滤料的孔径及分布对过滤性能的影响

蔡伟龙

（厦门三维丝环保股份有限公司，福建 厦门 361101）

滤料的孔径及分布对过滤性能的影响

蔡伟龙

（厦门三维丝环保股份有限公司，福建 厦门 361101）

通过对几种滤料的孔径测试，研究了针刺、水刺、覆膜滤料的孔径尺寸、孔径分布对过滤性能的影响。结果表明：针刺滤料、水刺滤料、覆膜滤料三种试样的平均孔径依次减小，孔径分布依次变窄；较小的孔径尺寸及均匀的孔径分布能有效提高滤料的过滤效率。

滤料；孔径尺寸；孔径分布；过滤性能

前言

过滤是借助多孔的过滤材料，分离、捕集分散于流体中的颗粒状物质的一个动态过程[1]。滤料本体的过滤是通过其孔径通道的筛分作用来实现的，因此滤料的过滤性能在很大程度上取决于其孔径的尺寸及分布。孔径测试方法一般分为直接法和间接法。直接法就是通过显微镜对滤料表面孔隙进行直接观察；间接法则是利用一些与孔径有关的物理现象，通过实验测出有关物理参数，再计算出孔隙的等效孔径，包括泡点法、压汞法、气体吸附脱附法等[2]。对于有一定厚度或孔隙深度的多孔材料，多采用间接测试的方法。

本文使用的孔径分析仪采用泡点法，对针刺、水刺、覆膜非织造滤料的孔径尺寸、孔径分布进行测试并研究其与过滤性能的关系。

1 试验方法

1.1 试验样品

试验样品选用相同克重的针刺、水刺、覆膜聚苯硫醚非织造滤料。

1.2 试验仪器与原理

孔径分布测试采用PSMA-20孔径分析仪（GaoQ Functional Materials Co., Ltd），测量范围为0.1～500μm，浸润液选用表面张力16mN/m的GQ16浸润剂。

仪器基于泡点法（又称毛细流孔径法、气液排出法）原理：将试样放在具有良好润湿性的液体中充分浸润，用压缩气体把液体从试样微孔中吹出。假设孔隙为均匀通直圆孔，孔径最大处的液体通常最先被压缩气体吹出，测定第一个气泡出现时的压力差就可以计算出泡点孔径，即最大孔径；通过干曲线与湿曲线交点处的压力差可以计算出平均孔径；测定多组透过试样的气流流量与压差的数据，可以求出孔径分布。计算公式如下[3]：

式中：

Di— 滤料中第i个孔径（μm）；

Pi— 瞬时压力（Pa）。

过滤性能测试采用VDI滤料模拟测试装置（1-AT型，德国FILTE-q公司），参照美国ETV标准进行洁净滤料过滤性能测试。

试验测试条件：粉尘采用Pural NF氧化铝粉尘，粉尘粒径如表1所示，粉尘浓度为5.0±0.2g/m3，过滤风速为2.0m/min，清灰压力0.5MPa。

具体方法：滤料样品裁切；标定测试粉尘浓度；定压1000Pa清灰6h。

表1 氧化铝粉尘粒径

2 试验结果

孔径分布测试过程试样的干、湿态曲线如图1、图2、图3所示，试样孔径尺寸计算结果见表2，试样孔径分布见图4。从图中可知，针刺滤料、水刺滤料、覆膜滤料试样的平均孔径显著减小，孔径分布逐渐变窄，覆膜滤料样品孔径分布在30μm内，且其中98%分布在5μm以内，水刺滤料样品分布在50μm内，而针刺滤料样品在50～100μm依旧有少量分布。

图1 针刺滤料测试过程干、湿态曲线

图2 水刺滤料测试过程干、湿态曲线

图3 覆膜滤料测试过程干、湿态曲线

图4 孔径分布情况

表2 孔径尺寸计算结果

滤料过滤性能如图5所示。针刺滤料、水刺滤料、覆膜滤料试样的除尘效率显著增长，排放浓度显著降低。

图5 滤料过滤性能

3 讨论与分析

针刺滤料的孔径主要集中在5～50μm，30μm以上孔径占20%，最大孔径达58μm，远比试验粉尘的平均直径大，但滤料依然表现出良好的过滤效率。一方面针刺滤料在过滤过程中，粉尘会在扩散效应的作用下，在纤维孔隙出现架桥现象，减小孔径并逐渐在表面形成粉饼层，从而实现对粉尘的捕集；另一方面非织造滤料本身具有三维曲折微孔结构，使其可过滤部分粒径比其孔径小的颗粒。

水刺滤料由于水刺特殊工艺，使得滤料孔径相对集中，孔径大小均匀，孔径90%在30μm以内；而相比针刺滤料，水刺滤料具有更优的过滤精度，滤度可达到99.99%以上。当含尘气体通过滤料时，由于筛滤、惯性碰撞、扩散、重力和静电效应的综合作用，颗粒粒径大于滤料孔径的粉尘被纤维拦截，水刺滤料孔径尺寸小，表现出较优过滤精度。

覆膜滤料是将具有多微孔性（空间网状结构）的PTFE薄膜，通过高温热压覆合到常规滤料表层。由测试可知，覆膜滤料平均孔径仅为针刺滤料的1/10，孔径分布在5μm以下高达98%，这使含尘烟气在过滤过程中，粉尘很难通过表层薄膜进入滤料内部，滤料也不易发生阻塞和板结，把常规滤料的深层过滤机理转变为表面过滤机理，并极大地提高过滤性能，实现高效低阻过滤。

4 结论

采用泡点法对针刺、水刺、覆膜三种滤料的孔径尺寸、孔径分布进行测试，结果表明针刺滤料、水刺滤料、覆膜滤料三种试样的平均孔径依次减小，孔径分布依次变窄。

在对三种滤料过滤性能的分析研究中发现：1）滤料由于本身具有三维曲折微孔结构，使其可过滤部分粒径比其孔径小的颗粒，粉尘过滤为滤料深层过滤；2）相比针刺滤料，水刺滤料孔径相对集中，孔径大小均匀，粉尘过滤为类表层过滤，具有更优的过滤性能；3）覆膜滤料的平均孔径仅为针刺滤料的1/10，孔径分布极窄，把常规滤料的深层过滤机理转变为表面过滤机理，并且极大提高过滤性能，实现高效低阻过滤。

[1]梁云，胡健，周雪松，等.纤维过滤材料孔径及孔径分布测试方法的研究[J].纺织科学研究，2014（4）.

[2]殷保璞，吴海波，靳向煜，等.非织造过滤材料的孔隙结构与透气性能研究[J].产业用纺织品，2007（5）.

[3]倪冰选.非织造布孔径分布及过滤效率研究[J].产业用纺织品，2012（3）.

Impact of Aperture and Distribution of Filtering Materials on Filtration Performance

CAI Wei-long
(Savings Institute of Energy Saving & Environmental Protection Technology, Fujian Xiamen 361101, China)

Based on the aperture tests of several filtering materials, the paper studies the impact of aperture size and aperture distribution of needle-punched felt, spun-laced felt and membrane filter materials on the filtration performance. The result shows： The average aperture sizes of the three samples of needle-punched felt filter materials, spun-laced felt filter materials and membrane filter materials decrease in turn and aperture distributions become narrow in turn; the little aperture sizes and the well-proportioned aperture distributions can efficiently improve the filter efficiency of filter materials.

filtering material; aperture size; aperture distribution; filtration performance

X701

A

1006-5377（2017）06-0055-03

声 明

《中国环保产业》编辑部

国家科技支撑计划（2015BAE01B04）。

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