2018, Vol. 39
工业烟尘排放是大气污染的重要原因, 袋式除尘是控制工业烟尘最有效的方式, 过滤材料是袋式除尘的核心, 目前, 袋除尘过滤材料对微细颗粒物的初始过滤效率并不理想[1].驻极体过滤材料具有高效低阻的特点, 对微细颗粒物过滤效率较高, 在空气过滤领域广泛应用.文献[2-6]均对驻极体过滤材料的过滤机理进行了深入研究; 文献[7-8]对过滤材料的常用驻极方法作了对比分析; 文献[9]研究了电晕放电法对聚丙烯充电的影响因素; 文献[10-12]通过摩擦带电的方法研究了聚四氟乙烯与聚丙烯腈混合针刺材料的过滤性能, 通过在纤维中添加无机粒子提高材料的电荷密度.但目前对驻极体滤料的研究主要集中在常温非工业空气过滤领域, 虽然文献[13-14]研究了驻极体纤维表面电荷密度受温度影响的变化规律, 但对过滤效率的影响未涉及.驻极体滤料在工业烟尘控制用的袋除尘领域的研究尚属空白.本文采用电晕放电法对5种常用袋除尘滤料进行驻极处理, 确定了最适合驻极的材料和最佳驻极参数.因驻极前后滤料阻力无明显变化, 本文只研究过滤效率的变化规律, 探讨驻极滤料在袋式除尘中的应用前景, 为解决袋除尘滤料对微细颗粒物初始过滤效率低的问题提供了新途径.
1 实验方法与材料 1.1 实验材料实验选取袋式除尘中最常用的5种材质滤料, 分别是涤纶(PET)针刺毡、芳纶针刺毡、聚四氟乙烯(PTFE)覆膜针刺毡、聚酰亚胺(P84)针刺毡、聚苯硫醚(PPS+PTFE)复合纤维针刺毡.使用YG(B)141D数字式织物厚度仪、YG(B)461E数字式织物透气性测试仪、BT224S型分析天平对滤料克重(单位面积滤料质量)等基本参数进行测量, 在极间距离为2cm时测定5种材料的破坏性击穿电压, 如表 1所示.
|
表 1 滤料基本参数 Table 1 Basic parameters of filter |
图 1为实验所用多针电晕放电装置示意图.常温下对5种滤料进行极化处理, 选出最佳驻极滤材; 针对最佳驻极滤材进行驻极影响因素、驻极稳定性等实验研究.驻极电压为5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 15 kV; 极间距离为1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 cm.通过滤材的过滤效率和表面电荷量表征驻极效果, 表面电荷量为0.01 m2滤料上的电荷量.图 2为滤料过滤效率测试装置示意图, 采用TSI9306激光粒子计数器分别测量样品上游和下游单位体积内颗粒物粒子个数, 通过转子气体流量计控制风速, 实验风速为1.7 m/min.效率计算式为
|
(1) |
|
图 1 电晕放电装置 Fig.1 Setup of corona charging |
|
图 2 滤料过滤性能测试系统 Fig.2 Experimental system for filter efficiency measurement |
式中:f为过滤效率; Cu, Cd为上、下游单位体积内颗粒物粒子个数.
2 结果与分析 2.1 材料选取为了不影响比较结果, 根据5种滤料的击穿电压, 滤料驻极条件为:驻极电压15 kV, 极间距离2 cm、驻极时间10 min.滤料驻极前后表面电荷量如图 3所示.PTFE覆膜滤料的表面电荷量提升最大, P84滤料次之, PPS滤料增幅较小, 涤纶和芳纶表面电荷量无明显变化.5种滤料表面电荷量提升幅度为PTFE覆膜滤料＞P84滤料＞PPS滤料＞涤纶、芳纶.
|
图 3 滤料驻极前后表面电荷量 Fig.3 Surface charge of uncharged and charged filter |
表面电荷量在一定程度上可以体现材料的储电性能, 而作为过滤材料, 最重要的是过滤性能, 因此对滤料驻极前后的效率进行了研究.为避免滤料表面的残余电荷影响驻极效果的分析, 滤料开路存放24 h后首次测量效率, 并在7天、1个月2个时间节点对滤料进行效率测试, 测试结果如图 4所示.
|
图 4 驻极滤料效率随时间变化 Fig.4 Changing of electret filter filtration efficiency with time (a)—0.3 μm; (b)—0.5 μm; (c)—1 μm; (d)—2.5 μm. |
结果表明, 驻极滤料稳定放置1天后, 芳纶效率无明显变化; 涤纶对0.3, 0.5, 1, 2.5 μm粒子的捕集效率分别提高了15.28%, 13.69%, 12.22%, 2.36%, 7天后过滤效率分别降低了14.78%, 13.6%, 11.21%, 2.28%, 基本回到未处理状态; P84滤料对各粒径粒子的捕集效率分别提升了3.21%, 1.93%, 0.72%, 0.58%, 1个月后降低了1.62%, 0.99%, 0.45%, 0.29%;PTFE覆膜滤料对相应粒子的效率提升幅度分别为6.32%, 2.94%, 0.81%, 0.37%, 1个月后降幅分别为0.9%, 0.56%, 0.33%, 0.32%;PPS+PTFE复合滤料的效率提升也较明显, 但小于PTFE滤料, 其效率衰减状态与PTFE滤料类似.
