气体过滤纤维材料的过滤特性测试方法概述
1 引言
随着雾霾天气出现得越来越频繁，人们对大气环境和空气质量的关注也越来越多，PM2.5成为了群众常常提起的热词。在政府一系列环保法规颁布实施的背景下，气体过滤用纤维材料在大气环境治理中担当着越来越重要的角色，纤维滤料市场得到了长足的发展。非织造布工业的迅速发展，使气体过滤纤维材料的发展迈进了一大步。纤维过滤材料具有比表面积大、孔径小、孔隙率高、可造型、柔性可弯曲等特点，在气体过滤材料领域中占有很大的比例，尤其是非织造纤维过滤材料，成为气体过滤材料的主导产品[1]。
纤维过滤材料在气体过滤领域的应用主要包括：第一，工业烟气废气的过滤，例如钢铁工业，其排放的烟气粉尘量很大，有高炉、电炉、转炉、烧结炉等产生高温烟气粉尘的污染源，需要采用耐高温纤维过滤材料进行过滤净化；对于水泥工业，我国是世界上第一大水泥生产国，每年向大气排放的烟尘量在1000万吨以上；另外在有色冶金工业、火电行业、垃圾焚烧行业等领域均会产生烟气粉尘，这些烟气粉尘需要经过纤维过滤材料净化后方可排放到大气中。而随着国家大气排放标准的日益严格，纤维过滤材料在这一领域将发挥更大的作用。第二，室内空气净化处理，主要包括用于生物洁净室空气净化系统、工业洁净室空气净化系统、普通空调系统等。工业洁净室用于对洁净度要求极高的生产工艺中使用，例如电子工业中的集成电路的生产过程，另外在光学仪器、精密机械等生产领域对洁净度也有较高要求。室内空气净化处理通过采用纤维过滤材料在常温下滤除空气中的微小颗粒物。对于普通空调系统，采用一道粗效过滤材料和一道中效过滤材料可满足要求。而对于洁净室，除了粗效和中效过滤材料以外，还需要高效甚至超高效过滤材料。第三，医疗卫生防护领域，例如日常防护口罩、医用防护口罩和防护服等[1-2]。
本文主要介绍了纤维材料气体过滤特性的测试方法、测量原理和适用性，介绍了称重法、光度计法、计数法等测量过滤性能测试方法的特点和其适用产品范围，以及国内外常见的标准测试方法。
2 过滤特性测试方法
过滤特性试验用的颗粒物主要包括：（1）各种类型气溶胶，例如NaCl、KCl等固体气溶胶，DOP、DEHS、石蜡油等液体气溶胶；（2）具有一定粒径分布的氧化铝颗粒物；（3）聚苯乙烯乳胶微球；（4）大气尘；（5）美国亚利桑那公路尘等。
颗粒物浓度包括计数浓度和质量浓度，质量浓度指以单位体积空气中含有的颗粒物的质量来表示浓度，单位为mg/m3或μg/m3。气溶胶颗粒物的质量浓度法在大气颗粒物研究中使用最多，其测定方法得到了很大重视，主要包括滤膜称重法、光散射法等，其中光散射法原理具有测量精度高、测量速度快的优点，受到了广泛应用。数量浓度是指以单位体积空气中含有的颗粒物个数表示的浓度值，单位是粒（个）/cm3、粒（个）/m3，多应用于空气洁净技术领域，包括无尘室、超净工作间等，主要采用计数法，包括采用普通光学粒子计数器、激光粒子计数器、凝聚核粒子计数器等。
2.1 称重法
称重法（或计重法）主要用于在工业废气粉尘排放处理上的应用。随着环保标准要求越来越严格，各类工业粉尘排放要求达到一定的限值以下，因此需要采用纤维过滤材料进行过滤后才能进行排放，主要应用于垃圾焚烧厂、燃煤电厂、水泥厂、钢铁冶金等工业领域的废气烟气排放的过滤。粉尘过滤测量仪的原理图如图1所示。
图1 粉尘过滤测量仪原理图
注：FI―气体流速测量和显示；FICR―气体流速测量、显示、控制和记录；FIRW―粉尘流速测量、显示和记录；KS―信号发生器和计时器； PDIRS+―阻力测量、显示、记录和开关装置（引发脉冲清灰）；PIC―压力显示和控制；PIR―压力显示和记录；QIR―浓度测量、显示和记录；TIR―温度测量、显示和记录。
1―粉尘喂入装置（带称重系统）；2―混合管道；3―光度计（监测粉尘浓度）；4―水平清洁气体管道；5―垂直含尘气体管道；6―粉尘容器；7―含尘气体后端过滤器；8―滤料试样；9―脉冲清灰喷吹管道；10―绝对滤料；11―压缩空气罐；12―阀门；13―环境空气入口；14―吹洗空气；15―压缩空气（0.6 MPa）；16―控制和数据采集系统；17―工业用PC机；18―质量流量控制器；19―抽气泵；20―PM2.5分离组件。
粉尘过滤性能主要包括动态除尘性能和静态除尘性能。实验室通常采用的试验粉尘为一定粒径分布的氧化铝颗粒物。静态过滤性能是通过测试不同滤速下清洁滤料的阻力得到清洁滤料阻力系数，然后从滤料清洁状态开始，持续发尘，滤料滤尘但不清灰，当发尘量达到规定值时，称量并计算滤料的静态除尘效率。
