新型微孔膜濾料的制備與除塵性能測試

王 巖，張 濤，陳宜華，王 攀，邱樹永，呂真虎

(安徽工業(yè)大學 能源與環(huán)境學院，安徽 馬鞍山 243002)

近年來，霧霾天氣的頻發(fā)嚴重影響了人們的生產(chǎn)生活和身體健康[1-2]。隨著人們環(huán)保意識的增強和污染物排放標準的提高，防控大氣污染刻不容緩[3-4]。

袋式除塵器由于具備除塵性能穩(wěn)定、過濾效率高、適用范圍廣等優(yōu)點被廣泛應用于煙氣粉塵的處理，但仍存在除塵器濾袋易磨損、難清灰、易粘結等問題，而濾料性能的優(yōu)劣決定著袋式除塵器的除塵效果及使用壽命[5]，因此，研制袋式除塵器新型濾料對提升除塵器性能具有重要意義[6]。

方沛等[7]通過研究濾料表面處理工藝得出濾料抗水拒油的實驗條件；Czigány等[8]實驗研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面處理后的覆膜濾料機械強度明顯增強；Manikandan等[9]采用合成環(huán)氧樹脂-SiO2漿料對玄武巖纖維改性提高其力學性能；Wei等[10]采用納米級混合膠進行玄武巖纖維表面改性，發(fā)現(xiàn)纖維及復合濾料的機械性能可有效提高，因此，濾料表面改性處理可以提高濾料的化學性能和機械性能。

本文中以無紡布濾料為基材，采用環(huán)氧樹脂、丙酮、二乙烯三胺、有機玻璃樹脂、無水乙醇等化學試劑，對無紡布基材進行表面改性處理，通過輥壓、定型、裁剪等工序，制備低阻、高效、耐磨的新型微孔膜濾料；對新型微孔膜濾料的形貌結構、孔徑分布、透氣性、力學性能及過濾性能進行實驗分析，濾料的除塵性能以過濾效率和過濾壓損為指標，探討其微觀結構與過濾性能和過濾形式的關系，為解決常規(guī)濾料壓力損失增長快、易磨損、易粘袋等問題提供研究基礎。

1 實驗

1.1 原材料

采用無紡布濾料為基材，通過浸漬、膠粘處理后形成新型微孔膜濾料。無紡布濾料參數(shù)如表1所示。

表1 無紡布濾料參數(shù)

1.2 新型微孔膜濾料的制備

制備新型微孔膜濾料的混合溶液組分的質量分數(shù)如表2所示。

表2 制備新型微孔膜濾料的混合溶液組分的質量分數(shù)

預處理：將無紡布濾料基材樣品浸泡在無水乙醇中以去除濾料表面污漬，浸泡5 min后用蒸餾水反復沖洗至潔凈，然后放入烘箱中，在恒溫70 ℃下干燥至質量不變時取出濾料。

前處理：按照表2所示的質量分數(shù)制備環(huán)氧樹脂、丙酮、二乙烯三胺混合溶液，使用磁力攪拌器將混合溶液攪拌至均勻，并將預處理后的基材樣品完全浸入混合溶液，浸漬10、20、30、40、50、60 min后放入干燥箱恒溫70 ℃進行干燥。待基材樣品質量恒定后取出備用。

后處理：按照表2所示的質量分數(shù)制備有機玻璃樹脂、無水乙醇、三乙烯四胺混合溶液，重復前處理操作，即制備出新型微孔膜濾料?；旌先芤旱馁|量分數(shù)如表2所示。

1.3 新型微孔膜濾料的除塵性能測試

除塵性能測試儀器如表3所示。

表3 除塵性能測試儀器

參照袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件(GB 12625—1990)和過濾材料測試標準(ASTMD 6830—2002)，自制新型微孔膜濾料除塵性能測試平臺如圖1所示。測試平臺由發(fā)塵器、測試風管、濾料夾、采樣口及風機組成。發(fā)塵器通過改變轉速來調節(jié)進口處的粉塵質量濃度；風機通過調頻來改變過濾風速，并通過熱敏風速儀對風管風速進行標定；在風速穩(wěn)定處設置采樣口，利用微電腦粉塵采樣器測試濾料兩端的粉塵質量濃度；利用數(shù)字式壓力計測試進、出口靜壓。

