318 工程科学学报，第42卷，第3期 材料孔径相当或大于多孔材料孔径的UFPs不能 床层压阻（约1000Pa)以及根据实验操作可行性， 入孔，此时颗粒被阻隔于孔道外部，形成堵孔效 本实验的过滤风速范围设为8.66~64.99cms. 应.同时，结构复杂的孔道端部，其外部截留和堵 图8为五个不同风速下SBA-15-10.8对UFPs的单 孔效应较其他位置明显，证明孔道端部因结构复 粒径脱除效率，随风速增加，UFPs脱除效率显著 杂而具有更多的亲和位点 减小.风速为8.66cms时效率几乎接近100%. 3.4N2对UFPs脱除的影响 颗粒粒径在纳米尺度范围内的粒子扩散时的主导 在UFPs的过滤实验中，为了观察空气中 机制为布朗扩散，其次为拦截和惯性.风速增加 N2对超细颗粒物过滤效率的影响，进行了有无氨 使UFPs在过滤床中滞留时间的减少，导致UFPs 气的实验，以考察其对颗粒物去除的影响.图7为 脱除效率迅速下降 其他实验条件恒定情况下，不同孔径SBA-l5分别 在干洁空气和纯氧条件下对UFPs的脱除总效率 无N2时SBA-15-5.8,SBA-15-10.8及SBA-15-17.7 IN. 对UFPs的脱除效率较存在N2时依次低1.76%， 1.37%和1.41%.另外，由于超细颗粒物在生成时 85 钨丝被逐渐氧化导致数量浓度在一定范围内减 64.99cms 80F 小，气体流量的波动也会对颗粒物的生成造成影 士89m 75 -17.33cms1 响，因此不同材料的过滤效率在可控的范围上下 +8.66cms1 70L 波动 3 4 5 6 Particle diameter/nm 100 图8不同风速下SBA-15-10.8对UFPs的单粒径脱除效率 ☐Clean air Oxygen Fig.8 Removal efficiency of SBA-15-10.8 for UFPs with the same 95 particle size under different flow velocity % 图9为不通风速下SBA-15-10.8对3~8nm颗 粒的单球效率(na)与Peclet数(Pe)的函数关系.拟 合曲线中的常数A和幂指数m分别为56和-0.48， % 其拟合公式如下： 1a=56Pe0.48 75 SBA-15-5.8SBA-15-10.8SBA-15-17.7 Materials S 17.33cms1 图7不同孔径SBA-15在有无N2条件下对UFPs脱除总效率 102 25.99cms1 43.33cms Fig.7 Total removal efficiency of SBA-15 for UFPs with or without N2 10 n=56Pe-048 ◆64.99cms1 -Fitting curves with different pore sizes 109 图7显示在不同孔径SBA-15过滤UFPs的实 10 验过程中，无N2存在时过滤效率下降1.5%左右， 但下降幅度并不明显，可以看出N2对UFPs过滤 10-2 的影响可以忽略不计.这可能是因为N2分子直径 103 1×1052×1053×1054×1055×10 (0.36nm)较小，与介孔材料SBA-l5约10nm的孔 Pe 径相差较大可，使得N2在介孔材料中的扩散对 图9不同风速下SBA-15-10.8对3~8nm颗粒的单球效率(na)与 UFPs入孔或堵孔的脱除机制影响不大 Peclet数(Pe)的拟合曲线 3.5风速对UFPs脱除的影响 Fig.9 Fitting curves of single sphere efficiency (and Peclet number (Pe)for 3-8 nm particles by SBA-15-10.8 under different flow velocity 据文献报道，由于工艺过程的除尘方式以 及烟肉大气颗粒物常规监测口位置的不同，实际 对于单纤维和球体的理论扩散，依据Lee和 测得的钢铁行业的烟气流速也略有不同，流速范 Giesekel的研究，从理论上推导出的m为-2/3.然 围大约为7.7~22.9ms.为了探究不同风速对去 而，介孔材料脱除UFPs时m虽仍是Pe的函数，但 除超细颗粒物的影响，基于与实际应用中接近的 m值较传统理论值更大一般认为，m值的变化材料孔径相当或大于多孔材料孔径的 UFPs 不能 入孔，此时颗粒被阻隔于孔道外部，形成堵孔效 应. 同时，结构复杂的孔道端部，其外部截留和堵 孔效应较其他位置明显，证明孔道端部因结构复 杂而具有更多的亲和位点. 3.4    N2 对 UFPs 脱除的影响 在 UFPs 的 过 滤 实 验 中 ， 为 了 观 察 空 气 中 N2 对超细颗粒物过滤效率的影响，进行了有无氮 气的实验，以考察其对颗粒物去除的影响. 