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user: 2. 微粒捕集器过滤材料的发展现状 捕集器的关键技术就是对过滤材料的选择和再生技术，而过滤体是整个结构中最关键的部分，它决定了捕集器的压力损失、捕集效率、使用寿命、工作可靠性以及再生好坏的关键。因此对过滤材料的设计要满足捕集效率高、排气阻力低、制造工艺简单、热膨胀系数小、抗震性能好、强度高、易再生、价格实惠、使用寿命长等特点。 经过国内外专业机构对过滤材料的不断研究，目前市场上对过滤材料的制造工艺已经有了很大的提高。当前捕集器的过滤材料应用比较广泛的主要有金属基、陶瓷基和复合基。 2.1. 陶瓷基过滤材料 多孔结构的陶瓷基是目前各国使用比较广泛的过滤材料 [ 4 ] ，其主要是由碳化物或氧化物组成。该材料具有良好的热稳定性，主要的结构形式有：陶瓷纤维毡、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷。 陶瓷基过滤体的主要材料有堇青石和碳化硅两种。目前市场上使用广泛的蜂窝陶瓷一般是用堇青石制成的，其热膨胀系数低，价格实惠，开发时间也较早；而碳化硅材料抗弯性能强、抗氧化的能力强、耐高温的能力强、耐腐蚀和磨损的能力强，但价格相对较高。蜂窝陶瓷按其结构形式可分为壁流式和泡沫式等 [ 5 ] 。 壁流式蜂窝陶瓷相对于其他过滤材料来说是目前综合性能较好的过滤材料，其是一种多孔的结构，相邻两个通道作为一个组合，即一个通道的入口被堵住，则另一个通道的出口被堵住。因此排出的废气只能从通道的入口进入，穿过过滤体的壁面，从相邻的通道出口排出。经过这个过程，微粒就被捕集在过滤体的壁面上。这种壁流式蜂窝陶瓷捕集器的捕集效率可以达到90%以上，并且也可以降低可溶性有机成分SOF (主要是高沸点HC)的排放。其过滤机理是深层过滤和表面过滤的综合体。深层过滤是指当废气经过过滤芯体清洁时，排气中的微粒就会被拦截在蜂窝陶瓷的孔道中；而表面过滤是指当其孔道中沉积的微粒过多而且基本饱和时，微粒就开始沉积在蜂窝陶瓷的表面。壁流式蜂窝陶瓷过滤体孔道的容量比较小，因此在捕集的开始阶段，表面过滤就处于主导地位，而且沉积下来的颗粒物又会形成过滤层，此时其自身也就构成了一层过滤介质，这个过滤过程又被称为沉积过滤。比沉积层孔直径大的微粒便被拦截在新沉积层的表面，比其直径小的微粒则会进入沉积层，在沉积层的内部被过滤，剩下的微粒则又会被捕集器的过滤壁面过滤。因此，壁流式蜂窝陶瓷捕集器对微粒的捕集效率是非常高的，只有很微小的微粒会被排入大气中。但其缺点主要是物理参数的各向异性，径向膨胀系数是轴向膨胀系数的2倍，微粒易沉积在进气通道内，若是受热不均，极易发生热应力损坏。 泡沫式陶瓷的微粒捕集效率大约在40%到70%之间，其过滤原理主要是深层过滤，即依据泡沫之间隙小而密集的通道，使气体流过这个结构，微粒便被过滤下来，从而达到捕集微粒，降低碳烟排放的目的 [ 6 ] 。泡沫陶瓷与蜂窝陶瓷相比，有很大的可塑性，孔隙率也大且孔洞曲折。泡沫陶瓷也可改善颗粒物与催化剂的混合程度，使其可以充分接触，促进反应；其还具有热稳定性好的特点，有利于过滤材料的再生，且再生时产生的热应力较小，不易造成过滤体热应力损坏，但其缺点主要是强度低、结构疏松、使用寿命较低、在排气振动和冲击的情况下容易出现毁坏以及烟灰吹除难等 [ 7 ] 。 陶瓷纤维的微粒捕集效率可以达到90%以上，其结构没有尺寸的约束，孔的分布和过滤腔内孔的形状都有更多的选择空间，还可以改变各种参数使捕集效果达到最优，而且陶瓷纤维也能满足使用催化剂的需要 [ 8 ] 。其还具有高度表面积化和良好的耐高温性能，纤维表面都可以作为过滤面积，因此捕集效率较高，但由于陶瓷纤维材料具有脆的特点，所以在制造和使用过程中很容易毁坏，生产工艺也比较复杂，再生困难，且在实际使用过程中其捕集效率和压降之间的矛盾比较突出。 2.2. 金属基过滤材料 与陶瓷基过滤体相比，金属基在材料的韧性、强度、导热性以及耐高温等方面都有很大的优势，但一般的金属过滤介质都会采用金属蜂窝体的结构，而构成金属蜂窝体的箔片不是多孔材料，而且表面平滑，过滤效率较低，所以将其在柴油机微粒捕集器上的应用很少 [ 9 ] 。