1—發(fā)塵器；2—測試風管；3—濾料夾；4—采樣口；5—風機。

1.4 除塵性能衡量指標

濾料的過濾效率計算公式為

(1)

式中：η為過濾效率，%；C1、C2為濾料兩端采樣口粉塵的質量濃度，mg/m3；Q1、Q2為實驗裝置進出口風量，m3/s。

濾料的單位面積過濾壓力損失(本文中簡稱過濾壓損)的計算公式為

ΔP=P2-P1，

(2)

式中：ΔP為過濾壓損，Pa；P1、P2為實驗裝置進、出口靜壓，Pa。

新型微孔膜濾料的除塵性能以過濾效率和過濾壓損為衡量指標。

2 結果與討論

2.1 新型微孔膜濾料的孔徑分布和透氣性能

新型微孔膜濾料試樣與基材的孔徑分布如表4所示。由表4可以看出，經(jīng)過浸漬處理過后，較無紡布濾料基材相比，最大孔徑減小了25 μm左右，平均孔徑減小了12 μm以上，處理過后的6組試樣孔徑大小和孔徑范圍均明顯縮小，孔徑分布更加均勻集中。

表4 新型微孔膜濾料試樣與基材的孔徑分布

濾料的透氣性能是影響其過濾壓損的重要指標[11]。圖2為新型微孔膜濾料試樣的透氣度和最大孔徑。

圖2 新型微孔膜濾料試樣的透氣度的和最大孔徑

由圖2可知，新型微孔膜濾料試樣的透氣度度遠小于無紡布的。無紡布基材結構較為松散，纖維間隙較大，透氣性好，但經(jīng)過乳液浸漬后的新型微孔膜濾料試樣表面附著大量的乳液膠體，纖維之間的孔隙減小，內部氣流流通通道更加復雜，所以透氣性能較無紡布基材有一定程度的下降；新型微孔膜濾料最大孔徑與濾料的透氣性正相關，這說明氣流更容易從濾料壓損較小的大孔徑通道流走，從而影響濾料的捕集效率。

綜上所述，隨著浸漬時間的延長，無紡布基材的纖維間孔隙被浸漬液所填充，使新型微孔膜濾料試樣的平均孔徑進一步減小，從而導致濾料的透氣率有所降低。

2.2 新型微孔膜濾料的力學性能

斷裂強力與斷裂伸長率是濾料重要的力學指標，性能越好的濾料對其要求越高[12]。圖3為新型微孔膜濾料試樣的斷裂強力和斷裂伸長率，圖中水平線1、2分別表示無紡布基材的縱向、橫向的測試值。

由圖4可知，經(jīng)表面改性處理后的新型微孔膜濾料試樣的橫、縱斷裂強力均有一定程度的提升，其中增加最明顯的是試樣5，其橫、縱向斷裂強力分別由900、700 N提升至1 450、1 170 N，分別提升61.1%、67.1%。斷裂伸長率除試樣4外均有不同幅度的減小，這說明濾料經(jīng)浸漬處理后，力學性能進一步提升，機械強度顯著提高。

(a)斷裂強力(b)斷裂伸長率圖3 新型微孔膜濾料試樣的斷裂強力和斷裂伸長率Fig.3 Breakingstrengthandbreakingelongationofnewtypeofmicroporousmembranefiltermaterialsamples

2.3 新型微孔膜濾料的過濾性能

2.3.1 全塵過濾效率

過濾效率是最重要的過濾性能指標之一，隨著污染物排放標準愈發(fā)嚴格，對除塵設備的過濾效率的要求也進一步增加[13]。實驗以覆膜濾料、針刺氈濾料、新型微孔膜濾料試樣5為實驗對象，分別以0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m/min的過濾風速測試3種濾料的全塵過濾效率。圖4為3種濾料的全塵過濾效率隨過濾風速的變化規(guī)律。

