高效纤维滤料过滤纳米颗粒物时的反弹效应_庄子威
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第 27 卷 第 8 期 2014 年 8 月
环 境 科 学 研 究 Ｒesearch of Environmental Sciences
Vol． 27 ， No． 8 2014 Aug． ，
J］ ． 环境科学研究， 2014 ， 27 （ 8 ） ： 835-841． 庄子威， 张振中， 江锋． 高效纤维滤料过滤纳米颗粒物时的反弹效应［ ZHANG Zhenzhong， JIANG Feng． Experimental research on the bounce effect of nanoparticles during filtration by HEPA filter media［J］ ． ZHUANG Ziwei， Ｒesearch of Environmental Sciences， 2014 ， 27 （ 8 ） ： 835-841．
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50978154 ） zhuangzw06@ mails． 作者简介： 庄子 威 （ 1988 － ） ， 男， 广 东 普 宁 人， tsinghua． edu． cn． * 责任作者， 江锋（ 1959 － ） ， 男， 浙江金华人， 研究员， 主要从事空气净 jf601@ mail． tsinghua． edu． cn 化技术研究，
［17-27 ］ ． 的研究还存在争议 HEPA 玻璃纤维滤料通常在低滤速 （ 1 ～ 5 cms ）
图1
MgO 与 NaCl 颗粒的电镜照片 of MgO and NaCl particles
Fig. 1 Scanning electron micrograph
3 种颗粒物的粒径分布数值特征见表 1． 在 50 ～ 3 种颗粒物的数浓度均大于 10 4 150 nm 粒径范围内， cm － 3 ； 在 10 ～ 50 nm 和 150 ～ 500 nm 粒径范围内， 颗 3 －3 粒物的数浓度均大于 10 cm ， 满足 HEPA 玻璃纤维 滤料效率试验系统对颗粒物源粒径分布和数浓度的 需求．
在纤维滤料过滤空气颗粒物的过程中 ， 经典过滤 理论认为， 过滤机理主要是截留、 惯性碰撞、 扩散和静
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环
［1 ］
境
科
学
研
究
第 27 卷
， 其假设标准球形颗粒一旦与过滤纤维 ［2 ］ 表面相接触即被完全捕获 ． 而在实际过滤过程中， 电作用等 在一定的粒径、 滤速范围内， 实测过滤效率低于理论 ， HEPA （ 高效空气过滤） 滤料来 效率 并且这种差别对 说不能忽略； 并且， 对于不同 HEPA 滤料检测方法， 气 推测可能是颗粒物与 溶胶物质不同过滤结果也不同， 纤维表面接触后发生不同程度的反弹所致 ． CHENG 等［3-5］ 最早认识到 在颗粒捕集技术中， 在 20 cms 以上滤速碰撞冲击器捕集微米级固体颗 粒时的反弹效应一般可用临界速度或临界动能加以 ［6 ］ ［7-9 ］ 描述 ． Boskovic 等 比较研究了 5 ～ 20 cms 滤速 发现立方体 范围内颗粒物通过普通滤料的过滤效率 ， 颗粒透过率比球形颗粒高． 在数个 nm 粒径范围内， OTANI 等［10-16］ 认为， 微小颗粒由于剧烈的布朗运动 使得其热速度较大， 会产生热反弹效应并致过滤效率 降低． 受测量仪器精度限制等因素， 目前对上述现象
高效纤维滤料过滤纳米颗粒物时的反弹效应
庄子威，张振中，江 锋
*
清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084 摘要： 经典过滤理论未考虑纳米颗粒物在纤维表面反弹并降低过滤效率的可能性 ． 选择不同等级的 HEPA （ 高效空气过滤） 玻 — —直角立方体 MgO、 璃纤维滤料， 使用 SMPS（ 扫描电迁移率粒度分析仪） 测量粒径在 10 ～ 500 nm 内 3 种颗粒物— 圆角立方体 NaCl 和球形 PSL（ 聚苯乙烯） 固体颗粒的过滤效率， 通过比较不同滤料状态下过滤效率的差别分析反弹效应的影响 ． 结果表明： NaCl 颗粒的反 ①硅油熏蒸法制备的湿态滤料可以模拟过滤的理想状态 ． ②过滤时颗粒物反弹效应大小与其自然运动规律有关， PSL 颗粒的反弹率比非球形颗粒小一个数量级左右 ． ③颗粒物反弹率也受到滤速的影响， 在1. 0 ～ 弹率约为 MgO 颗粒的 66. 7% ， 5. 3 cms 滤速范围内， 反弹率与滤速成正比； 滤速在 5. 3 cms 时颗粒物的最大反弹率在 0. 363% ～ 2. 667% 之间， 不同颗粒物的最 大反弹率不同， 但最大反弹粒径相差不大 ． ④可以将干态滤料在 5. 3 cms 滤速下对 MgO 颗粒的过滤作为 HEPA 滤料反弹效应试 验的计算基准， 根据形状参数（ S） 和过滤介质透过率的动力学模型对其他滤速和形状的颗粒物反弹率进行修定 ． ⑤ 反弹效应对 透过率的影响较大， 在 MPPS （ 最易透过粒径） 附近， 非球形颗粒反弹效应对实际透过率的贡献可达 30% ～ 40% ． 研究表明， HEPA 过滤需要考虑颗粒物反弹效应对过滤效率的影响 ． 关键词： 高效纤维过滤材料； 纳米颗粒物； 反弹效应 中图分类号： X513 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 6929 （ 2014 ） 08 － 0835 － 07 DOI： 10. 13198j． issn． 1001-6929． 2014． 08． 04
Experimental Ｒesearch on the Bounce Effect of Nanoparticles during Filtration by HEPA Filter Media
ZHUANG Ziwei，ZHANG Zhenzhong，JIANG Feng
Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084 ，China Abstract ： Classical filtration theory ignores the possibility that particles could bounce off， be reentrained on the fiber and reduce filtration efficiency． We selected HEPA fibrous filter media of three types of efficiency in this study，and the filtration efficiencies for particles （ cubic MgO particles，cubic NaCl particles with rounded edges and spherical PSL （ polystyrene latex） particles） with 10 to 500 nm sizes were measured by scanning mobility particle sizers （ SMPS） ． The impact of the bounce effect was determined by comparing the efficiency with different filter states． The results showed that a wet filter fumigated with silicone oil could be used to simulate the ideal state． There was a bounce effect of particulate matter during filtration，in which the physical laws of motion affected the bounce effect of particles with different shapes． The bounce rate of NaCl particles was 66. 7% that of MgO particles，while the bounce rate of PSL particles was lower by an order of magnitude versus the unspherical ones． The bounce effect was proportional to the filtration rates in the range of 1. 05. 3 cms， while the maximum bounce rates ranged between 0. 363% 2. 667% at 5. 3 cms． Although the maximum bounce rates of different particles were different，the particle size at the maximum bounce rate was almost the same． The bounce rate of MgO particles with a rate of 5. 3 cms through the dry filter could be used as the basis of calculation in the bounce effect experiments． The particles with other shapes and rates could be revised according to the shape parameter S and the dynamic model of penetration． The bounce effect has a large influence on the penetration rate，because it has a contribution of 30% -40% of the penetration at the particle size near the most penetration particle size （ MPPS ） ． Therefore， much attention should be paid to the
收稿日期： 2013 － 10 － 02 修订日期： 2014 － 02 源自文库 15
impacts of the bounce effect in HEPA filters． Key words： HEPA fibrous filter media； nanoparticle； bounce effect
表1 MgO、 NaCl 及 PSL 3 种颗粒物特征 PSL aerosol particles
密度 中位粒 （ gcm3 ） 径 数值 3. 600 2. 165 44. 2 50. 6 80. 0 PSL 球形固体 1. 050 120. 0 280. 0 350. 0 数浓度 cm － 3 数值 2. 47 × 10 6 3. 54 × 10 6 1. 85 × 10
6
过滤 10 ～ 500 nm 粒径颗粒物时可能发生反弹效应， 但目前鲜见对其系统研究． 因此， 该研究对低滤速范 围内， 采用 HEPA 玻璃纤维滤料过滤纳米颗粒物时， 因颗粒不规则形状导致其重心改变而发生滚动或弹 跳， 以及由此造成过滤效率下降的现象进行探讨 ． 为 此， 选择不同效率等级的 HEPA 玻璃纤维过滤材料， 以湿态滤料模拟颗粒与纤维接触后被完全捕获的理 ［28 ］ 想状态 ， 以干态滤料为包含颗粒物反弹效应的实 对 3 种不同形状的固态纳米颗粒物的过滤效 际状态， 率进行测量； 通过对颗粒物物理特性、 滤速等对反弹 效应影响的描述， 并将干态纤维滤料在 5. 3 cms 滤 速下对 MgO 颗粒的过滤作为反弹效应试验的计算基 以期完善现有空气过滤机理． 础， 1. 2
