非織造布濾料性能及過(guò)濾過(guò)程的研究進(jìn)展

薛帆帆,周　蓉

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

?

非織造布濾料性能及過(guò)濾過(guò)程的研究進(jìn)展

薛帆帆,周蓉

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

摘要：對(duì)近年來(lái)非織造布濾料的研究進(jìn)展做了簡(jiǎn)要綜述，介紹了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征、過(guò)濾性能及其影響因素、過(guò)濾過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，指出進(jìn)一步發(fā)展所需要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：非織造布內(nèi)部結(jié)構(gòu)表征過(guò)濾性能計(jì)算機(jī)模擬

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們生活水平提高的同時(shí)，環(huán)境也在惡化，空氣污染日益嚴(yán)重。形成空氣污染的因素很多，主要包括工業(yè)煙塵、有機(jī)揮發(fā)物、汽車(chē)尾氣、揚(yáng)塵等。其中工業(yè)煙塵來(lái)源于電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)，這些行業(yè)一般采用袋式除塵技術(shù)過(guò)濾粉塵，非織造濾袋是袋式除塵器的核心部件。由于非織造布是有一定厚度的纖維集合體，組成纖維集合體的纖維因其細(xì)度、長(zhǎng)度及成網(wǎng)加固方式不同可以形成孔徑不等、曲折的氣流通道，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，又由于它的過(guò)濾精度、過(guò)濾效率取決于很多因素，所以過(guò)濾機(jī)理難以把握。對(duì)其研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征；(2)纖維過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其過(guò)濾性能的關(guān)系，影響濾料的內(nèi)部因素和外部因素；(3)過(guò)濾過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。倘若能很好地認(rèn)識(shí)和了解纖維過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，則可以有目的的設(shè)計(jì)符合過(guò)濾要求的纖維濾料，或者準(zhǔn)確預(yù)測(cè)濾料過(guò)濾性能，為濾料的生產(chǎn)和使用提供指導(dǎo)。前人在上述幾方面進(jìn)行了大量的研究和探討，取得了一定的研究成果，然而研究還在進(jìn)行，本文對(duì)此加以總結(jié)以期對(duì)今后的研究提供借鑒。

1內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究及表征

非織造布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有孔徑大小、孔徑分布、孔隙率等，由于纖維細(xì)度長(zhǎng)度的差異以及纏繞卷曲等使得孔徑大小及分布較為復(fù)雜，很難度量。內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響濾料的透氣性，進(jìn)而影響濾料的過(guò)濾性能，所以人們進(jìn)行了諸多研究。

從理論模型到圖像處理技術(shù)，再到實(shí)測(cè)儀器，對(duì)于非織布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究日臻成熟。建立模型由于將纖維理想化為圓柱體，且沒(méi)有卷曲和相互纏繞等，并不能真實(shí)反映濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以測(cè)量出來(lái)的孔徑大小及分布和孔隙率有偏差。圖像處理技術(shù)一般是電鏡掃描，將三維的濾料變成了平面的結(jié)構(gòu)，測(cè)量出來(lái)的孔隙率也不準(zhǔn)確，而用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量，能測(cè)試出孔徑真實(shí)分布情況，效率高，無(wú)偏差。

2 纖維過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能及其影響因素

過(guò)濾效率是指某個(gè)尺寸以上的顆粒物被過(guò)濾材料捕集的效率。過(guò)濾材料捕集的粉塵量與未經(jīng)過(guò)過(guò)濾材料進(jìn)行過(guò)濾的空氣中的粉塵量之比為“過(guò)濾效率”。過(guò)濾效率越高，過(guò)濾器的過(guò)濾性能越好。過(guò)濾阻力是測(cè)試過(guò)程中過(guò)濾材料進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的壓力差。纖維使氣流繞行，產(chǎn)生微小阻力。無(wú)數(shù)纖維的阻力之和就是過(guò)濾材料的阻力。阻力大時(shí)，能耗較大。為了獲得高效低阻的濾料，學(xué)者們對(duì)過(guò)濾性能的影響因素做出了諸多研究。

2.1過(guò)濾效率

2.2壓降

3過(guò)濾過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬

通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者理論分析建立出了計(jì)算過(guò)濾效率和壓降的方程，隨著科技的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的三維模擬技術(shù)為諸多行業(yè)解決了難題，學(xué)者們也不斷探索能否應(yīng)用在非織造布過(guò)濾濾料中，通過(guò)建立模型，模擬非織布濾料真實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制模型的參數(shù)和外部過(guò)濾條件直接預(yù)測(cè)出過(guò)濾材料的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力，這樣便可以省去大量的實(shí)驗(yàn)消耗，節(jié)省成本。由于纖維型過(guò)濾介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且過(guò)濾過(guò)程氣流的流動(dòng)和微粒的捕集也很難定性地描述，這就導(dǎo)致過(guò)濾材料的過(guò)濾性能不能通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型就能計(jì)算出來(lái)。學(xué)者們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和探討，從二維模型到三維模型，不斷地進(jìn)行完善，在過(guò)濾介質(zhì)的模擬方面有了很大的進(jìn)展。

