纳米颗粒物过滤中反弹效应的研究

利用纤维过滤材料过滤颗粒物是去除环境中颗粒物的一种最基本、最重要的方法。经典的过滤理论认为：纤维滤料对颗粒物的过滤机理主要是截留、惯性碰撞、扩散和静电等，它假设颗粒一旦与过滤纤维表面相接触即被完全捕获，而忽略了颗粒与纤维表面接触后反弹的可能性及其后果。国际上近几年的研究表明，纳米气溶胶的反弹可能明显降低高效率滤料的过滤效率，但是对于影响气溶胶反弹的因素以及颗粒－纤维碰撞反弹的理论模型描述还缺乏系统的研究。本课题提出：选择不同效率等级的干态和湿态金属纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维过滤材料，对多种不同密度、不同形状和不同粒径的固态和液态颗粒物的过滤效率进行测量，来实验描述出气溶胶物理特性（如密度、形状和粒径等）、过滤材料纤维直径和种类以及过滤速度对反弹效应的影响关系，并且通过理论分析描述出包含反弹效应的过滤效率公式。

本研究采用三种不同效率等级玻璃纤维作为过滤材料，通过实验分析获得滤料的纤维直径、厚度和填充率等物理参数。根据实验所需湿态滤料的要求，分别使用水、甲基硅油对滤料进行湿处理，处理方法分别为浸渍法和加热熏蒸法，根据滤料过滤阻力实验确定湿态滤料制备方法为硅油熏蒸法。通过实验确定收集燃烧镁条火焰上方20 mm处的MgO颗粒，超声后与NaCl颗粒一样使用Collison型喷嘴发生喷雾；DEHS液体使用Laskin型喷嘴喷雾。利用本研究设计加工的颗粒物发生装置，发生的颗粒物满足实验对颗粒物浓度和粒径的要求。过滤效率的测量采用TSI SMPS3936L22扫描迁移率粒径分析仪，性能实验证明检测装置测量结果准确、稳定和可靠。通过数值模拟分析模拟了不同工况下，蒸发冷凝技术产生气溶胶的粒径大小，并且与实验数据进行了对比，结果表明使用蒸发冷凝技术，可以通过调节饱和器流量等参数获得单分散性能好，且粒径满足高效滤料效率测试要求的高浓度准单分散油性（DEHS）气溶胶。根据三种颗粒物在不同滤速、不同效率等级的干湿态滤料下过滤效率测量的实验结果，得到如下结论：（1）可以使用湿态滤料模拟过滤的理想状态。蒸油后湿态滤料特性基本不变，可以用湿态滤料模拟颗粒一旦与过滤纤维表面相接触即被完全捕获的理想状态；（2）液态颗粒反弹效应与固态颗粒相比极小；（3）存在颗粒物的反弹效应。可以将干态玻璃纤维滤料在5.3 cm/s滤速下对MgO颗粒的过滤作为反弹效应实验的基准体系。可以根据形状参数S对其它形状的颗粒物、根据过滤介质透过率的动力学模型对其它滤速的颗粒物反弹效应进行修正确定；（4）最易反弹粒径和反弹率与滤速成正比。对于同一滤料，随着滤速的增大，透过率升高，最易透过粒径MPPS减小，而最易反弹粒径增大，反弹率升高，5 cm/s左右可能是颗粒反弹效应的极值。在1~5.3 cm/s的常用滤速范围内，几种颗粒物的最大反弹率在0.039~1.324 %之间；（5）不同滤速下影响反弹效应的作用机理可能不同。反弹对扩散效应的修正系数约为0.806，对拦截效应的修正约为0.827；（6）不同颗粒物的最大反弹率有所不同，但最易反弹粒径相差不大；（7）反弹效应对透过率的影响较大。在最易透过粒径附近，反弹效应对透过率的贡献达到0.23~0.31的水平。因此对于高效及超高效过滤，需要考虑反弹效应的影响。