駐極體納米纖維非穩態過濾性能的介觀尺度研究

《駐極體納米纖維非穩態過濾性能的介觀尺度研究》是依託華南理工大學，由蔡容容擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：駐極體納米纖維非穩態過濾性能的介觀尺度研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡容容
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

駐極體納米纖維過濾高效、低阻、節能，是一種新型室內顆粒物淨化技術。駐極體納米纖維儲有電荷、直徑小，由於靜電場和微尺度效應的影響，其過濾性能、過濾機制與普通纖維相比存在顯著差異，目前對它們的認識還很不足，大大限制了該技術在工程上的套用。本項目擬從造成過濾性能動態變化的本源-顆粒沉積現象出發，研究顆粒在不同駐極體納米纖維上的沉積行為特徵，及其對過濾效率和壓降的動態影響規律；從介觀尺度揭示駐極體納米纖維的非穩態過濾機制，明晰纖維性質對過濾性能的影響規律，為駐極體納米纖維淨化技術奠定理論基礎。主要包括：基於非穩態過濾測試結果，建立納米纖維的非穩態過濾性能模型，用於直觀描述過濾性能隨時間的動態變化規律；從納米纖維和顆粒間的微觀相互作用本質出發，建立考慮能量耗散效應的微細顆粒物粘附碰撞動力學參數模型；LB-DEM模擬多場耦合下顆粒沉積過程，分析總結沉積行為對納米纖維過濾性能、機制的影響規律。

結題摘要

由於附加靜電吸附，駐極體纖維濾料高效低阻，已成為一種新型室內顆粒物淨化材料。由於靜電場和微尺度效應的影響，它的過濾性能和過濾機制與普通纖維濾料相比存在顯著差異，目前對它巨觀性能調控方向尚不明確，亟需從微介觀角度探究它的內在機理。 項目首先發展和完善了介尺度全解析離散顆粒流數值方法。將介觀尺度的格子玻爾茲曼方法（LBM）、浸入邊界法（IBM）和粘彈性離散細顆粒法（DEM）結合起來，實現了全解析顆粒流模擬。重點解決了流場/靜電場和複雜固體邊界/亞微米顆粒間的雙向耦合；同時結合接觸碰撞動力學，構建了材料界面微觀特性和氣固兩相輸運過程關係的基本分析方法。基於該方法，結合兩相流理論分析、靜電紡材料製備和實驗測試，對濾料微觀結構、材料特性與巨觀過濾性能間影響機制展開研究。在濾料結構上，通過引入二階纖維取向張量，定量重構了多種三維孔隙結構的纖維濾料模型並展開模擬，研究指出用超細纖維構造三維立體孔結構可降低約30%的過濾阻力。在材料性質上，研究了材料介電特性、荷電狀態、表面能、表面潤濕性對細顆粒團聚、粘附、反彈等微觀捕集過程的影響。模擬預測的團聚形態、反彈條件與實驗測試結果相吻合。研究指出，提高材料粘附能和電荷儲存穩定性是最佳化濾料過濾性能的重要方向。在微觀捕集機制探究的指導下，開展了新型高效低阻濾料的開發製備工作。通過微納纖維複合和電紡濕度條件控制，構造出具有蓬鬆三維孔結構的複合濾料，降低了20%的過濾阻力。通過引入界面電荷及表面疏水處理，在增強電荷儲存容量的同時減少了電荷耗散，使靜電捕集效率提升了15%。與商用濾料和已有文獻報導相比，所製備的幾種新型荷電濾料均具有優異的綜合過濾性能。 項目的研究不僅深化了對駐極體濾料捕獲細顆粒機制的認識，明晰了駐極體濾料的最佳化製備方向，同時發展的介尺度全解析顆粒流離散單元法也適用於自然界和工程實際中大量存在複雜微尺度顆粒兩相流的研究。