付海明，沈恒根教授最早在一篇文獻(xiàn)[14]中對(duì)過(guò)濾過(guò)程做了簡(jiǎn)化，采用Visual Basic6.0，使模擬程序可視化，建立起兩層過(guò)濾介質(zhì)，相互獨(dú)立，假設(shè)纖維是圓柱體，纖維的直徑，水平間距及垂直間距可以調(diào)節(jié)，來(lái)表征復(fù)合濾料或覆膜濾料。微粒采用正態(tài)分布，在二維平面上，使微粒從一定高度落下，如果與纖維和其他微粒接觸則被捕集，最終計(jì)算出捕集效率和阻力。得出粉塵在過(guò)濾纖維表面呈樹(shù)枝狀沉積狀態(tài)，在非穩(wěn)態(tài)過(guò)濾時(shí)，由于被捕集顆粒沉積的存在使粉塵捕集效率增加，與實(shí)際結(jié)論相符。由于假設(shè)被過(guò)濾的微粒做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，忽略了布朗運(yùn)動(dòng)，纖維附近的流場(chǎng)以及纖維和微粒的反彈，而且采用的是簡(jiǎn)單的二維模型，使得模型不能真實(shí)有效地模擬出濾料的過(guò)濾過(guò)程。文獻(xiàn)[15]對(duì)于過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的氣相流場(chǎng)進(jìn)行研究，建立二維模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用多孔介質(zhì)模型，得到在不同填充密度和過(guò)濾器深度時(shí)纖維過(guò)濾器內(nèi)的靜壓分布。結(jié)果表明：靜壓沿著過(guò)濾器深度方向線(xiàn)性變化，填充密度越大，初始?jí)航翟酱蟆ｋS著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模型從二維逐漸發(fā)展到三維。徐芳芳[16]等人采用CFD軟件，建立三維隨機(jī)纖維過(guò)濾介質(zhì)模型，通過(guò)大量的數(shù)值研究，得出迎面風(fēng)速、過(guò)濾介質(zhì)填充密度對(duì)壓降和滲透率的影響，由于將非織布微觀結(jié)構(gòu)中纖維位置和方向的雜亂性和隨機(jī)性考慮在內(nèi)，使得模型具有一定的真實(shí)性。李艷艷[17]等人為了模擬其內(nèi)部的氣相流場(chǎng)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立三維纖維過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型，有纖維交錯(cuò)排列、纖維平行和纖維隨機(jī)排列這三種排列方式，在不同的填充率和過(guò)濾風(fēng)速條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，得出三種無(wú)因次壓力損失表達(dá)式。得到壓力損失隨過(guò)濾風(fēng)速呈線(xiàn)性增加，隨填充密度成非線(xiàn)性增加的結(jié)論。另外有學(xué)者[18]將過(guò)濾速度分成高速和低速，基于VBA編程，采用CFD計(jì)算其內(nèi)部流場(chǎng)，建立模型，結(jié)果研究低速和高速過(guò)濾狀態(tài)下壓力損失與速度的關(guān)系。結(jié)果當(dāng)流體平均速度大于0.3m/s時(shí)，壓力損失與流體平均速度不再是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。文獻(xiàn)[19]研究空調(diào)凈化領(lǐng)域的高效過(guò)濾器，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，由交錯(cuò)排列纖維組成，分析得到，隨著迎面風(fēng)速的增加，壓力損失線(xiàn)性增加；在過(guò)濾器中不同粒徑范圍內(nèi)捕集機(jī)理也不同。慣性碰撞主要對(duì)于粒徑大于0.5 μm 的顆粒貢獻(xiàn)較大，而由于擴(kuò)散導(dǎo)致的布朗運(yùn)動(dòng)主要對(duì)于粒徑在0.2 μm 左右的顆粒起較大的作用。對(duì)于粒徑在0.2～0.5 μm 之間的顆粒，慣性碰撞和布朗力都相對(duì)較弱。因此，纖維過(guò)濾器對(duì)于該粒徑范圍內(nèi)的顆粒具有最小捕集效率。對(duì)于梯度濾料和覆膜濾料，文獻(xiàn)[20]做了模擬和研究。根據(jù)Matlab軟件和數(shù)值計(jì)算前處理軟件Gambit中的Journal文件建立多層復(fù)合纖維濾料模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)濾料內(nèi)部的氣—固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值研究，計(jì)算不同纖維填充密度和直徑分布時(shí)的壓力損失和過(guò)濾效率。研究表明迎面風(fēng)速增加，壓力損失線(xiàn)性增加，過(guò)濾效率是先減小后增大。顆粒大小不同時(shí)，過(guò)濾機(jī)理也不同。采用纖維直徑逐層增大的梯次結(jié)構(gòu)時(shí)，過(guò)濾效率較高。復(fù)合濾料經(jīng)過(guò)覆膜后效率明顯增加。