圖4 3種濾料的全塵過濾效率隨過濾風速變化的規(guī)律

由圖4可知，新型微孔膜濾料的全塵過濾效率最高，其次是覆膜濾料的，針刺氈布濾料的最低。過濾風速對3種濾料的全塵過濾效率有不同程度的影響，新型微孔膜濾料在0.6 m/min的過濾風速下，全塵過濾效率能達到99.98%；過濾風速在1.2 m/min以內時，微孔膜濾料的全塵過濾效率也基本保持穩(wěn)定，均在99.9%以上。針刺氈濾料的全塵過濾效率較低，均低于99%，過濾風速為2.0 m/min時，其全塵過濾效率僅有95%。3種濾料的全塵過濾效率都隨著過濾風速的增加而降低，其中新型微孔膜濾料降低幅度最小。這是因為，新型微孔膜濾料的過濾方式為表面過濾，沉積的粉塵層較薄也不易穿透；而針刺氈濾料一般為深層過濾，在較高風速下，沉積在濾料內部的粉塵顆粒會透過濾料纖維，導致其過濾效率迅速下降。

2.3.2 分級過濾效率

實驗以覆膜濾料、針刺氈濾料、新型微孔膜濾料為實驗對象，在粉塵負荷分別設為200、400 g/m2、過濾風速設為1 m/min的條件下，測試3種濾料的分級過濾效率。圖5為不同粉塵負荷條件下3種濾料的分級過濾效率隨粒徑變化的規(guī)律。

(a)粉塵負荷為200g/m3(b)粉塵負荷為400g/m3圖5 不同粉塵負荷條件下3種濾料的分級過濾效率隨粒徑變化的規(guī)律Fig.5 Variationlawofclassificationfiltrationefficiencyofthreekindsoffiltermediawithparticlesizeunderdifferentdustloadingconditions

由圖5可以看出，新型微孔膜濾料和覆膜濾料的分級過濾效率受粉塵粒徑變化的影響較小，即使針對微細粉塵，這2種濾料也具有較高的分級過濾效率，而針刺氈濾料對微細粉塵的分級過濾效率較低。3種濾料的分級過濾效率都隨著粉塵粒徑的增大而增大，但3種濾料對微細粉塵的分級過濾效率有顯著差異，新型微孔膜濾料、覆膜濾料以及針刺氈濾料對粉塵粒徑為2.5 μm的粉塵的分級過濾效率分別為96.8%、94%、79%。這是由于，新型微孔膜濾料表面存在立體、交錯的微孔膜層，可以顯著提高微細粉塵的分級過濾效率。粉塵負荷對濾料的分級過濾效率也有一定的影響，分級過濾效率隨著粉塵負荷的增加而進一步提高，這是因為粉塵負荷的增加會使粉塵初層更快的形成，分級過濾效率隨之提升。

2.3.3 靜態(tài)過濾壓損

以新型微孔膜濾料、覆膜濾料、針刺氈濾料為實驗對象，在過濾風速為0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 m/min時，測試其靜態(tài)過濾壓損。圖6為3種濾料在不同過濾風速時靜態(tài)過濾壓損。

圖6 3種濾料在不同過濾風速時的靜態(tài)過濾壓損

由圖6可知，3種濾料的靜態(tài)過濾壓損均隨過濾風速的增大而增大。隨著過濾風速增大，清潔濾料的過濾壓損呈線性增長，其中針刺氈濾料的靜態(tài)過濾壓損增幅較小，主要原因是針刺氈濾料未經(jīng)過覆膜和表面改性處理，透氣性更大；但相較于覆膜濾料新型微孔膜濾料的靜態(tài)過濾壓損增幅較緩。

2.3.4 動態(tài)過濾壓損

以新型微孔膜濾料、覆膜濾料、針刺氈濾料為實驗對象，控制過濾風速為1 m/min，測試運行時刻為0、2、4、6、8、10、12 min時3種濾料的過濾壓損。圖7為3種濾料的動態(tài)過濾壓損隨過濾時間的變化規(guī)律。

