气胶过滤中薄膜滤材的特性研究检测方案(气溶胶)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告 薄膜濾材應用於氣膠過濾之特性研究 計畫類別：個別型計畫 計畫編號：NSC92-2218-E-041-006-執行期間：92年11月01日至93年07月31日 執行單位：嘉南藥理科技大學職業安全衛生系 報告類型：精簡報告 處理方式：本計畫可公開查詢 中 民 國3年10月29日 行政院家科學委員會題研究計盡式報告 薄嘆濾材應#氣疁通濾之特性究 Filtration Characteristics of Aerosol through Membrane Filter Media 計畫編號：NSC 92-2218-E-041-006 執行期：92年114193年731 計盍主持人：黃小林 嘉藥理科技學職業安全衛生 從流。收集小微粒，使#濾材進行通濾是最市放及可靠的专法之一。木码究實验室口自行製作不布及聚砜樹多孔性薄嘆複合濾材，並利#+里逐噴霧器產生氣，平經微粒電移動度掃目分器(Scanning Mobility ParticleSizer) 時濾測濾材制端與後端的氣膠微粒數目，及使#差壓計量測濾前後之壓降，以評告薄濾材印通濾放能。 實驗結果顯示不織布對於微米氣疁之穿透率总24%-51%；但在不織布表覆-户機薄嗔後，微粒穿透率顯下降。木码究#15%、20%、25%三種7重量濃度之，砜樹陷膏分子溶液製造而的聚砜樹薄之疁微粒穿透率分司在27%、18%& 8%·時整體穿透率在16%-27%、8%-18% 1%-8%之間·這是日機薄嗔具之多孔性結構以及卡時分子薄嘆带電听致。异，次微米粒徑節圍之氣，其最大穿透粒粒。7織布之0.1um 降低互複合材料之0.05 um此顯示此複合材料在小粒徑節圍之布部擴散去除制作低於其粒徑節圍之林去除制。后時當表速增如時，其微粒穿透率會隨之上工，而此一類型之薄嘆對*體氣與油氣疁之通濾放率是相近的。此研究結果的隙解多孔性薄嘆濾材之氣疁濾制，正將薄濾材應#在空微粒清淫領域。 、Abstract Filtration is one of the most effectiveand reliable methods for the collection ofsmall size particulate matters from gas stream.The polysulfone-nonwoven composite filtermade from porous organic membranee ndnonwoven matrix wasusseed to study thefiltration efficiency of aerosols in this study.Polydisperse aerosols were generated from aCollisonAtomizer.r.The aerosols wereaccounted by Scanning Mobility Particle Sizerand the pressure gradient was measured by thepressure transducers. Thereafter， the filtrationefficiencyy(of the composite filter wasdetermined by the difference of the numbersof the aerosols and the difference of pressureafter filtration. The resultsshowed thatthe aerosolpenetration rates of nonwoven matrix wereranged from 24%to)51%. However， tlIaerosol penetration rates decreasedsignificantlyr after coatingporouss organicpolysulfone membrane on nonwoven matrix.The aerosol penetration rates of the threecomposite filters coating with the polysulfoneconcentrations of 15 wt%， 20 wt%， and 25 wt%， respectively， were 27%， 18%， and 8%，respectively. The overall aerosol penetrationrates cof the three composite filterswere16%~27%. 