第一章 奈米微粒穿透海綿濾材特性研究
第三節 實驗方法
本研究目的在於瞭解影響奈米微粒在海綿濾材的收集效率因子，其中包括濾材表 面風速( face velocity)、填充密度(packing density)、孔隙度(porosity)。
以濾材而言，最佳濾材是擁有高收集效率及低壓降。而濾材在不同條件下擁有不 同過濾品質，在本研究也會針對不同條件下海綿濾材的過濾品質作一討論。並且利用 斜背式壓力計量測濾材上游與下游的靜壓差，以得到濾材不同條件之下的壓降資料。
3-1 實驗儀器與材料
為了可以更有效控制測試氣膠粒徑與濃度穩定性，本研究在實驗室中設置一個測 試腔，實驗系統設置如Figure 1.所示，以下就各部分分別說明：
(1)氣懸微粒產生系統
利用定量輸出霧化器(constant output atomizer, Model 3075, TSI Inc., St. Paul, MN, U.S.A.)來產生氣動粒徑小於 100 nm 的多粒徑分佈的氣懸微粒。此產生原理為利 用高壓空氣通過一直徑為0.343 mm 的微孔以高速射出後，由於伯努利原理高速區氣 壓較低，因此會將連接瓶中的液體吸入低壓區，在藉高速空氣柱將液體破碎成微小液 滴。較大的液滴則會因慣性力較大而被截取並流入儲液瓶，微小液滴(0.3 µm ~0.35 µm)會隨高壓空氣離開霧化器，經過稀釋、乾燥後，即成為所需的測試用氣懸微粒。
微粒粒徑大小主要是調整溶液中非揮發性溶質所佔的體積分率來決定。
(2)氣懸微粒的量測
氣懸微粒的量測使用微粒電移動度掃瞄分徑器 ( scanning mobility particle sizer(SMPS), Model 3936, TSI Inc., St. Paul, MN, U.S.A.) 。SMPS 包括靜電分徑儀 ( nano DMA, Model 3085, TSI Inc., St. Paul, MN) 和凝結核微粒計數器
(condensation particle counter, Model 3022, TSI Inc., St. Paul, MN) 兩個部分。靜電 分徑儀為利用微粒電移動度的不同，來區分微粒的粒徑；凝結核微粒計數器的原理為 讓微粒隨氣流通過充滿正丁醇飽和蒸氣的管子(溫度為37oC)，再將此混合氣體通過 冷凝管(溫度為 10oC)，使正丁醇蒸汽凝結於微粒表面，微粒因而長大至可偵測的範
圍，再利用光計數器量測微粒的數目，偵測微粒濃度的範圍為0~107 particles/cm3， 所量測的粒徑範圍是5∼1000 nm。
(3)氣膠靜電中和器(Kr-85, Model 3077, TSI Inc., St. Paul, MN, U.S.A.)
