邢奕等：SBA-l5脱除超细颗粒的机制研究 315 尔兹曼平衡分布.DMA有规律的调节电压使得不 采用透射电镜(TEM,型号JEM-2100F,日本电 同粒径的UFPs在电场中迁移距离不同，进而分离 子株式会社)及比表面积吸附仪(BET,型号 出不同粒径的颗粒物.在CPC中，工作液体被吸 Autosorb-l,美国康塔仪器公司)表征分析探索介 附到UFPs表面使其粒径增长到光检测仪达到的 孔材料的结构特征、颗粒与材料亲和位点及孔径 范围，从而计算出相应粒径的个数浓度.UFPs稳 大小的差异对UFPs过滤特性的影响. 定生成后，首先在滤床未放置过滤材料时进行空 2分析方法 白实验，将介孔材料置于颗粒床过滤器后，即可测 试渗透颗粒的数量浓度 空白组中单粒径(dp)的平均数量浓度(Cm)为 1.2实验材料与方法 颗粒进口浓度.填装直径(d)2.5mm的球形过滤 实验采用三种不同孔径的有序介孔硅材料 介质后，过滤床厚度(t)为18mm.记录多次实验测 SBA-15作为过滤材料，其主孔径为5.8、10.8和 得的UFPs,进口和出口的平均数量浓度分别记做 17.7nm,分别记为SBA-15-5.8,SBA-15-10.8和 Cin和Cout:UFPs在单粒径下的颗粒过滤效率(E,) SBA-15-17.7.如图2所示，实验所用由电压激发的 计算公式如下： 多分散性UFPs的粒径呈正态分布，粒径为5.14nm E:=(1-Cout/Cm)×100% (1) 时UFPs数量浓度最高，为9.3×103cm3.UFPs粒径 单一球形的SBA-15过滤材料对颗粒的过滤 大多保持在10nm以内，粒径为2.5~10nm的 效率(n)与颗粒过滤效率间的转换如下： UFPs占总颗粒数目的91.38%，这与邢奕等1制备 a=-[2(1-a)d/3atln(1-E) (2) 的纳米颗粒物结果一致.根据实验所得颗粒物粒 其中：d为球形过滤材料粒径，cm;a为过滤材料 径分布结果及满足所选SBA-15孔径(5.8~17.7nm) 堆积密度，gcm3;t为床层厚度，cm. 介于生成颗粒粒径之间的实验需求，实验过程中 颗粒的过滤速度会对除尘效率与捕集机制产 选取2.5~25nm的颗粒进行实验. 生一定的影响，调节载气流量可以改变UFPs流经 过滤装置的风速.通过拟合UFPs在17.33,25.99， 10 43.33和64.99cms四种不同风速下的去除效率， 并与传统模型进行比较，以研究介孔材料孔道中 UFPs的扩散机制.单球效率(Ia)是Peclet数(Pe) 的幂函数，具体计算公式如下： nld APem (3) Pe uds/D (4) 5 a=3.5(1-a/Kw/3Pe-2/3 (5) 1015 20 25 30 Particle size/nm 其中：A为常数；m为幂律指数；u为风速，cms;D为 图2多分散性UFPs的粒径分布图 扩散系数，m2s;Ku为流体系数. Fig.2 Particle size distribution of polydisperse UFPs 一般认为颗粒物扩散的传统模型为Lee和Gieseke 给出的单球效率()公式，其幂指数为-2/36 过滤效率测试实验所用过滤材料为球形材 料，而以探究颗粒亲和位点为目的的长时间过滤 3结果与讨论 实验则采用粉末状过滤材料.与前人测试效率过 3.1SBA-15脱除UFPs的稳定性 程中的粉末状材料相比，球形过滤材料可使滤床 图3为不同孔径SBA-l5对UFPs的总脱除 更加疏松，从而更好的区分不同材料的过滤曲线， 效率随时间变化趋势图，具体下降数值如表1所 以便于研究不同拓扑结构下多孔材料脱除UFPs 示，为使区分度较为明显，选取过滤床层处空速 的机制.其中材料成型的操作步骤如下：超轻黏土 25.99cms1. 成型为直径2.5m的小球后，将材料粉末均匀地 三种孔径SBA-15连续测试3h时总脱除效率 附着到载体颗粒上；将外部粘有原料粉末的载体 均未明显下降，连续测试4h时总脱除效率稍有下 颗粒置于离心管中并匀速旋转，直至外层粉末牢 降.说明实验所用球形过滤介质的稳定性良好，脱 固性良好 除效率随测试时间的增加稍有下降尔兹曼平衡分布. DMA 有规律的调节电压使得不 同粒径的 UFPs 在电场中迁移距离不同，进而分离 出不同粒径的颗粒物. 在 CPC 中，工作液体被吸 附到 UFPs 表面使其粒径增长到光检测仪达到的 范围，从而计算出相应粒径的个数浓度. UFPs 稳 定生成后，首先在滤床未放置过滤材料时进行空 白实验，将介孔材料置于颗粒床过滤器后，即可测 试渗透颗粒的数量浓度. 