第一章　绪论

滤料既是净化空气中细颗粒物的主要材料，又是决定细颗粒物净化效率的关键材料。本章简要介绍滤料的定义和重要性、气体过滤净化特点、滤料的分类、过滤机理与应用范围。

第一节　滤料的定义和重要性

一、滤料的定义

1.国家标准给出的定义

（1）GB/T 6165—2008中滤料（filter medium）的定义：未经折叠的，用于过滤空气粒子的平面过滤材料。

（2）JG/T 404—2013中滤料（filter media）的定义：对空气中颗粒物具有过滤作用的材料。

（3）AQ4237—2014中滤料（filter material）的定义：天然纤维、合成纤维材料制成的用于过滤和吸附颗粒物的织造或者非织造的透气的薄膜材料。滤料也可使用覆膜材料，以提高过滤效率。

2.本书滤料的定义

过滤是指利用多孔体从流体中除去分散粉尘颗粒的净化过程。过滤时，由于惯性碰撞、拦截、扩散、筛分以及静电力、重力等作用，使悬浮于流体中的粉尘颗粒沉积于多孔体表面或容纳于多孔体中。作为多孔体材料，其结构可能是纤维状的、多孔状的，或者是这些结构的组合体，统称为过滤材料，简称滤料。

二、滤料的重要性

1.滤料的重要意义

在空气过滤技术中，滤料及滤料层的构成是决定过滤设备性能的关键，它们决定着滤后空气质量，决定着过滤设备的基本性能。因此，过滤技术的发展在很大程度上取决于对滤料和滤料层构成的研究与改进。随着环保要求日趋严格和人类生活水平的不断提高，对滤料的要求也越来越高。一种好的滤料，除了满足基本要求外，还要求其滤速大、过滤周期长、纳污量大、滤层压力损失增长慢等，给人类提出了新的挑战。经过多年的研究和发展，滤料的品种和规格日益增多，质量和性能逐步提高，应用范围不断扩大，适应了国民经济发展的需要，尤其是在空气除尘净化行业得到了良好的效果，并正在推动我国除尘过滤技术的不断进步和快速发展。

2.滤料的重要作用

滤料和过滤装置有2个重要的作用：①从流体中除去不希望有的颗粒物，特别是细颗粒物；②回收有价值的颗粒物。

这两个作用有时会重叠，例如从流体中回收有用物质，不仅是为了使流体洁净，而且还要回收这些物质。

很多时候，过滤装置是为了保护某些物质，其目的可能是由于外部环境受污染而去保护内部环境（进气除尘），或由于内部环境受到污染而去保护外部环境（排气除尘）。例如，高效空气过滤器（high efficiency particulate air filter，HEPA）首先为核能设施研发，防止放射性尘粒或杂质渗漏到外部环境中去，现在它也可用于洁净室和空气净化器，目的是为了避免微量杂质从外部环境进入工作场所和生活场所。

气体过滤的流体，多数是空气，也可应用到除空气以外的气体。例如气体燃料的过滤，如天然气和丙烷；也有专用于过滤特殊气体的，如氧、氮、氦、氢等。与空气过滤的需求相比，非空气过滤器的用量很小。

滤料要做的第一件事是过滤流体中的颗粒物。如果颗粒物是粒子，则粒子就会有宽广的尺寸范围。滤除大尺寸粒子（如花粉、种子、大菌团和尘土）的滤材不同于滤除较小粒子（如烟雾、病毒等）的滤材。一般来说，过滤的粒子越小，滤材中的纤维越细，价格亦越高。充电技术中产生的驻极体滤材能提高过滤微小粒子的效率。

当颗粒物尺寸小到分子尺寸时，过滤材料的改变很大。空气中的污染气体属于这类尺寸。滤除分子级杂质的滤材应具备超细过滤——纳米级过滤。

3.过滤装置设计

设计过滤装置时应考虑如下因素。

（1）过滤气体的性质　包括温度、黏度、化学性如腐蚀性等。

（2）颗粒物的性质　包括粒度和黏度。

（3）过滤装置的性能：①过滤效率；②流体阻力；③过滤装置寿命；④过滤装置尺寸大小。

第二节　气体过滤净化特点

一、气体过滤的特点

含颗粒的流体以一定速度通过过滤材料时，其中的颗粒在其表面被捕集，并逐渐形成尘层，其中少部分还可能嵌入滤料内部。此粉尘层也就成为新的过滤材料，从而提高了颗粒捕集效率。但随着粉尘层的加厚，过滤材料的透气性逐渐降低，阻力相应增加，此时必须除去粉尘层。过滤过程需定期地进行清灰再生，也可以定期更换被堵塞的滤料。

