无尘车间净化微粒的机理

     从前文我们了解到空气中遍布微粒，无处不在，并且分析了微粒对人与物的各种危害。而这些微粒该如何处理成为了我们所关注的问题，接下来洲上小编就为大家浅析无尘车间净化微粒的机理，学习如何净化无尘车间内的空气。

概述

要把固态或液态微粒从气溶胶中分离出来，一般有以下四种方法：

1.机械分离：重力除尘器、惯性除尘器、旋风除尘器

2.电力分离：单级静电除尘器、双级静电除尘器、

3.洗涤分离：喷雾洗涤除尘器、水膜除尘器、文氏管除尘器

4.过滤分离：填充式过滤器、袋式过滤器

     从空气洁净技术以净化空气为主要目的来看，空气中微粒浓度很低（相对于工业除尘而言），微粒尺寸很小，为确保末级过滤效果的可靠性，主要采用带有阻隔性质的过滤分离来清除气流中的微粒。其次也常采用电力分离的办法。

     阻隔性质的微粒过滤器按微粒被捕集的位置可以分为两大类：一类为表面过滤器，一类为深层过滤器。

     表面过滤器有金属网、多孔板的形式，有纤维素酯（硝酸纤维素）制成的化学微孔滤膜，外观似白纸，性质也属于表面过滤器。这种滤膜厚度一般在几十微米左右，表面带有大量静电荷，并均匀分布0.1~10微米的小孔。

     深层过滤器又分为高填充率和低填充率（又称为低空隙率和高空隙率）两种。微粒的捕集发生在表面和层内。填充率以α表示：

α = 过滤层（纤维层）的比重／过滤材料（纤维）的比重

     高填充率（α＞0.2）深层过滤器结构多样。如颗粒填充层（砂砾层、活性炭层等）、各种成形多孔质滤材、各种厚层滤纸、微粒滤膜等。

     低填充率（α＜0.2）深层过滤器有各种纤维填充层过滤器、薄层滤纸高效器和发泡性滤材过滤器等。

     表面过滤器捕集微粒的机理虽然简单，但大部分效率极低，实用意义极小。

     微孔滤膜过滤器则相反，具有极高的效率，除用于液体过滤外，主要用于采样过滤器和要求特别高的无尘无菌系统的末级过滤器。比纤维过滤器更可靠。

     低填充率深层过滤器特别是纤维过滤器（包括纤维填充过滤器、无纺布过滤器和薄层滤纸高效过滤器），由于空隙率较大，过滤器阻力不大，效率很高，实用意义很大，特别是在洁净技术领域内应用极广。

纤维过滤器的过滤机理

一、过滤器中的基本过滤过程

     被过滤微粒的性质、过滤材料的性质以及它们相互间的作用，对过滤过程都有极重要的影响。通常人们把微粒的过滤过程划分两阶段：

     第一阶段称为稳定阶段。在这个阶段里，过滤器对微粒的捕集效率和阻力不随时间而改变。而是由过滤器的固有结构，微粒的性质和气流的特点决定。在这个阶段里，过滤器结构由于微粒沉积等原因而引起的厚度上的变化是很小的。这一阶段对于过滤器有重要意义。尤其是在空气洁净技术中。

     第二阶段称为不稳定阶段。在这个阶段里，捕集效率和阻力不取决于微粒的性质，而是随着时间的变化而变化。主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响等因素变化。这一阶段和上一阶段相比时间要长得多，对一般工业过滤器有决定意义。但在空气洁净技术中意义不大。

二、纤维过滤器的过滤机理

     在纤维过滤器的第一阶段过滤过程中，捕集微粒的作用有以下几种：

1.拦截效应

     在纤维层内纤维错综排列，形成无数网格，当某一尺寸的微粒沿着气流流线刚好运动到纤维表面附近时，假使从流线（也是微粒的中心线）到纤维表面的距离等于或小于微粒半径（γ1≤γf+γp），微粒就在纤维表面被拦截而沉积下来。这种作用称为拦截效应。筛子效应也属于拦截效应。

     但是，拦截效应或筛子 效应不是纤维过滤器中过滤微粒的唯一的或主要的效应，更不能把纤维过滤器象筛子一样看待。筛子仅仅筛去尺寸大于其孔径的微粒，而在纤维过滤器中，并不是小 于纤维网格网眼的微粒都能穿透过去。最容易穿透的是某一定大小的微粒。微粒也并不都是在纤维层表面被筛分沉积。

2.惯性效应

     由于纤维排列复杂，所以气流在纤维层内穿过时，其流线要屡经激烈的拐弯，当微粒质量过大或者速度（可以看成是气流的速度）较大，在流线拐弯时，微粒由于惯性来不及跟随流线同时绕过纤维，因而脱离流线向纤维靠近，并碰撞在纤维上而沉积下来。

3.扩散效应

     由于气体分子热运动对微粒的碰撞而产生微粒的布朗运动，对于越小的微粒越显著。

     常温下0.1微米的微粒每秒钟扩散距离达17微米，较纤维间距离大几倍至几十倍，这就使微粒有更大的机会运动到纤维表面而沉积下来。而大于0.3微米的微粒其布朗运动减弱，一般不足以靠布朗运动使其离开流线碰撞到纤维面上去。

