濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響

陳相瑋 林忠平劉鴻洋

同濟大學機械與能源工程學院

濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響

陳相瑋 林忠平*劉鴻洋

同濟大學機械與能源工程學院

實驗研究了相對濕度對ePTFE高效空氣過濾材料阻力的影響，并與玻璃纖維高效濾料作對比。結果表明：相對濕度對ePTFE和玻纖高效濾料的初阻力沒有影響。過濾固態氣溶膠時，ePTFE濾料在表面過濾階段的阻力呈線性增長，但增長速度高于相同濕度下的玻纖濾料；過濾液態氣溶膠時，ePTFE濾料早于玻纖濾料進入阻力指數增長階段，兩種濾料的容塵性能存在顯著差異。

濕度 ePTFE高效 過濾材料 阻力

1 高效過濾材料容塵實驗

1.1 實驗裝置

圖1為高效空氣過濾材料容塵實驗裝置原理圖。空氣依次經過空氣壓縮機、冷干機和空氣過濾器后成為潔凈的干燥氣流，隨后分為三個支路：干燥空氣支路、空氣加濕器支路和氣溶膠發生器支路。改變干燥空氣和濕空氣流量的比例，可使匯合氣流的相對濕度在20%～85%范圍內調節。三個支路匯合后經過充分混合和熱濕交換，成為濃度和相對濕度穩定的氣溶膠，進入噴嘴流量計、受試濾料樣品和變頻風機，最后排出實驗裝置。計算機以一定時間間隔記錄濾料樣品的氣流流量、相對濕度和對應的濾料阻力。變頻風機使經過受試濾料的氣流量自動保持預設值。濕度儀型號為 VECTOR SOC-H1TI，相對濕度測量范圍為0～100%，精度5%。噴嘴流量計前設置放空管。

圖1 高效空氣過濾材料容塵實驗裝置原理圖

1.2 實驗方案

用不同相對濕度的KC（l氯化鉀）氣溶膠對高效過濾材料進行容塵實驗，對比濾料阻力的增長特性。實驗中氣溶膠發生器使用3%質量濃度的KCl溶液。KCl的潮解濕度為65%，當環境相對濕度低于65%時氣溶膠里的KCl呈現為固態，高于65%時KCl潮解，呈液態狀。濾料的有效過濾面積為 100cm2，濾速為5.3cm/s，阻力增長到700Pa時實驗終止。濾料在容塵前后用TG328A（S）型分析天平稱重，天平的量程為0～200g，分度值0.1mg。濾料終重與初重的差值即為容塵量，單位為mg。

表1 濾料樣品的基本信息

1.3 實驗材料

實驗所用高效過濾材料樣品共有5種型號，包括ePTFE和玻璃纖維兩種材質。濾料的基本信息見表1。濾料的過濾等級根據EN 1822-1：2009標準劃分[2]。

2 實驗結果

2.1 相對濕度對ePTFE濾料阻力的影響

觀察組控制良好41例，尚可9例，不良4例，血糖控制率為92.59%；對照組控制良好29例，尚可14例，不良11例，血糖控制率為79.63%，觀察組明顯優于對照組，兩組比較，差異有統計學意義（P＜0.05）。

圖2、圖3分別為兩種ePTFE濾料在不同相對濕度下的阻力變化。圖中表明，在27%～72%相對濕度范圍內，濾料的初阻力值沒有顯著差別。5.3cm/s濾速下，A-P-H14和B-P-U17濾料的初阻力值分別為138Pa和324Pa左右，可以認為相對濕度不影響ePTFE高效濾料的初阻力。

