為了探究聚丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維3種纖維對纖維束過濾器除塵性能的影響，以路面揚塵為研究對象，在入口顆粒物濃度0.58 g · m-3、風速1.0 m · s-1、流量63.62 m3 · h-1、纖維填充率0.67%的條件下，研究不同過濾單元材質(聚丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維)除塵效率和壓降的變化情況。結果表明，3種材質中聚丙烯腈纖維束除塵性能最好，除塵效率為70%~80%，其除塵效率比聚丙烯纖維束整體高20%。通過過濾介質表面電荷密度測定發(fā)現(xiàn)，在實驗過程中，3種纖維表面都存在電荷，且聚丙烯腈纖維電荷密度>玻璃纖維電荷密度>聚丙烯纖維電荷密度。通過SEM檢測發(fā)現(xiàn)，粉塵顆粒以靜電吸附和纖維間填充2種方式賦存于過濾器內部，這表明纖維束過濾器除塵機理為靜電作用和機械攔截作用的聯(lián)合。

可吸入顆粒物通常是指空氣動力學當量直徑在10 μm以下的顆粒物，由于其粒徑小、比表面積大、細菌和病毒等有害物質易附著其表面，故隨呼吸進入人體后會對人類的身體健康產生極大危害[1-3]。研

究表明，可吸入顆粒物會導致心臟類疾病和呼吸類疾病的頻發(fā)[4-6]。傳統(tǒng)過濾網式技術是將材料編成網或袋，利用機械攔截作用實現(xiàn)顆粒物的分離，是人們普遍使用的一種除塵技術。侯力強等[7]測試了5 μm

金屬纖維氈的除塵性能，結果表明，在顆粒物濃度5 g · m-3、過濾風速5 m · min-1、纖維氈厚度0.5 mm時，對粒徑大于5 μm顆粒物的去除率可達100%；粒徑1~5 μm顆粒物去除率可達85%；粒徑0.3 μm顆粒物的去除率為58%。水甜甜等[8]對高效濾網過濾器和駐極體過濾器過濾性能進行了對比研究，當2種過濾器具有相同除塵效率時，駐極體過濾器空氣處理量比高效濾網大15.27%。傳統(tǒng)過濾網式過濾器雖被普遍使用，但其壓力損失大、能耗高，高流阻限制了其應用。靜電除塵技術是利用外加電場實現(xiàn)氣體中顆粒物高效分離的技術。DEY等[9]研究了過濾器對不同粒徑蔗糖和硬脂酸納米顆粒的除塵性能，研究結果表明，過濾器對粒徑范圍20~80 nm之間顆粒物除塵效率為40%~70%；粒徑80~600 nm之間顆粒物除塵效率為40%~90%。LEE等[10]研究了外加電場對過濾器道路粉塵和香草煙霧除塵性能的影響，結果表明，當外加電場為4.7 kV · cm-1、過濾風速為2.5 m · s-1時，過濾器對顆粒粒徑為1.96 μm路面揚塵的除塵效率為93%，相同條件下，傳統(tǒng)過濾器的除塵效率僅為70%。此外，在過濾風速2.5 m · s-1、過濾器運行30 min 后，過濾器對香煙顆粒物的除塵效率為96%。KIM等[11-12]研究了KCl氣溶膠顆粒(100 nm~0.1 μm)電暈放電預處理對過濾器除塵性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)荷電電壓可以有效提高過濾器除塵性能，對亞微米級可吸入顆粒物除塵效率可達到99.7%。靜電除塵技術具有效率高、處理量大等優(yōu)勢，但是靜電技術對電壓和工作環(huán)境要求極高，其使用有很大的安全隱患。

駐極體除塵技術是將駐極體材料(材料本身可長久攜帶電荷的材料)用于過濾器單元，通過提高靜電作用以提高除塵效率的除塵技術[13]。周劉軻等[14]研究了在風機回風口加裝駐極體過濾器后對香煙燃燒后產生的PM2.5顆粒物過濾性能的影響，結果表明，風機盤管回風口加裝過濾器后處理風量相較于未加裝時的處理風量有所衰減，但加裝過濾器后對PM2.5的瞬時凈化效率可達68%以上；而未加裝過濾器風機盤管對M2.5的瞬時除塵效率只有2%左右。黃翔等[15]將聚丙烯駐極體過濾器應用到醫(yī)院空調，其中過濾器對空氣中粒徑小于0.5 μm顆粒物的除塵效率為97.7%，粒徑小于5 μm顆粒物的除塵效率為100%，凈化后的空氣品質符合醫(yī)院規(guī)定要求。駐極體過濾器能在不犧牲壓降的基礎上很大程度地提高除塵效率，但其使用壽命受材料電性能影響，電荷衰減是其致命缺陷。