隨著顆粒在濾料上的沉積，濾料的過(guò)濾變成了非穩(wěn)定狀態(tài)，粉塵的粒徑大小和濃度以及粉塵在濾料上的堆積狀態(tài)也會(huì)影響到濾料的過(guò)濾效率和壓降。朱輝等人[21-23]為了研究粉塵顆粒在單纖維表面的沉積過(guò)程，采用Kuwabara流場(chǎng)表征單纖維表面的氣流繞流特征，采用隨機(jī)模擬方法，建立計(jì)算模型，結(jié)果表明，沉積狀態(tài)依賴(lài)于Stokes數(shù)、粒徑分布和纖維扭曲程度。隨著St數(shù)減小，沉積物由緊密的堆積結(jié)構(gòu)演變成分叉顯著的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，隨捕集粒子數(shù)的增加，單纖維捕集效率增加。為了進(jìn)一步研究荷塵對(duì)于壓降的影響，采用Monte Carlo法和Kuwabara單元模型，建立模型。分析得出過(guò)濾風(fēng)速、粒子大小和粉塵樹(shù)枝形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)壓降影響顯著，纖維直徑影響不明顯。王國(guó)呈[24]也利用CFD-DEM耦合方法，對(duì)單纖維過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究顆粒和纖維體間碰撞恢復(fù)系數(shù)的變化對(duì)顆粒在單纖維體上的沉積及捕集特性的影響。結(jié)果表明，顆粒的捕集數(shù)量隨顆粒與纖維體間的恢復(fù)系數(shù)呈先增加后減少，然后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的趨勢(shì)。

學(xué)者們通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬建立出非織造布濾料的三維模型，通過(guò)改變過(guò)濾器的填充率、厚度、過(guò)濾風(fēng)速等條件，研究其對(duì)過(guò)濾效率和壓降的影響，結(jié)論基本上與Davies給出的公式相一致，實(shí)際上，影響過(guò)濾性能的還有一個(gè)重要的指標(biāo)就是構(gòu)成濾料的纖維的直徑，纖維的粗細(xì)會(huì)影響濾料的孔徑大小和分布，從而影響到透氣性，進(jìn)一步對(duì)過(guò)濾性能產(chǎn)生影響。由于構(gòu)成濾料的纖維直徑分布不均勻，導(dǎo)致對(duì)于纖維直徑這個(gè)因素的研究比較困難，今后可以在模型中加入相關(guān)的程序，將纖維直徑考慮在內(nèi)。對(duì)于非穩(wěn)定狀態(tài)下過(guò)濾過(guò)程，可以通過(guò)分形理論，探索粉塵堆積結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)和過(guò)濾性能之間的關(guān)系。

4展望

隨著先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明，對(duì)于非織造布濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及過(guò)濾性能都可以很方便地測(cè)試出來(lái)，但是測(cè)試過(guò)濾效率和壓降時(shí)成本較高且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)過(guò)濾性能是一個(gè)很好的發(fā)展趨勢(shì)。

纖維型過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，纖維直徑，長(zhǎng)短不一，橫截面也多種多樣，纖維之間有纏繞，扭曲，壓縮等現(xiàn)象，過(guò)濾時(shí)氣流在纖維之間通道的流動(dòng)也沒(méi)有定向的運(yùn)動(dòng)，所以進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)經(jīng)常會(huì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，最后導(dǎo)致預(yù)測(cè)出的結(jié)果并不能真實(shí)反映過(guò)濾材料的過(guò)濾性能。在下一步的研究中，需要進(jìn)行理論方面的完善，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，考慮到纖維直徑的分布，以及纖維的扭曲和相互之間的纏繞，將模擬計(jì)算出來(lái)的過(guò)濾性能與實(shí)際濾料測(cè)試出來(lái)的過(guò)濾性能進(jìn)行比較，找出模型有待完善的地方，以期能更好地預(yù)測(cè)濾料的過(guò)濾性能，指導(dǎo)濾料的生產(chǎn)工藝。

參考文獻(xiàn)

[1]吳兆平，李艱，陳建敏,等．非織造土工布幾何結(jié)構(gòu)與孔徑分布計(jì)算[J]．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，11(3)：23-27．

