用于去除PM1.0颗粒的碳纤维织物过滤器在高电压下的过滤性能外文翻译资料

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用于去除PM1.0颗粒的碳纤维织物过滤器在高电压下的过滤性能

Qiannan Wang c , Farzana Khan c , Liang Wei c , Henggen Shen d , Chuyang Zhang a,e , Qiuran Jiang a,b,c,*, Yiping Qiu a,b,c,e,*

东华大学纺织学院，纺织科学与技术教育部重点实验室，上海

东华大学纺织学院上海先进微纳米纺织材料上海市重点实验室，上海

东华大学纺织学院纺织材料科学与产品设计系，上海

东华大学环境科学与工程学院，上海

新疆大学纺织服装学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐

摘 要：将静电沉淀与碳纤维过滤器相结合，开发出一种新型过滤系统，该系统对于亚微米级颗粒的收集效率很高，同时压降可低至6~56Pa。通过改变织物的单位面积密度，表面流速、织物层数和环境相对湿度，研究高压对碳纤维织物过滤器过滤性能的影响。过滤性能测试表明，在大气环境条件下，施加到碳机织纤维上的电晕起始电压应高于20kV，且过滤效率随织物单位面积密度和供电电压的增加而增加。随着表面流速从2m/min增加至4m/min，在30kV和40kV时的过滤效率均降低了13%。随着表面流速从4m/min升高至8m/min，过滤效率降低得少得多。过滤效率不明显受到织物层数的影响，但可以随相对湿度的增加而急剧增加。在高相对湿度下，PM1.0的最大过滤效率达到99.8%。同时，随着相对湿度从40%增加到95%，电晕起始电压降低至10kV。

关键字：气体过滤器；碳纤维布；高压；模拟；过滤性能

1. 简 介

在除尘领域，电晕放电已广泛应用于工业静电除尘器（ESP），通常被认为是主要的空气污染控制装置，可去除高温大气流中的尘埃颗粒^[1]。在过滤系统中使用ESP更具能源效率，因为气流的方向平行于颗粒收集板，从而导致低压降。ESP也被认为是一种有效的气体过滤方法，因为它具有更高的质量收集效率。但是，就颗粒数量而言，这可能会降低颗粒收集效率^[2]。直径在0.1~1.0mu;m之间的大多数亚微米颗粒可能会从静电除尘器中逸出，并且颗粒收集效率可能低于50%^[3]。因此，许多当前的ESP可能无法满足捕获超细颗粒的严格要求^[4]。此外，集电器表面的腐蚀问题也可能会限制ESP的适用性^[5]。因此，就亚微米颗粒去除而言，增强现有技术以获得更好的过滤性能仍然是必要且具有挑战性的。

袋式除尘器在捕获细小颗粒时表现出出色的过滤效率，这是由于其比表面积大、低基重低、孔径小^[6]。已经对各种纤维进行了研究和测试，以制造用于气体过滤的过滤介质，例如聚丙烯腈（PAN）^[7]、聚丙烯（PP）^[8]、聚乙烯（PE）^[9]、聚四氟乙烯（PTFE）^[10]、玻璃^[11]、金属^[12]和陶瓷^[13]。但是，含尘气体通过过滤介质细孔会导致耗能，气泵需要提供较大压力^[14]。另外，在过滤过程中，需要通过摇晃、气体逆流或脉冲喷射定期清除在过滤器表面上形成的滤饼层和滞留在过滤器中的灰尘，以减小过滤器的流阻^[15-17]。因此，频繁的维护是能耗的另一个主要部分。近来，许多商业过滤器通过在袋滤过程之前或之后添加ESP，将袋式过滤器与ESP结合在一起^[18-19]。前置过滤器或后置过滤器的使用正是因为ESP不能充分去除细小颗粒。希望取消常规的袋式过滤器，因为它们往往会使系统中的压降增加几倍。

