捕塵過(guò)濾材料清洗再生實(shí)驗(yàn)研究*

楊璐璐 劉中岳 柳靜獻(xiàn)

(東北大學(xué)濾料檢測(cè)中心 沈陽(yáng)110004)

0 引言

在高速發(fā)展的工業(yè)體系下，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。用于空氣顆粒物捕集的濾料通常為一次性耗材，當(dāng)阻力上升到一定值時(shí)濾料被拋棄，這不僅增加了空氣過(guò)濾的成本，也造成石油資源的極大浪費(fèi)，更給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染[1]。因此，對(duì)于使用過(guò)的廢舊過(guò)濾材料，探索適當(dāng)?shù)那逑丛偕椒?，?shí)現(xiàn)濾料重復(fù)利用，不僅有著極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且有著重要的環(huán)保意義。一些工廠嘗試?yán)酶邏核畼寚娤春瑝m濾料，結(jié)果表明，此法對(duì)濾料的外觀結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能有較大影響[2]。

本文通過(guò)系統(tǒng)的清洗實(shí)驗(yàn)，研究表面活性劑的合理使用條件及方法，研究時(shí)間、溫度、清洗劑濃度以及超聲波的物理震動(dòng)作用對(duì)廢舊空氣過(guò)濾材料清洗效果的影響，并對(duì)比清洗前后濾料的阻力、過(guò)濾效率、纖維力學(xué)性能的變化，研究出最佳的清洗劑使用參數(shù)，提高空氣過(guò)濾材料的清洗效果，實(shí)現(xiàn)空氣過(guò)濾材料的重復(fù)利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備及材料

濾料過(guò)濾與容塵過(guò)程使用靜態(tài)除塵率測(cè)試裝置，如圖1所示。新濾料經(jīng)過(guò)容塵過(guò)程，阻力上升，其上附著大量粉塵，阻力到達(dá)一定數(shù)值時(shí)停止容塵。附著有粉塵的濾料樣品作為本文中被清洗再生的對(duì)象，依據(jù)實(shí)驗(yàn)不同，可以進(jìn)行反復(fù)“容塵—清洗”過(guò)程。

圖1 濾料過(guò)濾性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

濾料清洗再生過(guò)程使用脂肪酸甲酯磺酸鈉(MES)作為表面活性劑，超聲波清洗機(jī)作為清洗設(shè)備，東北大學(xué)自制氣泡漂洗機(jī)用以去除濾料表面殘留的活性劑。

濾料性能測(cè)試裝置有美國(guó)TSI公司的AeroTrak 9306 型手持式粒子計(jì)數(shù)器用以測(cè)試濾料計(jì)數(shù)效率，電子式織物強(qiáng)力機(jī)用以測(cè)試濾料纖維機(jī)械強(qiáng)力，YG(B)461E 全自動(dòng)織物透氣測(cè)試儀測(cè)試濾料的透氣性與阻力，德圖Testo512壓差計(jì)用以測(cè)試濾料阻力。

實(shí)驗(yàn)樣品為取自市場(chǎng)的中效空氣過(guò)濾器F7，實(shí)驗(yàn)粉塵為粘性較大的ISO 12103-1A2標(biāo)準(zhǔn)粉塵。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

附著在濾料纖維表面的粉塵，主要通過(guò)靜電力、毛細(xì)力、范德華力等作用力與濾料粘結(jié)[3]。探索合適的清洗劑濃度，降低溶液的表面張力，使濾料在浸入溶液的過(guò)程中親水性增強(qiáng)，部分粉塵在溶液中自動(dòng)脫落。結(jié)合超聲波振子的能量振動(dòng)作用，克服粉塵與濾料之間的各類作用力的合力[4]。

