奈米微粒於薄膜過濾下之負載特性研究

Abstract

由於人為的燃燒廢氣以及奈米科技的開發應用，人們暴露於奈米微粒的機會大增，近年來流行病學的研究指出奈米微粒對人體可能會造成健康危害，因此奈米微粒的移除為一重要的課題。過濾是有效去除奈米微粒的一種機制，本研究嘗試用薄膜作為過濾奈米微粒之濾材，僅管以往不乏文獻探討過濾之負載特性，但多限於微米及次微米微粒的負載特性，因此本研究主要針對奈米微粒於薄膜過濾下之負載特性進行探討。 本研究選用之奈米微粒產生器為電噴式霧化器，產生之蔗糖微粒粒徑為18 nm、37 nm及50 nm。在表面風速5.3 cm/s、7 cm/s、8.5 cm/s及10 cm/s下，分別量測PVC及PCTE兩種表面材質之薄膜的壓損變化情形。 評估濾材壓損通常利用單位面積的微粒負載量與壓損的關係所建立濾材之負載曲線。負載曲線可分為四個階段，第一階段壓損緩慢上升，主要是小於孔徑之微粒進入濾材的深部，第二階段壓損快速上升，則是因濾材孔隙受到微粒堵塞所致，第三階段為過渡階段，主要是因為負載微粒被已負載的微粒收集或者直接衝擊在濾材上所造成，第四階段表面過濾區因濾餅形成，過濾面積變大，壓損增加之斜率降低，呈現線性上升的趨勢。 依據兩種濾材之負載曲線來推論濾材表面特性不同對於負載特性所造成之影響，PVC 薄膜類似纖維的多層結構不容易使奈米微粒進入濾材的深部，反之PCTE 薄膜的直穿孔結構則容易使微粒進入孔洞內部而被收集，使得PVC 薄膜相對於PCTE 薄膜容易被堵塞。 影響奈米微粒負載之因素部份，當微粒粒徑愈小時，微粒總表面積的增加與單位面積微粒負載量所造成之壓降變化有正相關之趨勢，但微粒總表面積比與P/W值比並非完全一致，可知微粒總表面積對壓降變化雖有影響，但並不完全跟表面積有關。而表面風速愈大時，單位面積微粒負載量下之壓降變化愈大，藉由分析PVC及PCTE薄膜在不同表面風速下與壓損變化之相關性，可知壓損變化大約與表面風速的一次方成正比，此現象與微米負載的結果一致，推測其原因與堆積的微粒被氣流壓密，造成濾餅孔隙率降低有關。 此外，經由變異數分析可知表面風速及微粒粒徑對壓損變化有顯著性的影響，將其迴歸分析可得到兩種濾材之壓損推估公式，其壓損變化約與表面風速之一次方成正比，與微粒粒徑的0.5次方成反比；與微米負載常用之 Kozeny-Carman公式相比，兩者在表面風速的影響有一致的關係，但在粒徑的影響上，微米微粒負載公式卻是與粒徑的2次方成反比。考量到奈米微粒的運動特性，利用Cunningham 校正因子將微米微粒負載公式予以修正，則微米微粒負載公式的P/W值則與微粒粒徑的1次方成反比，仍與本研究所建立之奈米微粒負載公式有所差異。