造濾材的過濾性能提出了較系統(tǒng)的測(cè)試方法［7］。 本研究中參照J(rèn)B/T 13511—2018進(jìn)行非織造濾材相關(guān)過濾性能的測(cè)試，系統(tǒng)地針對(duì)芳綸、 玻纖和PPS 3種氣固分離用針刺非織造濾材進(jìn)行了透氣性能和孔徑及其分布、過濾效率、納污性能、計(jì)重效率以及再生性能等測(cè)試，并考察這些測(cè)試方法的適用性，為非織造濾材的研究、生產(chǎn)、選擇及應(yīng)用等提供有益的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中選擇了3種高溫針刺氣固分離用的非織造濾材，其基本性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用3種非織造濾材基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

筆者對(duì)3種非織造濾材的透氣性能、 孔徑及其分布、過濾效率、容塵量、計(jì)重效率以及再生性能等過濾性能進(jìn)行測(cè)試，采用的試驗(yàn)儀器設(shè)備分別為：YG （B）461E織物透氣性能測(cè)定儀、 德國(guó)PSM-165孔徑測(cè)試儀、ZH濾料性過濾效率測(cè)試儀及G505濾料性能測(cè)試儀等。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 非織造濾材透氣性能的測(cè)試

在本研究中采用YG（B）461E織物透氣性能測(cè)定儀對(duì)3種濾材進(jìn)行了透氣性能的測(cè)試。 測(cè)試壓降為200 Pa，溫度為28 ℃，測(cè)試面積為0.002 m2，選取10個(gè)試樣進(jìn)行單次測(cè)試，取平均值，透氣性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 3種非織造濾材透氣性能測(cè)試結(jié)果

2.2 非織造濾材孔徑及其分布的測(cè)試

非織造濾材的結(jié)構(gòu)將直接影響其分離過程中的過濾性能，其中，孔徑及其分布是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，用于指導(dǎo)過濾材料的初選。 對(duì)于有一定厚度的多孔材料的孔徑測(cè)試，可采用直接的圖像法［8］，間接的鼓泡法、氣體流量法和模擬計(jì)算法［9］。相比較而言，氣體流量間接測(cè)試法得到的結(jié)果更為可靠和全面，本研究中采用氣體流量法對(duì)3種濾材的孔徑及其分布進(jìn)行了測(cè)試。

氣體流量法測(cè)定孔徑過程是使?jié)崈魵怏w分別通過干態(tài)和浸潤(rùn)的多孔過濾材料，測(cè)得氣體流量與壓差的關(guān)系，獲得氣體流量與壓差的干態(tài)和濕態(tài)曲線（圖1）［10］，以計(jì)算孔徑及其分布。

圖1 氣體流量法測(cè)試干濕曲線

根據(jù)JB/T 13511—2018和ASTMF 316—1986［11］標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試原理，將多孔過濾材料放在具有良好潤(rùn)濕性的液體中充分浸潤(rùn)，用潔凈壓縮氣體把液體從測(cè)試試樣微孔中吹出，孔徑最大處的液體會(huì)先被壓縮氣體吹出， 測(cè)定第1個(gè)氣泡出現(xiàn)時(shí)的壓差可以計(jì)算最大孔徑，通過1/2干態(tài)曲線與濕態(tài)曲線交點(diǎn)處的壓差可以計(jì)算出平均孔徑，測(cè)定多組干、濕態(tài)條件下氣體流量與壓差的數(shù)據(jù)，即可以求出孔徑分布［12～14］。 測(cè)試中采用了與濾材潤(rùn)濕性好的Topor浸潤(rùn)液（表面張力為16 mN/m），以保證在較低的壓力下可打開小孔，孔徑及其分布測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 3種非織造濾材孔徑及其分布測(cè)試結(jié)果

對(duì)比3種濾材的測(cè)試結(jié)果，玻纖非織造濾材的最大孔徑最大，為90.78 μm，芳綸非織造濾材最大孔徑為78.82 μm，PPS 非織造濾材最大孔徑為71.35 μm。芳綸非織造濾材和PPS非織造濾材的孔徑分布較集中，80%左右的孔徑分布在63.75 μm和49.12 μm左右， 而玻纖非織造濾材孔徑分布較分散，但仍有59.56%的孔徑分布在90.78 μm左右，相比較PPS非織造濾材的平均孔徑最小。

2.3 非織造濾材過濾效率的測(cè)定

過濾效率是描述濾材過濾性能的重要指標(biāo)之一， 反映了濾材攔截流體中固體顆粒的能力。氣固分離濾材的過濾效率是在規(guī)定的風(fēng)量和壓降條件下，使具有一定濃度、規(guī)定粒徑范圍的氣溶膠通過濾材試樣，測(cè)試濾材上下游的不同粒徑顆粒的數(shù)量，計(jì)算濾材對(duì)不同粒徑顆粒的過濾效率［15］。

