金屬多孔材料在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用

馮 丹

(天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院天津300800)

0 引言

金屬多孔材料是指用金屬粉末、 金屬纖維或者金屬絲網(wǎng)燒結(jié)制成的含有貫通孔道的一類金屬材料， 其內(nèi)部彌散分布著大量的有方向性或隨機(jī)分布的孔洞，其孔隙率可以達(dá)到98%，孔洞的形態(tài)不同特點各異，主要有獨立孔洞和連續(xù)孔洞，其中連續(xù)孔洞除了具有密度小、 剛性和比強(qiáng)度好等特點外還具有浸透性、通氣性好的特點，另外孔徑的大小、分布和孔隙率可以實現(xiàn)準(zhǔn)確控制。 這類材料既有金屬的固有特性，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性等又具有一系列功能特性，如高滲透性、高比表面積、能量吸收、毛細(xì)現(xiàn)象、隔音、隔熱等，是一種新型的結(jié)構(gòu)功能材料。 在工業(yè)上可以用于過濾分離、表面燃燒、熱交換、催化劑載體、電化學(xué)過程、多孔電極、自潤滑、生物植入體等方面，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、建材、冶金、原子能、機(jī)械、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、 資源的過渡開采和不合理利用導(dǎo)致環(huán)境問題層出不窮， 各種污染嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)和生活。 環(huán)境治理方面的問題成為大家關(guān)注的焦點， 其中新材料的使用成為影響治理水平的關(guān)鍵因素。 金屬多孔材料因其優(yōu)良特性，在環(huán)境治理領(lǐng)域發(fā)揮了不可小覷的作用。

1 金屬多孔材料在潔凈煤技術(shù)的應(yīng)用

我國的能源結(jié)構(gòu)中以煤炭為主， 隨之帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題， 煤的高效和清潔利用對當(dāng)前環(huán)境問題的改善有很大的影響。 潔凈煤技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代中期美國首先提出來的，是指煤炭從開采到利用的全過程中減少污染物排放和提高利用率的加工、轉(zhuǎn)化、燃燒及污染控制等技術(shù)的總稱，煤氣化技術(shù)是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)，被稱之為跨世紀(jì)能源新技術(shù)的煤的潔凈燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝技術(shù)(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電IGCC，增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電PFBC 等)就是利用煤氣化產(chǎn)生的高溫煤氣經(jīng)高溫除塵凈化后通過燃?xì)馔钙桨l(fā)電， 然后尾氣經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，比普通燃煤發(fā)電效率高5%～10% 。 干法除塵(DSR)是干煤粉加壓氣化工藝的重要環(huán)節(jié)，王凡等[1]人以殼牌煤氣化裝置為例測試Fe3Al 金屬間化合物粉末濾芯在溫度約為300～350 ℃氣氛中的使用情況得出過濾之后固體顆粒物的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)定在10-5～2×10-5，飛灰平均粒徑(d 0.5)為2.714 μm，過濾效率和過濾精度很高，且不受低溫潮濕的環(huán)境的影響。 在孔徑測試中， 經(jīng)過兩次清洗的濾芯的平均孔徑比新濾芯略大。 在滲透性測試中，經(jīng)過兩次清洗的濾芯的滲透率比經(jīng)過一次清洗的濾芯的滲透率要高但是比新濾芯的滲透率略低， 滲透性接近于新濾芯的水平。 在強(qiáng)度測試中，使用兩次的金屬濾芯的壓潰強(qiáng)度較之新金屬濾芯與使用一次的金屬濾芯略低，但相對于陶瓷濾芯明顯要高，此外經(jīng)過兩次清洗的金屬濾芯的焊接試樣的最大斷裂力比新金屬濾芯及清洗一次的金屬濾芯略低， 但比陶瓷濾芯明顯要高，這些測試說明Fe3Al 濾芯粉末體兩次使用之后清洗再生還可以獲得較好的透氣性， 且依然具有較高的力學(xué)性能， 焊接強(qiáng)度不會在使用過程中受到明顯影響。

2 金屬多孔材料在高效潔凈能源的應(yīng)用—表面燃燒技術(shù)

