第三章 对微粒的过滤机理 3—1 概述 要把固态或液态微粒从气溶胶中分离出来，一般有以下四种方法： 1.机械分离：重力除尘器、惯性除尘器、旋风除尘器 2.电力分离：单级静电除尘器、双级静电除尘器、 3.洗涤分离：喷雾洗涤除尘器、水膜除尘器、文氏管除尘器 4.过滤分离：填充式过滤器、袋式过滤器 从空气洁净技术以净化空气为主要目的来看，空气中微粒浓度很低（相对于工业除尘而言），微粒尺寸很小，为确保末级过滤效果的可靠性，主要采用带有阻隔性质的过滤分离来清除气流中的微粒。其次也常采用电力分离的办法。 阻隔性质的微粒过滤器按微粒被捕集的位置可以分为两大类：一类为表面过滤器，一类为深层过滤器。 表面过滤器有金属网、多孔板的形式，有纤维素酯（硝酸纤维素）制成的化学微孔滤膜，外观似白纸，性质也属于表面过滤器。这种滤膜厚度一般在几十微米左右，表面带有大量静电荷，并均匀分布0.1~10微米的小孔。 深层过滤器又分为高填充率和低填充率（又称为低空隙率和高空隙率）两种。微粒的捕集发生在表面和层内。填充率以α表示： α=过滤层（纤维层）的比重／过滤材料（纤维）的比重 高填充率（α＞0.2）深层过滤器结构多样。如颗粒填充层（砂砾层、活性炭层等）、各种成形多孔质滤材、各种厚层滤纸、微粒滤膜等。 低填充率（α＜0.2）深层过滤器有各种纤维填充层过滤器、薄层滤纸高效器和发泡性滤材过滤器等。 表面过滤器捕集微粒的机理虽然简单，但大部分效率极低，实用意义极小。 微孔滤膜过滤器则相反，具有极高的效率，除用于液体过滤外，主要用于采样过滤器和要求特别高的无尘无菌系统的末级过滤器。比纤维过滤器更可靠。 低填充率深层过滤器特别是纤维过滤器（包括纤维填充过滤器、无纺布过滤器和薄层滤纸高效过滤器），由于空隙率较大，过滤器阻力不大，效率很高，实用意义很大，特别是在洁净技术领域内应用极广。 3—2 纤维过滤器的过滤机理 一、过滤器中的基本过滤过程 被过滤微粒的性质、过滤材料的性质以及它们相互间的作用，对过滤过程都有极重要的影响。通常人们把微粒的过滤过程划分两阶段： 第一阶段称为稳定阶段。在这个阶段里，过滤器对微粒的捕集效率和阻力不随时间而改变。而是由过滤器的固有结构，微粒的性质和气流的特点决定。在这个阶段里，过滤器结构由于微粒沉积等原因而引起的厚度上的变化是很小的。这一阶段对于过滤器有重要意义。尤其是在空气洁净技术中。 第二阶段称为不稳定阶段。在这个阶段里，捕集效率和阻力不取决于微粒的性质，而是随着时间的变化而变化。主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响等因素变化。这一阶段和上一阶段相比时间要长得多，对一般工业过滤器有决定意义。但在空气洁净技术中意义不大。 二、纤维过滤器的过滤机理 在纤维过滤器的第一阶段过滤过程中，捕集微粒的作用有以下几种： 1.拦截效应 在纤维层内纤维错综排列，形成无数网格，当某一尺寸的微粒沿着气流流线刚好运动到纤维表面附近时，假使从流线（也是微粒的中心线）到纤维表面的距离等于或小于微粒半径（γ1≤γf+γp），微粒就在纤维表面被拦截而沉积下来。这种作用称为拦截效应（图3—1）。筛子效应也属于拦截效应。 但是，拦截效应或筛子效应不是纤维过滤器中过滤微粒的唯一的或主要的效应，更不能把纤维过滤器象筛子一样看待。筛子仅仅筛去尺寸大于其孔径的微粒，而在纤维过滤器中，并不是小于纤维网格网眼的微粒都能穿透过去。最容易穿透的是某一定大小的微粒。微粒也并不都是在纤维层表面被筛分沉积。 2.惯性效应 由于纤维排列复杂，所以气流在纤维层内穿过时，其流线要屡经激烈的拐弯，当微粒质量过大或者速度（可以看成是气流的速度）较大，在流线拐弯时，微粒由于惯性来不及跟随流线同时绕过纤维，因而脱离流线向纤维靠近，并碰撞在纤维上而沉积下来（图3—2）。 3.扩散效应 由于气体分子热运动对微粒的碰撞而产生微粒的布朗运动，对于越小的微粒越显著。 常温下0.1微米的微粒每秒钟扩散距离达17微米，较纤维间距离大几倍至几十倍，这就使微粒有更大的机会运动到纤维表面而沉积下来。