过滤介绍

过滤材料性能评价标准过滤是在推动力的作用下，位于一侧的悬浮液（或含尘气）中的流体通过多孔介质的孔道向另一侧流动，颗粒则被截留，从而实现流体与颗粒的分离操作过程。

被过滤的悬浮液又称为滤浆，过滤时截留下的颗粒层称为滤饼，过滤的清液称为滤液。

过滤材料是一种具有较大内表面和适当孔隙的物质，它能够捕捉和吸附固体颗粒，使之从混合物中分离出来。

过滤是由过滤介质起作用的，过滤介质即使流体通过而颗粒被截留的多孔介质。

无论采用何种过滤方式，过滤介质总是必须存在的，因此过滤介质是过滤操作的要素之一。

多过滤介质的共性要求是多空、理化性质稳定、耐用和可反复利用等。

过滤材料生产工艺技术复杂，按不同制作工艺方法可得到不同结构形态的过滤材料。

一般分为织造滤料、非织造滤料、纸质滤料、热塑成型滤料、多孔陶瓷滤料和复合滤料等。

非织造滤料非织造技术与传统织造技术相比，具有工艺流程简单、生产速度快、产量与劳动生产率高、成本低、可用的纤维来源范围广、工艺容易变化、可生产的产品品种多等优点，近年来的销量增长很快。

非织造物按加工方法可分为水刺加固非织造物和针刺加固非织造物等。

水刺法是用高压产生的多股水射流喷射纤网，纤网中的纤维在不同方向水射流穿插水力作用下，产生位移、穿插、缠结和抱合，从而使纤网得到加固；针刺法是以含有倒钩的刺针，机械穿刺纤网中的纤维，从而使纤网得到加固。

水刺非织造材料纤网中的纤维为柔性缠绕结构，相对而言，针刺非织造物则为刚性缠绕结构。

水刺法耗水，废水经处理虽可循环使用，但也要补充5%的洁净水。

由于针刺毡滤料自身优势明显，其发展速度迅速。

针刺毡滤料中的纤维呈立体交错排列，可充分发挥纤维的捕尘功能。

这种结构有利于粉尘层的快速形成，滤尘开始和清灰后也不存在直通孔隙，捕尘效果稳定，因而捕尘率高于一般织物滤料。

测试结果表明，针刺毡滤料的静态捕尘率可达99.9%，比一般绒布高出一个数量级；针刺毡没有或只有少量加捻的经纬纱线，孔隙率高达70%～80%，为一般织造滤料的1.6～2.0倍，因而自身的透气性好，阻力低；针刺毡的生产流程简单，生产速度快，劳动生产率高，产品成本低，易形成自动化一条龙生产线，便于监控和保证产品质量的稳定性。

织造滤料织造滤料中应用较多的是机织物滤料，此外还有针织物滤料、三向织物滤料和编辫织物滤料等。

机织物滤料是以合股加捻的经纬纱线用织机交织而成。

由于经纬纱线都经过加捻，所以纱线本身和交织点的密度都比较大，过滤物几乎只能从经纬线间的空隙通过。

一般机织过滤材料的孔隙率只有30%～40%，而且是直通的。

与非织造滤料相比，织造滤料尺寸稳定性较好，适于制成大直径、长滤袋。

使用织造滤料可制成具有较大强度，能承受较大压力的滤料，易形成平整和较光滑表面或薄形柔软的织物，有利于滤袋清灰，同时便于调整织物的紧密程度，既可制成较疏松滤料，也可制成高度紧密的滤料。

织造滤料虽有自身优势，也存在一些不足之处。

如传统生产工艺流程长，生成产品的速度慢；过滤主要通过经纱与纬纱的孔隙进行，与非织造滤料相比，在同样滤速情况下，滤料本身的阻力大；织造滤料只有在形成粉尘层后，才能阻挡较小颗粒物，在滤料未形成粉尘层、滤层清灰后或其他原因使粉尘层遭到破坏时，捕尘率明显下降。

