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高效過濾器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

   高效過濾器廣泛地應(yīng)用于要求清潔無(wú)菌的房間(電子產(chǎn)品和藥品的生產(chǎn)場(chǎng)所,、手術(shù)室)以及其他應(yīng)用領(lǐng)域(如空氣凈化器,、真空袋式除塵器和口罩)。超細(xì)玻璃纖維墊、熔噴(MB)纖網(wǎng),、靜電紡纖網(wǎng)和ePTFE薄膜等各種介質(zhì)都可達(dá)到HEPA的過濾要求。

    過濾介質(zhì)用超細(xì)纖維或納米纖維制成,，或具有纖維狀結(jié)構(gòu),，以使其有較大的纖維表面積或是在原纖結(jié)構(gòu)中存在很多微孔。過濾介質(zhì)的面密度,、集塵量和使用壽命各不相同,，不同成分和結(jié)構(gòu)的材料更有著迥異的壓降。與亞微米級(jí)超細(xì)玻璃纖維和納米纖維靜電紡纖網(wǎng)相比,，熔噴纖網(wǎng)的超細(xì)纖維直徑較粗,，必須經(jīng)過駐極化(EC)才能達(dá)到HEPA級(jí)的過濾效率，其他一些介質(zhì)也可經(jīng)駐極化提高過濾效率而不會(huì)增加壓降,。應(yīng)用駐極化的熔噴聚丙烯纖網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于其低壓降和較高的集塵量,。盡管熔噴聚丙烯纖網(wǎng)的電荷衰減很慢，但進(jìn)入的油粒和發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣對(duì)其長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用有影響,。本文將對(duì)經(jīng)過駐極和未經(jīng)駐極的各種介質(zhì)在用于HEPA過濾時(shí)的過濾效率,、壓降和使用壽命進(jìn)行比較。
    1 HEPA過濾介質(zhì)
    本實(shí)驗(yàn)選用的材料是駐極熔噴(ECMB)材料,、超細(xì)玻璃纖維紙,、ePTFE薄膜和靜電紡納米纖維網(wǎng)。熔噴材料是在TANDEC的Reicofil 24”雙組分熔噴生產(chǎn)線上生產(chǎn)的,，駐極是在適用于厚型和高面密度產(chǎn)品的TANTRET T—II上完成的,。靜電紡聚酰胺納米纖維直徑范圍為50～60 nm，在TANDEC的靜電紡設(shè)備上生產(chǎn),，超細(xì)玻璃纖維紙和ePrFE薄膜都是工業(yè)產(chǎn)品,。
    2 實(shí)驗(yàn)
    用TSI 8130自動(dòng)過濾測(cè)試儀測(cè)定熔噴材料和口罩在加載NaCI和DOP顆粒時(shí)的效率。測(cè)試中采用的NaCI平均粒徑為0．067 m,，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差(GSD)為1．6 m,；DOP平均粒徑為0．2 m，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差與前者相同,。用于過濾效率(FE)比較時(shí),，氣溶膠濃度為100 mg／m ，流動(dòng)速率分別為1632,、64和96 L／min,。微粒加載試驗(yàn)也用于研究材料的衰減性(過濾效率的衰減和DOP的增加)。過濾面積為100 em ,，氣溶膠流動(dòng)速率為32 L／min,，相當(dāng)于過濾速度為5．3 cm／s,。
    3 結(jié)果與討論
    從表1可見，90 g／m 駐極熔噴材料在流動(dòng)速率為32 L／min(過濾速度為5．3 cm／s)時(shí),，過濾效率可達(dá)到99．996％,，壓降為84．3 Pa。而其他材料要達(dá)到所要求的HEPA過濾效率,，其壓降比駐極熔噴材料高得多,，如玻璃纖維紙壓降達(dá)到409．6 Pa，ePTFE薄膜是1 129．0 Pa,，靜電紡納米纖維材料是590．9 Pa,。駐極熔噴材料的過濾效率隨過濾速度的增加而下降。當(dāng)過濾速度增加時(shí),，氣溶膠的遷移力將克服靜電力,，因此靜電力將失去對(duì)移動(dòng)微粒的捕獲能力。依照布朗擴(kuò)散機(jī)理,，HEPA過濾介質(zhì)的作用就是捕獲以低過濾速度(如2．5 cm／s)移動(dòng)的微小顆粒,，而高速運(yùn)動(dòng)的大顆粒則通過使用預(yù)濾器，由慣性撞擊或直接攔截機(jī)理的作用而被捕獲,。
   DOP氣溶膠在駐極熔噴材料上的過濾效率比NaC1在該材料上的過濾效率低得
多,。DOP不帶電，介電常數(shù)很高,。由于介電常數(shù)大，駐極熔噴材料纖維中由電荷形成的電場(chǎng)將會(huì)減弱,，對(duì)DOP顆粒的吸引力也因此而下降,。如同從NaC1中觀察到的情況一樣，駐極熔噴材料的過濾效率將隨DOP過濾速度的提高而下降,，其他材料的過濾效率隨過濾速度的提高無(wú)明顯變化,。
    過濾介質(zhì)的使用壽命是十分重要的指標(biāo)。駐極熔噴材料的過濾效率隨NaC1微粒的加載而增加(圖2,，這是由于NaC1微粒在過濾材料上會(huì)粘結(jié)成餅,，其他介質(zhì)的情況也是如此。然而,，隨DOP微粒的加載,，駐極熔噴材料的過濾效率卻會(huì)下降，這是由于DOP微粒凝聚在纖維表面,，形成了覆蓋層,，由于DOP層的高介電常數(shù)，使得由纖維中的電荷形成的電場(chǎng)強(qiáng)度下降,。            

