空气过滤材料的工作原理详解

空气过滤材料不是筛子，在过滤时并不只是依靠过滤介质之间的孔道。空气过滤材料需要一方面有效地拦截气溶胶颗粒，另一方面又不至于对气流构成太大的阻力。由于气溶胶颗粒粒径为微米级甚至更小，若运用孔道进行过滤，需要构建比气溶胶颗粒更小的微孔结构，这给材料制备带来极大困难，更重要的是，一旦孔道结构被气溶胶颗粒堵塞，会对气流造成巨大阻力。在实际应用中，空气过滤材料一般由杂乱交织的纤维堆砌而成，如图8-9（a）所示。过滤时，纤维对气溶胶颗粒进行捕捉，一般通过纤维与气溶胶颗粒之间的范德瓦尔斯力或者静电力使颗粒沉积在纤维表面[图8-9（b）]，而纤维之间的孔隙为气流提供流通通道。因此，性能优异的空气过滤材料一方面需要提高纤维与颗粒之间的相互作用力以获得高过滤效率；另一方面，纤维之间需要具有大孔结构，即纤维之间的孔隙要远大于气溶胶颗粒直径，这样才能保证过滤时过滤材料的孔隙不易被堵塞，从而避免对气流造成过大阻力（Kim C  S，2006）。

图8-9　纤维过滤材料的SEM表征

纤维过滤材料去除气溶胶颗粒的机理为惯性效应、拦截效应、扩散效应、重力沉降或是静电作用力。对于粒径在0.5μm以下的颗粒，重力沉降相比其他机理对过滤的贡献可以忽略不计；而静电作用力只发生在气溶胶颗粒与纤维带电的条件下。在过滤中，前三种机理占主要作用，其作用示意图如图8-10（a）所示。过滤材料中纤维排列复杂，当气流穿过纤维层时，其流线将沿纤维绕行而发生弯曲。粒径较大的颗粒由于惯性较大，来不及随着气流发生绕行而脱离流线，与纤维发生碰撞而被捕捉。对于粒径大于1μm的气溶胶颗粒，惯性效应在过滤时占主导作用。当颗粒粒径减小到1μm以下时，惯性效应减弱，气流在发生绕行时，气溶胶颗粒也随之绕行，当气溶胶颗粒与纤维之间的距离足够近时，由于颗粒与纤维之间的范德瓦尔斯力而被纤维捕捉。当颗粒粒径进一步减小时，由于气体分子热运动对微粒的碰撞而使微粒产生布朗运动。粒子越小，布朗运动越剧烈，扩散效应也就越明显。常温常压下，0.1μm的微粒每分钟的扩散距离达到17μm，这通常远大于纤维之间的距离，使得颗粒有足够的概率脱离流线并与纤维发生碰撞。研究表明，当颗粒粒径小于0.1μm时，扩散效应的理论值超过80％，而其他效应的过滤效率趋于0。对于粒径小于1μm的粒子，扩散效应在过滤时将起到主导作用，这也是纤维过滤能够高效去除亚微米粒子的原因。(www.xing528.com)

图8-10　过滤机理及过滤效率与颗粒粒径的关系

对于不同粒径的气溶胶颗粒，上述三种效应在过滤时发挥作用的比例不同。三种效应的叠加，使得在过滤时出现最易穿透粒径（MPPS）区间，如图8-10（b）所示。通常认为MPPS在0.1～0.3μm，在这一范围内，存在效率最低点，该粒径大小附近的气溶胶颗粒最难被过滤。