提高金屬纖維氈過濾精度的方法研究

侯力強(qiáng)，張小慶，盧文靜，許佩敏

(西安菲爾特金屬過濾材料有限公司，陜西 西安710201)

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提高金屬纖維氈過濾精度的方法研究

侯力強(qiáng)，張小慶，盧文靜，許佩敏

(西安菲爾特金屬過濾材料有限公司，陜西 西安710201)

研究采用纖維增粗法來提高纖維氈精度。用不銹鋼纖維氈作為基體，分別采用電鍍、化學(xué)鍍和原位水熱法提高纖維的絲徑，以提高過濾精度。利用掃描電鏡觀察了處理后的形貌，并測(cè)試了透氣量和泡點(diǎn)壓力，結(jié)果表明，3種方法均可以有效提高纖維氈的過濾精度。

金屬纖維氈；纖維增粗；過濾材料

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,多孔材料的應(yīng)用也越來越廣泛,對(duì)多孔材料各方面的要求也越來越嚴(yán)格。近些年，國際社會(huì)在環(huán)保立法、工業(yè)污水排放以及生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)等方面都有了更加嚴(yán)格的要求，這就要求多孔材料不但要有高的過濾精度，還要保證更高的通過效率，以降低系統(tǒng)能耗[1]。

金屬纖維氈是將微米級(jí)別的金屬纖維采用無紡鋪制燒結(jié)而成，是具有一定的梯度搭接而成的多孔深度型濾材[2]。相比于陶瓷、粉末等其他耐高溫多孔材料，金屬纖維氈具有高的孔隙率(可以達(dá)到90%)，并且易于成型、加工和焊接，具有良好的力學(xué)性能。

目前，提高多孔材料過濾精度的主要方法是采用覆膜技術(shù)，即在多孔材料表面通過化學(xué)沉積或燒結(jié)等方法附著一層更高精度的膜材料。市場(chǎng)上使用比較廣泛的膜層屬于陶瓷膜(見圖1)。

圖1　纖維氈表面陶瓷膜

金屬纖維氈材質(zhì)相比于陶瓷、粉末等多孔材料較軟，在使用過程中易變形，而陶瓷延伸率較低，熱膨脹系數(shù)也較小，這就造成了陶瓷膜與金屬纖維氈基體變形的不一致性，容易發(fā)生膜層脫落，失去過濾效果；因此，采用傳統(tǒng)覆膜方法不適于提高金屬纖維氈過濾精度[3]。

關(guān)于金屬纖維氈覆膜的報(bào)道極少，本文創(chuàng)新性地提出采用纖維增粗法來提高過濾精度。該方法是通過某種工藝將纖維氈中的纖維絲徑增粗，從而減小了孔的尺寸，提高了過濾精度。其主要優(yōu)點(diǎn)在于纖維氈在變形過程中不會(huì)出現(xiàn)膜層撕裂現(xiàn)象，過濾性能穩(wěn)定。本文分別采用電鍍、化學(xué)鍍和原位水熱法來提高纖維絲徑。

1　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)原料選用名義過濾精度為5 μm 的316 L不銹鋼纖維氈，由4 和2 μm的纖維混合制備而成(見圖2)。由于不銹鋼表面存在1層鈍化膜，因此，在電鍍或化學(xué)鍍之前都需要對(duì)纖維氈進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理步驟為：化學(xué)除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗。

圖2　纖維氈中纖維形貌圖

1.1電鍍法

將預(yù)處理的纖維氈放入電鍍?nèi)芤褐小Ｈ芤号浞綖椋篘iSO4·6H2O (20 g/L)，NiCl2(45 g/L)，硼酸(30 g/L)，十二烷基硫酸鈉(0.5 g/L)，加H2SO4調(diào)節(jié)pH值到4.1～4.2，平均電流密度為2 A/dm2，電鍍30 min后取出。

1.2化學(xué)鍍法

取主鹽NiSO4·6H2O(20～40 g/L)，還原劑NaH2PO2·H2O(25 g/L)，緩沖劑CH3COONa(8 g/L)，絡(luò)合劑CH3(OH)COOH(25 g/L)，穩(wěn)定劑(CH3COO)2Pb(0.1 g/L)，用去離子水溶解后，加H2SO4溶液調(diào)節(jié)pH值到5，加熱鍍液至60～80 ℃后放入纖維氈，化學(xué)鍍時(shí)間30 min。

1.3原位水熱法

本方案是按學(xué)者孔祥貴[4]方案進(jìn)行。首先用100 mL水溶液溶解2 g高錳酸鉀后，加入25 mL硝酸，將預(yù)處理后的纖維氈放入溶液中進(jìn)行氧化，水浴加熱30 min后取出；然后，稱取0.6 g Ni(NO3)2·9H2O和1.2 g尿素，配制成400 mL的混合溶液，將氧化后的纖維氈放入溶液在反應(yīng)釜中，在80 ℃下反應(yīng)24 h，自然冷卻后，取出樣品烘干，得到具有水滑石膜層的纖維氈。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1纖維形貌