气体过滤对粉尘颗粒物特别是细颗粒物有很高的净化效率，排气用滤料对细颗粒物净化效率可达99.96%，进气用滤料对细颗粒物净化效率可达100%。气体过滤对细颗粒物的净化效果是其他除尘净化设备无法比拟的，这是气体过滤净化的基本特征和主要特点。

二、进气过滤与排气过滤的区别

进气过滤与排气过滤都属于过滤净化技术的范畴，它们的工作原理有许多相同特点，其区别如下。

（1）用途不同　进气过滤多用于洁净、通风及空调进气系统中，很少设置在工厂生产排气除尘系统中，过滤净化大气中的细微粉尘颗粒，使进入室内的空气更为清洁干净。利用空气过滤器不仅能捕集亚微米粒子，甚至能捕集有毒粒子及承担某些生产工艺过程中空气的超细净化。排气过滤主要应用在除尘过程中。

（2）滤材结构不同　进气过滤的滤材结构有金属网格、无纺织物或特殊滤纸等，可根据净化的不同要求使用不同的滤材，其空隙率比袋式除尘所用滤料空隙率大，滤材以追求效率高、阻力低为目标。由于滤材结构不同，一些进气过滤的滤材不需要清灰再生。排气滤料在除尘过程中都要清灰再生，滤料寿命可达3～5年。

（3）入口浓度不同　进气用滤料的入口质量浓度一般低于5mg/m³，排气用滤料的入口质量浓度可达100g/m³以上。有的排气滤料甚至对入口浓度没有限制。

（4）过滤速度不同　进气滤料的过滤速度一般为0.1～2.5m/s，而排气滤料的过滤速度一般为0.6～1.6m/min，两者相差1～2个数量级。

（5）排出浓度不同　排气净化的排放质量浓度一般在10～30mg/m³，有的系统能达到10mg/m³以下，已属于超低排放。进气净化后出口浓度有的以颗粒物数量计。

第三节　滤料的分类、过滤机理与应用范围

一、滤料的分类

滤料（又称过滤介质）是决定整个除尘系统效率的主要材料，是过滤分离除尘的关键部件。因为它直接影响过滤后空气的含尘浓度及日常运行的动力消耗，所以要根据不同的使用场所和要求选择不同种类、规格的滤料，使除尘系统取得良好的效果。

1.滤料的分类

滤料的分类见表1-1。

2.滤料的特点

（1）织造滤料　织物是将纺织好的纤维按一定的形式纵横交错编制而成的，主要有平纹组织、斜纹组织和缎纹组织三种。平纹织物交织点多，透气性不好。缎纹织物交织点最少，透气性好，表面光滑，较易清灰，但因纱线浮在表面的长度大，捻度又较小，破损机会增大。斜纹织物表面光滑，较易清灰，强度也较高，兼有强度与捕尘效果较好的优点。最常用的典型织物滤料有208涤纶绒布和729筒形梭织物。

（2）非织造滤料　不经过一般的纺纱和织造过程，直接使纤维成网的滤料为非织造滤料。对天然纤维可采用热、湿、压力和运动的作用使之结合成压缩毡。合成纤维除熔喷干法和热粘等方法以外，还用针刺的方法制成，称为针刺毡。滤料经过开松、混料、梳理形成纤网，再经叠网，然后用很多带钩刺的钢针对之穿刺成毡。目前还有用高压水穿刺的工艺，使纤维纠缠，形成毡子。针刺毡分为有基布和无基布两种，有基布的是在两层纤维网之间夹一层基布，再针刺成毡，能提高针刺毡的强度。

（3）热塑成形滤料　将聚合物热压成单孔型过滤元件，再涂以特殊材料而成的滤料。波浪形塑烧板是几种高分子化合物粉体经过铸型、烧结形成一个多孔母体，然后对母体表面进行特殊处理，在其表面形成一层微孔氟化物树脂。塑烧板具有除尘效率高、阻力稳定和寿命长等特点。