Krypton-85 是為一放射性物質，是利用其衰變的過程中所釋放出的 粒子將空氣 分子解離成正、負離子之後，再藉著這些離子附著到微粒的表面，以達到中和帶電微 粒。Krypton-85 的半衰期為 10.3 年。實驗過程中，測試微粒產生，先經氣膠靜電中 和器使微粒達成波玆曼平衡，當微粒在此分佈下，不同微粒不帶電、帶單一電荷與重 複帶電的情形會呈現固定比率，因此可降低靜電對實驗結果所造成的干擾。
3-2 實驗步驟
1.海綿基本過濾特性
本研究中，為考慮到小系統較穩定且易於控制，所以在進行微粒穿透濾材實驗 時，將濾材剪裁為一直徑 15 mm 的圓形置放於自製海綿握持器(home-made foam filter holder)(如Figure 2中進行微粒的過濾特性實驗。實驗用的海綿為美國Fomaex International Inc.提供之聚氨酯(polyurethane)海綿。這類海綿具有完整且開放式單 元，以及三維的骨架結構，因此具有多孔性即可穿透性，所以具有過濾氣懸微粒的作 用。海綿也因為具有開放孔洞的骨架結構，因此過濾時空氣阻抗及所產生的壓降較 低，且由於海綿其填充密度僅有0.036，所以有較大的微粒負載量。每塊海綿厚度為 12.7 mm，填充密度為 0.036。
每一片海棉濾材在進行實驗之前均先以浸泡異丙醇(isopropanol)的方式，來去除 海綿纖維上的帶電(Kanaoka ea al., 1987)。
整個測試腔中溫度控制在室溫範圍(20~25oC)與相對溼度介於 10 %至 15 %。為 了增加實驗系統的穩定性，系統中所有的流量均以質量流量控制器(mass flow controller, Hastings Instrument, Hampton, VA)來控制與監視，並以紅外線皂泡計 (Gilian Instrument Co. west caldcoell, NT)做流量的校正。
利用斜背式壓力計量測濾材上游與下游的靜壓差，以得到海綿濾材在不同遭作條
件之下的壓降資料，在利用不同條件得到微粒在濾材的穿透率，進而求得濾材過濾品 質。
以下針對控制海綿過濾時所操作變因逐一做說明：
(1)海綿表面風速（face velocity, V）之改變
由於海綿握持器表面積為一定值，因此抽氣幫浦和量測儀器抽氣總量即為海綿之 過濾流量，而所需的抽氣量則可以下式來計算之：
Q = ×A V 其中 Q：抽氣量
A：海綿握持器截面面積 V：表面風速
本實驗控制海綿表面風速為 5.6、9.5、22、38、66 cm/sec。
(2)海綿填充密度（packing density, α）之改變
海綿在未受外力擠壓時，不同孔隙度的海綿填充密度皆為相同，若將海綿體積壓 縮為原來一半，則其填充密度會相對變為原來的兩倍。實驗時，利用自製的海綿握持 器上的螺帽在螺絲的位置可控制海綿填充體積，因此可推算海綿填充密度。
本實驗設計填充密度為0.036、0.106、0.216、0.36、0.541。
(3)海綿孔隙數(porosity, Po)之改變
海綿孔隙度與海綿製作過程有關，因此無法利用實驗室器具改變海綿濾材孔隙數 孔隙數，因此藉使用廠商提供之不同孔隙數海綿，設計有40、60、80、100、110 ppi( pores per inch, ppi)。
2.靜電集塵器串聯海綿濾材部分
本研究使用小型雙鋸齒狀靜電集塵器(如Fingure 2-A)。
(1)靜電集塵器電場電壓（applied voltage,Va）之改變
利用一高電壓直流供應器以供應電暈放電時所需要的能量，本實驗設計供應電壓 為-3、-4、-5、-6kV。
(2)靜電集塵器處理風量（flow rate,Q）之改變
利用乾燥且乾淨的高壓空氣控制流經靜電集塵器風量，本實驗設計處理風量為 40∼120 L/min。而在與小型雙鋸齒狀靜電集塵器串聯的海綿濾材其截面面積則與靜 電集塵器出口端截面面積相同。
實驗時，測試微粒產生後先經靜電中和器，再利用乾燥且經過高效率濾材(HEPA filter)的空氣與其在混合腔中均勻混合，確保微粒是以乾燥狀態穿過海綿。海綿握持器 則放置在測試腔的後段，利用海綿握持器上下游的氣懸微粒粒數差異可得知不同粒徑 區間下的穿透率，如下式：
in out
C P=C
其中，P:單一粒徑微區間粒穿透率 Cin:單一粒徑區間微粒上游濃度 Cout:單一粒徑區間微粒下游游濃度
為了避免因為採樣時間過短而導致實驗誤差，SMPS 每次採樣時間訂為 300 秒，
每次採樣分別進行五次做海綿補集效率測試，最後取五次穿透率之平均值來表示各條 件之下奈米微粒粒徑與海綿補集效率之關係。