1.2    实验材料与方法 实验采用三种不同孔径的有序介孔硅材料 SBA-15 作为过滤材料 ，其主孔径 为 5.8、 10.8 和 17.7  nm， 分 别 记 为 SBA-15-5.8， SBA-15-10.8 和 SBA-15-17.7. 如图 2 所示，实验所用由电压激发的 多分散性 UFPs 的粒径呈正态分布，粒径为 5.14 nm 时 UFPs 数量浓度最高，为 9.3×105 cm−3 . UFPs 粒径 大多保持 在 10  nm 以内 ，粒径 为 2.5～ 10  nm 的 UFPs 占总颗粒数目的 91.38%，这与邢奕等[14] 制备 的纳米颗粒物结果一致. 根据实验所得颗粒物粒 径分布结果及满足所选 SBA-15 孔径（5.8～17.7 nm） 介于生成颗粒粒径之间的实验需求，实验过程中 选取 2.5～25 nm 的颗粒进行实验. 过滤效率测试实验所用过滤材料为球形材 料，而以探究颗粒亲和位点为目的的长时间过滤 实验则采用粉末状过滤材料. 与前人测试效率过 程中的粉末状材料相比，球形过滤材料可使滤床 更加疏松，从而更好的区分不同材料的过滤曲线， 以便于研究不同拓扑结构下多孔材料脱除 UFPs 的机制. 其中材料成型的操作步骤如下：超轻黏土 成型为直径 2.5 mm 的小球后，将材料粉末均匀地 附着到载体颗粒上；将外部粘有原料粉末的载体 颗粒置于离心管中并匀速旋转，直至外层粉末牢 固性良好. 采用透射电镜（TEM，型号 JEM-2100F，日本电 子 株 式 会 社 ） 及 比 表 面 积 吸 附 仪 (BET， 型 号 Autosorb-1，美国康塔仪器公司) 表征分析探索介 孔材料的结构特征、颗粒与材料亲和位点及孔径 大小的差异对 UFPs 过滤特性的影响. 2    分析方法 空白组中单粒径（dpi）的平均数量浓度（Cin）为 颗粒进口浓度. 填装直径（ds）2.5 mm 的球形过滤 介质后，过滤床厚度（t）为 18 mm. 记录多次实验测 得的 UFPs，进口和出口的平均数量浓度分别记做 Cin 和 Cout. UFPs 在单粒径下的颗粒过滤效率（Ei） 计算公式如下： Ei = (1−Cout/Cin)×100% （1） 单一球形的 SBA-15 过滤材料对颗粒的过滤 效率（ηd）与颗粒过滤效率间的转换如下[5] ： ηd = −[2(1−α)ds/3αt]ln(1− Ei) （2） 其中：ds 为球形过滤材料粒径，cm；α 为过滤材料 堆积密度，g·cm−3 ；t 为床层厚度，cm. 颗粒的过滤速度会对除尘效率与捕集机制产 生一定的影响，调节载气流量可以改变 UFPs 流经 过滤装置的风速. 通过拟合 UFPs 在 17.33，25.99， 43.33 和 64.99 cm·s−1 四种不同风速下的去除效率， 并与传统模型进行比较，以研究介孔材料孔道中 UFPs 的扩散机制. 单球效率（ηd）是 Peclet 数（Pe） 的幂函数，具体计算公式如下[15] ： ηd = APem （3） Pe = uds/D （4） ηd = 3.5(1−α/Ku) 1/3Pe−2/3 （5） 其中：A 为常数；m 为幂律指数；u 为风速，cm·s−1 ；D 为 扩散系数，m 2 ·s−1 ；Ku 为流体系数. 一般认为颗粒物扩散的传统模型为Lee 和Gieseke 给出的单球效率（ηd）公式，其幂指数为−2/3[16] . 3    结果与讨论 3.1    SBA-15 脱除 UFPs 的稳定性 图 3 为不同孔 径 SBA-15 对 UFPs 的总脱除 效率随时间变化趋势图，具体下降数值如表 1 所 示. 为使区分度较为明显，选取过滤床层处空速 25.99 cm·s−1 . 三种孔径 SBA-15 连续测试 3 h 时总脱除效率 均未明显下降，连续测试 4 h 时总脱除效率稍有下 降. 说明实验所用球形过滤介质的稳定性良好，脱 除效率随测试时间的增加稍有下降. 0 5 10 15 20 25 30 10 8 6 4 Number concentration/(10 5 cm−3 ) Particle size/nm 2 图 2    多分散性 UFPs 的粒径分布图 Fig.2    Particle size distribution of polydisperse UFPs 邢    奕等： SBA-15 脱除超细颗粒的机制研究 · 315 ·