商业空气过滤器的选择与优化

目前主要有两种商业空气过滤器，即多孔膜过滤器和纤维过滤器（Kim J H，2005）。空气过滤意味着去除空气中绝大部分的气溶胶颗粒，比空气净化具有更高的标准。在工业过程中，空气净化一般通过旋风分离器、洗涤塔、沉降池和电沉降器等设备实现。这些设备体积较大且对于10μm以下的气溶胶颗粒的过滤效率较低。当需要对粒径在10μm以下的气溶胶颗粒实现高效去除（过滤效率高于95％）时，纤维型过滤材料是目前最适合的选择，图8-8为纤维型过滤材料进行过滤的过程示意图。

图8-8　纤维型过滤材料进行过滤的过程示意图

当使用纤维型过滤材料进行过滤时，纤维、纤维周围的气流场、气溶胶颗粒是构成过滤体系的三个要素，如图8-8（a）所示。因此，空气过滤是涉及数学、材料学、流体力学、气溶胶科学、环境科学等多个学科的复杂过程。(www.xing528.com)

经典过滤理论对纤维周围的流场以及纤维型过滤材料结构与性能的关系进行了详细研究，这些过滤理论能够与微米纤维的过滤行为很好吻合（Brown R C，1993）。直径更细的纤维被认为具有更优秀的过滤性能，这是因为其在单位体积内具有更长的有效纤维长度或更大的有效外比表面积。更重要的是，当纤维的直径接近空气分子的平均自由程（在标准条件下约为66nm）时，纤维周围的流场将为滑移流、转变流，甚至是自由分子流（Zhang S，2006），如图8-8（b）所示。此时，纤维对气流的扰动减小，气流将更加贴近纤维表面，纤维与气溶胶颗粒之间的接触概率将大大增加。这将有利于降低材料的过滤阻力，同时提高材料的过滤效率。在滑移流至分子流区域，传统的空气过滤理论将不再适用。传统的过滤研究侧重于材料的过滤效率与过滤阻力。陈家镛院士于1955年提出用品质因子来衡量材料过滤性能的好坏（Mainelis G，1995），其值为穿透率的负对数与过滤阻力之比，这是目前过滤领域公认的过滤材料性能评价标准。随着气溶胶颗粒在纤维表面的聚集，原有的过滤机理将发生变化，当颗粒在过滤材料表面形成滤饼结构时，过滤阻力将迅速上升，导致过滤材料失效，这对应于过滤材料的使用寿命。过滤材料在具有相同过滤效率与过滤阻力的前提下，不同结构的材料将展现显著不同的使用寿命特性。

一种好的空气过滤材料应具有高过滤效率、低过滤阻力，同时具有高使用寿命，其结构设计的核心在于尽可能避免过滤时气溶胶颗粒在滤料表面的快速聚集。使用纳米纤维是空气过滤领域的发展趋势，对纳米纤维进行合适的结构设计是制备高性能空气过滤材料的关键。近年来，纤维空气滤清器的孔隙率比多孔滤膜更大，然而，为了达到高过滤效率，商业纤维空气过滤器一般都很重，需要高压，因为它们的多层结构通常由粗纤维组成，直径从几微米到几十微米不等，从而导致过滤效率和空气流量之间的相互制约（Tanaka S，2009）。