而大于0.3微米的微粒其布朗运动减弱，一般不足以靠布朗运动使其离开流线碰撞到纤维面上去。 4.重力效应 微粒通过纤维层时，在重力作用下发生脱离流线的位移。也就是因重力沉降而沉积在纤维上，由于气流通过纤维过滤器特别是通过滤纸过滤器的时间远小于1秒钟，因而对于直径小于0.5微米的微粒，当它还没有沉降到纤维上时已通过了纤维层，所以重力沉降完全可以忽略。 5.静电效应 由于种种原因，纤维和微粒都可能带上电荷，产生吸引微粒的静电效应。除了有意识地使纤维或微粒带电外，若是在纤维处理过程中因摩擦带上电荷，或因微粒感应而使纤维表面带电，则这种电荷既不能长时间存在，其电场强度也很弱，产生的吸引力很小，可以完全忽略。 在一个纤维过滤器内，微粒被捕集可能由于所有机理的作用，也可能由于一种或几种机理的作用。这要根据微粒的尺寸、密度、纤维粗细、纤维层的填充率、气流速度等条件决定。 3—3 影响过滤器效率的因素 影响纤维过滤器的效率有很多因素，主要有以下几种： 1.微粒尺寸的影响 当过滤器过滤多分散的微粒时，在几种过滤机理作用下，比较小的微粒由于扩散作用而先在纤维上沉积，所以当粒径由小到大时，扩散效率逐渐减弱。比较大的微粒则在拦截和惯性作用下沉积，所以当粒径由小到大时，拦截和惯性效率逐渐增加。 2.微粒种类的影响 即使微粒尺寸相同，处于不同相态的微粒对过滤效率也有不同的影响。有关实验研究表明，过滤固态微粒比过滤液态效率要高。随着滤速的增加，这种相态对效率的影响将逐渐减小。 3.微粒形状的影响 进行过滤器效率实验时的某些尘源的微粒都是球形的，球形微粒与纤维接触时，接触表面比起不规则形状的微粒来要小，因而不规则微粒与纤维接触的几率就大，沉积的几率也随之增大。实际上被过滤的空气中的微粒是不规则的，所以实际过滤效率高于计算和实验值。 4.纤维粗细和断面形状的影响 对于前面讲到的所有过滤机理，当纤维径减小时，捕集效率都增高。所以在选择高效过滤器滤材时，力求采用最细的纤维。当然纤维细了，过滤器的阻力就要相应增加。 纤维断面形状对过滤效率的影响不大，有关研究人员虽然对此提出了效率的形状修正，但由于计算复杂，一般予以忽略。 5.过滤速度的影响 一般认为： ①随着滤速增加，扩散效率下降。 ②随着滤速增加，惯性效率上升。 ③随着滤速增加，拦截效率上升。 ④随着滤速增加，总效率先是下降，然后上升。 6.纤维填充率的影响 当纤维填充率提高以后，纤维层密实了，惯性效率和拦截效率都要提高。而此时纤维间的流速更快了，所以扩散效率反而降低，不过总效率仍然提高了。 但特别指出，此时阻力的增加比总效率的提高要快得多，所以通过提高纤维填充率α来提高效率并不是好办法。 7.气流温度的影响 被过滤的气流温度升高，使微粒的扩散系数提高，这就使亚微米微粒的扩散效率提高了，可温度升高后，气体粘性变大，从而使依靠重力效应和惯性效应的大微粒的沉积效率降低了，同时也提高了过滤阻力。 8.气流湿度的影响 被过滤的气流湿度增加以后，使空气的静电效应消失，布朗运动减弱。使微粒容易被气流夹带而穿透过滤层，从而降低了效率。 有人做过以下实验： （1）用苯酚——糠醛树脂粘结的玻璃纤维滤纸进行过滤细菌，发现细菌对未经干燥的过滤器滤纸穿透深度，比干燥滤纸的穿透深度深。 （2）用饱和水蒸汽通过玻璃纤维滤纸的过滤器时，蒸汽中夹带的铁锈可穿透数层滤纸，而通过干燥空气时，仅在过滤器表面上发现铁锈。 以上两个实验说明了上述结论的正确性。 9.气流压力的影响 被过滤气流压力的降低，将使气体密度减小，空气分子自由行程变大，从而使扩散系数和惯性参数增大。所以扩散效率、惯性效率都有所增加。而对拦截效率影响不大。 在温度和压力同时增加时，由于压力的增加比温度的增加给予粘性的影响大得多，所以惯性效率下降。 10.容尘量的影响 随着微粒在纤维表面的沉积，过滤器的容尘量不断增加，开始了过滤器中的第二阶段。灰尘在纤维上的沉积有如树枝上的积雪，被称为树枝晶状模型。过滤效率随着容尘量的增加而增加。