（4）多孔陶瓷滤料　多孔陶瓷滤料是以耐火材料为集料，配以黏合剂等经过高温烧结而制成的过滤材料，其内部结构具有大量贯通的可控孔径的细微气孔。陶瓷滤料具有耐高温、耐高压、耐酸碱腐蚀等特点，此外还具有孔径均匀、透气性好的优点，因此可广泛用作过滤、分离、布气和消声的材料。但陶瓷滤料性脆易碎，容易产生应力，不适用于气体温度骤冷骤热的场合。

（5）纸质滤料　利用湿式造纸法制成薄型滤料，这种滤料便于折叠制成褶皱式滤筒和高效过滤器，可显著增加过滤面积，从而减少除尘器的占地面积和空间。

（6）复合滤料　用两种以上的方法制成或由两种以上材料复合而成的滤料被称为复合滤料。复合滤料的加工主要有用黏结剂黏合、热压黏合等方法。覆膜滤料是用聚四氟乙烯微孔过滤膜与不同的基材复合而成的过滤材料，覆膜滤料的表面层很薄，光滑，多微孔；有极佳的化学稳定性，质地柔韧，孔径小，孔隙率高，抗腐蚀，耐酸碱，不易老化；摩擦系数极低，憎水，使用温度范围宽（-180～260℃）。制造覆膜滤料的基材多达数十种，其中有十几种纤维或组织结构都是现有的常规织物滤料，如聚酯针刺毡、玻纤布、玻纤针刺毡等。选用不同性能的纤维，根据所处理气体的不同温度和化学环境织造出许多性能优良的滤料。

二、滤料的过滤机理

滤料的过滤机理可归纳为5种基本过滤机理，即表面粗滤、深度粗滤、深层过滤、滤饼过滤和有毒有害气体净化过滤。

1.表面粗滤

颗粒大于滤孔，不能通过。比孔径小的颗粒通过滤料，不予分离。该类分离一般与非织造布料无关，但是与孔口均匀一致的滤料有关。例如孔径均匀的织造网眼织物、筛网和薄膜材料。

2.深度粗滤

适用于孔径比颗粒大得多以及孔径在长度上变动很大的毛毡和非织造材料，指颗粒物进入过滤介质的深部，依靠深部流道尺寸小于颗粒物尺寸来截留颗粒物。

3.深层过滤

深层过滤有别于深度粗滤。它包括从流体中清除颗粒物的机理，即使颗粒物可能小于滤孔结构的某点直径。

大部分非织造滤料的相关理论都基于深层过滤效应。它比简单的筛选或筛分（例如颗粒物比滤料的孔径大而不能通过）要复杂得多。对于颗粒物捕集而言，深层过滤和分离理论比其他机理具有更大的关联性。这时发生惯性效应、拦截效应、扩散效应、静电效应、重力效应，从而捕集尘粒，如图1-1所示。

（1）惯性效应　当尘粒沿流线运动接近纤维体时，气体绕流，而较大质量的尘粒受惯性力作用偏离流线，切向运动，与纤维碰撞而被截留。

（2）拦截效应　当尘粒沿流线运动接近纤维体时，大多数细小的尘粒随气流绕流，只有半径大于或者等于尘粒中心至纤维边缘之间距离的尘粒，被纤维拦截钩附。

（3）扩散效应　粒径≤0.1μm的微粒在流体分子热运动的作用下产生不规则的布朗扩散，脱离流线，被纤维捕集。对于粒径为0.1μm的微粒，在常温下每秒扩散距离可达17μm。粒径越小、含尘气体温度越高，扩散效应越明显。

（4）静电效应　因受摩擦感应或外加电场的作用，使尘粒或纤维带荷电，当两者电荷极性相反时，在库仑力的作用下尘粒被纤维吸引而捕集。

（5）重力效应　当尘粒粒径较大、质量较重，而气流速度较小时，尘粒在重力作用下脱离运动轨迹，沉落纤维表面而被捕集。

对粒径大于1.0μm的尘粒，以惯性碰撞效应、重力效应和拦截效应为主；对粒径小于0.2μm的尘粒，以扩散效应和静电效应为主。当流速大于15cm/s时，惯性碰撞作用加强；当流速小于5cm/s时，重力效应、拦截效应、扩散效应明显。