本文尝试使用高电压的碳纤维过滤器将ESP与袋式过滤器技术相结合，以开发出一种新型过滤系统，该系统对亚微米颗粒的收集效率高，同时保持低压降。碳纤维织物具有高强度和延伸模量、优异的热稳定性和化学稳定性以及合适的导电性^[20]。因此，选择碳纤维织物作为基础材料。向碳纤维织布过滤器施加高压时，会产生空气离子，起到静电除尘的作用。利用亚微米气溶胶光谱仪评估不同测试条件下的过滤性能。通过扫描电子显微镜（SEM）观察过滤器在过滤前后的形态。

2. 材料和方法

2.1 物料

分别从中国碳纤维技术有限公司购买了三种单位面积密度分别为200g/m²、220g/m²和240g/m²（T-300，碳复丝：200 tex或3K）的斜纹编织碳纤维织物，作为过滤材料。表1列出了织物参数。

2.2 过滤器的特性

在操作之前，在3D数字微型示波器（KH-1000，HIROX，日本）下以50的放大倍率观察滤光片的结构。织物过滤器的透气度使用Frazier透气度测试仪（YG461E，NBFY有限公司，中国）根据ISO 9237（1995）标准测试方法测量。测试面积为20cm²，压降为200Pa。为了研究颗粒的捕获，在过滤前后，在15kV电压、200和2000的放大倍数下，利用扫描电子显微镜（SEM，JSM-5600LV，JEOL，日本）观察滤布。

2.3 过滤性能评估

为了研究织物结构和供电电压对过滤性能的影响，对不同面积密度的碳纤维机织物在5、10、15、20、25、30、35和40kV电压下进行过滤效率试验。高压直流电源供应商（ES50P-10W/DDPM，美国伽马高压研究公司）提供电压。根据ISO 11057（《空气质量-可清洗过滤介质过滤特性的试验方法》），使用亚微米气溶胶光谱仪（Grimm1.108，Grimm气溶胶技术股份有限公司，德国）对PM1.0水平的小颗粒样品的过滤效率进行评估。泵以2m/min的速率将环境空气吸入实验装置。过滤效率计算如下：

其中C_up和C_down分别是过滤前后气流中颗粒的浓度。为了减少统计误差，在C_up和C_down的3min测量期间，每6s进行一次粒子计数。实验重复了3次，即粒子浓度平均约为90个测量点。使用精度为2kPa的数字压力计（DP1000-IIIB，YIOU仪器设备有限公司，中国）测量过滤器压降。为了获得压降的平均值和标准偏差，每次试验至少重复3次。

为了评估表面速度和供电电压对渗透性能的影响，在三种不同的表面速度（2、4和8m/min）和四种不同的电压（10、20、30和40kV）下测试了单位面积密度为240g/m²的样品。此外，还测试了由1、2和3层碳纤维布组成的过滤器，以揭示过滤器层数对高压过滤性能的影响。为了测试碳纤维织物过滤器在高相对湿度（RH）环境中的性能，在雨天还对过滤器进行了不同电压下的测试。

2.4 统计分析

通过单向方差分析（ANOVA）和Tukey的成对多重比较来分析数据。在这项研究中，至少对三到五个样本进行了测试以代表所有样本。置信区间设为95%。plt;0.05的数据差异被认为具有统计学意义。

3. 结果和讨论

3.1 碳纤维织物过滤器的形态和透气性

图1显示了碳纤维织物过滤器的图像。碳纤维织物中的孔主要有两种。大孔作为纱间存在的间隙，而相对较小的孔是纱内或纤维间的间隙。可以看出，随着孔隙度的增加，大孔的数量减少。当织物的单位面积密度增加到240g/m²时，纱间间隙变得很小，几乎看不到（图1c）。

图1 具有不同单位面积密度的碳纤维织物过滤器的显微镜图像

（a）200g/m² （b）220g/m² （c）240g/m²

碳纤维织物的透气率如图2所示。单位面积密度最低的织物（200g/m²）由于结构较松散而具有281.8mm/s的最大透气率。当织物的单位面积密度增加到220g/m²和240g/m²时，织物的透气率分别下降了约33%和48%。显然，随着织物单位面积密度的增加，机织织物结构中通道的尺寸显著减小，导致透气性降低。

