濾料的孔徑及分布對過濾性能的影響

蔡偉龍

（廈門三維絲環保股份有限公司，福建 廈門 361101）

濾料的孔徑及分布對過濾性能的影響

蔡偉龍

（廈門三維絲環保股份有限公司，福建 廈門 361101）

通過對幾種濾料的孔徑測試，研究了針刺、水刺、覆膜濾料的孔徑尺寸、孔徑分布對過濾性能的影響。結果表明：針刺濾料、水刺濾料、覆膜濾料三種試樣的平均孔徑依次減小，孔徑分布依次變窄；較小的孔徑尺寸及均勻的孔徑分布能有效提高濾料的過濾效率。

濾料；孔徑尺寸；孔徑分布；過濾性能

前言

過濾是借助多孔的過濾材料，分離、捕集分散于流體中的顆粒狀物質的一個動態過程[1]。濾料本體的過濾是通過其孔徑通道的篩分作用來實現的，因此濾料的過濾性能在很大程度上取決于其孔徑的尺寸及分布。孔徑測試方法一般分為直接法和間接法。直接法就是通過顯微鏡對濾料表面孔隙進行直接觀察；間接法則是利用一些與孔徑有關的物理現象，通過實驗測出有關物理參數，再計算出孔隙的等效孔徑，包括泡點法、壓汞法、氣體吸附脫附法等[2]。對于有一定厚度或孔隙深度的多孔材料，多采用間接測試的方法。

本文使用的孔徑分析儀采用泡點法，對針刺、水刺、覆膜非織造濾料的孔徑尺寸、孔徑分布進行測試并研究其與過濾性能的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品選用相同克重的針刺、水刺、覆膜聚苯硫醚非織造濾料。

1.2 試驗儀器與原理

孔徑分布測試采用PSMA-20孔徑分析儀（GaoQ Functional Materials Co., Ltd），測量范圍為0.1～500μm，浸潤液選用表面張力16mN/m的GQ16浸潤劑。

儀器基于泡點法（又稱毛細流孔徑法、氣液排出法）原理：將試樣放在具有良好潤濕性的液體中充分浸潤，用壓縮氣體把液體從試樣微孔中吹出。假設孔隙為均勻通直圓孔，孔徑最大處的液體通常最先被壓縮氣體吹出，測定第一個氣泡出現時的壓力差就可以計算出泡點孔徑，即最大孔徑；通過干曲線與濕曲線交點處的壓力差可以計算出平均孔徑；測定多組透過試樣的氣流流量與壓差的數據，可以求出孔徑分布。計算公式如下[3]：

式中：

Di— 濾料中第i個孔徑（μm）；

Pi— 瞬時壓力（Pa）。

過濾性能測試采用VDI濾料模擬測試裝置（1-AT型，德國FILTE-q公司），參照美國ETV標準進行潔凈濾料過濾性能測試。

試驗測試條件：粉塵采用Pural NF氧化鋁粉塵，粉塵粒徑如表1所示，粉塵濃度為5.0±0.2g/m3，過濾風速為2.0m/min，清灰壓力0.5MPa。

具體方法：濾料樣品裁切；標定測試粉塵濃度；定壓1000Pa清灰6h。

表1 氧化鋁粉塵粒徑

2 試驗結果

孔徑分布測試過程試樣的干、濕態曲線如圖1、圖2、圖3所示，試樣孔徑尺寸計算結果見表2，試樣孔徑分布見圖4。從圖中可知，針刺濾料、水刺濾料、覆膜濾料試樣的平均孔徑顯著減小，孔徑分布逐漸變窄，覆膜濾料樣品孔徑分布在30μm內，且其中98%分布在5μm以內，水刺濾料樣品分布在50μm內，而針刺濾料樣品在50～100μm依舊有少量分布。