本文為模擬現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用的實(shí)際工況，將實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)發(fā)塵后的濾料置于潮濕環(huán)境存放數(shù)天，此時(shí)粉塵牢固附著于纖維濾料的表面及內(nèi)部，接近現(xiàn)場(chǎng)需要更換并丟棄的程度。研究表明，潮濕環(huán)境中相鄰的粉塵顆粒間有細(xì)微的液體存在，在產(chǎn)生的橋聯(lián)力的作用下聚集到一起，形成難以脫落的粉塵團(tuán)粘結(jié)在纖維內(nèi)部[5]。為克服這種強(qiáng)作用力，選用一定比例的濾料清洗劑，通過(guò)控制不同實(shí)驗(yàn)變量，分別改變清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗劑溶液濃度，結(jié)合超聲波振動(dòng)作用，探索最合適的清洗劑配比、實(shí)驗(yàn)溫度和清洗時(shí)間，使得濾料在力學(xué)和過(guò)濾性能不發(fā)生明顯變化的前提下清洗效果最佳。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

MES表面活性劑可認(rèn)為生物無(wú)毒，被譽(yù)為真正綠色環(huán)保的表面活性劑[6]；MES抗硬水力強(qiáng)，在軟水和硬水中都有較好的洗滌效果，不僅在軟水環(huán)境中去污能力強(qiáng)于磺酸，在硬水中優(yōu)勢(shì)更加明顯；MES配伍性好，適合與其他表面活性劑復(fù)配，復(fù)配效果明顯，而且應(yīng)用于配方中，保持酶活性比烷基苯磺酸好；MES發(fā)泡性和分散性能好；低濃高效，同等濃度下的MES去污性能明顯高于磺酸[7]。此外，MES溶液pH值為5.0～7.0，呈弱酸性，符合空氣過(guò)濾材料滌綸纖維耐酸不耐堿的特性，避免對(duì)濾料纖維造成腐蝕損傷[8]。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)及初步探索，LAS(十二烷基苯磺酸鈉)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右時(shí)對(duì)粉塵顆粒去除效果明顯[9]。由于MES在洗滌效果、抗硬水性、發(fā)泡性和分散性等性能上都優(yōu)于LAS，因此本實(shí)驗(yàn)選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～0.9%的5組MES溶液800 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為0.2%。待清洗試樣為中效荷塵過(guò)濾棉，在溶液溫度分別為25、30、35、40 ℃時(shí)對(duì)荷塵的濾料進(jìn)行浸泡處理，每隔5 min稱量試樣濾料的質(zhì)量，計(jì)算試樣清潔度，進(jìn)而評(píng)價(jià)清洗效果，確定最佳清洗參數(shù)。

1.3.1 效率、阻力實(shí)驗(yàn)

為確保清洗前后濾料力學(xué)性能、阻力、過(guò)濾效率、透氣率等參數(shù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前對(duì)濾料初始性能進(jìn)行測(cè)試。為減小偶然誤差，每組實(shí)驗(yàn)均選用3個(gè)含塵濾料試樣。

濾料靜態(tài)除塵效率測(cè)試裝置是用來(lái)測(cè)量濾料清洗前后阻力壓降、過(guò)濾效率和計(jì)數(shù)效率的裝置，該儀器結(jié)合Testo512 壓差計(jì)測(cè)得不同過(guò)濾效果的纖維濾料的阻力壓降，結(jié)合粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量濾料的計(jì)數(shù)效率，利用上部發(fā)塵系統(tǒng)制備待清洗試樣并測(cè)得濾料的除塵效率。

1.3.2 纖維強(qiáng)度、透氣率實(shí)驗(yàn)

荷塵前，測(cè)得過(guò)濾棉的透氣率、纖維強(qiáng)度。透氣率是衡量材料透氣難易程度的指標(biāo)，透氣率越大，說(shuō)明氣體越容易透過(guò)材料，阻力越低。纖維強(qiáng)度是反映構(gòu)成濾料的纖維本身抗拉能力的指標(biāo)，測(cè)量清洗前后濾料的纖維拉伸強(qiáng)度是否發(fā)生變化，可以直接反映纖維受損傷程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗參數(shù)確定

影響MES清洗效果的因素主要有濃度、溫度和清洗時(shí)間，為了定量確定合適的清洗參數(shù)，以上述3個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)變量，每隔5 min稱重計(jì)算出的清潔度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖2～圖5所示。含塵濾料清洗的清潔度計(jì)算公式為