[2]李巖，付海明，張健．纖維過(guò)濾介質(zhì)孔隙率及其分形維數(shù)[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2012，31(4)：18-21．

[3]楊旭紅，李棟高．非織造材料孔隙結(jié)構(gòu)的定量表述[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005(1)：10-15．

[4]簡(jiǎn)小平．非織造布空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的研究[D]．2013．

[5]殷保璞，吳海波，靳向煜等．非織造過(guò)濾材料的孔隙結(jié)構(gòu)與透氣性能研究[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007(5)：20-23．

[6]Davies C N. The Separation of Airborne Dust and Particles[J]. Arhiv za HigijenuRada, 1950,1(4): 393-427.

[7]蘇小紅，付海明．淺析袋式除塵器孔隙率與過(guò)濾特性之間的關(guān)系[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(2)：100-103．

[8]付海明，沈恒根．非穩(wěn)定過(guò)濾捕集效率的理論計(jì)算研究[J]．中國(guó)粉體技術(shù)，2003(6)：4-7．

[9]付海明，李陽(yáng)．顆粒層非穩(wěn)態(tài)過(guò)濾捕集效率的研究[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào) ，2009，3(9)：1625-1629．

[10]Davies C N. Air filtration [M].Academic Press, 1973:110-112.

[11]趙友軍，付海明，李陽(yáng)．過(guò)濾風(fēng)速對(duì)纖維過(guò)濾器壓力損失的試驗(yàn)研究[J]．潔凈與空調(diào) 技術(shù)， 2007(3)：14-16．

[12]李陽(yáng)，付海明，趙友軍．固定床顆粒過(guò)濾壓降的正交實(shí)驗(yàn)及回歸分析[J]．能源與環(huán)境，2007(5)：16-17．

[13]唐敏，梁云，胡健．玻纖濾材過(guò)濾阻力的預(yù)測(cè)[J]．過(guò)濾與分離，2012，22(4)：17-20．

[14]付海明，沈恒根．纖維過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾行為計(jì)算機(jī)模擬研究[C]．全國(guó)暖通空調(diào)，2004年學(xué)術(shù)文集 ：98-103．

[15]錢(qián)付平，韓云龍，陳光，等．纖維過(guò)濾器氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究[J]．節(jié)能技術(shù)，2008，26(5)：393-395．

[16]付海明，徐芳芳，李艷艷．纖維過(guò)濾介質(zhì)滲透率及壓力損失數(shù)值模擬[J]．華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(5)：535-542．

[17]李艷艷，付海明，胡玉樂(lè)．纖維過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部三維流場(chǎng)模擬[J]．紡織學(xué)報(bào) ，2011，32(5)：16-21．

[18]徐芳芳，付海明，雷澤明，等．三維纖維過(guò)濾介質(zhì)壓力損失數(shù)值模擬[J]．東華大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(6)：745-749．

[19]錢(qián)付平．高效過(guò)濾器內(nèi)氣—固兩相流動(dòng)特性的數(shù)值研究[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28(1)：18-22．

[20]錢(qián)付平，王海剛，陳光．表面覆膜多層復(fù)合纖維濾料過(guò)濾性能的數(shù)值研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(12)：2392-2398．

[21]朱輝，付海明，亢燕銘．粉塵顆粒在單纖維表面沉積的計(jì)算機(jī)模擬[J]．環(huán)境污染與防治，2009，31(3)：10-15．

[22]朱輝，付海明，亢燕銘．單纖維過(guò)濾介質(zhì)表面塵粒捕集的隨機(jī)模擬[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(8)：1881-1886．

[23]朱輝，付海明，亢燕銘．荷塵狀態(tài)單纖維過(guò)濾壓降數(shù)值計(jì)算與分析[J]．化工學(xué)報(bào)，2012，63(12)：3927-3935．

[24]王國(guó)呈．碰撞恢復(fù)系數(shù)對(duì)單纖維顆粒捕集特性的影響[J]．過(guò)濾與分離，2015，25(1)：9-13．

Research Progress on Performance and Filtration Process of Non-woven Filtering Material

XUEFan-fan,ZHOURong

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao 266071)

Abstract:Research progress of non-woven filtering material was briefly reviewed, such key points were introduced as internal structure’s research and its characterization, filtration performance and its influencing elements and computerized simulation of filtration process, and problems for further development were put forward.

Key words:internal structure’s research and its characterizationfiltration performance and its influencing elementscomputerized simulation of filtration process

中圖分類(lèi)號(hào)：TS179

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0032-05

通訊作者：周蓉(1968-)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

收稿日期：2015-09-25

第一作者：薛帆帆(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織新工藝、新設(shè)備。