非织造空气过滤材料对PM2.5的过滤性能yd15809
张威1，谷海兰2 1、河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄050018；2、河北省纺织服装工程技术研究中心，河北石家庄050018
收稿日期：2012-06-15
作者简介：张威(1969-)，男，工学硕士，副教授，主要从事产业用纺织品性能的研究与开发。
原载:上海纺织科技2013/2;59-61
【摘要】为明确非织造过滤材料对PM2.5的过滤性能，根据国家标准GB／T 14295-1993、GB 12218-1989和欧洲标准EN 779：2002，设计空气过滤材料过滤性能测试装置，对丙纶针刺、熔喷和驻极体非织造空气过滤材料的过滤效率、过滤阻力、容尘量、使用寿命以及过滤性能的稳定性进行了实验研究和分析，并采用灰色聚类分析的方法对驻极体过滤材料的过滤性能进行了综合评价。研究结果可为合理选择空气过滤材料以使公共建筑物内PM2.5浓度达到国家标准的浓度限值要求提供技术参考。
【关键词】非织造布；过滤材料；PM2.5；环境保护；装置；性能；分析
【中图分类号】TS177 文献标识码：B 文章编号：1001-2044(2013)02-0059-03
随着国家对空气环境质量重视程度的不断提高，PM2.5纳入了新的空气质量评价体系。国家环保部门近期公布的《环境空气质量标准》修订版指出：我国PM2.5年和24 h平均浓度限值分别定为0.035 µm/m3和0.075µm/m3。要实现这个目标，需要从根本上治理工业污染源、防治机动车污染和控制餐饮业和工地扬尘污染。目前，人们更多地关注公共建筑物内的空
气环境质量。调查表明：很多中央空调系统没有设置新风净化段，新风口处仅采用简单的金属过滤网或非织造布制成的粗效过滤器，大量环境空气中的PM2.5进入中央空调系统，并随送风进入到各个空调区域，造成公共建筑物内PM2.5浓度超过国家标准的浓度限值要求。
中央空调系统没有对环境空气中的微细颗粒物进行有效过滤是造成公共建筑物内PM2.5浓度超标的主要原因[1]。采用高效低阻过滤材料制成过滤器加强对环境空气中颗粒物的过滤，是解决这个问题的有效途径。由于环境空气中微细颗粒物浓度远小于工业除尘中颗粒物的浓度，宜采用具有阻隔性质和深层过滤能力的过滤材料对其进行过滤。本文对具有以上性能的丙纶针刺、熔喷和驻极体非织造过滤材料的过滤性能进行实验研究和理论分析，以明确各种过滤材料对PM2.5的过滤性能，为合理选择空气过滤材料提供参考。
1 对非织造空气过滤材料的一般要求
非织造空气过滤材料纤维均匀分布且无明显方向性，纤维受到上层纤维遮蔽的程度最小，具有大量蓬松的孔隙结构，被过滤的颗粒物可与纤维在蓬松的孔隙中广泛接触，能充分发挥截留、惯性、扩散和重力沉降等机械捕集机理以及静电效应的作用。普通针刺和熔喷非织造过滤材料主要通过机械方式来捕集颗粒物，静电效应小。
2 非织造过滤材料过滤性能的实验研究
根据国家标准GB／T 14295-1993、GB 12218-1989和欧洲标准EN 779：2002，设计如图1所示的空气过滤材料过滤性能测试装置[2-4]。风道由玻璃钢制成，直径为50 mm，长度2 m。采用无油真空吸气泵作为动力系统，带阀门的浮子流量计对流量进行调节以控制过滤风速的大小(0～1.2 m／s)。采用TSI 8520型DustTrak气溶胶监测仪分别测量含尘空气和净化后空气中PM2.5的浓度，采用数字式微压计测量滤料前后的静压力。
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1一集气口；2一风道；3一气溶胶监测仪；4一数字微压计； 5一无油真空泵；6一阀门；7一浮子流量计 |
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图1 过滤性能测试装置 |
2.1 过滤材料的过滤阻力和过滤效率
采用图1所示的测试装置，以环境空气中的PM2.5为过滤对象，在不同风速下对平方米克重接近、纤维平均直径为18.5 m的丙纶针刺(z系列)、平均直径为17.6 m的熔喷(R系列)和平均直径为19.8 m的丙纶针刺驻极体(J系列)空气过滤材料的过滤性能进行测试，滤料规格及其在不同风速下的过滤效率(η)和过滤阻力(△P)见表1。
表1 滤料规格及其过滤效率和过滤阻力
可见，各种过滤材料随着平方米克重的增加，其过滤阻力上升，对PM2.5的过滤效率上升；随着过滤风速的增加，过滤阻力上升，对PM2.5的过滤效率下降。对比各种过滤材料在风速为0.8 m／s时的过滤性能发现：熔喷过滤材料(R4)的过滤效率高达84％ ，但其过滤阻力高达1170 Pa；丙纶针刺过滤材料(Z4)过滤阻力较低，仅为265 P a，但其过滤效率只有18％；针刺驻极体过滤材料，则具有高效低阻的性能，J4 的过滤效率达85.2％，过滤阻力仅有125 Pa。
2.2 过滤材料的容尘量以及使用寿命
2.2.1 过滤材料的容尘量[2]
先测试清洁状态下过滤材料的初阻力和质量，然后采用图1所示的测试装置，在气流入口处用5 000目烘干滑石粉进行人工发尘，过滤风速取0.8 m／s，当过滤阻力达到初阻力的两倍时，停止发尘，称取滤料的质量，根据发尘前后过滤材料质量的变化，计算出过滤材料的容尘量，见表2。