采用适当的后处理技术，如在织造滤料表面覆以微孔透气薄膜、实现表面过滤等，有助于提高捕尘率、改善清灰效果和降低滤袋工作阻力。

复合滤料为了发挥材料特性，扬长避短，可用两种或两种以上各具特色的材料加工成一种滤料，这种滤料被称为复合滤料。

鉴于复合滤料所用材料的形态不同，可分为材料复合和结构复合两种。

材料复合是由两种或两种以上材料，采用织造或非织造工艺生产织造滤料或非织造滤料的一种复合方法。

如由部分耐高温短合成纤维与玻璃短纤维混合，采用非织造工艺制成纤网，针刺到玻璃纤维基布上制成的玻璃纤维复合毡。

合成纤维的加入，提高了针刺毡中纤维的缠结强度及毡层与基布的结合强度，增加了针刺毡的密实度，提高了针刺毡的过滤性能。

但是，若加入的合成纤维耐温性较低，就会降低针刺毡过滤材料的总体耐温性能。

按加入的耐高温合成纤维的不同，材料复合针刺毡可分为P84玻璃纤维复合针刺毡、PTFE玻璃纤维复合针刺毡和Nomex玻璃纤维复合针刺毡等。

结构复合是指成品与成品材料的复合，如针刺毡或机织布与多孔透气薄膜复合制成的滤料，又被称为覆膜滤料。

中材科技股份有限公司生产的覆膜滤料，所覆的是膨体聚四氟乙烯微孔膜，孔径可以在1μm以下或几个μm之间，基底可以是玻璃纤维机织布、耐高温合成纤维针刺毡（如PPS针刺毡、Nomex针刺毡、PTFE针刺毡等）、P84玻璃纤维复合针刺毡、PTFE玻璃纤维复合针刺毡等，已广泛应用于我国建材、冶金、化工和电力等基础工业的环境保护和清洁生产中。

过滤的方式很多，使用的物系也很广泛，固-液、固-气、大颗粒、小颗粒都很常见。

根据过滤过程的机理有滤饼过滤和深层过滤。

滤饼过滤又称为表面过滤。

它使用织物、多孔材料或膜等作为过滤介质。

过滤介质的孔径不一定要小于最小颗粒的粒径。

过滤开始时，部分小颗粒可以进入甚至穿过介质的小孔，但很快由颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。

最后被截留在介质表面的颗粒形成了称为滤饼的滤渣层，透过滤饼层的则是被净化了的滤液。

随着滤饼的形成真正起过滤介质作用的是滤饼本身，因此称为滤饼过滤。

滤饼过滤主要适用于含固量较大（>1%）的场合。

深层过滤一般应用介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土等）作为过滤介质。

小于介质空隙的颗粒可进入到介质内部，而长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。

深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少（<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。

非织造过滤材料较传统过滤材料的过滤性能更优异，所以它正逐步取代成为过滤材料的主流，其越来越广泛地应用于空气过滤、水过滤、血液过滤等领域。

因此，本论文主要探讨一下非织造过滤材料的结构性能参数及其相互关系。

非织造织物的基本结构和物理性能对其过滤效果具有决定性的作用，过滤材料的结构参数包括：纤维直径、孔隙率、孔径及孔径分布、比表面积，性能参数包括：过滤精度、压力损失、透气性、纳污容量、纤维迁移以及过滤材料的相容性等。