动态过滤性能的试验方法是采用一定浓度的含尘气体在规定流量下经过滤料试样，粉尘在试样表面不断累积，导致滤料阻力增加，阻力达到一定值时，脉冲气体对试样进行反冲清灰，然后试样又继续过滤含尘气体，重复一定次数后，记录各阶段阻力值和质量。动态过滤性能从滤料清洁状态开始，持续发尘，依次经过第一阶段（初始滤尘阶段）、第二阶段（老化处理阶段）、第三阶段（稳定化处理阶段）、第四阶段（老化稳定后滤尘阶段），每个阶段滤料滤尘且包括清灰动作，四个阶段结束后，测试并计算滤料的残余阻力、动态除尘效率和剥离率。动态过滤性能测量结果指标包括：初始阻力、残余阻力、粉尘排放浓度、粉尘过滤效率、剥离率、残余粉尘质量、脉冲周期等，以及不同阶段清灰后残余阻力变化，不同阶段清灰周期变化，不同清灰周期的阻力变化等。
工业用除尘滤料过滤性能测试国内标准主要有：建筑工业行业标准JG/T 404―2013[3]《空气过滤器用滤料》附录C；国家标准GB/T 6719―2009[4]《袋式除尘器技术要求》附录A和B；机械行业标准JB/T 11310―2012[5]《垃圾焚烧尾气治理袋式除尘器用滤料》附录B；JB/T 11261―2012[6]《燃煤电厂锅炉尾气治理 袋式除尘器用滤料》附录B；广州纤维产品检测院内部标准GTT TM 039―2014[7]《气体除尘用纤维滤料 PM2.5粉尘过滤特性试验方法》。国外标准主要有：德国工程师协会标准VDI 3926-1：2004[8]《Testing of cleanable filter media - Standard test for the evaluation of cleanable filter media》；国际标准化组织标准ISO 11057：2011[9]《Air quality - Test method for filtration characterization of cleanable filter media》；美国材料与试验协会标准ASTM D 6830-2002（2008） [10]《Standard Test Method for Characterizing the Pressure Drop and Filtration Performance of Cleanable Filter Media》；日本工业标准JIS Z 8909-1-2005[11]《集尘用过滤介质的试验方法 第1部分：过滤效率》等。 2.2 光度计法
光度计法基于MIE光散射理论，其工作原理就是粉尘颗粒物的质量浓度与光通量探测器响应信号成线性关系，光度计将光信号转化为电信号，经过放大，通过电压反映出来。光度计通过接收颗粒物的散射光，通过光探测器测量光通量的大小来表达气溶胶的质量浓度，也称光学质量浓度。光度计法测量仪原理如图2所示。
图2 光度计法测量仪原理图
注：1―前端过滤器；2―气溶胶发生器；3―加热器；4―混合室；5―静电中和器；6―上夹具；7―下夹具；8―空气过滤布试样；9―压力传感器；10―过滤前端激光光度计（或激光粒子计数器）；11―过滤后端激光光度计（或激光粒子计数器）；12―流量计；13―后端过滤器；14―真空泵。
试验过程中，采用气溶胶发生器产生含颗粒物的气流，气流穿过纤维过滤材料，在过滤材料的上下游分别有一个光度计，用于检测上下游的气溶胶浓度，通过上下游气溶胶浓度可以计算出纤维过滤材料的过滤效率或者穿透率。另外，仪器的压差传感器可以测量过滤材料两侧的阻力。利用气溶胶发生器产生固体气溶胶或者液体气溶胶是目前测量过滤材料过滤性能非常常用的方法，常见的气溶胶包括NaCl气溶胶、DOP气溶胶、石蜡油气溶胶等。
光度计法可以用于日常防霾口罩、N95和N99口罩、医用防护口罩、防护服等对于颗粒物的防护效果的测试表征。相关标准主要包括：国家标准GB 2626―2006[12]《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》；GB 19083―2010[13]《医用防护口罩技术要求》；医药行业标准YY 0469―2011[14]《医用外科口罩》；GB 19082―2009[15]《医用一次性防护服技术要求》；美国法规NIOSH-42 CFR Part 84[16]《Respiratory Protective Devices》等。
2.3 计数法
计数法采用粒子计数器进行颗粒物数量浓度的测量，激光粒子计数器工作原理是：光学传感器的探测激光经颗粒物散射后被光敏元件接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行数字信号处理，通过与标准粒子信号进行比较，可以得到微粒的粒径分布。就散射光强度和微粒大小而言，微粒散射光的强度随微粒表面积的增加而增大，通过测定散射光的强度就可以知道微粒的大小。实际上，每个微粒产生的散射光强度很弱，是一个很小的光脉冲，需要通过光电转换器的放大作用，把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲，然后经过电子线路的进一步放大，从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时，电脉冲数量对应微粒的个数，而电脉冲的幅度对应微粒的大小。