η=(1-m/M)×100%

式中，m為清洗后濾料中殘留的粉塵質(zhì)量；M為潔凈濾料初始質(zhì)量。

圖2～圖5分別表示在25～40 ℃時(shí)，濾料清潔度隨相應(yīng)的MES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和清洗時(shí)間的變化過(guò)程，且在不同的溫度和清洗時(shí)間下，濾料的清潔度均在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.9%時(shí)達(dá)到較好的效果；不同的溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，清洗時(shí)間在25 min以上時(shí)，清潔度達(dá)到較好的效果；在不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和清洗時(shí)間下，溶液加熱與否都能使濾料的清潔度達(dá)到預(yù)期效果。

圖2 25 ℃時(shí)受時(shí)間與MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的濾料清潔度

圖3 30 ℃時(shí)受時(shí)間與MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的濾料清潔度

圖4 35 ℃時(shí)受時(shí)間與MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的濾料清潔度

圖5 40 ℃時(shí)受時(shí)間與MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的濾料清潔度

2.1.1 MES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖6表示25 ℃時(shí)不同清洗時(shí)間下的MES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和潔凈度分布，改變MES溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果顯示：濾料的清潔度與MES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，濾料清潔度增大。在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.3%時(shí)，濾料清潔度最高只在80%以下；當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到0.5%～0.7%時(shí)，清潔度最高可達(dá)97%；繼續(xù)增加溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.9%，清潔度仍維持在97%左右。這說(shuō)明在溫度和清洗時(shí)間適當(dāng)?shù)那闆r下，MES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)濾料清潔度的影響顯著，最佳清洗質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%。

圖6 25 ℃時(shí)不同清洗時(shí)間下的MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)與清潔度曲線

2.1.2 清洗時(shí)間的影響

圖7為25 ℃時(shí)的清洗時(shí)間與清潔度的分布。隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料的清潔度顯著增加，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的樣品均在30 min時(shí)達(dá)最佳清洗效果，且清潔度能達(dá)到97%以上。因此，在適當(dāng)?shù)腗ES溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和清洗溫度下，30 min可以達(dá)到較好的濾料清洗效果。

圖7 25 ℃時(shí)不同MES質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的清潔度與清洗時(shí)間曲線

2.1.3 清洗溫度的影響

配制溶液過(guò)程中由于溫度的限制，部分粉末沉淀在燒杯底部無(wú)法及時(shí)溶解，因此考慮溶液溫度對(duì)清洗效果的影響，實(shí)驗(yàn)選擇了25、30、35、40 ℃這4個(gè)溫度梯度，圖8為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.7%時(shí)，溫度與清洗效果關(guān)系曲線。由圖可知，在不同清洗時(shí)間下，溫度對(duì)濾料清洗效果有一定的影響，清洗時(shí)間越長(zhǎng)，影響效果越小，在清洗時(shí)間為30 min 時(shí)清潔度達(dá)97%以上，而且溫度影響可以忽略，清洗效果差距不大，從節(jié)能的角度考慮，故選擇室溫(25 ℃)為清洗的適宜溫度。

圖8 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的MES溶液在不同清洗時(shí)間下的清潔度與溫度曲線

綜上所述，設(shè)定最佳清洗參數(shù)為25 ℃下以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的MES溶液清洗30 min，清潔度可達(dá)97%。

2.2 清洗結(jié)果分析

圖9和圖10為濾料清洗前后對(duì)比效果。其中圖9為濾料經(jīng)靜態(tài)除塵率測(cè)試裝置進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)后得到的待清洗荷塵試樣，此時(shí)濾料表面及其內(nèi)部有大量粉塵富集，實(shí)驗(yàn)先經(jīng)過(guò)氣吹風(fēng)管進(jìn)行基礎(chǔ)吹掃，除去濾料表面的粉塵，然后浸泡于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑MES溶液中。圖10為清洗實(shí)驗(yàn)后濾料狀態(tài)，可以看出濾料表面的粉塵基本被清洗。為了更加深入探索濾料內(nèi)部粉塵殘留情況，對(duì)試樣進(jìn)行顯微微觀分析，見(jiàn)圖11，纖維表面潔凈，無(wú)明顯粉塵殘留，再次證明25 ℃下浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的MES溶液中30 min對(duì)粉塵的清洗效果相對(duì)較好。

