布袋有機(jī)/無機(jī)/復(fù)合濾料的研究進(jìn)展

陳琪，馬文鑫，翟美丹，米俊鋒

布袋有機(jī)/無機(jī)/復(fù)合濾料的研究進(jìn)展

陳琪1，馬文鑫1，翟美丹2，米俊鋒2

（1. 中國昆侖工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

介紹了粉塵污染問題及布袋除塵技術(shù)近況，綜述了濾料的分類、特性及其研究現(xiàn)狀，對(duì)無機(jī)濾料、有機(jī)濾料及其復(fù)合濾料在過濾中的應(yīng)用和面臨問題進(jìn)行了總結(jié)分析，最后展望了濾袋材料的應(yīng)用前景。

袋除塵；濾料；聚四氟乙烯；玄武巖纖維；復(fù)合材料

現(xiàn)如今，燃煤電廠、工業(yè)鍋爐等造成的粉塵污染問題越來越嚴(yán)重[1-2]。針對(duì)粉塵污染排放控制，當(dāng)前布袋除塵技術(shù)其過濾效率在99%以上，捕集效率高，無二次污染[3]，不受粉塵質(zhì)量濃度、顆粒大小、環(huán)境濕度等限制，且耐高溫、耐酸堿腐蝕，具有較長的使用壽命，對(duì)細(xì)顆粒物仍能保持較高效率，成為粉塵超低排放污染控制的主流技術(shù)之一。

袋式除塵對(duì)濾袋提出了更高的要求，一般主要體現(xiàn)在過濾效率、阻力及精度等性能上。濾料的過濾效果、運(yùn)行阻力、使用壽命、清灰性能等決定了袋除塵器的使用效果、使用成本。濾料應(yīng)選擇較大孔隙率，且濾料應(yīng)具有較大比表面積，增加過濾效果?！洞匠龎m技術(shù)要求》（GB/T6719―2009）指出，現(xiàn)如今對(duì)濾料的要求難以保障環(huán)境要求，亟待對(duì)各個(gè)濾袋濾料參數(shù)進(jìn)行研究修訂，以加強(qiáng)行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。如今國內(nèi)外研究人員研究和開發(fā)出不同類型的濾料，因此，本文中將綜述無機(jī)濾料、有機(jī)濾料及其復(fù)合濾料的研究進(jìn)展。

1 有機(jī)濾料

1.1 聚苯硫醚纖維

聚苯硫醚纖維（PPS），分子鏈主要由硫和苯環(huán)交替連接，是一種線性的高分子聚合物。因其良好的耐水解性、耐高溫、機(jī)械性能且價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用于除塵行業(yè)[4-5]。但PPS纖維的最大缺點(diǎn)是耐氧化性差，在高溫的影響下會(huì)發(fā)生熱收縮、硬化和老化的問題，進(jìn)而對(duì)濾袋的性能造成影響。因此，探索PPS纖維更多的可能性成為各個(gè)研究人員研究的熱點(diǎn)。

袋式除塵的氣體阻力分別由凈濾料、濾袋表面工藝粉塵層以及除塵器結(jié)構(gòu)的整體氣體阻力組成，即：

Δ= Δ1+ Δ2+ Δ3。 （1）

濾料的孔隙率計(jì)算公式[6]：

Δ=(1-/1 000)×100%。 （2）

式中：Δ—孔隙率；

—單位面積質(zhì)量，g·cm-2；

—濾料的厚度，mm；

—所用纖維的真密度，g·cm-3。

品質(zhì)因子綜合了濾料的過濾效率和過濾阻力，判斷濾料綜合過濾性能計(jì)算公式[7]：

= -ln(1-)/Δ。 （3）

式中：—品質(zhì)因子，Pa-1；

—過濾效率，%；

Δ—過濾阻力。

在一定范圍內(nèi)，濾料的品質(zhì)因子及其孔隙率越高，濾料的整體過濾性能就越好。其中PPS纖維具有良好的過濾性能、尺寸穩(wěn)定性，主要就是因?yàn)槠淅w維分子結(jié)晶度高。隨著研究的進(jìn)步發(fā)展，PPS纖維有了進(jìn)一步的進(jìn)展：超細(xì)PPS纖維的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用改變了纖維的結(jié)構(gòu)，提高了過濾精度，降低了纖維透氣性。

