行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
帶電荷濾材對室內空氣過濾效率之影響
The Influence of Char ged-Medium Filter on the Filtr ation
Efficiency of Indoor Aer osol
計畫編號：NSC 90-2211-E-002-037
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：李慧梅 臺灣大學環境工程研究所
計畫參與人員：楊心豪 臺灣大學環境工程研究所
一、中文摘要 本計畫利用界面活性劑調理濾材，使 濾材成為帶電濾材提升對過濾效能，其中 分別利用陰離子（sodium dodecyl sulfate 與 sodium oleate）與陽離子界面活性劑（di-methyl dioctadecylammonium bromide）使濾 材成為帶正電及負電之濾材。在探討濾材 之過濾效率時，分別針對不同之實驗變因 比較，如氣膠微粒之大小（0.05～0.5µm）、 氣膠微粒之帶電性（正電、負電及中性帶 電）及表面風速（5、10、15 cm/s）。比較 處理前後之濾材之過濾效率，以中性電荷 之氣膠微粒測試，表面處理界面活性劑之 濾材，其過濾效率較未處理之濾材約增加 20~30%，根據比較靜電吸引機制（庫倫力 與介電力），可以發現當表面處理界面活 性劑後，可使濾材表面帶電成為帶電濾材。 關鍵詞： 帶電濾材、界面活性劑、過濾效率 Abstr actIn the study, the appropriate surfactants were used to make the fibrous filter become charged to increase the filtration efficiency. The anionic surfactants (i.e., sodium dodecyl sulfate and sodium oleate) and cationic
surfactant (i.e., dimethyl
dioctadecylammo-nium bromide) were used to create the negative and positive charged-medium filter, respectively. The filtration efficiency of those filters was investigated as function of particle size (0.05-0.5 µm) and charge state (positive charged, negative charged, and neutral) for three face velocities (5, 10, and 15 cm/s). By
comparison, the filtration efficiency of the treated fibrous filter has been shown to increase 20-30% than no-treated fibrous filter for neutral particles. The electrostatic particle capture mechanisms were in addition to the mechanical capture mechanism of the treated fibrous filter. The results indicated that the fibrous filter treated with surfactant become the charged-medium filter.
Keywor ds:
Charged-medium filter, filtration effici-ency, surfactant 二、緣由與目的 隨著工業發展及日常生活習慣改變， 一般人一天約 90%時間是活動於室內環境 中，因此室內空氣良好與否對人體健康影 響相當大，室內氣膠微粒為室內污染主要 來源之一，在去除室內氣膠微粒方式上， 最常以過濾方式去除氣膠微粒，而近年最 常用於過濾之濾材為靜電濾材，其除傳統 機械過濾機制外，還增加靜電吸引機制， 大幅增加過濾效率，不過目前市面上靜電 濾材價格相當昂貴，且電荷亦隨時間增加 而消失，為改善這兩個缺點，在本計畫中 將利用其他方式製造帶電濾材。過去靜電 濾材主要是以電暈放電、磨差帶電及感應 帶電等方式製造[1]，在計畫中，是利用離 子性界面活性劑調理濾材，使未帶電濾材 成為帶電濾材增加過濾效率，過去界面活 性劑多是用於水過濾時使薄膜帶電[2]，本 計畫將之運用於室內空氣之過濾，探討是 否同樣具有帶電之效果。 本計畫中利用比較靜電吸引機制（庫 侖力與介電力），來探討界面活性劑處理
後是否具有帶電性，除此之外，另比較其 他實驗變因（如：粒徑大小、氣膠帶電性、 界面活性劑種類及表面風速）對過濾效率 之影響，以瞭解此種型態濾材之過濾效能。 三、實驗方法 在本計畫中帶電濾材是利用界面活性 劑調理一般不帶電濾材，使其成為帶電荷 之濾材，濾材材質選用不帶電之聚丙烯 (Polypropylene)纖維濾材，界面活性劑選用 三 種 ， 分 別 為 sodium dodecyl sulfate (SDS) 、 sodium oleate (NaOl) 及 dimethyl dioctadecylammonium bromide (DDAB)。調 理濾材方式首先配置界面活性劑溶液，再 將濾材進至界面活性溶液中約 15 分鐘，待 界面活性劑留置於濾材表面後放置於烘箱 中，於 105o C 的環境下將濾材烘乾，在放 置於 25o C 的環境下，完成調理程序，其中 界面活性劑會留置於濾材上，主要是由於 界面活性具有一個或多個官能基，官能基 端具有極性會與有機濾材表面形成極性 鍵，而留滯於濾材表面。