靜電微孔集塵材料

李廣民，于文峰，李詩(shī)韻

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

靜電微孔集塵材料

李廣民，于文峰，李詩(shī)韻

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在我們每天接觸的環(huán)境中，灰塵幾乎無(wú)處不在，無(wú)論是建筑工地肆意飛揚(yáng)的塵土，還是在教室中擦黑板時(shí)飄落的粉筆灰，亦或是從窗戶或天花板飄落的灰塵，都會(huì)對(duì)人們的生活造成一定程度的影響?；诖朔N背景，設(shè)計(jì)了靜電微孔集塵材料，用來(lái)收集這些部位的粉塵。靜電微孔集塵材料具有纖維來(lái)源廣、易塑性好、吸附粉塵效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，在家居集塵領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，將為大眾提供一種低成本、高效率、方便易用的集塵產(chǎn)品，給人們的生活提供一片凈土。

灰塵；增強(qiáng)纖維；節(jié)能減排；靜電

1 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

項(xiàng)目的創(chuàng)新之處有以下4個(gè)：①選用纖維素作為原料，原材料成本低，來(lái)源廣泛，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；②利用高壓水蒸汽的膨脹作用實(shí)現(xiàn)纖維素多孔疏松結(jié)構(gòu)加工，不會(huì)產(chǎn)生額外的污染物，清潔環(huán)保；③應(yīng)用靜電增強(qiáng)工藝增強(qiáng)纖維產(chǎn)品的靜電保持能力，長(zhǎng)時(shí)間保持對(duì)灰塵的靜電吸附效果，減少灰塵散出；④使用后的纖維產(chǎn)品經(jīng)自然降解可轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理，變廢為寶。

2 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容和研究目標(biāo)

在日常生活中，人們接觸最多的灰塵類型主要有以下幾種：①以粉筆灰為代表的直徑在7～10 μm的顆粒物；②直徑在0.5～2.5 μm的可吸入顆粒物（PM2.5）；汽車尾氣中的污染物煙塵微粒（某些重金屬化合物、鉛化合物、黑煙及油霧等）。為了能夠高效吸收并鎖住這些有害的灰塵顆粒，設(shè)計(jì)了多孔結(jié)構(gòu)的纖維材料，并通過(guò)嵌入電極進(jìn)行靜電增強(qiáng)處理，以提高集塵效果。

為了保證纖維產(chǎn)品的集塵吸附效果，將纖維產(chǎn)品加工為多孔疏松結(jié)構(gòu)，參考具有類似結(jié)構(gòu)的活性炭加工工藝，選用物理活化法。先在密閉反應(yīng)容器中將纖維素加熱至熔融態(tài)，之后通過(guò)反應(yīng)容器底部的管道向容器通入高溫高壓的水蒸氣，發(fā)生以下3個(gè)作用過(guò)程：①開(kāi)孔作用。高壓氣體與堵塞在閉孔中的游離無(wú)序碳及雜原子反應(yīng)使閉孔打開(kāi)，增大比表面積。②擴(kuò)孔作用。由于炭表面雜質(zhì)被清理后微晶結(jié)構(gòu)裸露，活化氣體與趨于活性條件下的碳原子發(fā)生反應(yīng)，使孔壁氧化，孔隙加長(zhǎng)、擴(kuò)大。③生成新孔。活化氣體與微晶結(jié)構(gòu)中的邊角或有缺陷的部分具有活性的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成眾多新的微孔，使纖維產(chǎn)品表面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

因此，纖維產(chǎn)品獲得了疏松多孔結(jié)構(gòu)，在此環(huán)節(jié)中，可通過(guò)調(diào)節(jié)通入反應(yīng)容器的水蒸氣的壓力及反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生開(kāi)孔尺寸和密度不同的多孔纖維，以適應(yīng)不同環(huán)境中的灰塵尺寸。現(xiàn)有的靜電增強(qiáng)纖維除塵技術(shù)主要有靜電袋式過(guò)濾器、棒帷電極電場(chǎng)增強(qiáng)袋濾器、中心電場(chǎng)袋式除塵器、混合式電袋除塵器等。綜合上述幾種技術(shù)的特點(diǎn)，選用混合式電袋除塵器。在含塵煙氣通過(guò)靜電除塵區(qū)時(shí)，大部分顆粒已經(jīng)被去除，這種方式減輕了纖維濾材的負(fù)荷，延長(zhǎng)了其使用壽命。

