玻璃纖維濾材亞微米級顆粒過濾效率測試方法探討＊

石玉強，楊 超，朱明華，姚嘉蘭

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著工業化的不斷發展，不僅出于對人們健康的考慮，高精尖領域對于生產用水的純凈度要求也越來越高，對水中的污染物進行有效的過濾十分必要。在過濾的過程中，過濾器的質量決定著過濾的效果，而濾材又是決定過濾器質量的一個核心要素?，F有技術中，除了1μm、5μm、20μm等常見精度的濾芯外，在一些過濾系統中要求使用過濾精度為0.1μm、0.2μm、0.45μm和1μm的亞微米級過濾濾芯，并且其過濾效率一般要求在98%以上［1］。

目前，對于濾芯的過濾性能檢測，國內主要采用根據ISO標準建立的GB/T 18853-2015《液壓傳動過濾器評定濾芯過濾性能的多次通過法》來執行。但在實際應用中卻發現，采用該標準對水濾芯的過濾性能進行檢測的過程中存在著如下問題［2］：該標準中所使用的試驗設備采用的過濾介質是指定牌號的液壓油，這與水濾芯的實際使用介質是水的工況不符；該標準中可檢測的最高過濾精度僅為4μm，且沒有給出1μm及以下精度的檢測方法或建議，無法適用于亞微米級過濾體系的過濾精度和過濾效率的評價。此外，該標準的測試對象為濾芯，而目前行業內暫未形成廣泛適用的濾材檢測方法［3］?？梢?，開發一種適宜于亞微米級濾材過濾精度和過濾效率進行有效評價的方法，對于水過濾設備性能的評價和監測具有積極的意義。

本文在自主設計濾材過濾效率試驗臺架的基礎上探討了主要針對亞微米級顆粒的過濾效率測試方法，并利用自制玻璃纖維濾材進行了相關實驗，研究了上游污染物濃度、流量、取樣間隔等實驗參數和濾材種類對于過濾效率測試值產生的影響，以期為水過濾領域亞微米級濾材過濾效率測試的優化提供參考。

1 濾材過濾效率測試臺架

由圖1可以看到，濾材過濾效率臺架主要包括儲罐、濾材過濾器及其前后取樣閥等主要部分，輔以泵、流量計、壓力表等形成整體回路，根據實驗需要可以根據是否旁通凈化過濾器來選擇單通或者多通測試方法，單通測試過程中測試介質不通過凈化過濾器直接注入廢液儲罐。以單通法為例，具體測試過程為：

圖1 濾材過濾效率臺架示意圖

（1）選用特定尺寸的亞微米顆粒，加入去離子水中配成分散液，用紫外分光光度計測定特征峰。

（2）配制濃度分別為不同濃度梯度的標準溶液，在特征峰波長處測定各標準溶液的吸光度，按測得的吸光度與標準溶液濃度的關系繪制標準曲線，以線性關系擬合公式R2達到0.99以上為合適測試段，在該范圍內擇定上游污染物（即亞微米顆粒）濃度。

（3）根據設定的上游污染物濃度配制分散液注入儲罐，將濾材裝入過濾器外殼，設定運行流量，開始測試。

（4）每隔一段時間（即設定的取樣間隔）在濾材過濾器前后取樣閥取樣，使用紫外分光光度計，以測試液所用顆粒對應特征峰定點測量吸光度，根據標準曲線擬合公式推算前后取樣口污染物濃度，再根據濃度計算過濾效率，計算公式為：

式中：

E——過濾效率，%；

CQ——前取樣口測試液中顆粒濃度，mg/L；

CH——后取樣口測試液中顆粒濃度，mg/L。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

本實驗所用濾材為自制濾材，分別采用54°SR、34°SR、14°SR玻璃微纖維棉抄造而成，涂布相同改性劑，兩側粘附無紡布，為行文方便，分別稱為濾材A、濾材B、濾材C。

2.2 實驗內容

2.2.1 繪制標準曲線

通過市面購得0.5μm聚苯乙烯顆粒，配制為分散液后經波長掃描確定特征峰對應波長為233 nm。將分散液稀釋配制不同質量分數分散液，包括0.2、0.5、1、2.5、5、10、20、50、100、400 mg/L，定點掃描得到吸光度，繪制散點圖見圖2。

圖2 不同質量分數0.5μm顆粒分散液對應吸光度

圖2可以看到當分散液質量分數低于50 mg/L時吸光度與濃度基本呈線性關系，繼續增高至100 mg/L、400 mg/L后線性關系變差，因此取0.2～50 mg/L范圍內數據做標準曲線，見圖3，擬合公式為y=0.0267×x+0.0076，R2可達0.9994。

