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空氣過濾除菌的原理

空氣過濾所用的過濾介質,其間隙一般大于細胞顆粒,空氣中的微生物菌體是依靠氣流通過濾層時,基于濾層纖維的層層阻礙,迫使空氣在流動過程中出現無數次改變氣流速度大小和方向的繞行運動,從而導致微生物微粒與濾層纖維間產生撞擊、攔截、布朗運動、重力及靜電引力等運動,從而把微生物微粒截留、捕集在纖維表面上,實現了過濾的目的。 1.布朗擴散截留作用 直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產生一種不規則的直線運動稱為布朗擴散。布朗擴散的運動距離很短,在較大的氣流、較大的纖維間隙中是不起作用的,但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中布朗擴散作用大大增加微粒與纖維的接觸滯留機會。假設微粒擴散運動的距離為x,則離纖維小于或等于算的氣流微粒都會因為擴散運動而與纖維接觸,截留在纖維上。由于布朗擴散截留作用的存在,大大增加了纖維的截留效率。 2.攔截截留作用 在一定條件下,空氣速度是影響截留效率的重要參數,改變氣流的流速是改變微粒的運動慣性力。通過降低氣流速度,可以使慣性截留作用接近于零,此時的氣流流速稱為臨界氣流速度。氣流速度在臨界速度以下,微粒不能因慣性截留于纖維上,截留效率顯著下降,但實踐證明,隨著氣流速度的繼續下降,纖維對微粒的截留效率又回升,說明有另一種機理在起作用,這就是攔截截留作用。 因為微生物微粒直徑很小,質量很輕,它隨氣流流動慢慢靠近纖維時,微粒所在主導氣流流線受纖維所阻改變流動方向,繞過纖維前進,并在纖維的周邊形成一層邊界滯留區。滯留區的氣流流速更慢,進到滯留區的微粒慢慢靠近和接麓纖維而被黏附截留。攔截截留的截留效率與氣流的雷諾數和微粒同纖維的直徑比有關。 3.慣性撞擊截留作用 過濾器中的濾層交織著無數的纖維,并形成層層網格,隨著纖維直徑的減小和填充密度的增大,所形成的網格也就越細致、緊密,網格的層數也就越多,纖維間的間隙也就越小。當含有微生物顆粒的空氣通過濾層時纖維縱橫交錯,層層疊疊,迫使空氣流不斷地改變它的運動方向和速度大小。鑒于微生物顆粒的慣性大小,因而當空氣流遇阻而繞道前進時,微生物顆粒未能及時改變它的運動方向,其結果便將撞擊纖維并被截留于纖維的表面。 慣性撞擊截留作用的大小取決于顆粒的動能和纖維的阻力,其中尤以氣流的速度顯得更為重要。慣性力與氣流流速成正比,當空氣流速過低時慣性撞擊截留作用很小,甚至接近于零;當空氣的流速增大時,慣性撞擊截留作用起主導作用。 4.重力沉降作用 重力沉降起到一個穩定的分離作用,當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時微粒就沉降。就單一的重力沉降情況來看,大顆粒比小顆粒作用顯著,對于小顆粒只有氣流速度很慢才起作用。一般它是配合攔截截留作用而顯著出來的,即在纖維的邊界滯留區內微粒的沉降作用提高了攔截截留的效宰。 5.靜電吸引作用 當具有一定速度的氣流通過介質濾層時,由于摩擦會產生誘導電荷。當菌體所帶的電荷與介質所帶的電荷相反時,就會發生靜電吸引作用。帶電的微粒會受帶異性電荷的物體吸引而沉降,此外,表面吸附也屬于這個范疇,如活性炭的大部分過濾效能是表面吸附的作用。 利用過濾除菌時,不同除菌方法其除菌的機理不同。在過濾除菌過程中,很難分辨上述各種機理所作貢獻的大小。一般認為慣性撞擊截留、攔截截留和布朗運動截留的作用較大,重力和靜電引力的作用較小。 本文參考《發酵工程原理與技術》一書。
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