图 7 为 其他实验条件恒定情况下，不同孔径 SBA-15 分别 在干洁空气和纯氧条件下对 UFPs 的脱除总效率. 无 N2 时 SBA-15-5.8， SBA-15-10.8 及 SBA-15-17.7 对 UFPs 的脱除效率较存 在 N2 时依次 低 1.76%， 1.37% 和 1.41%. 另外，由于超细颗粒物在生成时 钨丝被逐渐氧化导致数量浓度在一定范围内减 小，气体流量的波动也会对颗粒物的生成造成影 响，因此不同材料的过滤效率在可控的范围上下 波动. 图 7 显示在不同孔径 SBA-15 过滤 UFPs 的实 验过程中，无 N2 存在时过滤效率下降 1.5% 左右， 但下降幅度并不明显，可以看出 N2 对 UFPs 过滤 的影响可以忽略不计. 这可能是因为 N2 分子直径 （0.36 nm）较小，与介孔材料 SBA-15 约 10 nm 的孔 径相差较大[17] ，使得 N2 在介孔材料中的扩散对 UFPs 入孔或堵孔的脱除机制影响不大. 3.5    风速对 UFPs 脱除的影响 据文献报道[18] ，由于工艺过程的除尘方式以 及烟囱大气颗粒物常规监测口位置的不同，实际 测得的钢铁行业的烟气流速也略有不同，流速范 围大约为 7.7～22.9 m·s−1 . 为了探究不同风速对去 除超细颗粒物的影响，基于与实际应用中接近的 床层压阻（约 1000 Pa）以及根据实验操作可行性， 本实验的过滤风速范围设为 8.66～64.99 cm·s−1 . 图 8 为五个不同风速下 SBA-15-10.8 对 UFPs 的单 粒径脱除效率，随风速增加，UFPs 脱除效率显著 减小. 风速为 8.66 cm·s−1 时效率几乎接近 100%. 颗粒粒径在纳米尺度范围内的粒子扩散时的主导 机制为布朗扩散，其次为拦截和惯性. 风速增加 使 UFPs 在过滤床中滞留时间的减少，导致 UFPs 脱除效率迅速下降. 图 9 为不通风速下 SBA-15-10.8 对 3～8 nm 颗 粒的单球效率（ηd）与 Peclet 数（Pe）的函数关系. 拟 合曲线中的常数 A 和幂指数 m 分别为 56 和−0.48， 其拟合公式如下： ηd = 56Pe−0.48 对于单纤维和球体的理论扩散，依据 Lee 和 Gieseke[15] 的研究，从理论上推导出的 m 为−2/3. 然 而，介孔材料脱除 UFPs 时 m 虽仍是 Pe 的函数，但 m 值较传统理论值更大[19] . 一般认为，m 值的变化 75 80 85 90 95 100 SBA-15−5.8 SBA-15−10.8 SBA-15−17.7 Clean air Oxygen Materials Filtering efficiency/% 图 7    不同孔径 SBA-15 在有无 N2 条件下对 UFPs 脱除总效率 Fig.7    Total removal efficiency of SBA-15 for UFPs with or without N2 with different pore sizes 3 4 5 6 7 8 70 75 80 85 90 95 100 Particle diameter/nm 64.99 cm·s−1 43.33 cm·s−1 25.99 cm·s−1 17.33 cm·s−1 8.66 cm·s−1 Filtering efficiency/% 图 8    不同风速下 SBA-15-10.8 对 UFPs 的单粒径脱除效率 Fig.8     Removal  efficiency  of  SBA-15-10.8  for  UFPs  with  the  same particle size under different flow velocity 10−3 1×105 2×105 3×105 4×105 5×105 10−2 10−1 100 101 102 ηd=56Pe−0.48 17.33 cm·s−1 25.99 cm·s−1 43.33 cm·s−1 Fitting curves ηd Pe 64.99 cm·s−1 图 9    不同风速下 SBA-15-10.8 对 3～8 nm 颗粒的单球效率（ηd）与 Peclet 数（Pe）的拟合曲线 Fig.9    Fitting curves of single sphere efficiency (ηd ) and Peclet number (Pe) for 3–8 nm particles by SBA-15-10.8 under different flow velocity · 318 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期