4.重力效应

     微粒通过纤维层时，在重力作用下发生脱离流线的位移。也就是因重力沉降而沉积在纤维上，由于气流通过纤维过滤器特别是通过滤纸过滤器的时间远小于1秒钟，因而对于直径小于0.5微米的微粒，当它还没有沉降到纤维上时已通过了纤维层，所以重力沉降完全可以忽略。

5.静电效应

     由于种种原因，纤维和微粒都可能带上电荷，产生吸引微粒的静电效应。除了有意识地使纤维或微粒带电外，若是在纤维处理过程中因摩擦带上电荷，或因微粒感应而使纤维表面带电，则这种电荷既不能长时间存在，其电场强度也很弱，产生的吸引力很小，可以完全忽略。

     在一个纤维过滤器内，微粒被捕集可能由于所有机理的作用，也可能由于一种或几种机理的作用。这要根据微粒的尺寸、密度、纤维粗细、纤维层的填充率、气流速度等条件决定。

影响过滤器效率的因素

影响纤维过滤器的效率有很多因素，主要有以下几种：

1.微粒尺寸的影响

     当过滤器过滤多分散的微粒时，在几种过滤机理作用下，比较小的微粒由于扩散作用而先在纤维上沉积，所以当粒径由小到大时，扩散效率逐渐减弱。比较大的微粒则在拦截和惯性作用下沉积，所以当粒径由小到大时，拦截和惯性效率逐渐增加。

2.微粒种类的影响

     即使微粒尺寸相同，处于不同相态的微粒对过滤效率也有不同的影响。有关实验研究表明，过滤固态微粒比过滤液态效率要高。随着滤速的增加，这种相态对效率的影响将逐渐减小。  

3.微粒形状的影响       

     进行过滤器效率实验时的某些尘源的微粒都是球形的，球形微粒与纤维接触时，接触表面比起不规则形状的微粒来要小，因而不规则微粒与纤维接触的几率就大，沉积的几率也随之增大。实际上被过滤的空气中的微粒是不规则的，所以实际过滤效率高于计算和实验值。

4.纤维粗细和断面形状的影响

     对于前面讲到的所有过滤机理，当纤维径减小时，捕集效率都增高。所以在选择高效过滤器滤材时，力求采用最细的纤维。当然纤维细了，过滤器的阻力就要相应增加。

     纤维断面形状对过滤效率的影响不大，有关研究人员虽然对此提出了效率的形状修正，但由于计算复杂，一般予以忽略。

5.过滤速度的影响

一般认为：

①随着滤速增加，扩散效率下降。

②随着滤速增加，惯性效率上升。

③随着滤速增加，拦截效率上升。

④随着滤速增加，总效率先是下降，然后上升。

6.纤维填充率的影响

     当纤维填充率提高以后，纤维层密实了，惯性效率和拦截效率都要提高。而此时纤维间的流速更快了，所以扩散效率反而降低，不过总效率仍然提高了。

     但特别指出，此时阻力的增加比总效率的提高要快得多，所以通过提高纤维填充率α来提高效率并不是好办法。

7.气流温度的影响

     被过滤的气流温度升高，使微粒的扩散系数提高，这就使亚微米微粒的扩散效率提高了，可温度升高后，气体粘性变大，从而使依靠重力效应和惯性效应的大微粒的沉积效率降低了，同时也提高了过滤阻力。

8.气流湿度的影响

     被过滤的气流湿度增加以后，使空气的静电效应消失，布朗运动减弱。使微粒容易被气流夹带而穿透过滤层，从而降低了效率。

有人做过以下实验：

（1）用苯酚——糠醛树脂粘结的玻璃纤维滤纸进行过滤细菌，发现细菌对未经干燥的过滤器滤纸穿透深度，比干燥滤纸的穿透深度深。

（2）用饱和水蒸汽通过玻璃纤维滤纸的过滤器时，蒸汽中夹带的铁锈可穿透数层滤纸，而通过干燥空气时，仅在过滤器表面上发现铁锈。

以上两个实验说明了上述结论的正确性。

9.气流压力的影响

     被过滤气流压力的降低，将使气体密度减小，空气分子自由行程变大，从而使扩散系数和惯性参数增大。所以扩散效率、惯性效率都有所增加。而对拦截效率影响不大。

在温度和压力同时增加时，由于压力的增加比温度的增加给予粘性的影响大得多，所以惯性效率下降。

10.容尘量的影响

     随着微粒在纤维表面的沉积，过滤器的容尘量不断增加，开始了过滤器中的第二阶段。灰尘在纤维上的沉积有如树枝上的积雪，被称为树枝晶状模型。过滤效率随着容尘量的增加而增加。

     空气微粒的形态有许多类型，甚至有不同物质组成，清洁净化的方法也会因此多方面进行处理。本文详细介绍了微粒处理的方法以及环境影响，针对不同工艺需求与节能要求，我们要采用对应的处理方法。

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