计数法的主要应用领域为高效和超高效纤维过滤材料。通过采用两个粒子计数器测量纤维过滤材料上下游的颗粒物数量浓度，根据上下游颗粒物的数量浓度可以计算得到纤维过滤材料的过滤效率。相关标准主要包括：国家标准GB/T 6165―2008[17]《高效空气过滤器性能试验方法 效率和阻力》；建筑工业行业标准JG/T 404―2013[3]《空气过滤器用滤料》附录A；欧洲标准EN 779―2012[18]《Particulate air filters for general ventilation - Determination of the filtration performance》；美国采暖制冷与空调工程师学会标准ASHRAE 52.2-2012[19]《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》等。
同时，计数法可以用于测量纤维过滤材料的最易穿透粒径（MPPS）及其最低过滤效率。
对于颗粒物而言，小于0.1μm的颗粒物，主要做布朗运动，越小越容易被滤除；大于0.5μm的颗粒物主要做惯性运动，越大越容易被滤除；而对于粒径在0.1μm～0.5μm之间的颗粒物，扩散和惯性效果都不明显，较难除去。对于高效、超高效空气纤维过滤材料，最容易穿透的颗粒物粒径在0.1μm～0.5μm之间的某点，滤料的过滤效率就以这点的过滤效率值来表示，故称为最易穿透粒径法（MPPS法）。颗粒物粒径和过滤效率关系如图3所示。
图3 颗粒物粒径和过滤效率关系图
最易穿透粒径法是目前测试高效及超高效纤维过滤材料过滤效率最严格的方法。在试验中使用的尘源为单分散或多分散的气溶胶，可用的物质不限，包括NaCl、石蜡油、DEHS和DOP等。通过利用凝结核粒子计数器或激光粒子计数器测量纤维滤料上下游气流的颗粒物浓度，从而计算出其计数过滤效率，通过求出一系列不同粒径颗粒物的计数效率值，最后得到滤料的最易穿透粒径（MPPS）和最低过滤效率（MPPS效率）[2]。最易穿透粒径法由于采用粒子计数器直接测定过滤前后的颗粒物数量，测试方法与洁净室级别的规定相统一，为洁净室过滤器合理选用纤维过滤材料提供了数据基础。
计数法可以用于测量纤维滤料的分级过滤效率，采用激光粒子计数器作为检测器，可以对不同的粒径级的颗粒物进行测量，例如包括≥0.3μm、≥0.5μm、≥1.0μm、≥3.0μm、≥5.0μm、≥10.0μm 6个粒径范围。
2.4 钠焰法
钠焰法的检测仪器采用钠焰光度计，使用钠焰光度计测量滤料前后采样空气的火焰强度差别来测定纤维滤料对盐雾的过滤效率。试验尘源为一定浓度的盐水通过喷雾干燥的方法产生的氯化钠气溶胶，钠盐的粒径范围在0.02μm～2μm。当空气中含氯化钠气溶胶盐雾时，氢气火焰的亮度和颜色会发生变化，含盐雾浓度越大，火焰颜色越亮。试验中将采集到的滤料上游、下游的氯化钠气溶胶气样在氢火焰下燃烧，通过光电转换器将燃烧产生的钠焰光强度转换为电流信号并由光电测量仪检测，电流值反映了氯化钠气溶胶的质量浓度，用测定的电流值即可求出滤料的过滤效率。相关标准有GB/T 6165―2008[17]《高效空气过滤器性能试验方法 效率和阻力》。 2.5 比色法
比色法应用于中效过滤纤维过滤材料，主要针对粒径大于等于1μm的颗粒粉尘的过滤效率测试。在过滤材料前后采样，采样头上有高效滤纸，过滤前和过滤后的气体经过高效滤纸，高效滤纸的污染程度会不同，试验中，每经过一段时间的发尘试验，用光电管比色计测量过滤前后高效滤纸的透光度，利用透光量与积尘量间的对应关系，以及过滤前后高效滤纸的透光度差别，可以计算出纤维材料的过滤效率。比色效率是试验全过程各阶段过滤效率值依据发尘量的加权平均值。
2.6 其他
油雾法的尘源采用油雾，例如石蜡油，通过采用浊度仪测量含油雾空气的浊度，通过过滤前后采集气样的浊度差来计算纤维过滤材料对油雾颗粒物的过滤效率。
3 结语
纤维滤料过滤特性测量结果的有效性是建立在测试方法、颗粒物和试验参数选择的基础上的，撇开这些单谈过滤效率是不科学的。
对于不同的气体过滤用纤维材料，根据其应用领域选择合适的测试方法，不同的测量方法，由于测试原理和步骤不同，采用的颗粒物类型和大小也不尽相同，所使用的测量参数（例如过滤速度）等都会对测量结果有很大影响，方法间不具有可比性。