高聚物的介电常数与介电损耗系数可表征材料贮存电荷的能力和稳定性, 芳纶的介电常数很小, 所以驻极效果不明显, PTFE, P84、涤纶3种滤料的介电常数大小关系为涤纶 > PTFE > P84, 实验中表现为涤纶初始阶段过滤效率提升幅度最大, PTFE次之, P84最小; 三者之间介电损耗系数关系为涤纶≫P84≫PTFE, 实验中表现为涤纶滤料电荷和过滤效率很快衰减, P84次之, 而PTFE滤料的电荷和过滤效率最稳定.从分子结构角度来看, 氟是自然界中最活泼的元素之一, 氟碳化合物是已知化合物中原子基团连接最坚固的一种, PTFE具有的C—F键合能UC—F高达393 kJ/mol, 这是对捕获电荷表现出高稳定性的结构根源[14].因此以下驻极影响参数研究均选取PTFE覆膜滤料进行实验.
2.2 驻极影响参数分析 2.2.1 驻极电压的影响极间距离为2.0 cm, 驻极时间为20 min时, 分别使用5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 15 kV电压对PTFE样品进行驻极实验, 驻极前后效率如图 5所示, 因对2.5 μm粒子初始过滤效率均较高, 这里只讨论1 μm及以下粒子.由图 5可知, 随着电压的升高, 滤料的过滤效率呈明显的递增趋势, 5 kV时对0.3, 0.5, 1 μm粒子的效率分别提升到97.7%, 98.7%, 99.3%, 而15 kV时效率相应提升到99.3%, 99.6%, 99.8%, 其他参数固定时, 在一定范围内, 驻极效果随着驻极电压升高而增强, 过滤效率也随之增大.
|
图 5 不同电压下PTFE滤料的效率 Fig.5 Efficiency of PTFE filter under different voltages |
驻极电压为15 kV, 驻极时间为20 min, 极间距离设定为1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 cm, 对PTFE滤料样品驻极, 图 6为样品驻极前后效率对比, 随极间距离减小, 滤料过滤效率呈递增趋势, 对0.3 μm粒子仅在1.5 cm时过滤效率大于99.5%, 大于2.5 cm时效率小于99.0%;对0.5, 1 μm粒子, 随极间距离减小效率增幅减小但仍呈递增趋势.以上结果表明, 其他参数固定, 在一定范围内, 极间距离越小驻极效果越明显.虽然极间距离1.5 cm时驻极效果最好, 但由于距离过小, 15 kV的驻极电压更容易击穿滤料, 样品驻极成功率降低, 因此极间距离为2 cm时最佳.
|
图 6 不同极间距离PTFE滤料的效率 Fig.6 Efficiency of PTFE filter at different electrode distance |
驻极体荷电的电荷密度受驻极体内外击穿电场限制, 内部击穿效应取决于材料介电强度, 外击穿取决于接近样品自由面的电极间气隙电场及电极几何形状等, 因此当材料和驻极方法确定, 改变电压和极间距离都是对气隙电场的调整.综上, 驻极电压15 kV、极间距离2 cm为最佳驻极参数.
2.2.3 驻极时间的影响极间距离为2 cm, 驻极电压为15 kV时, 分别在20, 40, 60, 120, 180 min时对PTFE样品驻极, 图 7为不同驻极时间的滤料效率.
|
图 7 不同驻极时间PTFE滤料的效率 Fig.7 Efficiency of PTFE filter at different electret times |
随着驻极时间的延长, 滤料的效率逐渐升高.对0.3, 0.5, 1 μm粒子的过滤效率, 驻极20 min时效率分别为97.72%, 98.42%, 99.34%, 驻极180 min时效率分别为99.27%, 99.61%, 99.79%.因此当其他参数不变时, 一定范围内, 驻极时间越长, 驻极效果越明显.这是因为延长充电时间可以使过剩电荷更充分地注入到纤维中, 提高滤料表面电荷均匀性, 从而显著提高滤料过滤效率.