1.2 聚四氟乙烯纖維

聚四氟乙烯纖維（PTFE）[8]的結(jié)構(gòu)中包含高鍵能C—F，除此之外，C—C鍵緊密圍繞在F原子的附近，這種結(jié)構(gòu)形式緊密相連進(jìn)而使PTFE具有一定的高化學(xué)惰性、低表面能等性能[9]，以及化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性以及良好的絕緣和耐腐蝕性等[10-11]。袋式除塵器存在易黏袋、易磨損、壽命短等缺陷，故采用PTFE微孔膜過濾材料，以期獲得較好濾袋材料提高粉塵過濾精度及清灰性能，其機(jī)理見圖1[12]。

CHEN[13]等在實(shí)驗(yàn)中通過等離子體技術(shù)處理改善PTFE的表面附著力。研究結(jié)果表明，經(jīng)過等離子體處理后，PTFE纖維膜的表面活性和粗糙度都有明顯增加。放電電壓的大小影響膜的結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)電壓為220 V時(shí)，等離子體處理3 min后，PTFE膜的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)86.2 N，增加了膜的穩(wěn)定性。

在發(fā)展過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)PTFE的耐磨性、導(dǎo)熱性以及物質(zhì)相容性較低，這限制了PTFE的進(jìn)一步發(fā)展[14]。因此，HUANG[15]等通過研究不同溫度下PTFE的磨損程度和機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)溫度是影響PTFE的主要因素，通過填充方式對(duì)其進(jìn)行改良，在不使PTFE本質(zhì)改變的情況下，增加PTFE的耐磨性及其使用壽命。YANG[16]等在使用填充方法增強(qiáng)PTFE耐磨性的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚醚醚酮（PEEK）作為填充料加入PTFE中，PTFE的耐磨性大大增加，提高了600倍以上，5%的PEEK使PTFE的摩擦系數(shù)降到最低。PPS、PTFE纖維的主要性能指標(biāo)如表1所示。

綜上可知，PPS、PTFE都具有化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣以及耐腐蝕性等優(yōu)良性能，但PPS纖維孔徑小，孔隙率高，粉塵不易切入，耐氧化性稍差，當(dāng)粉塵煙氣中含氧量大于15%時(shí)，PPS纖維將不再適宜；而PTFE也存在耐磨性較低、成本高等問題。采用不同的方法制備PPS、PTFE纖維材料，研究相應(yīng)的復(fù)合材料，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)規(guī)避其缺點(diǎn)將是未來國內(nèi)外研究人員亟需解決的難題。

表1 PPS、PTFE纖維的主要性能指標(biāo)[17]