让我们首先探讨下过滤材料的结构参数。

纤维直径在空气过滤中，非织造过滤材料的内部是纤维对流体中微细颗粒物的捕捉，而静电纺纳米纤维毡的网络结构正适应了过滤的需要。

在非织造过滤材料的定量和厚度一定时，随着纤维直径的减小，即纤维线密度的下降，单位面积内的纤维根数增加，过滤阻力增加，透气性有所下降。

但随着纤维直径的下降，过滤材料中的孔径变小，纤维的比表面积增大，一次捕捉分离作用显著增强，过滤能力提高。

静电纺丝法可形成纳米级纤维，由纳米纤维构成的纤维过滤器的过滤性能比普通过滤材料更为优越，过滤效率非常高[34]。

如果从参与空气过滤的3个主要因素：粒子、分散介质(空气)和过滤材料的特征来考虑，影响空气过滤材料过滤性能的最重要的参数为：粒子直径、空气流速、纤维直径和填充率。

如图1-1所示，纤维越细，填充得越密实、越均匀，所能过滤的粒子越小，过滤效率就越高，当然，过滤阻力也相应增大。

图1-1 纤维直径对过滤效率影响的示意图厚度厚度对过滤性能也有明显的影响[35]。

随着厚度的增加，纤维量也增加，纤维对颗粒物的分离捕集作用加强，过滤效率提高。

同时过滤阻力增加，在相同压差下，过滤材料的透气性下降。

静电纺丝法形成的纳米纤维毡，在一定工艺条件下，厚度随着纺丝时间的增加而增大，在用作过滤材料的时候要选择合适的厚度，即控制纺丝时间。

孔隙率孔隙率是指多孔材料中孔隙所占体积与多孔材料总体积的比率。

非织造布独特的纤维网络结构，形成了分布较均匀，孔径较小的孔隙，使得流体中的微细颗粒在通过纤维过滤材料的纤维曲径时，分散作用加强，微细颗粒与纤维碰撞或粘附的机会更多。

因此，孔隙率是影响非织造过滤材料过滤性能的一个重要因素。

当孔隙率增加时，透气性提高，过滤材料对颗粒物的分离捕捉作用被削弱，过滤效率下降。

一般而言，过滤材料的孔隙率随着材料的厚度增加而增加。

孔径纤维过滤材料的过滤作用是通过其内部的孔径通道来实现的，因而其过滤精度在很大程度上取决于其孔径尺寸及分布：孔径大，则能透过的粒子尺寸大，容易透过的粒子数量多，过滤效率低；孔径小，能透过的粒子尺寸小，粒子难透过，过滤效率高。

孔径是指孔隙平均或等效直径，表征方式有最大孔径、平均孔径、孔径分布等。

孔径分布是指材料中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。

比表面积比表面积是指单位体积材料所具有的表面积（体积比表面积）或单位质量材料所具有的表面积（质量比表面积）。

降低纤维的直径能够提高纤维的比表面积，纳米纤维具有很大的比表面积。

纤维的比表面积大，在过滤过程中，颗粒与纤维碰撞的机会多，则颗粒容易被捕集，即过滤效率高。

过滤材料的过滤性能参数介绍如下：过滤精度与过滤效率国外许多公司在建立过滤材料标准时，过滤精度概念都与颗粒直径联系起来。

不论是液体过滤还是气体过滤，过滤精度值都是指某尺寸以上颗粒被滤除的效率。

过滤器捕集粉尘的量与未过滤空气中的粉尘量之比称为“过滤效率”。

过滤材料越厚，孔隙率越低，孔隙越小都有利于提高过滤效率。

小于0.1μm 的粒子主要作扩散运动，粒子越小，过滤效率越高；大于0.5μm 的粒子主要作惯性运动，粒子越大，过滤效率越高。

在0.1～0.5μm 粒径之间，过滤效率有一处最低点(如图1-2所示) 。

图1-2 粉尘粒径与过滤效率关系示意图压力损失压力损失是指过滤前后的静压差值，即压力降。

除尘设备的压力损失主要由两部分组成，即结构阻力和过滤层阻力[36]。

结构阻力主要由过滤材料的结构形式决定，一般来说纤维过滤材料中，纤维填充率高，孔径尺寸小，孔隙率低，则压力降大；气体过滤压力降小，液体过滤压力降大。

滤布的寿命随压力降增加而变短。

透气性透气性是指在一定压差下，流体在单位时间、单位面积上的透过量，以透气率来表征。

其大小取决于流体的特性、孔隙率、孔径及其分布、孔隙形状、过滤材料厚度等因素。

孔隙率高，孔径尺寸大，透气性好。

透气性直接影响过滤材料的流量阻力，透气性好则流量阻力小，流体的透过性好。

纳污容量纳污容量是指滤材能接受污物的最大限量。

一般而言，过滤材料的过滤精度越高，其纳污容量越低，其微细的通道易受到颗粒污染物的堵塞，使其压差增大，当压差达到规定的最大极限值时，使用寿命终止。

而对于低精度过滤材料，小于其孔隙尺寸的颗粒污染物易于通过孔隙不易被捕集，孔隙不易被污染物堵塞，形成的污垢层也不紧密，所容纳污染物数量要比高精度的过滤材料多。

纤维迁移与相容性滤材在制成滤器成品后，最严重的问题是在使用中有纤维脱落。

纤维脱落可造成过滤精度下降，纳污量减少，脱落纤维迁移到滤后物质中会成为有害污物。