實驗結果

在相同海孔隙度與表面風速之下，由於填充密度越高其海綿纖維風速改變越 大，因此填充密度越高其產生壓降會越大，且壓降變化會與其填充密度成二次方的關 係(Fingure 1-4A.)。海綿孔隙度越大則纖維直徑越小，因此因此相同體積的海綿其纖 維表面積會隨海綿孔隙度增加而增加。而在過濾時產生的壓降與氣流於纖維間的拖曳 力有關，因此可以觀察到在相同表面風速之下，海綿孔隙度越大壓降越大，且在相同 孔隙度，表面風速與壓降會成一線性關係(Fingure 4B.)。

本研究根據單纖維理論就表面風速、充填密度與纖維直徑，分別探討海綿濾材 對於奈米氣懸微粒穿透率的影響。

表面風速對氣懸微粒穿透率與粒徑關係的影響如Figure 4.。由於奈米微粒主要 被收集機制以擴散為主，微粒若在濾材中停留時間越長則越有機會因擴散沈積而被海 綿纖維所收集，且粒徑越小的微粒其擴散作用越明顯。因此，微粒穿透率會隨著表面 風速的減小而降低（表面風速 5.6 升高至 66 cm/sec，10 nm 微粒的穿透率由 0.3%

提高 為 20%）；且相同表面風速之下，微粒越小擴其穿透率越低。除此之外，無論從 實驗值或單一纖維理論Figure 4.也顯示：當海綿濾材表面風速大致某一程度時(66 cm/sec)，些許微粒（dp< 40 nm）其主要被收集機制會從擴散沈積變為慣性衝擊沈 積，因此其微粒穿透率反而是隨粒徑增加而降低。由於海綿濾材壓降會隨著濾材表面 風速的增加而增加而微粒收集率卻會隨濾材表面風速增加而減少，造成海綿濾材過濾 品質隨表面風速增加而下降。

如Figure 5.所示，由於填充密度增加，纖維排列越緊密，則微粒的慣性衝擊沈

積機制影響增加，因此海綿填充密度越大其微粒穿透率越低（填充密度由 0.036 增加 至 0.541 則 20 nm 微粒穿透率由 21% 降低至 9%）。雖然利用提高海綿濾材的填充密 度可以增加海綿對奈米微粒的收集效率，不過因為其所產生壓降與填充密度成二次方 正比關係，因此反而使得過濾品質降低(填充密度由 0.036 增加至 0.541 則 20 nm 微 粒穿透率由 21% 降低至 9%，過濾品質反而由 1.5 降低至 0.018)。由此可知，若以過

濾品質觀點而言，增加海綿填充密度反而會增加能源消耗。

Figure 6.是探討纖維直徑大小對微粒穿透率與粒徑關係之影響。海綿孔隙度越大 其纖維直徑越小且海綿纖維間隙越小，微粒擴散至纖維表面被收集的所需時間越短。

因此，在相同操作條件之下纖維直徑越小其微粒穿透率越低。雖然低孔隙度海綿的過 濾品質比高孔隙度的海綿較高，不過若要達到與高孔隙度的海綿相同微粒收集率必須 增加低孔隙數海綿數量達 4 倍(10nm 的微粒 在V=22cm/sec，T=4.23mm，

a=0.216，40ppi 與 110ppi 的穿透率分別為 60%與 7%)，如此一來反而會增加海綿濾材 成本。

無論以實驗結果或是從單一纖維理論推估，在不同操作條件所得的趨勢均相 同。只是單一纖維理論其假設狀況與實際狀況有些許差異，如：單一纖維假設纖維直 徑均一，而實際上海棉纖維交接處直徑並非與纖維直徑相同；單一纖維理論的假設為 二維與實際上海綿纖維構成三維的骨架結構並不相同等。這些結果也造成了單一纖維 理論值與實驗值並無法完全符合的狀況。

奈米微粒被收集機制主要為布朗運動所造成的擴散沈積，由布朗運動造成單一 纖維的擴散作用是與佩雷數有關，而佩雷數又會受微粒和纖維間表面風速影響。因

此，從Figure 7. 可觀察到在一定佩雷數以下的微粒其微粒穿透率為 0。微粒在海綿

濾材中隨著氣流，同時受到擴散沈積、慣性衝擊沈積與攔截沈積等機制影響。不同大 小微粒在不同表面風速之下雖然擁有相同佩雷數，不過也同時受到不同擴散沈積、慣 性衝擊沈積與攔截沈積等機制影響，所以在不同操作條件之下，即使佩雷數相同其微 粒穿透率也有一定差距。（海綿濾材表面風速為 5.6 cm/sec 粒徑為 40nm 的微粒與海 綿濾材表面風速 63.28 cm/sec 粒徑為 17.5 nm 的微粒具有相同佩雷數（1.02）其穿 透率則分別為 30％、42％）。

Figure 8.為不同粒徑微粒在不同電場電壓在靜電集塵器的穿透率，微粒的靜電飄 移速度與電場強度和微粒帶電量的乘積成正比，因此電場強度越低則收集效率就越

差。靜電集塵器的處理風量大小主要影響微粒在靜電集塵器內的停留時間，停留時間 越長，則被收集的機會越高，由Figure 9.可見為處理風量對微粒穿透靜電集塵器的影 響，可以明顯看出處理風量越大，則穿透率越高。這兩部分結果均與 Huang and Chen(2001）趨勢相同。從Figure 8.、 Figure 9.皆可觀察到不論在何種操作條件之下 當微粒在大於 15nm 時，其穿透率隨著微粒粒徑增加而增加，而在微粒粒徑小於 15nm 而言，微粒穿透率反而是隨粒徑增加而減少，與 Huang and Chen（2002）利用小型板 線型靜電集塵器結果相似。主要為粒徑小的微粒，尤其是粒徑小於 1µm 的微粒，常 會有充電不足的現象，導致不帶電的微粒在電場中並不會受到庫侖力的作用而被收 集，以致於當微粒小至某一程度之後，靜電集塵器的收集效率反而會有下降趨勢。

為了可以有效控制從靜電集塵器脫逃的奈米微粒，利用海綿與靜電集塵器作一 串聯，而此海綿的截面面積與小型靜電集塵器出口面積相等。由前述結果可知：增加 海綿填充密度可以增加奈米微粒收集效率，不過產生壓降驟增反而造成操作成本增 加；低孔隙度的海綿雖然有較高的過濾品質，不過要達到高孔隙度海綿的收集效率需 要增加濾材厚度，必須增加濾材材料成本，因此使用 110ppi，T=25.4mm，α=0.036 的 海綿串聯於靜電集塵器之後。利用海綿濾材(110 ppi，填充密度 0.04，厚度 25.4 mm) 串接於靜電集塵器（電場電壓為-6 kV）之後，在處理流量為 100 lpm 之下可以有效 控制奈米微粒(10 nm 微粒其穿透率由 19% 降低至 2.5%)，如Figure 10.。假使分別以 靜電集塵器與海綿濾材微粒收集效率而言，則可以觀察到利用海綿濾材可以恰好補足 靜電集塵器在收集效率較差部分(微粒粒徑在 15nm 以下)，進而有效控制穿透靜電集 塵器的奈米微粒（如Figure 11.）。以海綿過濾品質而言，使用靜電集塵器可以有效 增加各粒徑微粒的過濾品質，其過濾品質隨著流量減少而增加（如Figure 12.）。