測(cè)試工作中， 采用ZH濾料性過濾效率測(cè)試儀，選用窄分布的DEHS氣溶膠，在室溫為23 ℃，濕度為75%條件下，對(duì)3種濾材試樣進(jìn)行了過濾效率的測(cè)定。 試驗(yàn)樣品的測(cè)試面積為0.01 m2，系統(tǒng)風(fēng)量為85 L/min。 試驗(yàn)針對(duì)3種濾材分別進(jìn)行了2個(gè)試驗(yàn)樣品的測(cè)試，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試2次，取平均值，測(cè)試結(jié)果列于表3～5，由表中數(shù)據(jù)可知，PPS非織造濾材的過濾效率最高， 對(duì)1.0～3.0 μm氣溶膠粒子的過濾效率可以達(dá)到90.52%和87.64%，而芳綸非織造濾材對(duì)1.0～3.0 μm氣溶膠粒子的過濾效率為68.71%和77.85%，玻纖非織造濾材對(duì)1.0～3.0 μm 氣溶膠粒子的過濾效率為78.70%和80.42%。

表3 芳綸非織造濾材對(duì)不同粒徑粒子的過濾效率測(cè)試結(jié)果

對(duì)比孔徑及其分布和過濾效率測(cè)試結(jié)果來看，盡管3種濾材的孔徑較大，但可以攔截比自己孔徑小得多的粒子，這主要因?yàn)榉强椩爝^濾材料是由大量纖維組成的多孔三維立體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部纖維排列錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)含塵氣體透過時(shí)，比孔徑小得多的顆粒也很容易碰撞到纖維上而被捕集下

來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小顆粒的截留。 其中PPS非織造濾材80%左右的孔徑分布在49.12 μm附近， 但其對(duì)0.2～0.3 μm 粒子的攔截效率達(dá)到了42.30%和48.55%， 對(duì)1.0～3.0 μm的粒子的攔截效率更是達(dá)到了90.52%和87.64%。 從3種非織造濾材過濾效率結(jié)果來看， 在相同的試驗(yàn)條件下孔徑最小的PPS非織造濾材的過濾效率最高， 這主要是含塵氣體通過濾材時(shí)，孔徑越小顆粒與纖維碰撞被俘獲的概率越大導(dǎo)致的。 此外，濾材越厚，對(duì)顆粒的攔截能力也會(huì)有所提升，盡管玻纖非織造材的孔徑最大，但因其厚度較大，對(duì)1.0～3.0 μm的粒子的截留與芳綸非織造濾材相當(dāng)。

表4 PPS非織造濾材對(duì)不同粒徑粒子過濾效率測(cè)試結(jié)果

表5 玻纖非織造濾材對(duì)不同粒徑粒子過濾效率測(cè)試結(jié)果

2.4 非織造濾材容塵量和計(jì)重效率

濾材的容塵量是指使用規(guī)定粉塵，在額定風(fēng)速、粉塵濃度條件下進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)濾材粉塵負(fù)荷達(dá)到規(guī)定壓降時(shí)，測(cè)定待測(cè)濾材累計(jì)容納的粉塵量，反映了濾材容納顆粒污染物的能力。 計(jì)重效率是指使用規(guī)定粉塵，在額定風(fēng)速、粉塵濃度條件下進(jìn)行測(cè)試， 當(dāng)濾材粉塵負(fù)荷達(dá)到規(guī)定值時(shí)，測(cè)定待測(cè)濾材對(duì)粉塵的重量截留效率，反映了過濾分離過程凈化效果；計(jì)重效率是評(píng)價(jià)濾材對(duì)粉塵重量截留能力的指標(biāo)，容塵量是考察濾材對(duì)粉塵的收集能力，與濾材適用場(chǎng)合、使用壽命、效率和能耗間接相關(guān)。研究測(cè)試使用G505濾料性能測(cè)試儀，采用Pural NF氧化鋁試驗(yàn)粉塵，在室溫為23 ℃，濕度為75%條件下，對(duì)3種濾材的容塵量和計(jì)重效率進(jìn)行測(cè)定。

Pural NF氧化鋁試驗(yàn)粉塵粒度測(cè)試結(jié)果見表6，使用前需在烘箱內(nèi)105 ℃烘干3 h，再在干燥器內(nèi)冷卻1 h待用，確保在其使用時(shí)充分分散。 在接近實(shí)際操作工況（風(fēng)速為2 m/min（1.85 m3/h），額定壓差為1 000 Pa，測(cè)試粉塵濃度為5 000 mg/m3，試樣測(cè)試直徑為140 mm）條件下，分別對(duì)2塊試樣進(jìn)行測(cè)試，取測(cè)試結(jié)果平均值，測(cè)試結(jié)果見表7。

