燃氣濾清器中納米纖維過濾材料的開發與性能研究

[摘 要]本研究旨在開發用于燃氣濾清器的納米纖維過濾材料并評估其性能，通過電紡絲技術制備了一系列納米纖維膜并對其物理、化學和過濾性能進行了表征。結果表明，所制備的納米纖維膜具有優異的孔隙結構和高比表面積，能夠高效捕集顆粒物，并具有良好的耐熱性和化學穩定性，進一步的性能測試表明，納米纖維膜在燃氣濾清器中表現出良好的過濾效率和持久性，為燃氣凈化技術的發展提供了可靠的材料基礎。

[關鍵詞]燃氣濾清器；納米纖維；過濾材料；性能研究；電紡絲技術

[中圖分類號]TB383.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0029–03

Development and Properties of Nano-fiber Filter Materials in Gas Filter

DENG Fusheng

[Abstract]The aim of this study was to develop and evaluate the properties of nanofiber filtration materials for gas filters. A series of nanofiber membranes were prepared by electrospinning technology and their physical， chemical and filtration properties were characterized. The results show that the prepared nanofiber membrane has excellent pore structure and high specific surface area， and can efficiently trap particles， and has good heat resistance and chemical stability. Further performance tests show that the nanofiber membrane has good filtration efficiency and durability in the gas filter， which provides a reliable material basis for the development of gas purification technology.

[Keywords]gas filter； nanofibers； filter material； performance study； electrospinning technology

隨著環境污染問題的日益嚴重，燃氣排放的治理成為了環境保護任務之一。燃氣濾清器作為一種重要的空氣凈化裝置在去除燃氣中顆粒物和有害氣體方面發揮著關鍵作用，然而傳統的過濾材料存在著過濾效率低、耐久性差等問題，限制了燃氣濾清器的性能和應用范圍，因此開發高效、耐用的過濾材料對于提升燃氣濾清器的性能至關重要。

1 電紡絲技術制備納米纖維膜

電紡絲技術是一種納米纖維制備方法，其在納米科技領域有著廣泛的應用，在電紡絲過程中通過控制各種參數，如聚合物溶液的流速、電場強度和噴絲距離等可實現納米級纖維的連續噴射和沉積，這些參數的調節對最終納米纖維膜的結構和性能具有重要影響。

為了詳細研究電紡絲過程中參數對納米纖維膜的影響，研究人員進行了一系列試驗，選擇了聚合物溶液的不同流速作為調節參數，分別設定了不同的流速值并記錄了相應的纖維直徑，調節了電場強度，觀察了其對纖維直徑的影響，對噴絲距離進行了改變，并記錄了纖維直徑的變化情況。電紡絲技術制備納米纖維膜試驗數據見表1。

根據表1數據，研究人員可初步分析出不同參數對納米纖維膜結構的影響，隨著流速的增加纖維直徑呈現出逐漸減小的趨勢，這是因為流速增加導致了聚合物溶液在電場作用下拉伸變細的結果。增加電場強度也會使纖維直徑減小，這是因為電場強度增加會增加纖維拉伸的力度從而使纖維直徑減小。增加噴絲距離則會使纖維直徑增加，這是因為噴絲距離增加會導致纖維在空氣中拉伸的時間增加從而使纖維直徑增加。

根據以上公式，研究人員可對試驗數據進行擬合以驗證公式的準確性并進一步優化電紡絲制備納米纖維膜的參數。

2 納米纖維膜的表征

納米纖維膜的表征是納米材料研究中的重要一環，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）進行表面形貌和內部結構的觀察和分析為常見的方法之一。

綜上所述，SEM和TEM是對納米纖維膜進行表征的重要手段，通過定量分析SEM圖像和TEM圖像，研究人員可更全面地了解納米纖維膜的微觀形貌和內部結構，為其性能評估和應用提供重要參考。

3 氣體透過性能評估

在燃氣濾清器等應用中納米纖維膜的氣體透過性能至關重要，為評估其性能，研究人員使用氣體滲透性測試儀進行了測試，該測試儀能夠測量不同氣體在納米纖維膜上的透過速率和透過量，從而確定其透過率和透過通量。選取了幾種常見的氣體，包括N2、O2、CO2和CH4，來評估納米纖維膜對這些氣體的透過性能。氣體透過性能評估測試數據見表2。

在表2中，透過速率表示單位時間內單位面積的氣體通過納米纖維膜的速率，通常以cm3/s/cm2為單位。透過量則是單位時間內通過單位面積的氣體總量，通常以cm3/cm2為單位。