4.滤饼过滤

尘层滤饼（或表面）过滤是指粒子在滤料表面（或表面附近）被捕集并积累成一层滤饼参加过滤。

尘层滤饼过滤除了共有的惯性、拦截、扩散、静电等常规效应外，筛分效应起重要作用。

滤料间的空隙或滤料上粉尘间的空隙较尘粒小时有利于筛分阻留，即为筛分效应。很显然，尘粒越大，纤维空隙越小，被筛分的概率就越大。一般情况下新的洁净滤布的筛分作用并不强。当粉尘在滤布表面大量沉积形成粉尘层时，筛分作用大大加强，分离和捕集粉尘的效率提高。尘层滤饼过滤用于袋式除尘系统的表面改性针刺毡和其他滤料，这样一来，脉动或反向流动的清洁作业可以容易地用于去除滤饼，重复利用滤料。这在一些化工作业中是非常重要的，因为滤饼有其本身价值，它的回收正是过滤的期望目的之一。在许多作业中，尘层滤饼成为过滤介质，滤料成为支撑材料。

5.有毒有害气体净化过滤

有毒有害气体是一种气态分子微粒，它与空气一样，可以穿透滤料。但对常规滤料纤维层进行特殊处理后，同样可以予以分离捕集净化。纳米TiO₂光催化材料是目前最具发展前景的气体净化助剂，它以常规滤料为载体，溶入纤维层，在光和溶解氧的作用下，激发一种高能粒子，有效地将废气中的NH₃、NO_x、SO₂及VOCs（挥发性有机化合物）等有害气体降解为无害的CO₂、H₂O和相应的无机离子，并被纤维层过滤而得以净化。

三、滤料的应用范围

1.对滤料的要求

滤料一般应满足以下要求：①结构合理，纤维质地均匀致密，过滤性能好，要有较高的过滤捕尘效率；②透气性能好，阻力低；③容尘量大，降低阻力及延长积尘的清除周期；④剥离性好，易清灰，不易结垢；⑤具有较高的机械强度，尺寸稳定性好，不易变形，耐摩擦；⑥原料来源广泛，性能稳定可靠；⑦价格低，寿命长；⑧防火、导电性好，由不燃型或阻燃型纤维组成，必要时嵌入导电纤维，消除静电，确保安全。

2.滤料应用范围

滤料应用十分广泛，凡是人类活动引起的粉尘来源的场合和工业生产、交通运输、商业活动、日常生活等几乎都有滤料的应用。滤料的典型应用领域和场合见表1-2和表1-3。

3.滤料发展趋势

随着滤料应用领域的不断扩大，有过滤料除尘方式逐步取代其他除尘方式的发展趋势。除尘用滤料的广泛应用，除了日益提高的环保和人类健康要求外，与滤料技术的发展密不可分。目前除尘滤料的发展有以下几个趋势：①排气滤料用合成纤维材质的品种、规格、功能不断扩大，加工工艺更加先进合理，已显示了逐步取代玻纤材质的发展趋势；②针刺毡滤料综合性能优于纺织品滤料，已显示了逐步取代纺织品滤料的发展趋势；③多种材质混合滤料不断被开发，不同纤维混合，扬长避短，优势互补，使滤料的综合性能得到提高；④梯度结构滤料以及覆膜滤料层出不穷，滤料的过滤性能由深层过滤进化为表面过滤，为高效净化以及PM₁₀甚至PM_2.5的呼吸性微尘控制提供了技术支持；⑤耐高温、耐腐蚀、消静电、拒油水、耐水解、抗氧化等功能性滤料的不断开发和技术的日臻成熟，使应用领域更加广阔；⑥随着催化剂涂层、纳米材料以及光催化剂等新材料的出现以及应用光催化剂等新技术的开发，使得滤料具有除尘和废气净化的双重功能，滤料净化的应用范围正向着净化有毒有害废气的领域延伸；⑦滤料的应用范围开始向生产和人们生活的方方面面扩展，成为生产发展和生活质量提高的必需品。