    經(jīng)TANTRET T—II充電的駐極熔噴材料耐DOP衰減的能力要比普通的工業(yè)用駐極熔噴材料強(qiáng)得多,。充電方法的選擇對(duì)于介質(zhì)有效帶電及耐DOP衰減是一個(gè)重要課題,。應(yīng)用較高面密度(例如180 g／m )的駐極熔噴材料，可在很大程度上彌補(bǔ)DOP加載對(duì)降低過濾效率的影響(圖4),，這是由于DOP微?？捎懈L(zhǎng)的時(shí)間使電荷停滯在駐極熔噴纖維上。
                ,、
    HEPA級(jí)的ePTFE薄膜有很高的壓降,，因而限制了其在過濾方面的應(yīng)用。ePTFE可以制成壓降較小的多孔薄膜,，但其過濾效率也隨著相應(yīng)下降,。ePTFE薄膜多用于表面過濾，因此在薄膜上會(huì)很快形成塵餅,，壓降驟然
    當(dāng)ePTFE薄膜遇上油粒(如DOP)時(shí),，薄膜將被顆粒浸濕，孔隙很快被油填滿,，薄膜上的有效孔隙就會(huì)減少,，薄膜的過濾速度將隨有效孔隙容積的下降而上升，因此ePTFE薄膜隨油粒加載增加,，其過濾效率下降而壓降上升,。
    4 結(jié)論
    在達(dá)到相同HEPA過濾要求時(shí)，駐極熔噴材料的壓降比其他材料的壓降低很多,。在遇到DOP顆粒時(shí),，駐極熔噴材料的過濾效率較低。隨著DOP的加載,，駐極熔噴材料的過濾效率下降,，但可通過采用不同的充電方式來(lái)減慢駐極熔噴材料過濾效率下降的速度，使用較大面密度的駐極熔噴材料也可達(dá)到這一目的,。玻璃纖維紙隨DOP的加載,，其過濾效率和壓降都無(wú)明顯變化，但隨NaCI的加載,，其過濾效率和壓降都上升,。ePTFE薄膜隨油粒的加載，其過濾效率下降而壓降上升,，但隨NaCI的加載,，其過濾效率和壓降都上升。

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