8%~18%， and 1%~8%.respectively. It indicated that the performanceof the composite filters was better than that ofnonwovennmatrix ffilters owingto theircapability of trapping the aerosols by theporous structure and attracting the aerosols bythepositive chargeon theessurfacee aofpolysulfone membrane. The most penetrationparticle size (MPPS) of aerosols shifted from0.1 um to 0.05 um after coating polysulfonemembrane on nonwoven matrix. The resultspresented that the effect of Brownian diffusionin removing small size of aerosolswasreduced in the composite filters. Additionally，it found that the aerosol penetration rates ofthe composite filters for solid and oilyaerosolsincreased with increasing surfacevelocity.Thisstudy could help us tounderstand the filtration mechanism of thecompositefilters. andfurthermore thecomposite filters can be applied to the thefield of aerosol removal in the future. Keywords： Membranefilter；Filtration：Aerosol； Polysulfone resin =、前言 近年夹声愈夹愈多之流行病學式毒理學的究皆顯示女微米以下粒徑之微粒對人體產生之健廣危害皆大大粒徑微粒。從氣流。收集細小微粒，使濾材進行濾是最放及口靠的法之一。對艹通濾技術爽說，-般車常之空氣通濾濾材主要声三種形式，纖維性(fibrous)、編織性(fabric)薄馍(membrane)，其 目前又以纖，維性之濾材最总隙解旦應”最，而其是最早爽進行空氣採樣#之濾材形 式。而木码究則是希望多隙解其形式之濾材，因此將實验室中自行製作市機高分子薄嘆式濾材探討氣通濾之特性。 s、研究目的 木码究主要之码究目的如下： 1.於實室製作不孔徑之膏分子薄濾材 · 2.探討不日孔徑之薄膜微粒穿透率。 3.探討不到態氣疁微粒之微粒穿透率 4.評信不后操作筷仕下之微粒穿透率· i、、獻探討 在薄嘆濾材部分，其口分種形式，-是 Nuclepore 薄妆·如聚礎酸鹽薄膜(polycarbonate pore filter)，其具一一，列平行置-孔徑之通道；一種則是具下后孔派卡小旦濾材部彎曲通道之薄嗔濾材。目前薄辨濾材主要退是應”在製薄濾紙針夾收集微粒，其除已秤重外六已進一步作化學分析而獲得供多資訊[1]。薄濾濾材通濾特性探討之户獻並不如.維濾材多卫大多針對具置一孔通道之Nuclepore 薄進行探討。在薄頌濾材之通濾放能究，Spurny et al.[2]針對 5um之聚酸鹽薄(Nuclepore 薄膜)在表面速盖5cm/sec下進行氣及焦磷酸通濾研究，其口在氣粒徑粒0.05 um总其最易穿透粒徑。 Spurny et al.[3]探討薄嘆濾材之通濾制，經實證門顯示擴散沈積及慣性衝擊收集总主要微粒收集楼制。 Montassier ettal.[4]則使升三種Nuclepore 薄進行射性氣收收集故率的較码究，結果指出MF薄嘆濾材在流量下具收集放率，最遮合進行放鲋性氣疁之收集及分析。等[5]則金對市上常的薄濾材，含聚碳酸鹽、混和，維素酶聚醯纖維三種材質進行酒不酸針(PST)氣疁通濾之負特性探討，結 顯示薄嘆濾材之負載總噠著濾材材質、孔、孔阶度與負微粒呈現不卡現。Larbot et al.[6]利陶薄薄(CAF)進行空氣淫化之究，結果寸出表面屈速舆薄嘆厚度因子烈影響濾故率，表面屈速增或厚度减少將降低NaCl工DOP微粒之收集故率，經實驗陶薄當作HEPA或 ULPA濾材爽#o 化合物聚合而之分子薄嗔濾材，7具声各種不大小的分離孔徑，旦能承受較壓。，並提供通濾度特性，利此種薄嗔夾做做濾或，化相當放放經濟。PSF聚砜樹(Polysulfone)縮寫，是共結晶樹，約1.24，淡棕d透，透光率80%-90%。聚砜是-種強的樹機林验度頰旦在零下+ 11(00℃到160℃泛節圍保持其耳越的機验度。