纖維束過濾器結構簡單、壓降低、容塵量大，在可吸入顆粒物的凈化研究方面也開始受到重視。LI等[16]探究了常規(guī)纖維過濾器、駐極體過濾器和駐極體纖維束過濾器在地鐵通風系統(tǒng)中的除塵性能，發(fā)現(xiàn)常規(guī)纖維過濾器的滲透率在3%~64%之間變化，駐極體過濾器的滲透率為35%~85%；而駐極體纖維束過濾器滲透率僅為1%~27%，駐極體纖維束過濾器的除塵性能要優(yōu)于其他2種過濾器。PARK等[17]提出將預過濾器與駐極體過濾器(EF)、駐極體束過濾器(EBF)或駐極體褶皺過濾器(EPF)組合在一起，實驗結果顯示，過濾器組合對空氣中PM10的效率為85%，對空氣中PM2.5的過濾效率為55%。NOH[18-19]將聚丙烯纖維束安置在地鐵通風系統(tǒng)之中進行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)過濾風速為0.5 m · s-1時，過濾器對粒徑100~800 nm氣溶膠的去除效率為50%~70%；過濾風速為1.0 m · s-1時，0.4 μm和0.6 μm氣溶膠的去除效率分別為52%和65%。EFIMOV等[20]利用聚丙烯纖維束對蚊香燃燒產生的顆粒物進行去除實驗，發(fā)現(xiàn)顆粒物施加10 kV電壓后除塵效率明顯提高，對粒徑為50~600 nm顆粒物的去除率可達90%。纖維束過濾器因其獨特的纖維排列及松散的內部結構使其具有容塵量大、壓降小的特點，以上特點使其實際應用具有極大優(yōu)勢和前景。聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚丙烯腈纖維是3種比較常見的纖維材料常被用作各種濾料，本研究考察這3種纖維對纖維束過濾器除塵性能的影響，并通過表面電荷密度測定和SEM檢測等方法對纖維束過濾器除塵機理進行了研究，為纖維束過濾器的推廣應用提供理論支持。

結果與討論

2.1 纖維束種類對過濾器除塵效率和積塵量的影響

以路面揚塵為研究對象，探究了聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維對過濾器除塵性能的影響。在入口顆粒物濃度為0.58 g · m-3、過濾風速為1.0 m · s-1、流量為63.62 m3 · h-1、纖維填充率(纖維束截面積與管道截面積之比)為0.67%、纖維長度為12 cm的條件下，過濾器除塵效率與積塵量隨時間變化情況見圖3。如圖3所示，不同種類纖維束過濾器除塵效率皆隨實驗進行逐漸降低，但過濾器之間除塵效率相差很大；聚丙烯腈纖維除塵效率最高，為70%~80%；玻璃纖維除塵效率次之，為60%~70%；聚丙烯纖維除塵效率最低，為45%~60%。而從圖3(b)積塵量曲線可以看到其變化趨勢與除塵效率相反，隨時間增加，各過濾器積塵量均有增加的趨勢，且在整個實驗過程中，聚丙烯腈纖維積塵量>玻璃纖維積塵量>聚丙烯纖維積塵量。隨著實驗的進行，氣流中粉塵顆粒不斷被過濾器攔截，過濾器積塵量不斷增加，積塵量的增加使過濾器容塵空間越來越小，因而過濾效率會呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 纖維束種類對過濾器壓降的影響

