Осаждение субмикронных аэрозолей в фильтрах из волокон, покрытых слоями нановискеров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрено осаждение субмикронных аэрозольных частиц в модельных фильтрах, состоящих из микронных волокон с радиальными нановискерами (иголочками) на поверхности волокон. Проведено численное моделирование 3D стоксова поля течения в модельном фильтре – изолированном ряду параллельных волокон с иголочками с учетом эффекта скольжения газа на их поверхности. Рассчитаны зависимости силы сопротивления волокна поперечному потоку и коэффициента захвата частиц волокном от длины и плотности иголочек на волокне и от расстояния между волокнами. Определены зависимости коэффициента захвата от радиуса частиц.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Кирш

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: va_kirsch@mail.ru
Россия, Ленинский проспект, 31, корп. 4, Москва, 119071

Список литературы

  1. Davies C.N. Air filtration. N.Y.: Academic Press, 1973.
  2. Pfefferkorn, G. Elektronenmikroskopische untersuchungen über den oxydationsvorgang von metallen. Naturwissenschaften. 1953. 40. Bd. 551–552. Electron microscopic observations of aerosols (in German). Proc. Aerosol Technology Workshop, Physical Institute of the University of Mainz, Sept. 29. 1954.pp. 599–603. https://doi.org/10.1007/BF00639678
  3. Brewer J.M., Goren S.L. Evaluation of metal oxide whiskers grown on screens for use as aerosol filtration media // Aerosol Sci. Technol. 1984. V. 3. № 4. P. 411–429. https://doi.org/10.1080/02786828408959029
  4. Li P., Wang C., Zhang Y., Wei F. Air filtration in the free molecular flow regime: a review of high-efficiency particulate air filters based on carbon nanotubes // SMALL. 2014. V. 10. № 22. P. 4543–4561. https://doi.org/10.1002/smll.201401553
  5. Zhang R., Wei F. High-efficiency particulate air filters based on carbon nanotubes // Ch. 26 in Nanotube Superfiber Materials. Science, Manufacturing, Commercialization. Micro and Nano Technologies, 2-nd Ed. 2019. P. 643–666. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812667-7.00026-4
  6. Karwa A.N., Tatarchuk B.J. Aerosol filtration enhancement using carbon nanostructures synthesized within a sintered nickel microfibrous matrix // Sep. Purif. Technol. 2012. V. 87. P. 84–94. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.11.026
  7. Park S.J., Lee D.G. Performance improvement of micron-sized fibrous metal filters by direct growth of carbon nanotubes // Carbon. 2006. V. 44. P. 1930–1935. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.02.005
  8. Кирш В.А. Аэрозольные фильтры из пористых волокон // Коллоид. журн. 1996. Т. 58. № 6. С. 786–790.
  9. Кирш А.А., Кирш В.А. Улавливание аэрозольных частиц фильтрами из волокон, покрытых слоями вискеров // Коллоидный журн. 2019. Т. 81. № 6. С. 706–716. https://doi.org/10.1134/S1061933X19060073
  10. Кирш В.А., Кирш А.А. Влияние наноиголочек на волокнах и частицах на эффективность фильтрации аэрозолей // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 3. С. 293–301. https://doi.org/10.1134/S1061933X2103008X
  11. Kirsch A.A., Stechkina I.B. The theory of aerosol filtration with fibrous filters // Ch. 4, in Fundamentals of Aerosol Science / Ed. By Shaw D.T. N.Y.: Wiley-Interscience. 1978. P. 165‒256.
  12. Ландау Л.Д., Лифшиц И.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. Изд. 4-е, М.: Наука, 1988.
  13. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: ГИФМЛ, 1959.
  14. Fuchs N.A. The Mechanics of Aerosols. N.Y.: Dover, 1989.
  15. Luo H., Pozrikidis C. Effect of surface slip on Stokes flow past a spherical particle in infinite fluid and near a plane wall // J. Eng. Math. 2008. V. 62. P. 1–21. https://doi.org/ 10.1007/s10665-007-9170-6
  16. Кирш В.А., Кирш А.А. Осаждение аэрозольных наночастиц в сеточных диффузионных батареях // Коллоид. журн. 2020. Т. 82. № 4. С. 432–439.https://doi.org/10.1134/S1061933X20040055
  17. Miyagi T. Viscous flow at low Reynolds numbers past an infinite row of equal circular cylinders // J. Phys. Soc. Japan. 1958. V. 13. № 5. P. 493–496. https://doi.org/10.1143/JPSJ.13.493
  18. Keller J.B. Viscous flow through a grating or lattice of cylinders // J. Fluid Mech. 1964. V. 18. P. 94–96. https://doi.org/10.1017/S0022112064000064
  19. Kirsch A.A., Stechkina I.B., Fuchs N.A. Effect of gas slip on the pressure drop in a system of parallel cylinders at small Reynolds numbers // J. Colloid Interface Sci. 1971. V. 37. P. 458–461. https://doi.org/10.1016/0021-9797(71)90314-6
  20. Кирш В.А., Кирш А.А. Улавливание субмикронных аэрозольных частиц фильтрами из нановолокон // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 1. С. 38–46. https://doi.org/10.1134/S1061933X22600476
  21. Кирш В.А. Инерционное осаждение субмикронных аэрозолей в модельных волокнистых фильтрах из ультратонких волокон // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 3. С. 307–318. https://doi.org/10.1134/S1061933X23600331

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема расчетной ячейки (а): (б) – сечение, поперечное волокну.