圖3 0.5 μm 聚苯乙烯顆粒分散液標準曲線

2.2.2 濾材過濾效率測試

實驗評價影響因素及設置水平見表1。

表1 濾材過濾效率測試設置因素及其水平

由于3種自制濾材中濾材A所用纖維最細，預期對亞微米顆粒的過濾效率最高，因此首先以濾材A為測試樣品評價上游污染物濃度、流量、取樣間隔時間對測試值的影響，確定最合適濾材A的設定參數，再對濾材B、C進行對應測試，探討不同過濾精度的濾材在相同測試參數下的測試結果。

3 實驗結果與討論

3.1 上游污染物濃度對測試結果的影響

圖4中列出了采用不同上游污染物濃度的濾材A過濾效率測試結果，設定流量10 L/h，取樣時每隔4 min取一次?？梢钥吹缴嫌挝廴疚镞^高會造成過濾效率偏低，設定上游污染物濃度為45 mg/L的測試過程中還出現了壓力表過載的現象，這是因為過濾效率高的濾材更容易發生堵孔，納污容量達到極限的濾材承受著巨大的壓差，極易導致破損［4］，從而導致測試結果偏低，就本文所用濾材A而言，5 mg/L的上游污染物濃度最為合適。

圖4 采用不同上游污染物濃度的濾材A過濾效率測試結果

3.2 流量對測試結果的影響

圖5中列出了采用不同流量的濾材A過濾效率測試結果，設定上游污染物濃度為5 mg/L，取樣時每隔4 min取一次。可以看到3次測試的過濾效率測試結果均有下降趨勢，但流量越大這種趨勢越明顯，因為流量越大濾材相同時間內需要過濾的污染物越多，濾材的壓差增長越快，越容易引起破損，同時越小的顆粒越依賴靜電吸附機制進行攔截，而靜電吸附機制在較低的介質流量下更容易發揮效用［5］，因此流量采用10 L/h時濾材A過濾效率測試結果最佳。

圖5 采用不同流量的濾材A過濾效率測試結果

3.3 取樣間隔對測試結果的影響

圖6中列出了采用不同取樣間隔的濾材A過濾效率測試結果，設定上游污染物濃度為5 mg/L，流量10 L/h，取樣間隔分別設置為1 min、2 min和4 min?？梢钥吹接捎跒V材的過濾效率隨著測試時間增長存在下降趨勢，取樣間隔最長的過濾效率測試結果相對最低，這是因為達到第一次取樣時間時濾材已有所損傷。而在相同的取樣次數下，每隔1 min取樣的測試數據由于整體測試時間較短，暫未出現顯著的效率下降現象，但取樣間隔太短也帶來了一定的數據波動，而且取樣次數太多也給操作和測試過程造成了負擔。從測試結果來看，取樣間隔為2 min的測試在未出現效率下降現象前的數據是更為平穩的，取樣次數也更為合適。

圖6 采用不同取樣間隔的濾材A過濾效率測試結果

3.4 不同濾材的測試結果

圖7中列出了采用不同濾材的過濾效率測試結果，設定上游污染物濃度為5 mg/L，流量10 L/h，取樣間隔設置為2 min?？梢钥吹讲煌^濾精度的濾材適用的試驗參數明顯不同，適用濾材A的上游污染物和流量相對偏低，濾材B的測試結果趨勢與濾材A比較接近，而對于過濾精度較低的濾材C而言，隨著污染物的積累，其對亞微米顆粒的過濾能力有所提高［6］，因此過濾效率逐步上升，相對的濾材C可能更適合高濃度、高流量、長間隔的實驗參數，才能比較全面地評價其過濾能力變化過程。

圖7 不同濾材的測試結果

4 結論

本文在自主設計濾材過濾效率試驗臺架的基礎上探討了主要針對亞微米級顆粒的過濾效率測試方法，并利用自制濾材進行了相關實驗，研究了上游污染物濃度、流量、取樣間隔等實驗參數和濾材種類對過濾效率測試值產生的影響，得到結論如下：

（1）對于過濾精度較高的濾材，較低的上游污染物濃度和流量以及較短的取樣間隔取得的測試結果更佳。

（2）不同過濾精度的濾材需要針對性地選擇對應的測試參數，因此還需要進一步地補充實驗摸索測試參數的選擇規律。