過濾器過濾單元上、下游之間壓力的差值能夠反映除塵設備的能量消耗，壓降越大，能耗越高。因此，在實驗過程中，對纖維束過濾單元上、下游之間的壓降進行了監(jiān)測。壓降小是纖維束過濾器優(yōu)勢之一，為此，在與纖維束過濾器同一條件下，對直徑為150 mm、厚度為12 cm的常規(guī)過濾單元的壓降進行了測試，2類過濾器對比測試結果如圖4所示。如圖4所示，3種纖維束過濾器壓降相比常規(guī)過濾器較小，且隨著實驗進行，二者之差越來越大；從圖4中還可知，3種纖維束過濾器過濾單元上、下游之間壓差變化很小，聚丙烯腈纖維壓降從20 Pa增至24 Pa，玻璃纖維從19 Pa增至22 Pa，聚丙烯纖維從19 Pa增至21 Pa。纖維束過濾器獨特的三維結構與內部發(fā)達的空氣通道使其在實驗過程中能夠保持壓降的穩(wěn)定性，這使得過濾器在使用過程中能耗不會隨著負載的增加而增加；另外，從2種過濾器壓降結果的對比來看，也進一步證明纖維束過濾器具有低壓降的優(yōu)勢。

2.3 不同種類纖維的表面電荷密度

為探究3種纖維除塵效率出現(xiàn)顯著差異的原因，實驗過程中，每隔10 min對纖維束表面電荷密度進行測量，利用式(3)和圖3求出對應時間的積塵量，得到積塵量與表面電荷密度的關系，結果如圖5所示?？梢?，實驗過程中纖維表面存在電荷，且隨表面積塵量的增加，纖維表面電荷密度逐漸降低。顆粒物在移動過程中極易因摩擦等因素而攜帶靜電荷[21]，實驗所用3 種纖維皆為良好的絕緣體，當纖維與空氣和空氣中顆粒物接觸并產生相對運動時，纖維表面電子發(fā)生轉移，產生剩余電荷，導致靜電的產生；隨著實驗進行，纖維表面負載粉塵量逐漸增多，粉塵會對纖維表面靜電荷產生屏蔽作用，進而使得纖維表面電荷密度逐漸降。從圖5中還發(fā)現(xiàn)，整個實驗過程中，聚丙烯腈纖維電荷密度>玻璃纖維電荷密度>聚丙烯纖維電荷密度；研究表明，擁有不同介電常數(shù)的2種物質相互接觸時產生的電荷量與電性不同[22]，所以實驗中3種纖維表面電荷密度不同，可能是由3種纖維與路面揚塵之間的介電常數(shù)之差不同導致。表2為3種纖維與路面揚塵的介電常數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，3種纖維與路面揚塵的差值從大到小分別為聚丙烯腈、玻璃纖維和聚丙烯纖維，此排列順序與電荷密度排列順序一致；同時，電荷密度排列順序與纖維除塵效率變化趨勢一致，這說明纖維表面電荷是影響過濾器除塵效率的因素之一。

2.4 粉塵顆粒在纖維束內附著狀態(tài)

為觀察粉塵顆粒在纖維束內附著狀態(tài)，剪取部分實驗后纖維束進行SEM檢測。圖6為實驗后纖維表面SEM圖。如圖6所示，粉塵顆粒有2種賦存狀態(tài)，單獨附著和纖維間填充。結合SEM圖像和過濾器表面電荷密度曲線分析認為，粉塵在過濾器內部的2種存在狀態(tài)是因為，纖維在使用過程中會產生靜電荷，在靜電作用下粉塵吸附于纖維表面；而在纖維束內部，由于靜電作用粉塵吸附于纖維表面，形成了粉塵初層，這使得纖維束之間的通道變窄，從而提高了其機械攔截作用效果，通過纖維表面粉塵初層的攔截作用，使更多的粉塵得到了捕集。綜上所述，粉塵顆粒賦存于過濾器內部是靜電作用與機械力作用共同作用的結果，而除塵效率隨實驗進行逐漸降低是以除塵機制為靜電作用為主，靜電作用引起的機械攔截作用為輔。

3 結論

1) 3種材料中聚丙烯腈纖維過濾性能最好，其次為玻璃纖維，聚丙烯纖維最差。

2) 通過表面電荷密度測定和SEM檢測，纖維束過濾器的除塵機制為靜電和靜電引起的機械作用力的結合，其中以靜電作用為主，機械力作用為輔；在相同實驗條件下，丙烯腈纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維所產生的電荷量依次減小，使得聚丙烯腈纖維表現(xiàn)的過濾性能最好，聚丙烯纖維最差。

3) 纖維束獨特的三維結構和內部發(fā)達的空氣通道使得纖維束過濾器具有壓降小、能耗低的特點。