圖1 針刺濾料測試過程干、濕態曲線

圖2 水刺濾料測試過程干、濕態曲線

圖3 覆膜濾料測試過程干、濕態曲線

圖4 孔徑分布情況

表2 孔徑尺寸計算結果

濾料過濾性能如圖5所示。針刺濾料、水刺濾料、覆膜濾料試樣的除塵效率顯著增長，排放濃度顯著降低。

圖5 濾料過濾性能

3 討論與分析

針刺濾料的孔徑主要集中在5～50μm，30μm以上孔徑占20%，最大孔徑達58μm，遠比試驗粉塵的平均直徑大，但濾料依然表現出良好的過濾效率。一方面針刺濾料在過濾過程中，粉塵會在擴散效應的作用下，在纖維孔隙出現架橋現象，減小孔徑并逐漸在表面形成粉餅層，從而實現對粉塵的捕集；另一方面非織造濾料本身具有三維曲折微孔結構，使其可過濾部分粒徑比其孔徑小的顆粒。

水刺濾料由于水刺特殊工藝，使得濾料孔徑相對集中，孔徑大小均勻，孔徑90%在30μm以內；而相比針刺濾料，水刺濾料具有更優的過濾精度，濾度可達到99.99%以上。當含塵氣體通過濾料時，由于篩濾、慣性碰撞、擴散、重力和靜電效應的綜合作用，顆粒粒徑大于濾料孔徑的粉塵被纖維攔截，水刺濾料孔徑尺寸小，表現出較優過濾精度。

覆膜濾料是將具有多微孔性（空間網狀結構）的PTFE薄膜，通過高溫熱壓覆合到常規濾料表層。由測試可知，覆膜濾料平均孔徑僅為針刺濾料的1/10，孔徑分布在5μm以下高達98%，這使含塵煙氣在過濾過程中，粉塵很難通過表層薄膜進入濾料內部，濾料也不易發生阻塞和板結，把常規濾料的深層過濾機理轉變為表面過濾機理，并極大地提高過濾性能，實現高效低阻過濾。

4 結論

采用泡點法對針刺、水刺、覆膜三種濾料的孔徑尺寸、孔徑分布進行測試，結果表明針刺濾料、水刺濾料、覆膜濾料三種試樣的平均孔徑依次減小，孔徑分布依次變窄。

在對三種濾料過濾性能的分析研究中發現：1）濾料由于本身具有三維曲折微孔結構，使其可過濾部分粒徑比其孔徑小的顆粒，粉塵過濾為濾料深層過濾；2）相比針刺濾料，水刺濾料孔徑相對集中，孔徑大小均勻，粉塵過濾為類表層過濾，具有更優的過濾性能；3）覆膜濾料的平均孔徑僅為針刺濾料的1/10，孔徑分布極窄，把常規濾料的深層過濾機理轉變為表面過濾機理，并且極大提高過濾性能，實現高效低阻過濾。

[1]梁云，胡健，周雪松，等.纖維過濾材料孔徑及孔徑分布測試方法的研究[J].紡織科學研究，2014（4）.

[2]殷保璞，吳海波，靳向煜，等.非織造過濾材料的孔隙結構與透氣性能研究[J].產業用紡織品，2007（5）.

[3]倪冰選.非織造布孔徑分布及過濾效率研究[J].產業用紡織品，2012（3）.

Impact of Aperture and Distribution of Filtering Materials on Filtration Performance

CAI Wei-long
(Savings Institute of Energy Saving & Environmental Protection Technology, Fujian Xiamen 361101, China)

Based on the aperture tests of several filtering materials, the paper studies the impact of aperture size and aperture distribution of needle-punched felt, spun-laced felt and membrane filter materials on the filtration performance. The result shows： The average aperture sizes of the three samples of needle-punched felt filter materials, spun-laced felt filter materials and membrane filter materials decrease in turn and aperture distributions become narrow in turn; the little aperture sizes and the well-proportioned aperture distributions can efficiently improve the filter efficiency of filter materials.

filtering material; aperture size; aperture distribution; filtration performance

X701

A

1006-5377（2017）06-0055-03

聲 明

《中國環保產業》編輯部

國家科技支撐計劃（2015BAE01B04）。

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