表2 过滤材料的容尘量和使用寿命
可见，各种过滤材料随着而密度的增加，其容尘量上升。对比面密度接近的不同品种过滤材料的容量：驻极体过滤材料>针刺过滤材料>熔喷过滤材料，且面密度越高，不同品种过滤材料的容尘量相差越大。
2.2.2 过滤材料的使用寿命
容尘量与过滤材料的使用寿命密切相关[1,5]。假定用各过滤材料制成规格相同的袋式过滤器的有效过滤面积为3.5 m2，民用中央 调系统每天运行时间为11 h，过滤器前空气PM2.5的浓度取0.30 mg／m3，过滤风速为0.8 m／s。利用式(1)可得到利用各种过滤材料制成的袋式过滤器的使用寿命[3]，结果见表2。
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T= |
3.5 X P |
((1) |
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N1 X 10-3Qtη |
式中：T ——过滤器使用时间，d；
P ——过滤材料的容尘量，g／m2；
N1 ——过滤器前PM2.5的浓度，mg／m3 ；
Q ——过滤器的风最，m3／h；
t ——过滤器运行时间，h；
η ——过滤器的过滤效率，％。
可见，针刺过滤材料制成的过滤器具有较高的使用寿命，而熔喷过滤材料的使用寿命最短。
结合过滤风速为O.8 m／s时过滤材料的过滤效率和过滤阻力，发现针刺过滤材料制成的过滤器虽具有较长的使用寿命，但过滤效率低；熔喷过滤材料制成的过滤器虽具有较高的过滤效率，但使用寿命短，且过滤阻力大；而驻极体过滤材料制成的过滤器具有使用寿命长、过滤效率高和过滤阻力小的特点，更适合对环境空气中的PM2.5进行有效过滤。下面对驻极体过滤材料的过滤性能进行综合评价。
3 驻极体过滤材料过滤性能的灰色聚类分析
采用灰色聚类分析方法，在过滤风速为0.8 m／s的情况下，对驻极体过滤材料的过滤性能进行综合评价[6]。过滤效率、容尘量和使用寿命越大越好，过滤阻力越小越好。将4块过滤材料记为聚类对象，其4项性能指标记为聚类指标，得到如式(2)所示的矩阵，
行代表各种过滤材料，列从左到右依次代表过滤材料的过滤效率、过滤阻力（取倒数）、容尘量和使用寿命。
将综合性能分为好、巾、差3种，记为3个灰类，得聚类系数矩阵如式(3)所示。
数据由4行3列组成，4行分别代表4块试样的过滤性能等级，3列从左到右分别代表好、中、差3个灰类区间，每一行中最大的数值处于哪一列，就说明该种试样的过滤性能处于哪一个等级，且数值越大，效果
越显著。可见，驻极体过滤材料的面密度越大，其过滤性能越好。
4 驻极体过滤材料过滤性能的稳定性
驻极体过滤材料是在机械捕集的基础上附加了静电效应，其在捕集环境空气叶，带有电荷的微细颗粒物时，就会使材料中的一些电荷被中和，同时还存在静电衰减的问题[l,7]。为了明确驻极体过滤材料过滤性能的稳定性，参照欧洲标准EN 779：2002，采用异丙醇溶液对过滤材料J3和J4进行浸泡处理，晾干后，再用图1所示装置对其过滤性能进行测试，结果见表3。
表3 异丙醇处理前后J3和J4的过滤效率和过滤阻力
可见，经过异丙醇清洗后的驻极体过滤材料对PM2.5的过滤效率明显下降，在过滤风速为0.8 m／s时，J3和J4的过滤效率分别由83.7％和85.2％下降至26％ 和28.6％，过滤阻力分别由125.4 Pa和112.6 Pa下降至104.2 Pa和102.8 Pa，变化不明显。
因此，在使用驻极体过滤材料制成空气过滤器时，必须要考察其过滤性能的稳定性，分析其所处的大气环境，避免使用过程中静电荷被迅速中和，出现过滤效率急剧下降的问题。
5 结论与建议
(1)普通针刺过滤材料由于过滤效率低，不适合直接用来对环境空气中的PM2.5进行过滤；但对新风进行二级过滤，由于其过滤阻力小，可制成初级过滤器对环境空气中的微细颗粒物进行初步过滤，以减轻二级过滤器的负荷。
(2)驻极体过滤材料具有过滤效率高、容尘量高、使用寿命长和过滤阻力低的特点，且面密度越大，过滤性能越好，可对环境空气的PM2.5进行有效过滤，但要考察其过滤性能的稳定性和所使用的大气环境。
参考文献：
[1] 张威.舒适性空调用袋式过滤器过滤性能的实验研究[J].制冷与空词，2006(3).78-81.
[2] 张威.驻极体过滤材料用于防治“煤灰纱”的实验研究[J].产业用纺织品，2005，23(12)：28-32.
[3] 朱晖.环境空气中微粒过滤材料性能的实验研究[D].上海：东华大学，2005.
[4] 娄可宾，沈恒根.新型驻极体过滤材料性能测试分析与应用[J].洁净与空调技术，2007(2)：29-33.
[5] 许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海：同济大学出版社，1998.
[6] 王厉冰，胡心恰，齐素祯.灰色聚类分析在纺织材料性能综合评价中的应用[J].天津工业大学学报，2006，25(3)：23-26.
[7] 虞霞.民用空调系统中控制颗粒物浓度用纤维过滤器的测试及应用研究[D].上海：东华大学。2005.