2 無機(jī)濾料

2.1 玻璃纖維

玻璃纖維（GF），表面光滑，過濾阻力小，有利于粉塵剝離[18]。LI[19]等研究了玻璃纖維濾料，由于GF耐磨性和耐折性差，而且極易受水氣影響。研究了新型的氟功能化玻璃纖維（F-GF）的力學(xué)性能、介電性能、吸濕性和熱膨脹系數(shù)。F-GF的制備方法包括: g-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（g-MPS）與GF表面的羥基反應(yīng)生成穩(wěn)定的硅烷層；2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA）層通過自由基聚合與不飽和g-MPS層的氟功能化。結(jié)果表明，新型F-GF纖維改變了界面結(jié)構(gòu)，增加了抗拉強(qiáng)度（達(dá)到38.53 MPa）、提升延伸率至226.82%。因此，玻璃纖維表面氟化方法在玻璃纖維濾料中具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維（BF）被列在“863計(jì)劃”和“十三五”規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的21世紀(jì)的一種新型綠色、無機(jī)、高性能纖維。無論是從它的自身優(yōu)勢(shì)還是國家扶持力度上，它都具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。BF的結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)圓柱形、多孔性，使其具有孔隙率高、密度低、比表面積大等特點(diǎn)。除此之外，BF的優(yōu)異特性使其具有高效的過濾性能。在工作過程中，BF的表面可以使過濾物快速通過，內(nèi)部的顆粒會(huì)依附在纖維的表面，進(jìn)一步增大比表面積，同時(shí)提高了設(shè)備及其濾料的過濾性能[20]。相對(duì)于GF，研發(fā)的新型BF具有更好的耐高溫、耐水解、耐酸性腐蝕等特點(diǎn)。玄武巖纖維高溫濾料具有高抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，工作溫度可達(dá)300 ℃，能滿足條件相對(duì)苛刻的除塵環(huán)境。BF材料因其具有耐高溫、耐氧化性且尺寸穩(wěn)定、除塵效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛使用。

彭毅[21]等在實(shí)驗(yàn)中對(duì)BF的過濾性能及表面形態(tài)進(jìn)行了研究總結(jié)，結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行當(dāng)中，阻力會(huì)受纖維濾料表面的粉塵聚集影響，聚集越快阻力越大，但最終BF的過濾效果仍然優(yōu)良。此外，BF屬于百分之百惰性的，沒有空氣或水的毒性反應(yīng)，不可燃、防爆的。由于BF伸長率較低、斷裂伸長率較高，成為了現(xiàn)如今強(qiáng)化材料的不二選 擇[22]。BF及其復(fù)合材料在環(huán)境、工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)日漸嚴(yán)格，但對(duì)于目前的環(huán)境要求還較難達(dá)到，更多領(lǐng)域用BF及其復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)需要修訂改進(jìn)。GF、BF纖維的主要性能指標(biāo)如表2所示，主要纖維過濾材料的性能對(duì)比見表3。

表2 GF、BF纖維的主要性能指標(biāo)

表3 主要纖維過濾材料的性能對(duì)比表

單獨(dú)的濾料對(duì)袋除塵及其性能都有一定作用效果，然而其屬性良莠不齊，性價(jià)比低。因此，如何制備性價(jià)比高、綠色無二次污染、周期長、獲得較高除塵效果的濾料成為未來研究的重點(diǎn)。

3 復(fù)合濾料

現(xiàn)階段，隨著濾料技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)外研究了有機(jī)、無機(jī)濾料，逐漸形成了很多有效的復(fù)合濾料，為袋式除塵器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

PATARE[23]等發(fā)現(xiàn)PTFE應(yīng)用時(shí)極易磨損，而導(dǎo)致使用周期短，嚴(yán)重制約其在工業(yè)除塵領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過向PTFE填充MoS2，并研究MoS2-PTFE復(fù)合濾料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，填充MoS2后可以減少其磨損，降低復(fù)合材料磨損率，提升濾料的使用壽命。TRABELSI[24]也得出了相同結(jié)論。

XIE[25]等對(duì)PTFE復(fù)合材料進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)通過填充不規(guī)則或球形Cu粉可以改變復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，其中不規(guī)則Cu粉的PTFE復(fù)合材料會(huì)使其摩擦系數(shù)高于純PTFE，而另一種低于純PTFE，但PTFE復(fù)合材料都能有效降低濾膜磨損率，改善PTFE的性能。

SHI[26]等制備了SiO2納米球SNS/PTFE納米復(fù)合材料并研究了其摩擦性能。結(jié)果表明，與原始的PTFE相比，SNS/PTFE納米復(fù)合材料摩擦系數(shù)和體積磨損率均顯著降低，透氣性良好，為制備具有優(yōu)異力學(xué)、熱學(xué)和摩擦學(xué)性能的復(fù)合材料奠定了基礎(chǔ)。