調理前後濾材特 性均列於表一。 在實驗氣膠方面主要選擇兩種固態氣 膠與一種液態氣膠，分別為 sodium chloride (NaCl)、potassium chloride (KCl)及 di-octyle phathalate (DOP)。實驗氣膠的生成是利用 卡 里 遜 噴 霧 器 (Collison Atomizer, Model 3076, TSI Inc)產生多粒徑分佈氣膠微粒， 先通過乾燥器將水分吸收產生乾燥之氣 膠 ， 再 利 用 電 移 動 度 分 析 儀(Differential Mobility Analyzer, Model 3071, TSI Inc)篩 選出實驗所需的單一帶電之單一粒徑氣膠 微粒[3]，實驗氣膠粒徑範圍在 0.05～0.5µm 間，在此部分的微粒為帶正電荷，主要原 因為 DMA 中電極為負電電極，為產生負 電氣膠微粒，將 DMA 中之負電電源置換 成一正電電源供應器（MP Series, Spellman Inc），將由 DMA 流出之氣膠流入一 Kr-85 電性中和器（Neutralizer, Model 3077, TSI Inc），使氣膠微粒成為中性帶電之氣膠微 粒 ， 再 利 用 氣 膠 電 荷 儀 （ Aerosol Electrometer, Model 3068A, TSI Inc）量測， 以確定是否達到中性帶電。
在氣膠微粒穿透率量測部分，包含有 濾材握持器、兩台氣膠微粒計數器（Cond-ensation Particle Counter, Model 3025, TSI
Inc）、壓差計（Pressure Gage, Model 2000, Dwyer Instruments Inc）及流量計，將實驗 濾材放置於握持器上，使實驗氣膠流過濾 材，再同時量測濾材前端與後端之氣膠粒 數，即可得氣膠微粒之穿透率，而流量計 可控制氣膠流通過濾材時之表面風速。整 個實驗系統如圖二所示。 四、結果與討論 1. 預備實驗 在過濾實驗進行前，先比較處理前後 濾材壓降與表面風速關係，目的在於確定 界面活性劑處理濾材是否會增加濾材之壓 降，由圖一的結果可以發現，當濾材以 0.1M 之 NaOl 處理過後，其壓降與未處理之濾材 並未有明顯之改變，表示界面活性劑並未 對濾材造成阻塞的現象，因此可以確定過 濾實驗中，過濾效率增加不是因為孔隙阻 塞的原因造成。 2. 靜電過濾機制之觀察 圖二為以 NaOl 處理之濾材及未處理 之濾材分別與 NaCl 正電及中性電荷微粒 穿透率之實驗結果，其中發現當濾材處理 界面活性劑後，其穿透率較未處理前均有 明顯的下降，大約下降 10~30%，且比較帶 電微粒與中性電荷微粒與處理過後濾材之 穿透率曲線，可以發現在較小微粒時穿透 率差距較大，隨著粒徑的增加差距越來越 小，這與靜電機制中庫侖力隨粒徑增加而 降低、介電力隨粒徑增大而增加的現象是 相符合的[4]，且實驗進行為控制在次微米 之氣膠粒徑與表面風速為 10 cm/s，均為靜 電收集機制最為顯著之操作條件，由此可 以知道當濾材處理界面活性劑後，其過濾 現象是符合靜電過濾機制的現象，因此可 以確定當濾材處理界面活性劑後即成為帶 電荷之濾材，而另兩種界面活性劑處理之 濾材也具有同樣的實驗結果（SDS 以正電 微粒比較，DDAB 以負電微粒比較）。 3. 界面活性劑種類之影響 圖三為不同界面活性劑處理之濾材與 NaCl 中性電荷微粒進行比較，由實驗結果 可知 0.1M NaOl 與 0.05M DDAB 處理之濾 材穿透率相當接近且均低於 0.01M SDS 處 理之濾材，故可知不同之界面活性劑其在 濾材表面所形成的有效電場並不相同。
4. 表面風速之影響 圖四為 DDAB 處理之濾材與 NaCl 中 性電荷微粒在不同表面風速下穿透率之比 較，結果發現當表面風速越低，其穿透率 越低，主要原因在於氣膠微粒在次微米粒 徑時，當表面風速越低其布朗擴散收機制 的現像就越明顯，因此當表面風速越低 時，其穿透率就越低。 5. 氣膠微粒種類之影響 圖五為 NaCl 與 KCl 中性電荷微粒與 NaOl 濾材之過濾效能比較，其中可以發現 KCl 之穿透率略微高於 NaCl，主要原因在 於 KCl 之介電常數為 4.64，而 NaCl 之介電 常數為 5.9，就介電常數而言 NaCl 高於 KCl 約 1.26，不過將其帶入介電吸引力之無因 次參數與顛單一纖維理論中，發現 NaCl 之過濾效率僅是 KCl5 1.07 倍，故符合實驗 結果中過濾效率差距相當小。 圖六為 DOP 與 NaCl 中性電荷氣膠微 粒與 NaOl 濾材之過濾效能比較，其中發現 DOP 之穿透率高於 NaCl，主要原因在於 DOP 為液態油滴微粒，其過濾效率略高固 態氣膠微粒。 6. 複合性濾材 由於陰離子界面活性劑調理濾材成為 帶負電濾材，而陽離子界面活性劑調理濾 材為正電濾材，而一般靜電濾材為帶有正 電與負電之濾材，故將帶正電語帶負電之 濾材組合，探討其過濾效率，圖七即是複 合性濾材過濾效率之圖形，可以發現其穿 透率降至約 10~30%左右，大幅降低濾材之 穿透率。 五、計畫成果自評 1. 完成以界面活性劑調理而成之帶電濾 材。 2. 完成帶負電微粒之產生。 3. 完 成 在不 同粒徑下之過濾效率之探 討。 4. 完成在不同帶電情形下過濾效率之探 討。 5. 完成在不同表面風速下過濾效能之探 討。 6. 完 成 不同 氣膠成分下過濾效能之探 討。 7. 完 成 將帶 正濾材與帶負電濾材組合 下，過濾向能之探討。 六、參考文獻
1. Brown, R. C. (1993). Aerosol Filtration: An Integrated Approach to the Theory and Applications of Fibrous Filters, Pergammon Press, Oxford, pp. 120-177.