圖2 不同相對濕度下A-P-H14濾料的阻力與容塵量關系

圖3 不同相對濕度下B-P-U17濾料的阻力與容塵量關系

相對濕度低于65%時，較高相對濕度下濾料阻力增長較緩慢，終止阻力所對應的容塵量也越大，例如，27%相對濕度，700Pa終阻力時，A-P-H14濾料的容塵量為35.1mg，而55%相對濕度時容塵量為59.25mg。A-P-H14濾料的阻力-容塵量曲線存在轉折點，把曲線分為兩個階段：深層過濾階段和表面過濾階段。濾料在深層過濾階段的阻力增長較為緩慢，表面過濾階段阻力增長較快，阻力與容塵量呈線性關系。B-P-U17濾料的阻力-容塵量曲線未觀察到轉折點，阻力始終保持線性增長，可以認為這種濾料的深層過濾階段非常短暫，自容塵開始就迅速進入表面過濾階段。

相對濕度高于65%時，兩種ePTFE濾料在較長時間內阻力較緩慢增長，然后進入阻力指數增長階段。

2.2 相對濕度對玻纖濾料阻力的影響

不同相對濕度下C-F-U15濾料的阻力-容塵量關系見圖4。與ePTFE高效濾料相同，在27%～72%相對濕度范圍內，玻纖高效濾料的初阻力不受相對濕度影響。相對濕度越高，阻力到達700Pa時濾料的容塵量也越高，且相對濕度高于65%后，相對濕度對濾料容塵性能的提高更加顯著。

圖4 不同相對濕度下C-F-U15濾料的阻力與容塵量關系

相對濕度低于65%時，C-F-U15濾料的阻力-容塵量曲線也可分為深層過濾和表面過濾兩個階段。玻纖濾料在深層過濾階段的阻力增長較為緩慢，短時間的深層過濾階段后經過轉折點進入表面過濾階段。濾料在表面過濾階段阻力增長較快，阻力-容塵量曲線呈線性。相對濕度越高，濾料到達轉折點時的容塵量也提高，表面過濾階段阻力曲線的斜率也越小。

相對濕度高于65%時，濾料阻力在較長時間內緩慢增長，到達轉折點后開始呈指數上升。

2.3 相同濕度下ePTFE與玻璃纖維濾料的阻力對比

圖5為27%相對濕度時，5種濾料的阻力-容塵量關系曲線。圖中可見，相同材質的濾料在表面過濾階段的曲線斜率比較接近，但玻纖濾料的斜率比ePTFE濾料要小，說明相同濕度下，ePTFE濾料在表面容塵階段的阻力增長速度要比玻璃纖維濾料更高。

圖5 27%相對濕度下5種濾料的阻力與容塵量關系

同為H13級的C-F-H13和A-F-H13濾料的初阻力較為接近，整個容塵階段的阻力曲線也有相似形狀，導致這兩種濾料的容塵量也比較接近。同一生產廠商的C-F-H13和C-F-U15濾料在整個容塵階段的阻力曲線形狀也相似，但C-F-U15濾料的初阻力較高，導致700Pa終阻力時的容塵量不及C-F-H13。

過濾等級包括H13和U15的3種玻璃纖維濾料的阻力曲線都可分為深層過濾階段和表面過濾階段。H14的ePTFE濾料的阻力曲線也分為兩個階段，但U17的ePTFE濾料未觀察到深層過濾階段，僅有表面過濾階段。且U17濾料的初阻力較高，認為這種濾料的內部纖維極細、堆積密度較高，難以容納太多的氣溶膠顆粒。

圖6 70%相對濕度下5種濾料的阻力與容塵量關系

圖6為70%相對濕度時，5種型號濾料的阻力-容塵量關系曲線。與27%相對濕度的實驗結果相似，同種材質的濾料在整個容塵過程有著形狀相似的阻力增長曲線。由于ePTFE濾料的阻力更早進入指數增長階段，導致整個容塵階段的阻力增長速度均高于玻纖濾料。因此，環境相對濕度高于KCl潮解濕度時，ePTFE高效濾料與玻纖高效濾料的容塵性能有顯著差異。

