朱中奎，張愛利，范瑞華，常玉鋒，石 零

（1.江漢大學(xué) 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430056；2.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

0 引言

氣溶膠是分散在氣體中的固體或液體粒子，由于氣溶膠粒子能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于大氣中，其累積到一定濃度時(shí)則出現(xiàn)霧霾天氣，以致大氣環(huán)境質(zhì)量惡化，從而危害人類健康［1-2］。

近年來，霧霾天氣在我國(guó)大部分地區(qū)高頻季節(jié)性發(fā)生，引起了國(guó)家高度重視。國(guó)家連續(xù)發(fā)布了多項(xiàng)大氣污染防治的法律法規(guī)。2013年發(fā)布了大氣污染治理行動(dòng)計(jì)劃（大氣十條），2016年又在全國(guó)實(shí)施了新的《大氣污染防治法》，2017年兩會(huì)提出了“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的號(hào)召，緊接著2018年又發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》。在國(guó)家連續(xù)頒布實(shí)施嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)背景下，作為大氣環(huán)境質(zhì)量改善的重要支撐技術(shù)——纖維過濾技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

在纖維過濾過程中，氣溶膠粒子、氣體和過濾介質(zhì)3 個(gè)因素對(duì)過濾效率均有影響，且機(jī)制復(fù)雜，涉及氣溶膠物理學(xué)、氣溶膠計(jì)量學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科［3-4］。綜合研究纖維過濾技術(shù)的過濾機(jī)理、過濾過程、開發(fā)新型過濾材料，對(duì)拓寬過濾技術(shù)的應(yīng)用范圍及氣溶膠粒子的凈化有重要意義。

1 纖維過濾技術(shù)的過濾機(jī)制及特征參數(shù)

1.1 氣流和粒子繞流運(yùn)動(dòng)

在纖維過濾過程中，含塵氣流以垂直于圓柱的方式流經(jīng)圓柱時(shí)，氣流和粒子做圓柱繞流運(yùn)動(dòng)（見圖1）。在繞流運(yùn)動(dòng)過程中，氣流中的粒子一方面在慣性力、熱泳力、擴(kuò)散、靜電力等外力的作用下停留在圓柱體纖維表面上，稱為捕集；一方面在氣流的拖拽力作用下跟隨氣流繞過圓柱體纖維，稱為逃逸。

圖1 含塵氣流繞柱流運(yùn)動(dòng)Fig.1 Picture of dust-laden air flow around a cylinder fiber

氣溶膠粒子的過濾機(jī)制（捕集）的研究始于氣流繞孤立圓柱體（纖維）的運(yùn)動(dòng)，氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)方程［3-4］可表示為

式中，F(xiàn)D表示氣流阻力，N；C表示阻力系數(shù)，無量綱；Ap表示氣溶膠粒子在來流方向上的投影面積，m2；ρ表示氣體密度，kg/m3；u表示氣流速度，m/s；v表示粒子速度，m/s，m表示粒子質(zhì)量，kg；F表示外力，N。

圓柱體（纖維）周圍的流場(chǎng)，尤其是近纖維的流場(chǎng)對(duì)氣溶膠粒子的捕集起著非常重要的作用。對(duì)于無黏性、不可壓且垂直纖維的二維無限長(zhǎng)圓柱體無旋繞流，柱坐標(biāo)下速度分布［4-5］可表示為

式中，vr表示徑向速度，m/s；v0表示來流速度，m/s；rf表示纖維半徑，m；r表示極徑，m；vθ表示切向速度，rad/s；θ表示極角，rad。

基于上述氣溶膠粒子的繞流運(yùn)動(dòng)方程和圓柱體的流場(chǎng)方程，結(jié)合粒子流態(tài)和流體性質(zhì)，用歐拉法耦合圓柱體周圍流場(chǎng)及氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)，則可確定氣溶膠粒子捕集概率——效率。

1.2 空氣介質(zhì)和粒子運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)

氣溶膠粒子是跟隨氣流運(yùn)動(dòng)還是停留在圓柱體表面上，由粒子的特征參數(shù)和氣流的特征參數(shù)決定。

攜帶氣溶膠粒子的介質(zhì)（空氣）對(duì)氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)行為起著重要作用，它限制氣溶膠粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)速度。利用氣體動(dòng)力學(xué)或流體動(dòng)力學(xué)研究氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律前，必需確認(rèn)空氣介質(zhì)的連續(xù)性以及粒子大小與介質(zhì)分子的可比性，因?yàn)椴煌降牧Ｗ铀裱目諝鈩?dòng)力學(xué)規(guī)律是不同的。