聚砜熱變形溫度(18.6kg-cm/cm下)1175℃，在湿的寸安定性共常優越，並具有最的耐蠕變性。其對酸輪+声哺度耐水解性，並具FDA等。因此木码究格嘗試實驗室進行膏分子聚合應製作聚砜樹之多孔性之薄，進行文微米互奈米粒徑節圍之通濾特性探討，期分子薄濾材能市放應氣疁之控制。 六丶究法 1. 通濾理論 濾材之通濾榄制氣體流率、濾材結氣疁特性。薄頌濾材之微粒通濾制分式下列種[7，8]： (1)擴散制：总微米(submicrometer)微粒時較即顯及優勢。氣主要擴散沈積在薄嘆濾材表面以及孔部管壁之。 (2)慣性衝擊沈峰(inertialimpaction deposition)：此榄制主要發生疁微粒受到慣性力作緣故· (3)直接截取及篩分(direct interception andsieving )：疁微粒蓍氣流流郵時，無受到任何外力之影響下，流總前追而與薄孔之管壁接觸得截下之現 ( (4)重沈峰(gravitational settling)：主要 受到表函速粒徑小影響，基木上對通濾故率而言，重*沈咯之貢獻量相當低· ) (5)靜霞沈咯： 日龄薄濾材具声良好之解緣體·因此濾材表面能夠带相當之電。微粒與薄嘆濾材帶以種式影響通濾 (一)微粒較遠正離處被薄濾材吸引或拱卡，最主要原因是。二青带彼此因命*(coulombic force)作之。 (二)微粒咐著艹薄濾材表面，這是日極作(dipolar force)引引之款。 2. 濾材種類 木研究聚砜樹薄嗔濾材之製造將揉#濕式相轉搀法， polysulfone (UdelP-3500， Amoco Performance Products Inc.)溶艹 NMP (N-methyl -2-pyrrolidinone)百配式鑄嘆液，以刮刮在不布上，然後浸在水楷，将NMP置換出爽式膩。而木码究将配置三種不片重量濃度之聚楓砜樹爽塗抹在不布濾材上形複合濾材，分总15%、20%、25%·理論上分子濃度愈育，形的孔滤應該愈小·口比較孔卡小對通濾的影響。 3. 第疁微粒生球系統 木码究分司選選鹽(NaCl)奥油(DEHS)測氣疁，在測詳氣疁生然部分是利#+里逐噴霧器(CollisonAtomizer， Model 3076， TSI Inc)產生多粒徑分之氣疁微粒，先通通-乾燥器((silicagel) 分水收吸收，產乾之疁微粒。在木码究測測氣 NaCl 體氣疁選位數粒徑0.080 um& GSD盖1.614·油為口位數粒徑0.180 um2 GSD1.609。產生之多粒徑分饰疁流入-Kr-85電性和器号 (Neutralizer， Model3077，TSI Inc)，使疁微粒性带電之氣婴微粒，以避免微粒带電造實之誤差，·在利#膠施儀(AerosolElectrometer， Model 3068A， TSI Inc)以認流測試之氣疁電节。性带。 4. 濾故率量測，魚統 在氣疁微粒穿透率量測部分，自含濾材握持器、微粒電移動度掃分徑器(SMPS， Scanning Mobility Particle Sizer，Model 3934， TSI Inc)、壓差計 (PressureGage， Model 2000， Dwyer Instru- mentsInc)及流量計，將實驗濾材置艹握持器上·，使寶驗氣婴流濾材·卡時量測濾材前端與後端之氣疁粒徑分作濃度變化，即獲得疁微粒之穿透率。脂時利#壓差劑量口以量測到濾材濾時之壓咯。而測試時之表速則是利控制流通濾材之氣疁流之流量，以分得到實驗需之測表屈速(0.050.1m/s)。Figurel即是木码究之測魚統圖。 、結果與討論 1. 7織布薄嗔之穿透率 Figure2利性带之 NaCl微粒在表屈速0.1m/s下，測試不織布濾材之微粒穿透率，此一不織布濾材总之 Figure 1.Schematicdiagram oftheexperimental system Figure 2. Aerosol penetration through thenonwoven at face velocity of0.1 m/s. 後理聚砜樹薄之基底，因此在進行寶際評聚砜樹薄嘆之前，首先心須隙解此-基底之微粒穿透率大小.結果顯示此一7織布濾材之最穿透粒徑在0.1 um咐近，穿透率大約是51%，而整體印氣疁微粒穿透率率約在24%~51%，日去码究口知-般共带纖維濾材之最穿透粒徑約是在0.3 um近近，带電濾材之最卡 穿透粒徑約是在0.1 um以下，因此我们猜測此一不織布濾材能是表面带電的，因此在實通程，我們利一電場計夾量測濾材之表電場，解顯示此一7織布濾材之表04電場約是3.1×10个V/m，確不布的表是带電的。 2. 聚砜樹薄嘆濾材之穿透率 Figure3总利#。性带之NaCl微粒在表面屈速0.1m/s下，測15%重量濃度製之聚砜樹陷薄之疁微粒穿透率，結果顯示最穹透粒徑約在0.05-0.06um之間，穿透率大約总227%·整整體透率約是在16%-27%之間.