阻隔霧霾用纖維復合材料PM2.5過濾效率測試研究

文/張鵬 嚴玉蓉 倪冰選

1 引言

霧霾中對人體有危害的主要成分是PM2.5，持續的霧霾天氣使得人們產生了對PM2.5的擔憂。所以，在霧霾天氣人們會遇到是否開窗的難題，開窗外面的霧霾空氣會進入屋內，不打開窗戶則導致室內空氣不流通。為了解決開窗通風和阻隔霧霾之間的矛盾，市場上出現了一些用于阻隔霧霾的纖維復合材料，如何測試其PM2.5過濾效率成為一個亟待解決的問題。本文通過對主要顆粒介質、濃度和風速等測試條件進行研究，模擬霧霾天氣環境，測試市場上阻隔霧霾用纖維復合材料過濾效率，驗證其防霧霾效果。

2 試驗部分

2.1 試驗原理

過濾材料捕集顆粒物機理主要有慣性碰撞、布朗擴散、攔截效應、重力效應和靜電效應[1]，見圖1。一般來說，各種除塵機理并不是同時有效，而是一種或是幾種聯合起作用。而且，隨著濾料的空隙、氣流流速、粉塵粒徑以及其他原因的變化，各種機理對不同濾料的過濾性能的影響也不同。因此，通常會讓含有顆粒介質的氣流通過纖維過濾材料，通過檢測過濾材料上下游顆粒介質的濃度，來計算出纖維過濾材料的過濾效率。

圖1 過濾材料過濾機理示意圖

2.2 測試裝置

根據測試原理，本文設計的試驗裝置主要包括風道系統、模擬霧霾發生裝置和測量設備三部分。測試管道截面為620mm×620mm的全密封方形不銹鋼管道，管道中的空氣流量：（600～6000）m3/h。模擬霧霾發生裝置為壓縮空氣噴霧式氣溶膠發生器。測量設備為兩臺激光粒子計數器，測試粒徑范圍：（0.2～10）μm，測試流量：2.83L/min。

2.3 測試步驟

在每個阻隔霧霾用纖維復合材料（如防霧霾窗紗）樣品中裁取620mm×620mm大小的試樣一塊，試樣應避開疵點、褶皺等缺陷處。按試驗裝置規定的操作步驟進行測試，在1.5m/s的測試風速下，用兩臺激光粒子計數器同時測出試樣上、下風側粒徑≤2.5μm的粒子計數濃度，試樣對氣溶膠顆粒的過濾效率即為其上下風側計數濃度之差與上風側濃度之比，以百分數（%）表示。

3 結果與討論

3.1 模擬測試條件建立

3.1.1 主要顆粒介質

過濾效率測試試驗用常用的顆粒介質主要包括氣溶膠（例如NaCl、KCl、DOP、DEHS、石蠟油等）、氧化鋁粉塵、聚苯乙烯乳膠微球、人工模擬塵[2]。霧霾是人類活動向大氣排放微小顆粒物質可以分散到大氣中形成的固體氣溶膠[3]，因此，本試驗為模擬霧霾天氣環境，選用NaCl固體氣溶膠作為試驗用顆粒介質。

3.1.2 介質溶液濃度的確定

本文采用壓縮空氣噴霧式氣溶膠發生器產生氣溶膠，分別往其注入不同質量濃度的NaCl溶液，然后使用激光粒子計數器進行采樣測量，測試結果見圖2。劉新春[4]等人的研究指出，在我國北方地區的霧霾天氣環境中，大氣中的氣溶膠粒子主要集中在粒徑小于0.65μm范圍內，占比約為96%～98.5%。由圖2可見，NaCl溶液的質量溶度為5%時，其所產生的氣溶膠粒子的粒徑分布比最接近劉新春等人的研究監測結果。因此，本試驗過程最終選用5%NaCl溶液作為氣溶膠顆粒發生介質。

圖2 不同質量濃度NaCl溶液產生的氣溶膠粒子粒徑分布

3.1.3 測試風速的確定

相關研究指出，霧霾天氣的出現與靜穩天氣下空氣水平對流的不通暢導致大氣氣溶膠和氣體污染物大量聚集有關[5]，即風力越小，大氣中的氣溶膠顆粒物越不易擴散。并且，通過隨機查閱北京地區2016年12月的部分天氣數據，見表1，顯示當出現霧霾天氣時，風力情況一般小于3級，風速在0.3m/s～3m/s之間。因此，本文將試驗中的測試風速設定為1.5m/s。

表1 北京地區空氣質量指數和風力

3.2 模擬測試試驗結果

從市場隨機采集了10批次標識有防霧霾和防PM2.5效果，由纖維復合材料制成的防霧霾窗紗，測試其對PM2.5的過濾效率，試驗結果見表2所示。

表2 PM2.5的過濾效率測試結果

按照GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的標準要求，在嚴重污染天氣條件下，若其室內PM2.5日平均濃度符合國家標準要求，其安裝的防霧霾窗紗PM2.5過濾效率須在70%以上。由表1可知，本次試驗中的10批次樣品，都對PM2.5具有過濾效果，但只有兩批次樣品的PM2.5過濾效率大于70%，達到其宣稱的防霧霾和防PM2.5效果。

4 結論

（1）本文為解決如何測試阻隔霧霾用纖維復合材料的PM2.5過濾效率，設計了一套模擬霧霾天氣環境下，對阻隔霧霾用纖維復合材料PM2.5過濾效率進行測試的裝置，并就相關試驗條件參數進行了分析，提出了具體的試驗取值，形成了較為科學可行的試驗方法。

（2）本文采集了10批次由纖維復合材料制成的測試樣品，按照本文設計的方法進行了測試，結果顯示只有兩批次樣品的PM2.5過濾效率大于70%，可滿足在嚴重污染天氣環境下，使消費者室內PM2.5濃度達到國家環境標準要求。

參考文獻：

[1]Brown R C.Air fi lter，an integrated approach to the theory and applications of fibious filters[M].Publisher Pergamon Press, 1993.

[2]倪冰選,張鵬.氣體過濾纖維材料的過濾特性測試方法概述[J].中國纖檢,2016(6):94-97.

[3]程春英,尹學博.霧霾之PM2.5的來源、成分、形成及危害[J].大學化學,2014,29(5):1-6.

[4]劉新春,陳紅娜,趙克蕾,等.烏魯木齊氣溶膠粒徑分布及細顆粒物（PM2..5）濃度變化分析[J].生態環境學報,2016(4):1-10.

[5]閔敏,王普才,宗雪梅,等.灰霾過程中的氣溶膠特性觀察研究[J].氣候與環境研究, 2009,14(2):153-160.