Page 38 - 《精细化工》2021年第8期

·1532· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

效率和过滤压降不会随着时间的变化而变化，而仅 (1  )R 2
R

仅取决于过滤材料的固有特性、颗粒物自然属性和   K u(1 R ) （4）

空气流速。在非稳态阶段，过滤效率和流动阻力会 扩散效应是通过布朗运动发生的，布朗运动为
随着颗粒物在过滤材料的积累阶段发生变化。目前， 颗粒提供了足够的动能以逃避其原始路径做无规则
对于纤维过滤理论的研究主要针对稳态阶段，对于 运动，因此增加了颗粒撞击纤维表面的可能性。扩
非稳态过滤的研究也是基于稳态过滤的条件，主要 散效应有助于捕获微小的颗粒，可以大大提高过滤
是由于非稳定阶段的过滤过程复杂且涉及因素多， 效率。扩散效应的过滤效率可以用式（5）和（6）
过滤时间和过滤状态的确定方面存在诸多问题。 表示：
早期的理论研究中主要集中在“单纤维模型”。  2
根据经典过滤理论，对纤维的稳定阶段过滤可以进   2eP 3 （5）
D
一步分为以下 5 种捕集机理：拦截效应、惯性效应、 dU
f
扩散效应、重力效应、静电效应 [22] ，其示意图如图 P e  D （6）
5 所示。在研究纳米纤维（驻极体纳米纤维除外） 式中：Pe 为佩克莱数；D 为粒子扩散系数。
的过滤机理时，往往不考虑静电效应。除静电效应 尽管一些研究人员对重力效应做了部分研究，
外，其他均属于机械过滤机制，很大程度上取决于 但重力机理尚不完善且影响较小，因此，早期的过
滤膜的结构。 滤理论认为，单纤维过滤机理主要由拦截作用、惯
性作用和扩散作用这三者同时作用在纤维上，研究
人员一般采取的是先单独研究其中一种机理，然后
对几种机理进行并合。有研究者认为单纤维对微粒
的总捕集效率（η S ）可近似为式（7）：
 1(1    )(1   )(1   ) （7）
S R D I
实际的空气过滤过程是由众多堆叠在一起的纳
米纤维共同作用的结果。在稳态阶段，均匀材料的
过滤效率就是单纤维效率的累积，如式（8）所示：

 4 L 
1exp 
图 5 单纤维捕集机理    S  （8）

) d
Fig. 5 Single fiber capture mechanisms  (1  f 
式中：η S 为单纤维捕集效率；L 为材料的厚度，m。
惯性效应是当流线变化时，微粒由于惯性来不 由上述经验公式可知，纤维直径、填充率、空气
及跟随流线绕过纤维，便脱离流线碰撞在纤维上而 流速及颗粒尺寸等因素决定了滤料的过滤效果 [24-25] 。
沉积下来，是较大颗粒的主要过滤过程。惯性效应 当纤维直径减小到纳米级时，纤维堆叠会形成无数
的过滤效率（η I ）可以用（1）~（3）表示 [23] ： 错综曲折的三维孔隙通道结构，延长了颗粒与纤维
Stk 的接触时间，提高了颗粒捕获概率，并且三维孔隙
 [(29.6 28   0.62 )R  2 27.5R 2.8 ]
I
2Ku 2 （1） 通道具有更高的孔隙率，可以降低空气阻力，使得
2
 dC U 滤料的过滤性能明显提高。
Stk  pp c （2）
d
18 α f 纤维过滤介质过滤性能的评价主要集中在过滤
ln 3  2 阻力和过滤效率两方面。过滤材料上游空气流入侧
Ku     
2 4 4 （3） 和下游空气流出侧之间的气体压差称为过滤阻力，
式中：Stk 为斯托克斯数；Ku 为 Kuwabara 流体动 要使某一过滤介质达到所期望的过滤效率并不难，
力因子；α 为滤料填充率；R 为拦截系数；ρ p 为颗粒 但要使设计的过滤阻力与实际相一致是十分困难
密度，kg/m³；d p 为粒子直径，m；C c 为滑动修正系 的，过高的过滤阻力会导致滤料无法使用。除此之
外还引入品质因子（QF）和容尘量来衡量过滤介质
数；U 为气流流速，m/s；µ α 为气体黏度，Pa·s；d f
为纤维直径，m。 的性能，可按式（9）计算 QF：
拦截效应取决于颗粒和纤维的尺寸，尤其是颗 ln(1  )
QF 1 （9）
粒直径与纤维直径的比率，称为拦截参数 R=d p /d f 。  p

拦截机制说明了大多数亚微米级颗粒的分离。拦截 式中：η 为过滤效率，%；Δp 为阻力损失，Pa。
效应的过滤效率（η R ）可以用式（4）表示： 由式（9）可以看出，过滤材料的过滤效率越高