電鍍、化學(xué)鍍和原位水熱法處理后的纖維氈形貌如圖3～圖5所示。

圖5　原位水熱法處理前后的纖維氈形貌

從圖3可以看出，電鍍后的纖維增粗效果不太明顯，有凹槽或凸起的地方，表明鍍層比較??；而纖維的搭接點(diǎn)鍍層相對(duì)較厚，這是因?yàn)榇罱狱c(diǎn)電阻大，相比其他位置電荷密度較大，由于鎳離子沉積速度較快，導(dǎo)致沉積的鎳層比較多，隨著電鍍時(shí)間的延長，鍍層會(huì)在搭接點(diǎn)處不斷長大，形成較大的“鎳塊”，產(chǎn)生鍍層不均勻性。從圖4可以看出，原始絲徑4 μm的纖維鍍鎳后直徑增加了1倍，并且鍍層表面厚度均勻，因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳避免了電鍍層由于電流分布不均勻而帶來的厚度不均勻，化學(xué)鍍時(shí)只要基體表面和鍍液接觸，鍍液中消耗的成分便能得到及時(shí)補(bǔ)充；但是纖維氈的細(xì)纖維鍍層較厚，部分孔出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，因而應(yīng)適當(dāng)減小浸鍍時(shí)間。從圖5可以看出，采用原位水熱法得到纖維形態(tài)與文獻(xiàn)中類似[4]，屬于在表面成了Ni-Fe類水滑石膜，粗纖維增粗程度與化學(xué)鍍層相近，細(xì)纖維面沒有出現(xiàn)堵塞，纖維氈仍保持良好的韌性；但部分纖維表面膜層出現(xiàn)裂紋，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行氫還原處理，以增加結(jié)合力。

2.2纖維氈過濾性能影響

對(duì)于過濾材料，過濾精度和透氣量是衡量其性能的主要指標(biāo)。本文中，對(duì)樣品在200 Pa壓差下測(cè)量通過空氣的體積來衡量其透氣量，過濾精度采用泡點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量。樣品透氣及泡點(diǎn)性能檢測(cè)見表1。

表1　樣品透氣及泡點(diǎn)性能檢測(cè)

從表1可以看出，原始纖維氈經(jīng)過3種處理方法后透氣量都有不同程度的下降，泡點(diǎn)壓力同樣有所提升，對(duì)應(yīng)過濾精度有所提高，表明“纖維增粗法”起到了膜層的效果。其中，采用電鍍和水滑石薄膜法處理后的樣品透氣量和泡點(diǎn)壓力比較相近，提高精度的同時(shí)保證了良好的透氣性。而化學(xué)鍍處理后纖維氈的泡點(diǎn)壓力有大幅度的提高，這與絲徑增粗量較大，孔徑比其他方法減小較多有關(guān)，纖維氈細(xì)面的孔由于發(fā)生堵塞使得透氣量急劇較小，在過濾過程中介質(zhì)流量減小，會(huì)影響過濾效率。

3　結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同纖維增粗方法均可以實(shí)現(xiàn)提高纖維氈精度的效果，其優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1)相比電鍍，化學(xué)鍍?cè)龃中Ч泳鶆?，不?huì)出現(xiàn)在搭接點(diǎn)的鍍層“結(jié)塊”現(xiàn)象；但是，應(yīng)控制浸鍍時(shí)間，以免造成孔的堵塞現(xiàn)象。

2)原位生長法得到的覆膜濾料透氣和精度能達(dá)到很好的匹配，最重要的是能夠保持基體的韌性，有利于纖維氈變形加工；但是成膜工藝復(fù)雜。

纖維增粗法不局限于上述3種，本文提供了一種研究思路。能夠增加纖維絲徑，同時(shí)保證良好透氣性的方案均可以成為提高纖維氈過濾精度的方法。

[1] 喻林萍, 劉新利, 張惠斌, 等. 金屬及金屬合金微濾膜的研究進(jìn)展[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2015, 20(5): 670-674.

[2] 朱能, 趙赫. 金屬纖維氈用于鍋爐煙氣高溫除塵的研究[J]. 煤氣與熱力, 2005, 25(1): 48-51.

[3] 范益群, 漆虹, 徐南平. 多孔陶瓷膜制備技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64(1)：107-115.

[4] 孔祥貴, 肖甜, 于曉, 等. 多孔復(fù)合金屬膜的水熱法制備及其處理焦化脫硫廢液的性能[J]. 石油化工, 2016, 45(2): 133-138.

責(zé)任編輯馬彤

A Method for Increasing the Fiber Felt Accuracy

HOU Liqiang， ZHANG Xiaoqing， LU Wenjing， XU Peimin

(Xi’an Filter Metal Materials Co.， Ltd., Xi’an 710201, China)

Propose methods of fiber enlargement for increasing the fiber felt accuracy. The electroplating, electroless plating, and situ hydrothermal methods are respectively used to improve the wire diameter in order to improve the filtering precision of the fiber. These prepared membranes are characterized by means of SEM, permeation volume and filtration accuracy is also tested. The results show that the three methods can effectively improve the filtering accuracy of fiber felt.

fiber felt, fiber enlargement, filter material

TG 146

A

侯力強(qiáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要從事金屬過濾材料等方面的研究。

2016-06-15