圖7 3種濾料的動態(tài)過濾壓損隨過濾時間的變化規(guī)律

由圖7可知，隨著過濾時間的延長，3種濾料的動態(tài)過濾壓損隨之增大，且增速越來越快。其中，在保持同樣的過濾效率前提下，新型微孔膜濾料的動態(tài)過濾壓損增幅最小。在過濾時間為6 min時，覆膜濾料、針刺氈濾料、新型微孔膜濾料的動態(tài)過濾壓損分別為299、267、222 Pa，且隨著過濾時間的延長，3種濾料的動態(tài)過濾壓損差距越來越大，在12 min時，針刺氈濾料的動態(tài)過濾壓損已經(jīng)比新型微孔膜濾料的高300 Pa以上。這是由于，新型微孔膜濾料表面經(jīng)過特殊的浸漬處理，纖維孔隙中填充了大量的浸漬液，濾料表面存在光滑的立體的網(wǎng)狀膜層，且在濾料成型過程中經(jīng)過壓縮與多次烘干，濾料的結構更加緊湊，因此在過濾時粉塵不易沉積在濾料內部，動態(tài)過濾壓損也增加得更為緩慢。

綜上所述，過濾風速在1.2 m/min以下時，新型微孔膜濾料與覆膜濾料下的全塵過濾效率均在99%以上，但過濾風速超過1.2 m/min后，覆膜濾料的全塵過濾效率下降較快；針刺氈濾料的全塵過濾效率較低，隨著過濾風速增加，全塵過濾效率持續(xù)降低至95%。新型微孔膜濾料的分級過濾效率受粒徑影響較小，對PM2.5的分級過濾效率仍在96%以上，而覆膜濾料與針刺氈濾料的分級過濾效率受粉塵粒徑的影響很大，對微細粉塵的分級過濾效率較低。3種濾料的靜態(tài)過濾壓損均隨著過濾風速的增大顯著提高，覆膜濾料靜態(tài)過濾壓損最大，新型微孔膜濾料次之，針刺氈濾料的較小。3種濾料的動態(tài)過濾壓損隨著過濾時間的增加而增大，新型微孔膜濾料的動態(tài)過濾壓損較小，在運行時間為12 min時，較針刺氈濾料的低300 Pa以上。

2.4 新型微孔膜濾料的綜合評價

2.4.1 濾料表面改性機理分析

濾料表面改性處理是在保留濾料基材原有優(yōu)點的基礎上，通過優(yōu)化或改造工藝，使其克服存在的不足，提高其過濾性能的過程。環(huán)氧樹脂的分子結構中含有活潑的環(huán)氧基團，可與各種固化劑發(fā)生反應，生成高聚合產(chǎn)物；形成的高聚物具有優(yōu)良的理化性質，且一般呈現(xiàn)為不定向三維立體的網(wǎng)狀結構，使改性的濾料基材結構更加緊湊，過濾效率進一步提升，因此，選用環(huán)氧樹脂作為濾料表面改性處理的主要成分。二乙烯三胺作為環(huán)氧樹脂的室溫固化劑，無水乙醇及丙酮作為環(huán)氧樹脂的溶劑和稀釋劑，在70 ℃的溫度下，反應時間為45 min左右，兩者即可完成交聯(lián)反應，使無紡布濾料基材表面產(chǎn)生力學性能優(yōu)良、化學性質穩(wěn)定的光滑網(wǎng)狀膜層，濾料表面過濾壓損減小，從而提高了濾料基材的力學性能及過濾性能。

2.4.2 微觀形貌

新型微孔膜濾料的SEM圖像如圖8所示。由圖8可知，無紡布濾料基材經(jīng)環(huán)氧樹脂及其固化劑表面改性處理后，表面附著了一層三維立體的光滑網(wǎng)狀膜層，其致密的結構使濾料表面的平均孔徑減小，進而使濾料的透氣性有所下降，但是也會進一步提升濾料的過濾精度；另一方面，這一膜層不僅充當了粉塵初層，使得過濾行為在剛進行時就能有較高的效率，并減少了粉塵顆粒在濾料表面的沉積，降低了濾料的動態(tài)過濾壓損，而且其具有防水、不熔的特性，使改性濾料具有了防潮特性。