2. Kang, P. K., and Shah, D. O. (1997). Filtration of Nanoparticles with Di-methyldioctadecylammonium Bromide Treated Microporous Polypropylene Filters, Langmuir. 13:1820-1826.
3. Liu, B.Y. H., and Pui, D. Y. H. (1974). A Submicron Aerosol Standard and the Primary, Absolute Calibration of the Condensation Nuclei Counter, J. Colloid Interface Sci. 47:155-171.
4. Romay, F. J., Liu, B. Y. H., and Chae, S. J. (1998). Experimental Study of Electrostatic Capture Mechanisms in Commercial Electret Filters, Aerosol Sci. Technol. 28:224-234.
F a c e V e lo c it y (c m /s ) 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 P r e s s u r e D r o p ( P a ) 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 N o t r ea t ed w it h so d iu m o le a t e P r et r ea t ed w it h so d iu m o lea t e P a r t ic le S iz e (m ic r o m e t e r ) 0 .01 0 .1 1 P e n e tr a ti o n ( % ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00
N o -T rea ted Filte r N aO l treated F ilter S D S treate d F ilter D D A B treate d F ilte r P a r t ic le S iz e (m ic r o m et er ) 0 .01 0 .1 1 P e n e tr a ti o n ( % ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00
C h arg ed P article - N aO l treate d F ilte r N eu tral P article - N a O l treated Filter C h arg ed P article - N o -tre ated F ilter N eu tral P article - N o - tre ated F ilter
P a r t ic le S ize (m ic r o m et e r ) 0 .01 0 .1 1 P e n e tr a ti o n ( % ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00 N aC l N eu tral P artic le K C l N eu tral Pa rticle S o d iu m O lea te trea ted Filte r
P a r t icle S ize (m icr o m et er )
0 .0 1 0 .1 1 P e n e tr a ti o n ( % ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00 S D S+ D D A B treated F ilter N aO l+ D D A B tre ated Filte r
P a r t icle s iz e (m ic r o m et er ) 0 .0 1 0 .1 1 P e n e tr a ti o n ( % ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00 N aC l N eu tral P article D O P N e u tra l P artic le 七、實驗圖表 表一、濾材特性 Filter Mater ial Tr eated Sur factant Por e size (µm) Measur e d Basis weight of Sample (g/m2) Mean Fiber Equivalent Diameter a (µm) Packing Fr action Polypr opylene No 20 165.05 30.5 0.05 Polypr opylene 0.05M SDS 20 205.63 30.5 0.05 Polypr opylene 0.05M NaOl 20 213.48 30.5 0.05 Polypr opylene 0.01M DDAB 20 209.36 3.05 0.05 a Measured by SEM 圖一、濾材處理前後壓降與表面風速關係圖 圖二、NaOl 調理濾材之過濾效能(U=10cm/s) 圖三、不同界面活性劑過濾效能之比較 圖四、DDAB 調理濾材在不同表面風速下之過 濾效能 圖五、NaCl 與 KCl 過濾效率之比較 (NaOl 調理濾材) 圖六、NaCl 與 DOP 過濾效率之比較 (NaOl 調理濾材) 圖七、複合濾材之過濾效率
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