울트라 전체의 압력 강하 값 모델링

Jan 12, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5449(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

나노섬유 필터 전반에 걸친 압력 강하를 예측하는 모델을 개발하기 위해 다양한 섬유 크기, 패킹 밀도, 면 속도 및 두께의 56개 조합을 갖춘 섬유 필터의 전산 유체 역학 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 방법의 정확성은 수치적 압력 강하를 폴리아크릴로니트릴 전기방사 나노섬유 필터에 대해 얻은 실험 데이터와 비교함으로써 확인되었습니다. 시뮬레이션에서는 작은 나노섬유 표면 주위의 공기역학적 미끄럼 효과가 고려되었습니다. 결과는 기존 여과 이론의 경우와 달리 전기방사 나노섬유 필터의 얇은 층에 걸친 압력 강하가 두께에 비례하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 이는 매우 얇은 층을 가진 전기방사 나노섬유 필터 전체에서 정확한 압력 강하를 얻는 데 중요한 요소일 수 있습니다. 마지막으로 압력 강하 예측을 위한 상관 방정식을 얻기 위해 패킹 밀도, Knudsen 수 및 두께 대 섬유 직경 비율의 함수로 항력 계수와 레이놀즈 수의 곱을 도출했습니다. 얻은 방정식은 15% 미만의 최대 상대 차이로 나노섬유 필터 전체의 압력 강하를 예측했습니다.

대기 오염의 부정적인 영향은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이는 인간의 호흡기계를 위협하여 심장병, 폐렴, 뇌졸중, 당뇨병, 폐암 등 심각한 건강 문제를 유발합니다1,2,3,4. 매년 수백만 명의 사망자가 실내 및 실외 대기 오염에 노출되어 발생하는 것으로 추정되기 때문에 세계보건기구(WHO)는 대기 오염을 단일 환경 건강 위험 중 가장 큰 위험으로 간주합니다5,6. 다양한 화학적 조성을 지닌 미세한 고체와 액체 입자의 복잡한 혼합물인 입자상 물질(PM)은 주요 대기 오염 물질 중 하나입니다1,7. PM2.5(공기역학적 크기 2.5μm 미만)의 작은 크기와 넓은 표면적은 인간의 폐 깊숙이 침투할 수 있고 독성이 있어 질병률과 사망률을 증가시킬 수 있습니다8,9,10,11. 그러므로 인간의 일상생활에서 PM을 효과적으로 관리하고 제거하는 것은 매우 중요합니다.

공기 여과는 공기 질을 제어하는 ​​가장 효과적인 방법 중 하나로 간주됩니다. 이는 일반적으로 멤브레인 및 섬유 재료를 사용하여 달성됩니다. 필터 재료의 성능은 다양한 지표를 사용하여 평가할 수 있습니다14. 일반적으로 필터의 성능은 품질 계수(\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\))로 평가됩니다. 따라서 필터 매체 전체의 압력 강하(ΔP)는 에너지 소비 측면에서 측정된 제거 효율(θ) 외에도 중요한 요소입니다. 섬유형 공기 필터는 멤브레인형 필터17에 비해 다공성 구조(즉, 낮은 패킹 밀도)로 인해 많은 여과 응용 분야에 널리 사용됩니다. 기존의 섬유형 공기 필터는 수 마이크론에서 수십 마이크론까지 다양한 직경의 섬유로 구성됩니다. 이러한 대형 섬유는 높은 제거 효율로 PM을 포착하기 위해 상당한 두께가 필요하므로 큰 압력 강하가 발생합니다. 효율과 압력 강하 사이의 이러한 균형을 해결하기 위해 전기방사 공정으로 생산되는 수십 나노미터에서 수백 나노미터의 섬유 크기를 갖는 나노섬유 필터가 큰 관심을 끌었습니다. 나노섬유 필터의 뚜렷한 장점 중 하나는 작은 나노섬유 표면 주위의 공기 역학적 미끄러짐으로 인해 가스 흐름에 대한 저항이 감소하여 개별 섬유에 걸쳐 압력 강하가 낮아진다는 것입니다23,24,25,26.

이 유망한 기술을 개발하기 위해 많은 연구자들은 기계적 강도, 제거 효율성 및 압력 강하와 같은 성능 측정 항목과 관련된 실험적 조사를 수행했습니다. Leung et al.28은 평균 직경이 208nm인 폴리에틸렌 옥사이드 나노섬유 층을 적층하여 제거 효율과 압력 강하에 대한 패킹 밀도와 두께의 영향을 조사했습니다. 그들의 연구에서는 다층 나노섬유 필터가 동일한 양의 나노섬유 증착을 사용한 단일층에 비해 압력 강하를 상당히 감소시키는 것으로 나타났습니다. Zhang 등29은 자동차 배기가스에서 PM2.5 제거에 적용하기 위해 고온 안정성을 갖춘 전기방사 폴리이미드 나노섬유 필터를 개발했습니다. Xia et al.30은 문헌에서 122개의 실험 데이터를 수집하여 전기방사 나노섬유에 대한 압력 강하와 면 속도 사이의 관계를 조사했습니다. 또한, 수치적 접근 방식은 여과 매개변수 조정을 단순화할 수 있다는 장점이 있기 때문에 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 나노섬유 필터 내부의 복잡한 흐름 특성을 조사했습니다. Hosseini32는 다양한 패킹 밀도와 섬유 크기에서 압력 강하를 추정하기 위한 3D CFD 시뮬레이션을 개발했습니다. Quan et al.33은 압력 강하를 줄이기 위해 샌드위치 구조의 섬유 필터에 적용할 수 있는 최적의 슬립 효과 기능성 섬유를 찾기 위해 단일 나노섬유의 슬립 효과를 수치적으로 모델링했습니다.