充电电压升高, 空气被电离得更充分, 荷电粒子更易落在纤维表面; 随着极间距离的减小, 气隙电场增强, 取向极化更加明显; 极化处理是一个过程, 在滤料贮存电荷达到饱和之前, 时间越长表面电荷密度越高.综上, 合理的调整电压、极间距离、充电时间, 可以增强驻极效果, 进而提高过滤效率.
2.3 驻极稳定性研究 2.3.1 时间和温度对表面电荷量的影响以上实验结果表明, 通过选择合适的材料及调整驻极参数可以提高滤料的驻极效果, 同时也发现电荷量和效率受时间和环境温度的影响.图 8是经驻极电压15 kV、极间距离2 cm、驻极20 min的PTFE覆膜滤料表面电荷量的衰减情况, 27 d后电荷保持率为62.22%.表面电荷量反映出驻极滤料的电荷保持能力, 对于含气隙结构的滤料而言, 电荷更容易进入材料内部, 开路储存滤料的衰减主要是表面及近表面的电荷, 内部电荷受影响较小, 这也是1个月后过滤效率降幅远小于电荷降幅的原因.
|
图 8 PTFE覆膜滤料表面电荷密度随时间的衰减 Fig.8 Decay of PTFE filter surface charge density with time |
袋除尘滤料会在高温环境下使用, 因此相比于时间因素, 影响更大的是温度.图 9是将不同驻极电压, 极间距离2 cm、驻极时间20 min的PTFE滤料经200 ℃高温处理40 min后的电荷量.处理后电荷平均保持率为56.15%, 驻极电压更高的滤料经高温处理后电荷量仍高于低电压驻极滤料.
|
图 9 200 ℃处理前后PTFE覆膜滤料表面电荷量 Fig.9 Surface charge of PTFE filter under 200 ℃ and normal tempture |
本节着重研究滤料过滤效率随温度的变化及高温下不同驻极电压滤料的过滤效率的稳定性, 如图 10所示, 当环境温度小于80 ℃时, 驻极电压为15 kV、极间距离为2 cm、驻极时间为20 min的PTFE驻极滤料对0.3, 0.5, 1 μm污染颗粒物的过滤效率没有明显变化; 当环境温度大于80 ℃时, 过滤效率随温度的升高出现不同程度的衰减, 在200 ℃以内, 对0.3 μm污染颗粒物过滤效率降幅≤1.23%, 对0.5 μm污染颗粒物过滤效率降幅≤0.67%, 对1 μm污染颗粒物过滤效率降幅≤0.31%.该PTFE滤料未处理前对0.3，0.5，1 μm颗料物的过滤效率分别为93.01%，96.74%，99.17%.
|
图 10 温度对驻极PTFE滤料过滤效率的影响 Fig.10 Effect of temperature on filtration efficiency of electret PTFE filter (a)—0.3 μm; (b)—0.5 μm; (c)—1 μm. |
经200 ℃高温处理40 min后, 不同驻极电压下的PTFE滤料对0.3, 0.5, 1 μm粒子的过滤效率有不同程度的衰减, 如图 11所示.高温处理后, 5 kV驻极的PTFE滤料对0.3, 0.5, 1 μm粒子过滤效率分别为97.40%, 98.56%, 99.36%, 最高驻极电压15 kV驻极的PTFE滤料对各粒径粒子过滤效率分别为98.25%, 98.82%, 99.56%, 高电压驻极滤料经200 ℃热处理后效率高于低电压驻极滤料.
|
图 11 不同驻极电压样品200 ℃处理后的过滤效率 Fig.11 Filtration efficiency of different electret voltage filters after 200 ℃ treatment (a)—0.3 μm; (b)—0.5 μm; (c)—1 μm. |
综上, 驻极PTFE滤料经200 ℃高温处理后仍保持较高的过滤效率, 且驻极电压高的滤料经热处理后效率高于低电压驻极滤料.在实际应用中, 粒子成分更为复杂, 除微细粒子外还伴有大粒径粉尘, 滤料投入使用初期静电吸附效应起重要作用, 形成尘饼后机械过滤起主要作用, 实验中的微细颗粒物过滤效率≤滤料投入使用初期的效率.将驻极体袋除尘滤料应用于实际生产中, 还需要进一步研究工况下滤料的性能表现, 提高驻极稳定性.
3 结论1) 涤纶、芳纶、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚几种常用袋除尘滤料驻极后过滤效率有不同程度提高, 其中PTFE纤维滤料效率提升最大, 芳纶最差.
2) 驻极电压、极间距离、驻极时间是影响驻极效果的重要因素, 随着电压的升高, 驻极时间的延长, 极间距离的缩小, 滤料的过滤效率呈上升趋势; PTFE覆膜滤料最佳驻极参数为驻极电压15 kV、极间距离2 cm, 一定范围内驻极时间越长越好.