(a)濾料表面(b)濾料截面圖8 新型微孔膜濾料的SEM圖像Fig.8 SEMimagesofnewtypeofmicroporousmembranefiltermaterial

總之，濾料表面改性處理會導致其透氣性下降，平均孔徑減小，但會提升濾料的力學性能及過濾精度。從新型微孔膜濾料截面圖可以看出，在濾料內部存在少量浸漬液，未將濾料內部的通道堵死，使濾料在表面改性處理之后依舊具有良好的透氣性。

2.4.3 過濾形式

在除塵器運行過程中，不同類型的濾料，具有不同的過濾形式。

常規(guī)濾料一般為深層過濾[14]。常規(guī)濾料過濾效率不高，是由于在粉塵初層形成之前，粉塵會隨著氣流進入濾料內部進行深層過濾，部分粉塵則會隨著氣流穿透濾料，造成過濾效率降低。當濾料迎塵面形成厚約0.3～0.5 mm的粉塵初層之后，過濾效率顯著提高，但動態(tài)過濾壓損也進一步增大，甚至顆粒物會沉積在濾料內部，造成濾料的堵塞。

新型微孔膜濾料為表面過濾。在過濾初期，由于新型微孔膜濾料表面覆蓋了一層三維網(wǎng)狀結構的光滑膜層，相當于已具備了粉塵初層，使得大量的顆粒物會被表面的微孔膜層捕集下來，從提高了濾料的過濾效率。濾料表面光滑，使過濾粉塵不易附著在濾料表面，而且過濾通道雜亂交錯，顆粒物很難直接透過微孔沉積在濾料內部，使得除塵器的動態(tài)過濾壓損不會像常規(guī)濾料一樣急劇上升，因此，新型微孔膜濾料不僅具有較高的過濾效率和較低的動態(tài)過濾壓損，而且顆粒物不易進到濾料內部，使濾料的清灰難度降低。

綜上所述，在反應溫度為70 ℃時，以無水乙醇和丙酮為溶劑，環(huán)氧樹脂與二乙烯三胺在反應時間為45 min左右即可完成交聯(lián)反應，使無紡布濾料基材表面生成光滑的三維立體網(wǎng)狀膜層，從而制備出新型微孔膜濾料。新型微孔膜濾料的過濾方式為表面過濾，新型微孔膜濾料表面附著一層三維網(wǎng)狀的光滑膜層，提高新型微孔膜濾料的過濾精度的同時充當了粉塵初層，提高了清潔濾料的過濾效率；降低了動態(tài)過濾壓損，減少了粉塵沉積，降低了清灰難度。

3 結論

新型微孔膜濾料經(jīng)3道工序制備而成，表面增加一層光滑微孔膜層，使濾料平均孔徑減小、透氣性能略有降低、機械強度增加、除塵性能增強、過濾形式改變。

1)在反應溫度為70 ℃時，以無水乙醇和丙酮為溶劑，環(huán)氧樹脂與二乙烯三胺在反應時間為45 min左右即可完成交聯(lián)反應，使無紡布濾料基材表面生成光滑的三維立體網(wǎng)狀膜層，制備出新型微孔膜濾料，其孔徑尺寸為5～50 μm，結構緊湊，透氣性能略微降低，但過濾精度明顯提高。

2)新型微孔膜濾料試樣的橫、縱斷裂強力均有一定程度的提升，濾料經(jīng)浸漬處理后，力學性能進一步提升，機械強度顯著提高。

3)過濾風速在1.2 m/min以下時，新型微孔膜濾料的全塵過濾效率≥99%；分級過濾效率受粒徑影響較小，對PM2.5的分級過濾效率≥96%；靜態(tài)過濾壓損隨著過濾風速的增大而增大，動態(tài)過濾壓損隨著過濾時間的增加而增大。

4)新型微孔膜濾料的過濾方式為表面過濾，表面附著的三維網(wǎng)狀的光滑膜層提高了過濾精度，充當了粉塵初層，降低了動態(tài)過濾壓損，減少了粉塵沉積，提高了過濾效率，降低了清灰難度。