研究新知
◎熱泳對過濾效率的影響
空氣中的微粒藉由以下列四種方式輸送：
1.布朗運動(Brownian motion)
2.因濃度梯度引起之擴散(Diffusion by concentration gradient)
3.對流擴散(Convection diffusion)
4.外部的能量引起之擴散(如熱泳Thermophoresis)。
其中，熱泳指粒子在具有温度梯度的氣體中，由於較高温部分的氣體分子要比較低温部分的氣體分子以更高的動能與粒子碰撞，導致粒子從高温部分向低温部分移動的現象，所作用在粒子上的力叫做熱流力。在日常生活中我們可以經常看到這種現象，如煤油燈燈罩長時間使用後會變黑，就是燈罩中熱氣流的熱泳所致。工業上的熱除塵器就是利用了熱泳現象，將灰塵沉降在冷的壁面上而達到收集和除塵的效果。在熱交換器中，冷卻較快的壁面處結垢較快也是熱泳現象的例子。
熱泳引起的粒子操縱機制。(A)熱泳是指顆粒在溫度梯度(通常從熱到冷)中的定向運動，由顆粒-溶劑系統的Gibbs自由能自發性降低驅動。(B)熱泳和熱誘導對流的耦合使分子和顆粒在冷區聚集。(C)使用聚合物分子(例如PEG)耦合熱泳和擴散泳，可以操縱目標顆粒。(D)陽離子和陰離子溶質的熱泳所產生的熱電效應，能夠精確地操縱帶有表面電荷的膠體。
在過濾領域，特別是在空氣過濾領域，熱泳會對過濾效率產生影響，取決於多種因素，包括氣溶膠的尺寸、顆粒的特性、過濾材料和操作條件，以下是一些需要考慮的一般要點：
顆粒大小和成分
對於較小的顆粒，熱泳效應往往更顯著，隨著粒徑減小，熱泳的影響變得更加明顯，過濾效率會隨著溫度波動而變化。隨著溫度上升，氣體分子獲得更多的動能，布朗運動增加，碰撞率也更高，且氣體的黏度隨著溫度的升高而增加，加劇了氣溶膠顆粒在過濾器上的擴散沉積。因此，布朗運動的增加會增加顆粒與過濾纖維接觸並被過濾纖維捕獲的機會。有趣的是，溫度升高往往會降低顆粒滲透，顯示整體過濾效率有可能提高。滲透率的降低可歸因於布朗運動增加和氣流模式可能改變的綜合影響，但對於僅遵循布朗原理的較小顆粒尺寸來說，這種影響更為顯著。此外，當空氣黏度隨溫度升高可能影響通過過濾器的氣流時，可能導致過濾材料上的阻力增加和壓力降變化。
熱泳是一種與流體中由於溫度梯度而發生的粒子運動有關的現象。
過濾材料
過濾材料的特性(例如材質和結構)會影響熱泳與過濾過程的相互作用。過濾材料的幾何形狀和任何塗層的存在都會影響熱泳力。過濾系統中溫度梯度的存在對於熱泳的發生非常重要，如果空氣和過濾材料之間存在顯著的溫度差，熱泳可能成為更突出的因素。過濾器和氣溶膠之間的溫差是一個關鍵因素，當過濾器和氣溶膠之間存在溫度差時，會觀察到效率的顯著差異，這種差異會影響作用在顆粒上的熱泳力，進而改變它們在過濾器內的行為。
面速度
通過過濾器的流體速度會影響顆粒的熱泳行為，較高的面速度可以減少熱泳的影響。較高的流速可以透過改變顆粒在過濾器內的停留時間來影響熱泳。更快的流速可以減少顆粒在過濾器表面附近停留的時間，進而減少熱泳力的影響。
熱泳的影響
總之，熱泳對過濾效率的影響是受多種因素影響的多方面交互作用，它的作用可以提高或降低過濾效率，取決於實際情況。值得注意的是，對於較大的顆粒尺寸，存在效率降低的可能性。此外，熱泳效應可能會增加空氣中顆粒和過濾纖維的電荷衰減，這可能導致效率進一步降低。熱泳在過濾系統中的重要性是可變的，需要全面分析，考慮所有相關因素以獲得精確結果。
資料來源：
1.https://www.filtnews.com/impact-of-thermophoresison-filtration-efficiency/
2. F. Tian, Z. Han, J. Deng, C. Liu, J. Sun, Thermomicrofluidics for biosensing applications, VIEW, 2, 20200148, 2021. http://dx.doi.org/10.1002/VIW.20200148.
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