目前技术相对成熟的金属基过滤材料主要有以下几种结构形式：金属丝网、金属纤维毡、活性炭纤维和多孔碳化硅陶瓷 [ 10 ] 。 金属丝网具有机械强度好、耐热冲击性好、制造简单的特点，但微粒捕集效率大约在20%到50%之间，而且再生效率也较低。但有文献 [ 11 ] 记载，金属丝网捕集器的丝网上涂有铝和贵金属涂层，将捕集器安置在靠近发动机的排气歧管上，这样可利用排气的高温来进行催化反应，这是利用贵金属催化剂具有降低碳烟点燃温度的特点，同时可以促进一氧化碳和碳氧化合物的氧化，放出反应的热量，使丝网上的碳烟微粒燃烧。 与金属丝网相比，金属纤维毡具有比表面积大、透气性好和过滤精度高等优点，特别适用于高温、有腐蚀介质的恶劣条件，应用前途很广 [ 12 ] ，但其存在亚微米级过滤效率不高和粘性微粒黏附的问题。经过试验表明通过外加粉体助剂后可有效的解决这一问题，所以不锈钢烧结纤维毡外加粉体助剂大大提高微细烟尘的过滤效率，有效阻止了粒子黏附和堵塞金属纤维毡，降低了排气背压 [ 13 ] 。 由于活性炭纤维具有独特的微孔结构以及大的表面积，从而大大缩短了微粒吸附的行程，加快了吸附的速率，是一种很好的吸附剂。同时其不仅具有良好的催化作用，在低温下可将一氧化氮氧化成二氧化氮，与水结合形成硝酸；而且还具有较强的还原能力，可以直接将氮氧化合物还原成氮气，降低污染。活性炭纤维的吸附和催化作用在尾气排放处理方面具有潜在的应用前景，但其缺点主要是机械性能、耐高温和抗氧化的能力不足。 多孔碳化硅陶瓷由于具有良好的气体流过性和表面积大的特点，所以其微粒捕集效率较高。同时具有良好的抗氧化性，以及在高温条件下保持良好的机械性能和化学稳定性，也是一种非常具有应用前途的材料。若要增大微粒捕集效率，就要通过增加开孔率的方法增加多孔材料的表面积，但开孔率过高，其的机械性能就会下降。为了克服这一问题，可在多孔基层表面添加纳米线 [ 14 ] 。虽然碳化硅纳米线具有很多的优点，但催化剂的使用使处理的步骤更加繁琐，同时在纳米线生长的过程中易受到金属催化剂的污染，使其变性。 钛酸铝过滤材料是康宁公司推出的，并于2011年进入市场。由于其具有更高的抗热冲击能力和抗灰分特性，并且单位体积可以吸收更多的能量，使得其特性优于碳化硅材料。有报道称，该过滤材料经过55次非可控再生和90次可控再生后，仍然没有损坏，表现出良好的耐久性(如图1所示) [ 15 ] ，但其机械强度低，制备不易，成本较高 [ 16 ] 。 齿形木纤维是一种内部具有中空通道、外部为齿形结构的过滤滤芯。通过实验研究(结构如图2所示) [ 17 ] ，在捕集器过滤室壳体为直径140 mm，高150 mm时，木纤维直径为15 μm、滤芯填充率为0.3、滤芯厚度为12 mm时，其过滤效率可达96%，排气背压为3 kPa，使用寿命可达60 h，完全满足国家排放法规的标准，有效的解决了排气背压和捕集效率矛盾的问题，具有广泛的应用前景。 根据以上分析，各种捕集器过滤材料的优缺点如表1所示。 图1. 钛酸铝过滤材料 图2. 齿形木纤维滤芯 Table 1 The advantages and disadvantages of all kinds of trap filer material 陶瓷基 金属基 壁流式 蜂窝陶瓷 泡沫陶瓷 陶瓷纤维毡 金属丝网 金属纤维毡 活性碳纤维 多孔碳化 硅陶瓷 钛酸铝 齿形木纤维 优点 捕集效率90%以上， 热膨胀 系数低 捕集效率40%~70%， 可塑性、 热稳定性好 捕集效率 可达90% 以上，耐高温 捕集效率20%~50%， 强度好， 耐热冲击 捕集效率高， 比表面积大， 透气性好 吸附速率快， 良好的 催化作用 捕集效率较高，良好的机械性能和化学稳定性 高的抗热 冲击和 抗灰分特性 捕集效率 高达96%。排气背压低 缺点 物理参数个各向异性， 径向膨胀 系数大 强度低， 寿命低 捕集效率与 压降矛盾突出，再生困难 捕集效率和 再生效率低 亚微米级过滤 效率不高， 粘性微粒黏附 机械性能、 耐高温和 抗氧化 能力不足 开孔率过高，机械性能 下降；纳米线易变性 制备难， 成本高， 机械强度低 使用寿命 较低 表1. 各种捕集器过滤材料的优缺点