氣溶膠力學(xué)研究有一個(gè)空氣介質(zhì)的連續(xù)性假設(shè)，然而當(dāng)氣溶膠粒子的直徑很小時(shí)，連續(xù)性假設(shè)不成立。介質(zhì)連續(xù)性判斷的準(zhǔn)則是克努森數(shù)（Knudsen number，Kn）［6］，可表示為

式中，λ是氣體分子的平均自由程其中d表示氣體分子直徑，m，dp是粒子直徑，m。

平均自由程和克努森數(shù)揭示了氣溶膠粒子尤其是小粒子（直徑＜1 μm）受介質(zhì)分子碰撞的影響。當(dāng)粒子直徑小于1 μm 時(shí)，粒子主要受單個(gè)氣體分子碰撞，其運(yùn)動(dòng)與氣流有關(guān)，但卻由氣體分子決定。

氣溶膠粒子是否被捕集還與表征其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的雷諾數(shù)、粒子在相應(yīng)力場(chǎng)中的特征參數(shù)有關(guān)［6］。其中粒子雷諾數(shù)（Rep）可用（1）式表示，而粒子在相應(yīng)力場(chǎng)中的特征參數(shù)可用馳豫時(shí)間（τ）表達(dá)式（2）表示，即

式中，μ表示氣體動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s。

1.3 過濾機(jī)制

氣溶膠粒子通過過濾介質(zhì)被纖維捕集的作用機(jī)制有5 種效應(yīng)（見表1），分別為攔截、碰撞、擴(kuò)散、重力和靜電效應(yīng)。在捕集過程中，大尺度粒子攔截效應(yīng)占優(yōu)，小尺度粒子擴(kuò)散效應(yīng)明顯，而粒子在大慣性條件下碰撞效應(yīng)起顯著作用［7-8］。氣溶膠粒子的過濾捕集機(jī)制中的重力效應(yīng)只在粒子密度大、顆粒大、氣流速度低時(shí)才明顯，盡管靜電效應(yīng)在過濾機(jī)制中可能是一種重要的機(jī)制，但是由于粉塵和纖維的荷電量定量難，且?guī)щ娏恳膊环€(wěn)定，在非人為干預(yù)下帶電量消失為0?；谶@些因素，氣溶膠粒子在纖維過濾過程中主要有攔截、碰撞、擴(kuò)散3 種捕集效應(yīng)。

表1 過濾機(jī)制及特征參數(shù)表［7-8］Tab.1 Filtration mechanism and characteristic parameters

由于氣流繞流流動(dòng)和粒子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，且區(qū)分單效應(yīng)作用較困難，表1中僅給出了某些特殊條件下的單效應(yīng)效率公式。在這些機(jī)制綜合作用下單纖維的分級(jí)凈化效率趨勢(shì)曲線呈現(xiàn)圖2所示的特征。在整個(gè)粒子直徑范圍內(nèi)，粒子直徑越?。ㄖ睆剑?.1 μm），擴(kuò)散效應(yīng)越明顯，而攔截和碰撞效應(yīng)較弱，所以擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)小粒子直徑的去除率越高，隨粒子直徑增加（直徑＞0.3 μm），擴(kuò)散效應(yīng)變?nèi)?，攔截和碰撞效應(yīng)變強(qiáng)，粒子的去除則由攔截和碰撞效應(yīng)去除，且直徑越大攔截和碰撞效應(yīng)去除率越大。粒徑在0.1～0.3 μm 間的粒子效率較小，原因可能是在該粒徑范圍內(nèi)，對(duì)于擴(kuò)散效應(yīng)來說粒徑太大，而對(duì)于攔截和碰撞效應(yīng)來說粒徑又太小。

圖2 孤立纖維過濾凈化效率隨粒徑演變趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of separate fiber filtration purification efficiency with particle size

在過濾過程中纖維過濾效率并不是簡(jiǎn)單的各效應(yīng)疊加，而是按獨(dú)立事件捕集概率的方式起作用，所以纖維過濾過程中各機(jī)制共同作用的總效率（η）［9］可表示為

式中，ηi表示單效應(yīng)效率，%。

2 纖維過濾技術(shù)的過濾介質(zhì)和過濾過程

2.1 過濾介質(zhì)

氣溶膠過濾介質(zhì)廣泛應(yīng)用在工業(yè)過濾裝置和民用空氣凈化產(chǎn)品中，這些產(chǎn)品中的過濾部件通常由過濾介質(zhì)按應(yīng)用需求設(shè)計(jì)而成。多纖維通過平紋織法、斜紋織法、緞紋織法、針刺氈織工藝形成具有一定厚度、孔洞隨機(jī)分布的過濾介質(zhì)。纖維過濾介質(zhì)由基質(zhì)纖維采用合適的技術(shù)手段制造成具有相當(dāng)孔隙比的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過濾基本單元，其類別主要有紡織過濾材料、無紡過濾材料、覆膜過濾材料［10］。圖3是纖維過濾介質(zhì)的表面和斷面SEM 照片［7］。