3) 一定时间后滤料荷电有不同程度衰减, PTFE滤料衰减最小, 27 d后电荷保持率为62.22%, 对1 μm以下粒子过滤效率降低幅度≤0.9%.
4) 当环境温度大于80 ℃时, 滤料过滤效率随温度的升高有不同程度的衰减; 现场应用中, 大部分烟尘都在200 ℃以下, 经过200 ℃高温处理后, PTFE滤料样品电荷平均保持率为56.15%, 对1 μm以下粒子过滤效率的降低幅度≤1.23%;PTFE覆膜针刺毡经驻极处理后过滤性能强化效果显著.
| [1] |
柳静献, 谢越, 常德强, 等.
除尘滤料对微细颗粒捕集性能的研究[J]. 过滤与分离, 2012, 22(4): 21–25.
( Liu Jing-xian, Xie Yue, Chang De-qiang, et al. Research on fine particle capture of baghouse filter media[J]. Journal of Filtration & Separation, 2012, 22(4): 21–25. DOI:10.3969/j.issn.1005-8265.2012.04.006 ) |
| [2] |
Baumgartner H, Loffler F, Umhauer H.
Deep-bed electret filters:the determination of single fiber charge and collection efficiency[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1986, 21(3): 477–486.
|
| [3] |
Efimov A A, Ivanov V V, Volkov I A, et al.
Filtration of nanosized particle aerosols by electret fibrous filters[J]. Nanotechnologies in Russia, 2013, 8(11/12): 789–798.
|
| [4] |
Chang D Q, Chen S C, Andrew R, et al.
Penetration of sub-50 nm nanoparticles through electret HVAC filters used in residence[J]. Aerosol Science and Technology, 2015, 49: 966–976.
DOI:10.1080/02786826.2015.1086723 |
| [5] |
Ji J H, Bae G N, Kang S H, et al.
Effect of particle loading on the collection performance of an electret cabin air filter for submicron aerosol[J]. Aerosol Science, 2003, 34: 1493–1504.
DOI:10.1016/S0021-8502(03)00103-4 |
| [6] |
Wang C S.
Electrostatic force in fibrous filter:a review[J]. Powder Technology, 2001, 118: 166–170.
DOI:10.1016/S0032-5910(01)00307-2 |
| [7] |
谢小军, 黄翔, 狄育慧.
驻极体空气过滤材料静电驻极方法初探[J]. 洁净与空调技术, 2005(2): 41–44.
( Xie Xiao-jun, Huang Xiang, Di Yu-hui. Discussion of electret air filtration material utilizing electrostatic electret[J]. Contamination Control & Air-Conditioning Technology, 2005(2): 41–44. DOI:10.3969/j.issn.1005-3298.2005.02.012 ) |
| [8] |
Tsai P P, Schreuder-Gibson H, Gibson P.
Different electrostatic methods for making electret filters[J]. Journal of Electrostatics, 2002, 54: 333–341.
DOI:10.1016/S0304-3886(01)00160-7 |
| [9] |
Tabti B, Dascalescu L, Plopeanu M, et al.
Factors that influence the corona charging of fibrous dielectric materials[J]. Journal of Electrostatics, 2009, 67: 193–197.
DOI:10.1016/j.elstat.2009.01.047 |
| [10] |
王洪, 刘明奇, 吴海波.
带电针刺过滤材料的研究[J]. 产业用纺织品, 2014(9): 17–21.
( Wang Hong, Liu Ming-qi, Wu Hai-bo. Study on the triboelectric charged needle-punched nonwoven filtration materials[J]. Technical Textiles, 2014(9): 17–21. DOI:10.3969/j.issn.1004-7093.2014.09.005 ) |
| [11] |
Nifuku M, Zhou Y, Kisiel A, et al.
Charging characteristics for electret filter materials[J]. Journal of Electrostatics, 2001, 51/52: 200–205.
DOI:10.1016/S0304-3886(01)00117-6 |
| [12] |
Yu B, Han J, Sun H, et al.
The preparation and property of poly(lactic acid)/tourmaline blends and melt-blown nonwoven[J]. Polymer Composites, 2015, 36(2): 264–271.
DOI:10.1002/pc.v36.2 |
| [13] |
Lowkis B, Motyl E.
Electret properties of polypropylene fabrics[J]. Journal of Electrostatics, 2001, 51/52: 232–238.
DOI:10.1016/S0304-3886(01)00053-5 |
| [14] |
夏钟福.
驻极体[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 1-606.
( Xia Zhong-fu. Electrets[M]. Beijing: Science Press, 2001: 1-606. ) |