面积密度（g/m²）

图2 具有不同单位面积密度的碳纤维织物过滤器的透气性

表1碳纤维织物过滤器的特性

数值以平均值plusmn;标准偏差的形式给出（测量次数（n）：n=3）

图3 过滤机构示意图

3.2 过滤器结构对过滤性能的影响

图3为过滤机理示意图。众所周知，当电场强度超过电晕起始电压时，气态离子流发生静电沉淀^[21]。由于暴露于静电场中的离子流中，环境空气中的粒子向放电电极移动时会获得电荷^[22]，然后这些带电粒子在电力的作用下被驱动，远离放电电极^[23]。在这项实验中，将高压施加到用作过滤袋的碳纤维织物上。因此，当静电起作用时，带电的飞灰颗粒很难通过织物过滤器，这将大大提高过滤效率。

为了了解碳纤维织物中最大孔洞周围电场强度的分布，利用Ansoft Maxwell软件模拟面积为200g/m²的碳纤维织物中孔洞（0.35mmtimes;0.16mm）周围的电场。在模拟过程中，边界条件如下：分别设置20kV和40kV的电压，建立碳纤维编织物模型。集电极处的电压为0kV，但我们的实验中没有使用专门设计的集电极。但在实验中，离织物很远的空气层的电压实际上是0kV。因此在模拟中采用集电器是合理的，集电器的电压应为0kV。碳纤维的电导率为5.88times;10⁸mu;s/cm。图4显示了电压为20kV和40kV时矩形孔周围电场强度的模拟分布。在两种电压下，孔角处的场强最高，而孔中的场强相对较低。电荷在40kV时比在20kV时更集中在孔隙周围，使颗粒更难通过孔隙。显然，孔越小，带电粒子通过的机会就越小，因为对于一个小的孔，低电场强度的区域可能要小得多。

图4（a）20kv和（b）40kv矩形孔周围电场强度的模拟分布

为了模拟高压下碳纤维织物的电场分布，根据织物的孔径和实际尺寸建立了碳纤维织物的几何模型，如图5所示。本文选用面积密度为220g/m²的碳纤维机织物进行模拟。模拟区域为长5mm（x方向）、宽5mm（y方向）、高5mm（z方向）的立方体。如表1所示，孔径为0.11mmplusmn;0.24mm。碳纤维织物的几何模型处于仿真域。集电极的电压为0kV，碳纤维织物与收集器之间的距离4.5mm。在仿真过程中，选择了20kV（图5a和b）和40kV（图5c和d）电压。碳纤维织物的电导率为5.88times;10⁸mu;s/cm。网格划分和求解由Ansoft Maxwell软件执行。网格的最大长度为0.01mm，百分比误差为1%。获得了2D和3D电场轮廓。

图5a和c分别显示了碳纤维织物在20kV和40kV电压下的3D电场分布。图5b和d分别显示了施加20kV和40kV电压的碳纤维织物的2D电场分布。图5b和d（2D图像）分别是图5a和c（3D图像）的正视图。碳纤维织物的颜色如图。图5a和c是紫色，而图5c是紫色。5b和d只是背景色。在图5a和5c中，可以看出，在碳纤维织造织物的表面和孔内部以及在织物附近的空气层中产生了电场。与20kV的情况相比，电压为40kV时碳纤维织物的电场强度更高。同时，从电场强度分布的前视图（图5b和d）可以看出，与20kV相比，40kV的电场范围更大。因此，可以推测，随着电压的增加，可以从气体中收集颗粒的机会增加，这是因为通过增加供给的电压，作用在颗粒上的力和具有静电作用的面积都增加了。

图5（a，b）20kv和（c，b）40kv时碳纤维织物上电场强度的模拟分布

第一步，为了寻求提高颗粒收集效率的操作条件，通过改变包括织物密度和施加电压在内的

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