圖3 濾料的 SEM 照片［7，10］Fig.3 SEM photographs of filter media

過濾介質(zhì)單位面積的質(zhì)量、纖維直徑、填充密度（packing density）、厚度、空隙率、透氣率、耐溫、斷裂強(qiáng)度、延伸率和材質(zhì)等是工程常用的濾料指標(biāo)參數(shù)，這些指標(biāo)不僅決定著滲透率（效率），也決定著氣流通過的壓力損失和過濾介質(zhì)的使用壽命。

氣流中的顆粒以一定的速度通過過濾器的過程中，會(huì)有一定量的顆粒撞擊在過濾介質(zhì)的表面，這種由氣流通過過濾介質(zhì)實(shí)現(xiàn)氣-固分離的過程有以下3 個(gè)步驟［11］:

1）顆粒到達(dá)清潔過濾介質(zhì)的表面，并停留在過濾介質(zhì)的表面——深層過濾；

2）停留在過濾介質(zhì)表面的粒子隨時(shí)間的延續(xù)，進(jìn)入過濾介質(zhì)的深部，過濾介質(zhì)的表面停留更多的顆粒，形成顆粒層——過渡轉(zhuǎn)變區(qū)；

3）隨時(shí)間的延續(xù)，隨后到達(dá)的顆粒停留在顆粒層的迎風(fēng)面，顆粒層進(jìn)一步變厚——表面過濾。

所以，整個(gè)過濾過程是一個(gè)從清潔濾料到表面覆蓋粉塵的深層過濾到表面過濾的過程，由此可見上述從清潔濾料到濾料負(fù)載粉塵的壓力損失演變呈現(xiàn)3 個(gè)階段（見圖4）。Ⅰ區(qū)是壓力損失的線性區(qū)，Ⅱ區(qū)是壓力增加的非線性過渡區(qū)，Ⅲ區(qū)是表面壓力損失線性緩增區(qū)。

圖4 過濾介質(zhì)壓力演變圖Fig.4 Pressure evolution diagram of filter media

2.2 過濾過程的壓力演變

含塵氣流通過濾料時(shí)，濾料兩側(cè)的總壓差（PT）由氣流通過粉塵層的壓差（ΔPf）和氣流通過濾料層的壓差（ΔP0）構(gòu)成，可表示為

氣流無論是通過粉塵層的壓差還是通過濾料層的壓差，均與氣流流經(jīng)的長(zhǎng)度、流體黏度、滲透率和氣流通過的速度、過濾媒介的填充率、氣流方向有關(guān)［11-13］。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的條件下，過濾的壓力損失有通道理論和拖曳理論兩大理論，通道理論的壓力損失用Darcy′s 表達(dá)式（3）表示，即

式中，x表示粉塵層的厚度或?yàn)V料厚度，m；v表示氣流表面速度，m/s；μg表示氣體的粘性系數(shù)，無量綱；K表示濾料的滲透率。

拖曳理論的提出者Emersleben O.認(rèn)為過濾媒介空隙邊緣內(nèi)壁是產(chǎn)生阻力、阻礙氣流流動(dòng)的主要因素［13］，拖曳理論壓力損失可用公式（4）表示，即

式中，α表示纖維體積比，無量綱；di表示纖維直徑，m；gc表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，無量綱；CDαi表示拖曳系數(shù)，無量綱。

2.3 過濾器性能參數(shù)

纖維濾料能夠有效地發(fā)揮作用主要依靠良好的過濾設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，評(píng)價(jià)過濾設(shè)備的指標(biāo)有以下3 個(gè)。

1）過濾效率和滲透率

纖維過濾總效率在單個(gè)纖維擴(kuò)散、攔截、碰撞、靜電等效應(yīng)綜合作用的基礎(chǔ)上還增加了篩分效應(yīng)。由于非編織纖維過濾介質(zhì)空隙分布的隨機(jī)性和纖維排列的隨機(jī)性，很難準(zhǔn)確地用結(jié)構(gòu)化排列圓柱體來描述其過濾效率，通常認(rèn)為所有單個(gè)纖維過濾疊加的總效率（ηT）［3］可表示為

式中，ηi表示單個(gè)纖維過濾效應(yīng)的效率，%；α（packing density，常數(shù)）表示單位體積濾料內(nèi)的纖維充填率；Lf表示纖維長(zhǎng)度，m；df表示纖維直徑，m。