表面燃燒技術(shù)是全預(yù)混燃燒方式的一種新型燃燒技術(shù)，具有高效節(jié)能，低污染的特點。 要想形成表面燃燒，除了空煤氣全預(yù)混以外，還要有多孔表面，由SiC 和Al2O3等陶瓷泡沫或纖維制作的表面燃燒器成本高、易碎、不耐熱震、導(dǎo)熱率低，難以達(dá)到實用化的要求。 近年來，因為FeCrAI、NiAl 等金屬合金纖維具有良好的耐高溫抗氧化性能被用來制作表面燃燒器， 以彌補(bǔ)陶瓷纖維材料的不足[2]。這類材料表面氣孔分布均勻，透氣性好，導(dǎo)熱系數(shù)和輻射率高，有利于傳熱和增加燃燒反應(yīng)區(qū)域，提高了燃燒效率。 金屬纖維表面燃燒技術(shù)適用于任何氣體和液體燃料(甚至固體顆粒燃料)，煤也可經(jīng)過汽化或液化后采用金屬纖維燃燒器燃燒。金屬纖維燃燒器還具有高的納污量， 可容納燃燒粉塵(如煤粉)，降低有害氣體和粉塵的排放，實現(xiàn)了真正的潔凈燃燒。

3 金屬多孔材料在高溫氣體凈化中的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)過程中， 很多領(lǐng)域都會涉及到高溫含塵氣體， 如冶金行業(yè)鋼鐵冶煉過程中的高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣、玻璃工業(yè)的高溫尾氣等。 這些氣體中有大量物理顯熱、化學(xué)潛熱、動力能以及可利用的物質(zhì)， 它們的凈化處理和合理利用蘊含著很大的經(jīng)濟(jì)效益。 傳統(tǒng)高溫氣體除塵技術(shù)一般是先將高溫氣體進(jìn)行冷卻，然后再進(jìn)行除塵，這樣浪費了大量的熱資源，有時還會產(chǎn)生污水、污泥等二次污染， 而高溫氣體的直接凈化除塵技術(shù)可以不用冷卻利用高溫過濾材料實現(xiàn)氣固分離， 使高溫氣體資源能夠綜合利用， 并能最大程度地利用氣體顯熱和有用能源， 而且簡化了工藝過程， 節(jié)省了設(shè)備投資以及避免了二次水污染等， 因此具有顯著的優(yōu)勢。

高溫過濾材料在高溫氣體介質(zhì)過濾除塵技術(shù)中很關(guān)鍵，因為特殊的工作環(huán)境，要求其在高溫、高腐蝕性氣體中必須滿足過濾特性、使用壽命、價格等多方面的要求[3]。

金屬多孔材料因具有良好的耐熱性、 抗熱震性和良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高，不易斷裂等優(yōu)點，另外還有良好的加工性能和焊接性能， 更適用于高溫氣體的過濾除塵材料， 尤其是高溫抗腐蝕方面的改進(jìn)更提升了適用性和優(yōu)越性。 金屬多孔材料制備的高溫過濾介質(zhì)可以實現(xiàn)對5 μm 以下的塵粒進(jìn)行精細(xì)除塵， 如金屬粉末燒結(jié)多孔材料FeAl 金屬間化合物和310S 不銹鋼材料具有很好的抗高溫氧化、耐硫腐蝕性能，用它們制作的燒結(jié)金屬濾管，最高使用溫度可以達(dá)到900 ℃[4，5]；銅基合金、304 不銹鋼、316 不銹鋼、GH3030 高鎳合金和GH4 高溫合金等材質(zhì)的金屬纖維制品、Fe-Al燒結(jié)粉末和310S 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)也在高溫除塵領(lǐng)域廣泛使用[6]。 燒結(jié)不銹鋼纖維氈作為一種新型材料，是采用微米級的不銹鋼纖維無紡鋪制、疊配和高溫?zé)Y(jié)而成的多層纖網(wǎng)材料， 孔徑分布均勻且孔徑大小梯度可以控制，具有過濾精度高，納污容量高等特點。 它的孔隙率可以達(dá)到70%～85%相對粉末過濾材料具有更好的過濾性能， 同樣體積下過濾面積比玻璃纖維除塵袋和多孔陶瓷過濾材料也大得多，使用溫度可以高達(dá)500 ℃，如316L 不銹鋼纖維氈， 除此之外它還具備良好的導(dǎo)熱性可波折易加工等特性。 Ni 基金屬因為其良好的抗高溫性能也被用來研制高溫過濾材料，楊坤等[7]用傳統(tǒng)的冷等靜壓成型工藝制備的Ni 基高溫合金過濾管， 經(jīng)1240℃燒結(jié)后樣品的透氣系數(shù)達(dá)到最大為271.7 m3·m-2·kPa-1·h-1，且流阻最小，測試得出其耐壓強(qiáng)度可以達(dá)到86.2 MPa，將試樣用于5 μm以上含塵氣體過濾除塵其效率達(dá)到99. 9%以上，能夠滿足潔凈煤、 多晶硅等行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含塵氣體分離的要求。