漆東岳[27]等研究了復(fù)合濾料PAN預(yù)氧化纖 維/芳綸復(fù)合濾料外觀形態(tài)、透氣性、拉伸性能、孔徑和過濾性能對(duì)其的影響。結(jié)果表明，復(fù)合濾料纖維斷裂強(qiáng)力增強(qiáng)，透氣性和孔徑均降低，孔徑分布窄而集中，對(duì)微粒過濾效果顯著提高，其中對(duì)0.3 μm和0.5 μm微粒過濾效率分別提升了33.07％和16.46％，對(duì)2.5 μm微粒過濾效率高達(dá)98.66％。

WANG[28]等研究了由BF和PPS組成高溫過濾復(fù)合材料。研究表明，在袋式除塵的應(yīng)用中，相較于傳統(tǒng)的材料，該新型過濾材料有優(yōu)異的耐高溫性、透氣性以及耐酸腐蝕特點(diǎn)。在袋除塵技術(shù)上有良好的推進(jìn)作用，降低成本的同時(shí)提高了煙塵的捕集率。

VICTOR[29]等提出了一種纖維基化復(fù)合材料制備的新方法，即在聚合物基體上原位生成纖維網(wǎng)，并同時(shí)對(duì)異種填充纖維進(jìn)行定向。這種混雜復(fù)合材料可以由3種或3種以上的成分組成，包括填充纖維和非定向聚合物基體。這種可能性通過使用線性低密度聚乙烯和玄武巖纖維（LLDPE/BFs）系統(tǒng)得到了證明。研究表明，在相互作用過程中，部分增強(qiáng)纖維直接從聚合物基體中形成的新型纖維填充成復(fù)合材料，這些纖維通常具有弱附著力和高滲透力作用的特點(diǎn)，強(qiáng)化纖維、聚合物特性。

4 展 望

研究發(fā)現(xiàn)采用PTFE覆膜或用無機(jī)纖維、金屬粉末填充制作新型復(fù)合濾料，將改善濾料成本高、周期短、抗拉強(qiáng)度低等問題。只有改善了濾料的缺陷，才更容易形成良好的復(fù)合濾膜，只有這樣才能使袋除塵的除塵效率有極大的改善。故如果要制備高效的復(fù)合濾膜，獲得高凈化效果，必須要從濾料的材料本身性質(zhì)著手，研究無機(jī)濾料、有機(jī)濾料、金屬濾料等材料之間的耦合性，及其在袋除塵設(shè)備中隨電壓、電流機(jī)理變化的同時(shí)，濾袋透過性及其損失率、脫除效率等這3個(gè)因素的變化規(guī)律。除此之外，還有研究復(fù)合濾料的合成技術(shù)手段，填充纖維和非定向聚合物基體，也是突破的一個(gè)方向，且工藝條件還需要進(jìn)一步提升，以期待獲得更高效、綠色、環(huán)保的復(fù)合材料，從而彌補(bǔ)有機(jī)濾料、無機(jī)濾料在袋除塵應(yīng)用上的不足。

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ResearchProgress of Organic Filter/Inorganic Filter/Composite Filter Material for Cloth Bag

1,1,2,2

(1. Kunlun Contracting & Engineering Corporation Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110000, China;2. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China）

The dust pollution problem and the recent status of bag dust removal technology were introduced, and the classification, characteristics and research status of filter materials were summarized. The application and problems of inorganic filter materials, organic filter materials and their composite filter materials in filtration were summarized and analyzed. Finally, the application prospect of filter bag materials was predicted.

Bag dust removal; Filter material; Polytetrafluoroethylene; Basalt fiber; Composite materials

2021-08-11

陳琪（1989-），男，遼寧省撫順市人，碩士研究生， 2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，研究方向：暖通空調(diào)設(shè)計(jì)。

TQ172.6

A

1004-0935（2022）03-0406-04