3 實(shí)施方案及技術(shù)路線

本纖維產(chǎn)品的加工過(guò)程主要包括多孔疏松結(jié)構(gòu)處理和纖維靜電增強(qiáng)處理及塑形。

3.1 多孔疏松結(jié)構(gòu)處理

選用物理活化法處理纖維素，以使其形成疏松多孔結(jié)構(gòu)。本設(shè)備主要包括作用容器和控制高溫水蒸氣進(jìn)入的耐壓閥門(mén)。反應(yīng)容器外壁為高導(dǎo)熱材料，吸收外部熱量使纖維素變?yōu)槿廴趹B(tài)；將高溫高壓水蒸氣經(jīng)設(shè)備底部耐壓閥門(mén)通入，水蒸氣體積膨脹，并經(jīng)過(guò)開(kāi)孔作用、擴(kuò)孔作用和新孔生成作用，纖維產(chǎn)品被加工為多孔疏松結(jié)構(gòu)。水蒸氣冷卻后凝結(jié)為液態(tài)水，可再次利用。泄壓閥門(mén)是纖維素原料進(jìn)入作用容器和加工成型后的產(chǎn)品取出作用容器的開(kāi)口，同時(shí)，起到了限制作用容器內(nèi)壓強(qiáng)的作用，防止壓力過(guò)大發(fā)生危險(xiǎn)；可通過(guò)調(diào)節(jié)通入反應(yīng)容器的水蒸氣的壓力及反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生開(kāi)孔尺寸和密度不同的多孔纖維，以適應(yīng)不同環(huán)境中的灰塵尺寸。

3.2 纖維靜電增強(qiáng)處理及塑形

為了優(yōu)化纖維產(chǎn)品的集塵效果，提高對(duì)細(xì)微灰塵的吸附效率，特別是對(duì)纖維產(chǎn)品進(jìn)行靜電增強(qiáng)處理。將柔性電極材料與纖維濾材交替排列鑲嵌一體，由高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生靜電荷并傳導(dǎo)至電極材料，電極材料對(duì)靜電荷具有良好的保持作用，能長(zhǎng)期保持靜電荷對(duì)細(xì)小灰塵的吸附作用。此外，疏松多孔的纖維將隔絕靜電向外釋放，防止靜電對(duì)人體或其他設(shè)備造成危害。

4 項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)

電場(chǎng)風(fēng)速和外加電壓對(duì)除塵效率的影響較為明顯。隨著電場(chǎng)裝置處理氣體速度的減慢，其效率逐漸提升。在不同的電場(chǎng)風(fēng)速下，電場(chǎng)裝置的除塵效率隨著外加電壓的升高而提高。粒子的除塵效率隨著電場(chǎng)風(fēng)速的減慢而提升，與實(shí)驗(yàn)相符。效率隨電場(chǎng)風(fēng)速的減慢而提升的原因除了驅(qū)進(jìn)速度的影響外，還存在一個(gè)沿氣流方向的速度。隨著電場(chǎng)風(fēng)速的降低，使得粒子沿氣流方向的分速度減小，延長(zhǎng)了粒子通過(guò)荷電區(qū)和收塵區(qū)的時(shí)間，從而提升了粒子被捕集的概率。

對(duì)于特定的電場(chǎng)裝置，雖然降低電場(chǎng)風(fēng)速可以提高除塵效率，但風(fēng)速降低會(huì)使靜電集塵裝置處理的風(fēng)量減小，這會(huì)在一定程度上削弱靜電集塵裝置的整體凈化能力。如果要在很低的電場(chǎng)風(fēng)速下達(dá)到一定的風(fēng)量，則必須加大靜電集塵裝置的尺寸，這會(huì)造成設(shè)備成本的提高以及使用上的不便，因此，電場(chǎng)裝置的處理風(fēng)速需要選適宜的取值。

5 項(xiàng)目可行性分析

據(jù)估算，可用于提取纖維素的秸稈質(zhì)量可達(dá)1.5×108t，經(jīng)高壓蒸煮法提取到的纖維素估測(cè)可達(dá)0.45×108t，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模生產(chǎn)，纖維素產(chǎn)品價(jià)格約為500元/t，參考物理活化法制備活性炭的工藝成本，在千噸級(jí)規(guī)模生產(chǎn)情況下，設(shè)備成本及加工費(fèi)用約為50元/t，靜電增強(qiáng)處理及塑形加工費(fèi)用約為50元/t，最終集塵纖維產(chǎn)品成本約為600元/t，僅相當(dāng)于現(xiàn)有PP纖維成本的40%，且集塵效率可達(dá)90%以上，遠(yuǎn)超現(xiàn)有PP纖維50%以下的集塵效率。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得多孔纖維產(chǎn)品密度約0.2～0.48 kg/m3，據(jù)此計(jì)算，僅由秸稈提取得到的纖維素便可以生產(chǎn)大約1.0×108m3的多孔纖維產(chǎn)品。如果完全發(fā)揮吸塵效果，能夠吸收灰塵的體積約其自身體積的50%，即5.0×107m3的灰塵。

由于生產(chǎn)出的集塵纖維產(chǎn)品具有較好的耐高溫特性，當(dāng)溫度達(dá)150℃可隔熱數(shù)天，當(dāng)溫度達(dá)200℃可隔熱數(shù)十小時(shí)，當(dāng)溫度超越220℃也能隔熱數(shù)小時(shí)。因此，可廣泛應(yīng)用于常溫環(huán)境中的集塵處理，產(chǎn)生良好的減排環(huán)保效益。完成集塵的纖維產(chǎn)品可以直接埋入地下，自然降解后融入土壤，其中的纖維素經(jīng)微生物處理后將轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，也可利用其中的灰塵加工為建筑磚材，實(shí)現(xiàn)廢物再利用。

〔編輯：張思楠〕

TU834.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.073

2095－6835（2017）23－0073－02