圖9 待清洗濾料試樣

圖10 清洗后試樣

圖11 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的MES溶液清洗后濾料纖維微觀照片

2.3 超聲波組合清洗法

為進(jìn)一步強(qiáng)化清洗效果，探索組合清洗法，即充分利用MES表面活性劑的清洗作用，再結(jié)合超聲波振子的振動(dòng)作用，將上述清洗過(guò)程中殘留在濾料內(nèi)部難以浸泡清潔的粉塵通過(guò)振子的振動(dòng)作用去除。實(shí)驗(yàn)選定上述探索出的最佳濃度、溫度、清洗時(shí)間，將25 ℃下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的MES溶液放入超聲波清洗儀中，超聲波功率為320 W。將待清洗的濾料放入溶液內(nèi)，開(kāi)啟超聲波清洗5 min，測(cè)試其清潔度。之后再對(duì)濾料樣品進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)，之后再清洗，循環(huán)反復(fù)“容塵—清洗”過(guò)程4次，比較清洗效果，如表1所示。由于表面活性劑浸泡濾料后直接晾干，會(huì)有部分清洗劑殘留在濾料的表面和內(nèi)部，為了去除這種影響，利用東北大學(xué)自制氣泡漂洗機(jī)進(jìn)行后續(xù)漂洗工作。

表1 組合清洗法質(zhì)量變化

由表1可以看出，選擇組合清洗法，第一次清洗效果即可達(dá)到99.2%，經(jīng)4次清洗的最終清潔度均達(dá)99.7%以上，基本可以認(rèn)為濾料深層已無(wú)粉塵殘留，其清潔度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)清洗劑浸泡的效果。經(jīng)漂洗后的濾料微觀照片如圖12所示，表面經(jīng)組合清洗法后濾料纖維內(nèi)部無(wú)明顯粉塵殘留，且殘留在濾料上的清洗劑經(jīng)氣泡漂洗機(jī)作用也被消除。

圖12 組合清洗后試樣微觀照片

3 損傷程度分析

清洗過(guò)程對(duì)濾料的損傷程度體現(xiàn)在以下幾個(gè)指標(biāo)：纖維拉伸強(qiáng)度變化、阻力壓降變化、濾料阻力變化和過(guò)濾效率變化。表2展示了濾料清洗前后各指標(biāo)的變化狀況。其中，纖維拉伸強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)根據(jù)《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 14337—2008)的規(guī)定，清洗前后均測(cè)試50組纖維的強(qiáng)度，得出清洗前后纖維拉伸強(qiáng)度；阻力參數(shù)根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得，分別測(cè)試3次取平均值；過(guò)濾效率測(cè)試2次取平均值。

表2 濾料清洗前后性能對(duì)比

可以看出，試樣在經(jīng)清洗后纖維強(qiáng)度略有降低，變化范圍在0.5 cN以內(nèi)；阻力沒(méi)有變化，過(guò)濾效率變化范圍在0.16%，各參數(shù)變化范圍很小，證明該清洗方法可行。

4 結(jié)論

針對(duì)空氣凈化材料僅能使用一次的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索出將其清洗復(fù)用的方法，得到如下結(jié)論：

(1)在清洗溫度和清洗時(shí)間一定的情況下，表面活性劑(MES)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時(shí)，對(duì)濾料的清洗效果最好。

(2)清洗溫度和表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，濾料浸泡清洗30 min，濾料的清潔程度最佳。

(3)溫度為25 ℃時(shí)，對(duì)中效過(guò)濾棉上粉塵進(jìn)行清洗，其清潔度達(dá)97%。

(4)選用組合清洗法，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，溫度為25 ℃時(shí)，進(jìn)行超聲波輔助清洗5 min，即可達(dá)到清潔度99.2%以上，超聲波的作用大大縮短了清洗時(shí)間。

(5)濾料經(jīng)清洗再生4次后，濾料過(guò)濾效率、阻力及纖維強(qiáng)力性能下降很小，證明該清洗方法可以進(jìn)行工程化應(yīng)用。