表6 Pural NF 氧化鋁測(cè)試粉塵粒度分布

表7 3種非織造濾材容塵量和計(jì)重效率測(cè)試結(jié)果

對(duì)比3種濾材的孔隙率和容塵量可知， 試樣的孔隙率越大，對(duì)應(yīng)的容塵量也越大，這是由于孔隙率越大，對(duì)應(yīng)的空位點(diǎn)越多，可容納粉塵的能力也就越強(qiáng)。 同時(shí)，3種濾材的平均計(jì)重效率在99.7%以上，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試用Pural NF氧化鋁粉塵具有很好的截留效率。 但需要指出的是，濾材容塵量和計(jì)重效率與試驗(yàn)粉塵、操作條件等因素直接相關(guān)，即使是指同樣的條件下，不同試驗(yàn)粉塵對(duì)應(yīng)的容塵量和計(jì)重效率結(jié)果也可能會(huì)有所差異。

2.5 非織造濾材的再生性能

分離過程中非織造濾材需頻繁清灰，對(duì)濾材進(jìn)行在線再生，其再生性能的好壞將直接影響分離過程效果、能耗等。 本研究中開展了非織造濾材的再生性能測(cè)試工作， 接近實(shí)際操作工況，在規(guī)定的條件下進(jìn)行濾材的濾塵試驗(yàn)，當(dāng)濾材粉塵負(fù)荷達(dá)到規(guī)定的1 000 Pa壓降時(shí)進(jìn)行定壓反吹再生，反吹再生清灰壓力為0.5 MPa，脈沖噴吹時(shí)間為50 ms，本試驗(yàn)中反復(fù)進(jìn)行30次，記錄過程中剩余壓差和循環(huán)時(shí)間的變化。 試驗(yàn)測(cè)試過程中，采用G505濾料性能測(cè)試儀，過濾介質(zhì)試樣的有效直徑為140 mm，使用2.4節(jié)中的Pural NF氧化鋁測(cè)試粉塵，在室溫23 ℃、濕度75%的條件下，對(duì)3種濾材的再生性能進(jìn)行測(cè)定。 試驗(yàn)采用粉塵為Pural NF氧化鋁測(cè)試粉塵，入口粉塵濃度5 000 g/m3，風(fēng)速為2 m/min，記錄過程中剩余壓差和循環(huán)時(shí)間的變化，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種濾材再生過程中剩余壓差和循環(huán)時(shí)間的變化

從3種濾材的再生性能試驗(yàn)結(jié)果來看，3種濾材的剩余壓差和循環(huán)時(shí)間都隨定壓反吹再生次數(shù)的累計(jì)而發(fā)生變化，隨著再生次數(shù)的增加，剩余壓差逐漸增加，并趨于平緩，而循環(huán)時(shí)間開始階段迅速減小，之后漸趨平緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在過濾和再生過程中， 粉塵被攔截在濾材的孔道中，導(dǎo)致剩余壓差增高、循環(huán)時(shí)間減少， 而定壓反吹后可去除部分沉積或被攔截在濾材內(nèi)的粉塵， 但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)累積在濾材內(nèi)的粉塵趨于穩(wěn)定， 截留和反吹掉的粉塵達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡， 就使得剩余壓差和循環(huán)時(shí)間趨于穩(wěn)定。 對(duì)比3種濾材的再生性能試驗(yàn)結(jié)果，在本試驗(yàn)條件下， 芳綸非織造濾材的剩余壓差最小，循環(huán)時(shí)間最長(zhǎng)，而PPS非織造濾材和玻纖非織造濾材的剩余壓差和循環(huán)時(shí)間相當(dāng)。

另外， 從3種濾材再生過程初始和最終的阻力、循環(huán)時(shí)間變化結(jié)果（表8）來看，3種非織造濾材中PPS非織造濾材的阻力增加最大， 增至原來的2.67倍，單循環(huán)時(shí)間減少的倍數(shù)最小，表現(xiàn)出較好的再生能力。

表8 3種非織造濾材再生過程始末阻力和循環(huán)時(shí)間變化結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 相比芳綸非織造濾材和玻纖非織造濾材，PPS非織造濾材透氣速率最大，透氣阻力最小。

3.2 玻纖非織造濾材的孔徑最大，PPS非織造濾材孔徑最小， 芳綸非織造濾材和PPS非織造濾材的孔徑分布較集中。 3種濾材均可以攔截比其孔徑小得多的粒子，其中PPS非織造濾材對(duì)1.0～3.0 μm的粒子的攔截效率更是達(dá)到了90%左右。

3.3 非織造濾材的平均計(jì)重效率均在99%以上，對(duì)試驗(yàn)用粉塵得的攔截效果較理想。 孔隙率越大的濾材，對(duì)應(yīng)容塵量也越大，其中玻纖濾材最大，PPS濾材次之，芳綸濾材最小。

3.4 再生性能研究過程中， 隨著再生次數(shù)的增加，3種濾材在剩余壓降逐漸增加， 并趨于平緩，而循環(huán)時(shí)間開始階段迅速減小， 并也漸趨平緩，其中芳綸非織造濾材的剩余壓差最小，循環(huán)時(shí)間最長(zhǎng)， 而PPS非織造濾材的循環(huán)時(shí)間減少的倍數(shù)最小，表現(xiàn)出較好的再生能力。