4.2.2 Качественные представления теории фильтрации аэрозолей

Поток аэрозоля в объеме фильтрующего материала многократно дробится на мелкие струйки, которые непрерывно смыкаются и разделяются, обтекая волокна, что способствует приближению частиц к поверхности волокон и их осаждению. Аэрозольные частицы проходят в промежутках между волокнами фильтрующего материала и под воздействием ряда причин приближаются к ним. Коснувшись волокна частицы аэрозоля прочно удерживаются на его поверхности и таким образом удаляются из потока. Таким образом, процесс фильтрации характеризуется взаимодействием взвешенных аэрозольных частиц и дисперсионной среды с элементами пористого волокнистого фильтрующего материала.

Следует заметить, что фильтрующий материал нельзя отождествлять с ситом, в котором улавливание аэрозольных частиц происходит вследствие их застрявания в порах материала. Конечно, частицы диаметром в десятки и сотни микрометров могут частично задерживаться в фильтрующем материале вследствие ситового эффекта. Однако в большинстве случаев размеры частиц аэрозолей значительно меньше размеров пор. Более того, оказалось, что наиболее проникающими являются частицы размером 0,1 - 0,5 мкм, а частицы крупнее и мельче осаждаются значительно лучше. Следовательно, в волокнистых фильтрующих материалах аэрозольные частицы улавливаются (осаждаются) в результате действия других, более сложных процессов.

Качественно процесс фильтрации аэрозолей волокнистыми материалами разделяется как бы на два этапа:

1. приближение частиц к поверхности волокна и касание;

2. удерживание частиц на поверхности волокон.

Удерживание аэрозольных частиц на поверхности фильтрующих волокон происходит благодаря проявлению сил адгезии и выполняется почти в 100 % случаев. То есть, в случае касания аэрозольной частицей поверхности волокна происходит ее прочное удерживание за счет суммарного действия молекулярных, капиллярных, кулоновских и некоторых других сил, проявление которых зависит как от свойств контактирующих тел, так и от характеристик окружающей среды.

Приближение частиц к волокнам в зависимости от условий их фильтрации может происходить вследствие различных причин или механизмов, основными из которых являются:

- диффузия или броуновское движение частиц;

- непосредственное касание или задевание фильтрующих волокон;

- инерционное смещение частиц при изменении направления воздушного потока.

При фильтрации аэрозолей приближение частиц к волокнам может осуществляться также в результате второстепенных причин или механизмов, которыми являются:

- электростатического притяжения частиц;

- седиментации, то есть осаждения частиц под действием силы тяжести;

- ситовой эффект.

Общая картина приближения аэрозольных частиц, достигающих поверхности волокон за счет различных механизмов осаждения, по линиям тока и траектории показана на рисунке 4.3.

Вклад каждой из причин приближения частиц к волокнам в общий процесс фильтрации и влияние их на фильтрующие свойства материалов могут быть оценены эффективностью осаждения частиц волокном. Рассмотрим более подробно все причины (механизмы) приближения частиц аэрозолей к волокнам.

1. Диффузионное осаждение аэрозольных частиц проявляется в том случае, когда под действием броуновского движения аэрозольная частица смещается относительно линии прохождения воздушной струйки и осаждается на поверхности волокна. Диффузионное осаждение имеет значение только для тонкодисперсных аэрозолей, особенно для частиц с радиусом менее 0,1 мкм, и наиболее полно проявляется при малых скоростях воздушного потока, когда частицы находятся вблизи волокон в течение достаточного промежутка времени. Чем меньше размеры аэрозольных частиц, тем больше их способность участвовать в броуновском движении при столкновениях с молекулами газов воздуха, и тем интенсивнее они смещаются с линии тока, что увеличивает вероятность их осаждения на поверхности обтекаемых волокон. Этот механизм осаждения подобен массообмену за счет молекулярной диффузии.

1 – диффузионное осаждение; 2 – касание (прямой захват); 3 – инерционное осаждение;

4 – электростатическое осаждение; 5 – седиментация; 6 – ситовой эффект.

Рисунок 4.3 – Механизмы подвода аэрозольных частиц к фильтрующим волокнам

2. Осаждение аэрозольных частиц за счет касания проявляется лишь тогда, когда аэрозольные частицы, двигаясь по линии тока, приближаются к поверхности волокон на расстоянии, не превышающие величин их радиусов. В этом случае частицы касаются поверхности волокон и удерживаются силами адгезионного взаимодействия. Осаждение за счет касания наиболее вероятно для частиц с радиусом более 0,1 мкм.

3. Инерционное осаждение аэрозольных частиц обусловлено инерционностью аэрозолей конечной массы, что вызывает смещение частиц с линии прохождения воздушной струйки при обтекании волокон и столкновение их с поверхностью волокон. Инерционное осаждение необходимо учитывать в процессе фильтрации при относительно больших скоростях воздушного потока и при радиусах аэрозольных частиц от 0,3 - 0,5 мкм и более.

4. Электростатическое осаждение аэрозольных частиц характерно для фильтрующих материалов, волокна которых имеют электростатический заряд. Это наиболее эффективный механизм осаждение аэрозольных частиц, вероятность осуществления которого еще более увеличивается в том случае, когда на частицах аэрозоля имеется электростатический заряд противоположного (по отношению к волокнам фильтрующего материала) знака.

5. Седиментационное осаждение аэрозольных частиц происходит при их смещении относительно линии прохождения воздушной струйки и осаждении на поверхности волокна под действием силы тяжести. Этот механизм приближения к волокнам фильтрующего материала характерен только для грубодисперсных аэрозолей.

6. Ситовой эффект осаждения аэрозольных частиц наблюдается при фильтрации грубодисперсных аэрозолей в том случае, когда размер (диаметр) аэрозольных частиц превышает расстояние между соседними волокнами фильтра. Этот механизм приближения к волокнам фильтрующего материала так же характерен только для грубодисперсных аэрозолей.