3 分析與討論

相對濕度低于65%時，氣溶膠里KCl為固態顆粒物，被濾料捕獲后首先在纖維表面形成樹枝狀結構[3]，因此濾料在深層過濾階段對氣流有較高的阻力。被捕獲的KCl顆粒物越來越多，逐漸在濾料表面形成粉塵層，濾料進入表面過濾階段。由于毛細凝聚效應，進入粉塵層毛細管和細孔的水蒸氣產生了凝結水。凝結水使KCl顆粒之間產生了毛細管力，限制了顆粒之間的相對位移，使得粉塵層有著更高的孔隙率[4]。較高的相對濕度使顆粒物之間的粘附力也較高，粉塵層的孔隙率也隨之提高，因此降低了對氣流的阻力[5]。本次實驗中觀察到：較高相對濕度下，ePTFE和玻纖濾料在表面過濾階段的阻力增長都較為緩慢，但相同的濕度條件下，不同材質的高效濾料在表面過濾階段阻力增長速度并不相同，不妨假設粉塵層的形成不僅與氣溶膠特性相關，還與濾料材質有關，其機理有待進一步研究。

相對濕度高于65%時，氣溶膠里的KCl潮解，呈現為液態，在纖維表面沉積后會逐漸把纖維包裹，形成一層液膜[6]。與固態KCl顆粒物形成的樹枝狀結構相比，液膜對氣流的阻力較低，形成液膜所需要的時間也較長，因此濾料在容塵前期的阻力較低，增長較為緩慢。形成液膜后，纖維間的縫隙也逐漸被液態KCl填充，導致濾料阻力呈指數增長[7]。由于ePTFE濾料纖維之間的縫隙所能容納的液體KCl量少于玻璃纖維濾料，因此阻力較快進入指數增長階段。從實驗結果看：ePTFE高效濾料不宜用于過濾液體氣溶膠。

4 結論

在不同的相對濕度下對ePTFE高效空氣過濾材料進行容塵實驗，觀察相對濕度對濾料阻力的影響，并將實驗結果與玻璃纖維高效空氣過濾材料對比。實驗結果表明：

1）ePTFE和玻璃纖維高效濾料的初阻力與相對濕度無關。

2）相對濕度通過影響KCl氣溶膠的物態，從而影響高效濾料的阻力增長特性。使用固態KCl氣溶膠對濾料容塵時，除了U17的ePTFE濾料僅觀察到表面過濾階段，其他4種濾料均觀察到深層過濾和表面過濾兩個階段。濾料在表面過濾階段的阻力變化與容塵量呈線性關系。

3）使用液態KCl氣溶膠對濾料容塵時，阻力在較長時間內緩慢增長，經過轉折點后呈指數增長。與玻纖高效濾料相比，ePTFE濾料在較低容塵量時就進入阻力指數增長階段，導致兩種材質的高效濾料在容塵性能方面有顯著差異。

4）相同濕度下，相同材質的濾料有著形狀相似的阻力-容塵量曲線，但在表面過濾階段時ePTFE濾料比玻纖濾料有更快的阻力增長速度。

5）從本次實驗結果看，ePTFE高效濾料不宜用于過濾液態氣溶膠。

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Influe nc e of Hum idity on Re s is ta nc e of e PTFE High Effic ie nc y Air(HEPA)Filte r Me dium

CHEN Xiang-wei,LIN Zhong-ping*,LIU Hong-yang
College of Mechanical Engineering,Tongji University

An experimental study on the influence of relative humidity on resistance of ePTFE high efficiency air filter medium,and compared the results to glass fiber high efficiency air filter medium.The results show that,relative humidity has no significant influence on the initial resistance of both ePTFE and glass fiber filter medium.When challenged by solid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium in the stage of surface filtration increases linearly but faster than that of glass fiber filter medium.When challenged by liquid aerosol,the resistance of ePTFE filter medium enters exponential increase earlier than glass fiber,leading to significant difference in capacity performance between these two kinds of filter medium.

humidity,ePTFE,high efficiency,filter medium,resistance

1003-0344（2015）03-026-4

2014-2-27

林忠平（1968～），男，博士，教授；上海四平路1239號（200092）；E-mail:zplin99@tongji.edu.cn