环 境 科 学 研 究 Ｒesearch of Environmental Sciences
Vol． 27 ， No． 8 2014 Aug． ，
J］ ． 环境科学研究， 2014 ， 27 （ 8 ） ： 835-841． 庄子威， 张振中， 江锋． 高效纤维滤料过滤纳米颗粒物时的反弹效应［ ZHANG Zhenzhong， JIANG Feng． Experimental research on the bounce effect of nanoparticles during filtration by HEPA filter media［J］ ． ZHUANG Ziwei， Ｒesearch of Environmental Sciences， 2014 ， 27 （ 8 ） ： 835-841．
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50978154 ） zhuangzw06@ mails． 作者简介： 庄子 威 （ 1988 － ） ， 男， 广 东 普 宁 人， tsinghua． edu． cn． * 责任作者， 江锋（ 1959 － ） ， 男， 浙江金华人， 研究员， 主要从事空气净 jf601@ mail． tsinghua． edu． cn 化技术研究，
［17-27 ］ ． 的研究还存在争议 HEPA 玻璃纤维滤料通常在低滤速 （ 1 ～ 5 cms ）
图1
MgO 与 NaCl 颗粒的电镜照片 of MgO and NaCl particles
Fig. 1 Scanning electron micrograph
3 种颗粒物的粒径分布数值特征见表 1． 在 50 ～ 3 种颗粒物的数浓度均大于 10 4 150 nm 粒径范围内， cm － 3 ； 在 10 ～ 50 nm 和 150 ～ 500 nm 粒径范围内， 颗 3 －3 粒物的数浓度均大于 10 cm ， 满足 HEPA 玻璃纤维 滤料效率试验系统对颗粒物源粒径分布和数浓度的 需求．
在纤维滤料过滤空气颗粒物的过程中 ， 经典过滤 理论认为， 过滤机理主要是截留、 惯性碰撞、 扩散和静
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科
学
研
究
第 27 卷
， 其假设标准球形颗粒一旦与过滤纤维 ［2 ］ 表面相接触即被完全捕获 ． 而在实际过滤过程中， 电作用等 在一定的粒径、 滤速范围内， 实测过滤效率低于理论 ， HEPA （ 高效空气过滤） 滤料来 效率 并且这种差别对 说不能忽略； 并且， 对于不同 HEPA 滤料检测方法， 气 推测可能是颗粒物与 溶胶物质不同过滤结果也不同， 纤维表面接触后发生不同程度的反弹所致 ． CHENG 等［3-5］ 最早认识到 在颗粒捕集技术中， 在 20 cms 以上滤速碰撞冲击器捕集微米级固体颗 粒时的反弹效应一般可用临界速度或临界动能加以 ［6 ］ ［7-9 ］ 描述 ． Boskovic 等 比较研究了 5 ～ 20 cms 滤速 发现立方体 范围内颗粒物通过普通滤料的过滤效率 ， 颗粒透过率比球形颗粒高． 在数个 nm 粒径范围内， OTANI 等［10-16］ 认为， 微小颗粒由于剧烈的布朗运动 使得其热速度较大， 会产生热反弹效应并致过滤效率 降低． 受测量仪器精度限制等因素， 目前对上述现象
高效纤维滤料过滤纳米颗粒物时的反弹效应
庄子威，张振中，江 锋
*
清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084 摘要： 经典过滤理论未考虑纳米颗粒物在纤维表面反弹并降低过滤效率的可能性 ． 选择不同等级的 HEPA （ 高效空气过滤） 玻 — —直角立方体 MgO、 璃纤维滤料， 使用 SMPS（ 扫描电迁移率粒度分析仪） 测量粒径在 10 ～ 500 nm 内 3 种颗粒物— 圆角立方体 NaCl 和球形 PSL（ 聚苯乙烯） 固体颗粒的过滤效率， 通过比较不同滤料状态下过滤效率的差别分析反弹效应的影响 ． 结果表明： NaCl 颗粒的反 ①硅油熏蒸法制备的湿态滤料可以模拟过滤的理想状态 ． ②过滤时颗粒物反弹效应大小与其自然运动规律有关， PSL 颗粒的反弹率比非球形颗粒小一个数量级左右 ． ③颗粒物反弹率也受到滤速的影响， 在1. 0 ～ 弹率约为 MgO 颗粒的 66. 7% ， 5. 3 cms 滤速范围内， 反弹率与滤速成正比； 滤速在 5. 3 cms 时颗粒物的最大反弹率在 0. 363% ～ 2. 667% 之间， 不同颗粒物的最 大反弹率不同， 但最大反弹粒径相差不大 ． ④可以将干态滤料在 5. 3 cms 滤速下对 MgO 颗粒的过滤作为 HEPA 滤料反弹效应试 验的计算基准， 根据形状参数（ S） 和过滤介质透过率的动力学模型对其他滤速和形状的颗粒物反弹率进行修定 ． ⑤ 反弹效应对 透过率的影响较大， 在 MPPS （ 最易透过粒径） 附近， 非球形颗粒反弹效应对实际透过率的贡献可达 30% ～ 40% ． 研究表明， HEPA 过滤需要考虑颗粒物反弹效应对过滤效率的影响 ． 关键词： 高效纤维过滤材料； 纳米颗粒物； 反弹效应 中图分类号： X513 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 6929 （ 2014 ） 08 － 0835 － 07 DOI： 10. 13198j． issn． 1001-6929． 2014． 08． 04
Experimental Ｒesearch on the Bounce Effect of Nanoparticles during Filtration by HEPA Filter Media
ZHUANG Ziwei，ZHANG Zhenzhong，JIANG Feng
Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084 ，China Abstract ： Classical filtration theory ignores the possibility that particles could bounce off， be reentrained on the fiber and reduce filtration efficiency． We selected HEPA fibrous filter media of three types of efficiency in this study，and the filtration efficiencies for particles （ cubic MgO particles，cubic NaCl particles with rounded edges and spherical PSL （ polystyrene latex） particles） with 10 to 500 nm sizes were measured by scanning mobility particle sizers （ SMPS） ． The impact of the bounce effect was determined by comparing the efficiency with different filter states． The results showed that a wet filter fumigated with silicone oil could be used to simulate the ideal state． There was a bounce effect of particulate matter during filtration，in which the physical laws of motion affected the bounce effect of particles with different shapes． The bounce rate of NaCl particles was 66. 7% that of MgO particles，while the bounce rate of PSL particles was lower by an order of magnitude versus the unspherical ones． The bounce effect was proportional to the filtration rates in the range of 1. 05. 3 cms， while the maximum bounce rates ranged between 0. 363% 2. 667% at 5. 3 cms． Although the maximum bounce rates of different particles were different，the particle size at the maximum bounce rate was almost the same． The bounce rate of MgO particles with a rate of 5. 3 cms through the dry filter could be used as the basis of calculation in the bounce effect experiments． The particles with other shapes and rates could be revised according to the shape parameter S and the dynamic model of penetration． The bounce effect has a large influence on the penetration rate，because it has a contribution of 30% -40% of the penetration at the particle size near the most penetration particle size （ MPPS ） ． Therefore， much attention should be paid to the
收稿日期： 2013 － 10 － 02 修订日期： 2014 － 02 源自文库 15
impacts of the bounce effect in HEPA filters． Key words： HEPA fibrous filter media； nanoparticle； bounce effect
表1 MgO、 NaCl 及 PSL 3 种颗粒物特征 PSL aerosol particles
密度 中位粒 （ gcm3 ） 径 数值 3. 600 2. 165 44. 2 50. 6 80. 0 PSL 球形固体 1. 050 120. 0 280. 0 350. 0 数浓度 cm － 3 数值 2. 47 × 10 6 3. 54 × 10 6 1. 85 × 10
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过滤 10 ～ 500 nm 粒径颗粒物时可能发生反弹效应， 但目前鲜见对其系统研究． 因此， 该研究对低滤速范 围内， 采用 HEPA 玻璃纤维滤料过滤纳米颗粒物时， 因颗粒不规则形状导致其重心改变而发生滚动或弹 跳， 以及由此造成过滤效率下降的现象进行探讨 ． 为 此， 选择不同效率等级的 HEPA 玻璃纤维过滤材料， 以湿态滤料模拟颗粒与纤维接触后被完全捕获的理 ［28 ］ 想状态 ， 以干态滤料为包含颗粒物反弹效应的实 对 3 种不同形状的固态纳米颗粒物的过滤效 际状态， 率进行测量； 通过对颗粒物物理特性、 滤速等对反弹 效应影响的描述， 并将干态纤维滤料在 5. 3 cms 滤 速下对 MgO 颗粒的过滤作为反弹效应试验的计算基 以期完善现有空气过滤机理． 础， 1. 2