實驗結口缸當塗抹-臂聚砜樹在不織布濾材上之後，其疁微粒之透率有顯下咯之現免。若以0.3 um之微粒夾比較，塗抹15%聚砜樹薄膜之穿透率約总原爽不布濾材穿透率之50%·而造此-現主要原因就是在艹塗抹此-層聚砜樹後，改變原j濾材之結，台含薄的孔徑下降，整體薄嗔的厚度增。除此之外，薄的表面電口能改變，經量測知，15%聚砜樹薄之表面节約是1.9x10V/m，此一表面易場顯七爷原首不織布濾材之表場，表霍增主要的原因在艹聚砜樹薄嘆製作逼程程，9因刮嘆摩擦造表面带電，因此會使薄膜表面電場增知。 3. 7濃度聚砜樹陷薄嘆濾材之透率 Figure4利性带之 NaCl微粒在表面屈速0.1m/s下，測則15%、20%及25%重量度度製作而之之聚砜樹薄之氣疁微粒穿透率。結果顯示三修不度理的聚砜樹薄嘆，最卡穿透粒徑均在0.05-0.06 um1附近，穿透率分在 Figure 3. Penetration through membeancefabricated by 15 wt% polysulfone solution atface velocity of 0.1 m/s. 27%、18%及 8%，时整體穿透率在16%-27%、8%-18%及 1%-8%之。.結县口當處理濃度便後修，整體微粒穿透率顯下降·卡時我們量測其薄嗔之壓降，結果顯示在表面屈速￥0.1m/s時，15%、20%25%之聚砜樹薄之壓峰分則是15、20及：24 cmH0.此e和富處理濃度變高時，壓峰隨之上工。主口能之原因就在艹膏分子濃度愈的孔應該愈小，因此造壓上，而孔變小+是就造或微粒穿透率下咯之用素之一。時夏進-步量測薄之表面行發現15%、20%&25%重量濃度製作之聚砜樹薄裤之表雹場、約是1.9×104 V/m、2.3×10+V/m及 2.9×10*V/m.一-結果顯示塗抹夏帝濃度之聚砜樹會使得薄嘆表面電場更，這是造式穿透率著塗抹濃度增如而下的因素 4. 7卡速對聚砜樹呢薄裤濾材之穹透率之影響 Figure5利。性带之NaCl微粒表面屈速0.05及 0.1 m/sS下，測 Figure 4. Penetration through membeancesfabricated by 15 wt%， 20 wt%， and 25 wt%polysulfone solution at face velocity of 0.1m/s Figure 5. Penetration through membeancefabricated by 15 wt% polysulfone solution atface velocity of 0.1 and 0.05 m/s. 15%重量濃度製作之聚砜樹薄之角粤微粒穿透率。結果顯示在0.05 m/s速下，整體穿透率率是在10%-20%，門顯小在表面屈速￥0.1m/s之微粒穿透率。主要原因总女微米氣疁微粒在靜電濾材通濾時，作总靜電吸引舆擴散沉，這種作均育受到表面屈速影響，著表函屈速上工作减少。因盖表面屈速上會减少氣微粒與靜電濾材接觸的時，因此造作下降。 5. 7咔疁種類對聚砜樹薄嘆濾材之穿透率之影響 Figure6利性蒂電之NaCl體微粒 DEHS油微微粒在表面屈速盖0.1m/s下，測試15%重量濃度製作之聚砜樹薄嗔之氣疁微粒穿透率，結果顯示青穹率均是是16%-27%之間，知此一類型之薄嘆對艹體油滴液體氣疁通濾放果並無即顯之差，而在通去研究。，-般靜電濾材對油氣疁之通濾放果是略低胃體氣婴的[9]，7通在木码究中聚砜樹之带電薄嘆沒育此-現象。 Figure 6. Penetration through membeancefabricated by 15 wt% polysulfone solutionwith1NaCl andDEHSaerosOI at facevelocity of 0.1 m/s. 、、計畫果自評 木計已完原先計畫書規劃之工作目棵卜容。研究果顯示艹實驗室自製聚砜樹陷分子薄嘆濾材對微米度之微粒具市達99%之通濾放果，山一般市品薄膜探樣濾材爽得好。綜合木計，研究結果隙解多孔性薄嗔濾材之疁逼濾制，並口將聚砜樹薄頌濾材應在空氣微粒清淫或探樣領域。」分子薄嗔種類相當多，木計初步先針對聚砜樹陷薄作探討，夫爽將緣續嘗當製製t 具声不后物化性質之分子薄嗔進行女微米微粒通濾之究探討。 ( 、參考獻 ) ( 1 . Cohen， B.S.， and d S .V. H ering. g， Air Sampling Instruments for Evaluation ofAtmospheric Contaminants. 8th Edition， ACGIG， Cincinnati，Ohio(1995). ) 2. Spurny， K.R.， J.P. 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