Скачать (120KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости силы сопротивления волокна с иголочками от длины иголочек hw при разных расстояниях между слоями иголочек по оси волокна ξ = 0.2 (1), 0.4 (2), 1 (3); 4 – сила сопротивления непроницаемого волокна с эквивалентным радиусом 1 + hw, по формуле (14): число иголочек в поперечном сечении N = 8, безразмерный радиус иголочки aw = 0.025, Kn = 0.

Скачать (78KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости сил сопротивления волокна с «шубой» из иголочек (1, 2) и волокон-стержней, экранированных слоем иголочек, от hw: (1, 1') – N= 8, (2, 2') –N = 4; ξ = 1, b = 0.3.

Скачать (75KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости сил сопротивления волокон с «шубами» из радиальных иголочек (1–3) от длины иголочек для разных плотностей упаковки волокон b = 0.2; 2 – волокно-стержень, экранированное слоем иголочек, 3 – эквивалентное непроницаемое волокно с радиусом 1 + hw; ξ = 1, aw = 0.025, N = 4.

Скачать (54KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости силы сопротивления волокна с иголочками от числа Кнудсена Kn, полученные линейной экстраполяцией расчетных зависимостей 1/F (модель течения с граничным условием скольжения, Kn << 1, кривые 6) на область промежуточных чисел Kn: hw = 0.5 (1), 1 (2), 1.5 (3), 2 (4), 0 (5); a0 = 1.5 мкм, aw = 0.025, b = 0.2, ξ = 1, N = 8.

Скачать (84KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости диффузионного коэффициента захвата точечных частиц волокном с «шубой» из иголочек с учетом эффекта скольжения газа (сплошные линии) и без учета (пунктирные) от числа Пекле, где hw = 0 (1), 0.1 (2), 0.5 (3), 1 (4), 2 (5): a0 = 1.5 мкм, aw = 0.025, Kn = 0.043 (λ = 0.065 мкм), ξ = 0.2, N = 8, b = 0.2, U = 10 см/с.

Скачать (118KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Критерий качества фильтра γ = γ∗/2a0 из волокон с иголочками с длиной hw = 0.5 в зависимости от числа Пекле: 1 – прямое моделирование с учетом скольжения газа при Kn = 0.043, 2 – Kn = 0, 3 – волокно без «шубы» нановискеров. Остальные параметры те же, что на рис. 6.

Скачать (67KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости коэффициентов захвата (а) и критериев качества (б) модельных фильтров из волокон с «шубами» из иголочек от радиуса частиц: (1–3) – расчет для композитного волокна c hw = 1, (4–6) – для волокна без иголочек, сплошные линии – с учетом эффекта скольжения газа при Kn = 0.043, пунктирные – без учета, Kn = 0: b = 0.1 (1), 0.2 (2), 0.3 (3); (в) – отношение критериев качества от rp при b = 0.1 (1), 0.2 (2), 0.3 (3) при Kn = 0.043; aw = 0.025, hw = 1, a0 = 1.5 мкм, ξ = 1, N = 4, U = 10 см/с.

Скачать (276KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости коэффициентов захвата от радиуса частиц при hw = 1 (a), 3 (б), где ξ = 1 (1), 0.4 (2), 0.2 (3); 4 – стержень без слоя иголочек, 5 – непроницаемое волокно эквивалентного внешнего радиуса, Kn = 0, b = 0.2, параметры те же, что и на рис. 8.

Скачать (193KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимости коэффициентов захвата волокном с «шубой» из иголочек от радиуса частиц для hw = 1.5 (1, 1'), 1 (2, 2'), 0.5 (3, 3'), 0 (4) без учета (1 – 4) и с учетом эффекта скольжения газа при Kn = 0.043 (1'–3') b = 0.2, ξ = 1, a0 = 1.5 мкм, aw = 0.025, U = 10 см/с, N = 8.

Скачать (119KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимости коэффициентов захвата волокном с «шубой» из иголочек от радиуса частиц для hw = 1 (1, 1'), 0.5 (2,2')с учетом эффекта скольжения газа при N = 8 (1, 2), 4 (1', 2'): b = 0.2, ξ = 1, a0 = 1.5 мкм, aw = 0.025, U = 10 см/с, Kn = 0.043.

Скачать (91KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимости критериев качества фильтра из волокон с иголочками (1 – 6) от радиуса частиц при hw = 0.2 (2), 0.5 (3), 1 (4), 1.5 (5), 2 (6), 3.5 (7), 1 – hw = 0, Kn = 0.043; 2' – hw = 0.5, Kn = 0. Остальные параметры те же, что на рис. 11.

Скачать (127KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024