根據表2數據，研究人員可計算納米纖維膜對不同氣體的透過率（Permeability）和透過通量（Flux）的影響。透過率表示單位厚度的膜對氣體透過的能力，通常以單位面積、單位時間和單位壓力差來表示，透過通量則表示單位面積在單位時間內通過膜的氣體總量，通常以單位時間、單位壓力差和單位面積表示。以下為透過率和透過通量的計算公式。

根據上述公式，研究人員可計算出納米纖維膜對每種氣體的透過率和透過通量，并進一步評估其在燃氣濾清器中的通透性和阻力特性，通過這些數據和計算，研究人員可以深入了解納米纖維膜在實際應用中的表現，為燃氣濾清器等設備的性能優化提供參考和依據。

4 顆粒物過濾性能測試

在顆粒物過濾性能測試中，研究人員使用了納米纖維膜作為燃氣濾清器的過濾介質以評估其過濾性能。試驗過程中研究人員模擬了燃氣中不同粒徑和濃度的顆粒物，并將其溶解在溶液中然后通過納米纖維膜進行過濾。

研究人員收集了含有不同粒徑的顆粒物溶液，并將其分別通過具有納米纖維膜的過濾器進行過濾。然后，研究人員使用粒徑分析儀對過濾后的顆粒物進行了粒徑分析以確定其尺寸分布情況。此外，研究人員還使用顆粒物計數器對過濾后的顆粒物進行計數以評估過濾器的過濾效果。

該公式能夠幫助研究人員計算出納米纖維膜對顆粒物的捕集效率。

進行數據分析和計算，顆粒物過濾性能測試結果見表3。

通過表3數據，研究人員可明確不同粒徑的顆粒物經過納米纖維膜過濾后的效果。隨著顆粒物粒徑的增加，顆粒捕集效率有所下降，這是因為較大顆粒物相對更容易穿過納米纖維膜的孔隙。

在實際應用中，了解納米纖維膜對不同粒徑和濃度顆粒物的過濾效果，可幫助研究人員選擇合適的過濾器并優化燃氣處理系統的性能，從而減少對環境的影響保護人們的健康。

5 性能優化與應用展望

在性能優化與應用展望方面，納米纖維膜的制備工藝和材料配方相互關聯，共同決定了膜的結構、性能和穩定性，通過調整制備工藝，如靜電紡絲過程中的噴絲距離、噴絲速度和電場強度等參數，可控制纖維的直徑、排列密度和形態，從而影響納米纖維膜的孔徑和表面形貌，此外，優化材料配方，如選擇合適的聚合物、溶劑和添加劑可改善納米纖維膜的力學性能、耐化學性和耐熱性。

為了更好地了解納米纖維膜的結構與性能之間的關系，可利用現代表征技術進行深入研究。例如，透射電子顯微鏡可用于觀察納米纖維膜的微觀結構，包括纖維的形態、分布和連接方式，掃描電子顯微鏡可揭示納米纖維膜表面的形貌和孔隙結構，傅里葉變換紅外光譜可用于分析納米纖維膜的化學成分和功能基團以及表面改性效果。

在將優化后的納米纖維膜應用于燃氣濾清器中時，研究人員需要考慮實際工況下的性能表現和長期穩定性。燃氣濾清器通常在高溫、高濕、高壓等惡劣環境下工作，因此納米纖維膜需要具有良好的耐熱性和化學穩定性。此外，燃氣中可能存在多種污染物，如顆粒物、氣態污染物和揮發性有機物，納米纖維膜需要具有較高的過濾效率和選擇性，以確保有效去除這些污染物并保持長期穩定性。

通過實地測試和監測，可評估納米纖維膜在不同工況下的性能表現并及時發現及解決潛在問題。例如，通過監測壓降變化，可了解納米纖維膜的阻力特性，通過監測顆粒物捕集效率可評估其過濾性能，通過監測化學成分變化可了解其化學穩定性，這些數據和信息可為進一步優化納米纖維膜的制備工藝和材料配方提供參考，從而不斷提升其性能和穩定性。

綜上所述，通過優化納米纖維膜的制備工藝和材料配方，并將其應用于實際場景中進行性能評估和長期穩定性監測，可為燃氣凈化技術的發展提供可靠的材料支持。這將有助于解決環境污染和健康安全等問題，推動燃氣凈化技術的應用和進步。

6 結束語

本研究開發了一種新型納米纖維過濾材料并對其性能進行了全面的評估，所制備的納米纖維膜具有優異的孔隙結構和高氣體透過性，能夠有效捕集燃氣中的顆粒物，具有良好的應用前景。未來的研究方向可進一步優化納米纖維膜的制備工藝，提高其過濾效率和耐久性，以滿足不同燃氣凈化領域的需求。

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