滲透率是氣溶膠粒子通過濾料量與入流氣溶膠粒子總量的比值，氣溶膠粒子的透過率與過濾效率之和為1。

2）壓力損失

由于工業(yè)過程是連續(xù)性的，停留在過濾介質(zhì)表面的顆粒需定時(shí)或定壓差清灰，于是連續(xù)過程的過濾介質(zhì)壓差呈現(xiàn)周期性［14］，圖5給出了工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的濾料周期性噴吹的壓力損失特征的變化圖，其結(jié)果也顯示過濾過程的壓力變化呈現(xiàn)周期性變化。

圖5 定時(shí)清灰壓力變化圖Fig.5 Evolution diagram of timing ash cleaning pressure

3）過濾風(fēng)速（氣布比）

氣布比是過濾式除塵器的一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，表示袋式除塵器處理氣體量與過濾總面積之比。氣布比對(duì)收集效率有重要影響，也決定過濾式除塵器的體積、功耗。在當(dāng)前細(xì)粒子排放標(biāo)準(zhǔn)的要求下，適當(dāng)降低過濾風(fēng)速是一種可能選項(xiàng)。

從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能上講，性能良好的過濾器表現(xiàn)在有大煙氣凈化量、高效率、低壓力損失和占地面積小等特點(diǎn)。然而，這些指標(biāo)值間大小不一致，難以統(tǒng)一。為取得過濾器良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效能，建議選取過濾風(fēng)速這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來達(dá)到效率、壓力損失、有效過濾面積三者間的優(yōu)化。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為滿足高效率的要求，選擇降低過濾風(fēng)速，不僅可以提高效率也可以降低壓力損失，然而過濾風(fēng)速降低卻導(dǎo)致過濾面積和除塵器體積的增加，進(jìn)而使投資成本增加。氣溶膠粒子的過濾不僅要在效率、壓力損失、有效過濾面積間保持平衡，也要在效率、處理量和氣布比間保持平衡，這幾個(gè)量間的關(guān)聯(lián)也是通過降低過濾風(fēng)速來提高效率，但這會(huì)使相同體積下的過濾處理體積量減小。所以過濾風(fēng)速的設(shè)計(jì)選擇需認(rèn)真對(duì)待。

3 過濾新技術(shù)

隨著理論和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，離心過濾、覆膜過濾、靜電過濾等新過濾技術(shù)隨之出現(xiàn)［15-19］。離心過濾技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)比較，通過使原來靜止的過濾部件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，其機(jī)制是在攔截、碰撞等基礎(chǔ)上增加了離心效應(yīng)，離心力的導(dǎo)入也使氣溶膠粒子的遷移速度降低，進(jìn)而提高了效率［8，15］。

覆膜過濾技術(shù)是在傳統(tǒng)過濾基材的基礎(chǔ)上覆蓋一層膜材料的新型過濾材料。從LIU［16］等的研究來看，亞微米氣溶膠顆粒的粒徑分布范圍很廣，粒徑的大小一般在l0-3～1 μm 量級(jí)，覆膜過濾技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米粒子的高效凈化，并使清灰更加容易。覆膜過濾的顯著特征是將過濾過程的深層過濾進(jìn)行了簡(jiǎn)化，不僅可實(shí)現(xiàn)亞微米氣溶膠顆粒接近于零排放，同時(shí)由于其薄膜不黏性、摩擦系數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，粉餅會(huì)在過濾過程中自動(dòng)脫落，確保了設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定［17-18］。

靜電過濾的機(jī)制是在氣溶膠粒子隨氣流到達(dá)濾料表面時(shí)，氣溶膠粒子帶電，這樣形成濾料纖維表面的粉塵間具有靜電力作用，于是氣溶膠粒子間間隙增加，氣流通過濾料時(shí)壓力損失減小，同時(shí)在纖維表面形成了電場(chǎng)，也可以提高氣溶膠粒子的凈化效率［19-20］。靜電過濾的顯著特征是融合了傳統(tǒng)的過濾技術(shù)和靜電技術(shù)來提高效率，可以針對(duì)亞微米甚至納米級(jí)的細(xì)微顆粒物來進(jìn)行攔截，更好滿足人們對(duì)高效過濾的要求。目前，靜電紡絲技術(shù)是制備超細(xì)納米纖維最常用的方法之一。靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜因纖維直徑小、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，在高效空氣過濾材料的應(yīng)用中顯現(xiàn)出優(yōu)異的性能，因此成為空氣過濾領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［21］。

4 結(jié)語

氣溶膠粒子的纖維過濾是一種高效凈化技術(shù)，它具有高效和維護(hù)簡(jiǎn)單的顯著特征，但氣溶膠粒子纖維過濾的機(jī)制復(fù)雜，新技術(shù)和新發(fā)展也不斷出現(xiàn)，隨著氣溶膠過濾技術(shù)和材料的發(fā)展，過濾設(shè)備和裝置的性能也會(huì)隨之提高，其應(yīng)用范圍也將更廣泛。