4 金屬多孔材料在汽車尾氣凈化方面的應(yīng)用

隨著汽車數(shù)量的越來越多， 汽車尾氣造成的污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要途徑之一， 治理汽車污染已經(jīng)成為全球性的問題。 汽車尾氣污染物主要為碳?xì)浠衔?、硫氧化物、氮氧化合物及固體顆粒物等， 加裝三元催化器對尾氣凈化是治理汽車尾氣的主要手段之一， 其關(guān)鍵部件就是催化劑載體。陶瓷多孔材料的催化劑載體強(qiáng)度、 抗熱震性能及導(dǎo)熱性不理想，凈化效果較差、使用壽命短。近年來Fe-Cr-AI 合金材料制備的多孔載體開始取代多孔陶瓷， 加之非尾氣加熱催化劑的使用能夠大大縮短起燃時間、提升起燃溫度。 西安菲爾特金屬過濾材料有限公司的Fe-Cr-Al 纖維產(chǎn)品采用電化學(xué)還原方法將鉑族金屬沉積于載體， 實現(xiàn)尾氣凈化，可以用在各類機(jī)動車尾氣凈化器中[8]。

柴油車的尾氣排放也是比較嚴(yán)重的尾氣污染， 主要是通過柴油機(jī)顆粒捕集器處理柴油機(jī)排放微粒。 Fe-Cr-Al 合金纖維也可以用來制作柴油機(jī)顆粒捕集器，這種顆粒捕集器升溫快、熱熔小，能使排氣微粒迅速起燃，且抗機(jī)械振動，高溫沖擊性、抗腐蝕性強(qiáng)，所處理的柴油車尾氣能夠達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)，滿足更高的生產(chǎn)生活需求，未來適用領(lǐng)域?qū)V泛[8]。 Ni-20Cr 和Ni-33Cr -1.8Al 合金多孔體也適于柴油機(jī)的排氣過濾材料且避免了多孔陶瓷的開裂問題， 減少環(huán)境污染[9]。

5 金屬多孔材料在水處理方面的應(yīng)用

水污染問題一直是困擾人們的主要環(huán)境污染問題。 隨著人們生產(chǎn)和生活用水量的增加，各種污水排放量大，種類多，成分復(fù)雜，處理難度大。 在水處理方面，人們不斷的研究新方法、新材料，其中各種過濾材料的使用對解決水的污染問題起了很大的作用。 多孔金屬鈦是一種新型的過濾材料，其耐腐蝕、力學(xué)性能好，過濾精度高，可適合應(yīng)用多種再生方法如酸洗、堿洗和其它化學(xué)清洗， 也可以進(jìn)行超聲波、高壓氣、水反沖和溶劑清洗、使用壽命長。 在水處理領(lǐng)域有所應(yīng)用，如微孔鈦管組成的二級過濾系統(tǒng)在飲用水凈化方面效果顯著，為砂濾芯的10-15 倍，而且費用降低20%-30%，在海水淡化系統(tǒng)中的半透膜支撐體可以用多孔鈦制作[10]。

在造紙業(yè)， 紙漿漂洗和污水處理方面會用到316L 不銹鋼、鎳及鎳合金和鈦多孔材料。在化工行業(yè)，一些酸、堿溶液中的液固過濾和分離也會用到不銹鋼、鈦等耐蝕多孔金屬材料，實現(xiàn)凈化或回收的目的[11]。

6 總結(jié)與展望

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天， 環(huán)境問題的治理已經(jīng)成為全球性的問題， 其中新材料的有效使用對治理效果有很大的影響。 金屬多孔材料因其優(yōu)異金屬特性和多孔結(jié)構(gòu)在環(huán)境治理領(lǐng)域中潔凈高效能源方面、以高溫氣體除塵、水處理為代表的過濾分離領(lǐng)域、催化劑載體方面有很大的應(yīng)用，但也存在一些問題如抗高溫腐蝕性能方面還有待改進(jìn)。 在未來的開發(fā)研究中，具有更好的抗高溫腐蝕的金屬多孔材料如金屬與陶瓷復(fù)合多孔材料、耐超高溫金屬間化合物過濾材料等將更有空間和發(fā)展前景。