极化处理对滤料过滤性能的强化

郝伟东,郭颖赫,毛 宁,柳静献 (东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

袋式除尘器是控制工业排放微细颗粒物的最有效手段.滤料作为袋式除尘的核心,其过滤效率直接影响烟尘的排放浓度,其压差关系到系统的能耗.在保持压差不增的前提下,提高滤料对以PM2.5为代表的微细粒子的过滤效率一直是业内关注的焦点[1-8].驻极体滤料因高效低阻的特性在空气过滤领域得到广泛应用,静电吸附是其主要的过滤机理,因此对亚微米颗粒物的捕集效率很高[9-10],目前国内外对驻极体过滤材料的研究[11-13]多是围绕以电晕放电驻极方法为主的驻极材料,而这种人工驻极过滤材料随温度的升高退极现象十分明显[7],不适用于袋式除尘滤料所面临的高温环境.电气石(TM)是一种典型的天然矿物驻极体,加热到 1000℃时其电极性才会消失[14],TM 具有压电性和热电性,在室温下其晶体表面存在“永久自发电极”,因其颗粒周围存在静电场现象,开启了其在环保领域的研究热潮[15-16].将 TM 添加到熔喷织物中,其孔径增大,机械性能和抗菌性能大大提高;且织物驻极后表面电荷密度提高,驻极前后过滤效率均有所提升[17-19].但对TM在环保领域的应用与研究[20-21]多数集中在水净化方向,在用于工业除尘的袋除尘滤料上还属空白.

本研究通过将 TM 粉覆于袋除尘滤料表面形成驻极滤料,以微细颗粒物捕集效率为衡量标准,研究TM对微细颗粒物捕集效率的影响,并探讨其在高温烟气过滤领域的应用,以期为工业排放的微细颗粒物控制开辟新的方向.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验选用的过滤材料为袋式除尘中常用的聚苯硫醚(PPS)针刺毡滤材和涤纶(PET)滤材,PPS及PET滤料的克重、厚度及压差等基本参数见表 1.胶粘层为热熔薄膜,其熔点为 140～160℃,密度为 1.20g/cm3,熔融指数为 15～20g/10min.

表1 过滤材料参数Table 1 Parameters of filter media

TM 粉分别取自新疆(TM1)、桂林(TM2)和内蒙古(TM3),粒径分析使用 Dino-Capture电子显微镜采集图像, Imganaly软件对图像处理分析,分析图像见图1,粒径统计结果见表2.结果表明,3种样品粒径分布基本一致,平均粒径为25μm.

图1 TM颗粒粒径分析Fig.1 TM particle size analysis

表2 TM颗粒粒径分布(%)Table 2 TM particle size distribution(%)

1.2 样品制作

图2 样品结构示意Fig.2 The structure of sample

PPS作为TM粉的负载基材,将定量TM粉放入水中搅拌,使其维持悬浮状态直至将其移入以PPS滤料为底的沉降容器中,待粉体完全沉降在滤料表面后将水移除,样品放入80℃烘箱中烘干.将热熔薄膜和PET依次在烘干的样品上铺好,呈三明治状,经 150℃热压面热压 20s后,即完成处理过程.PET滤材的主要作用是防止热熔型胶层粘结在热压面上.实验样品结构示意见图2.

图3 样品TM颗粒分布Fig.3 Distribution of TM particles

加有TM1、TM2和TM3的样品分别为A、B、C,驻极处理过程中热熔薄膜的熔化及PET滤材的粘合使PPS滤料孔隙减小,比表面积增大,对颗粒物的捕集效率会随之增大,为排除这种处理工艺对捕集效率的影响,对比样品 D除未添加TM外,处理过程与A、B、C一致.滤料单位面积内 TM 颗粒的数量可用于衡量粉体分散的均匀程度,通过电子显微镜观察 TM 颗粒在滤材表面的分布情况,见图3;经统计,面积为20cm2的样品A、B、C表面粘黏TM颗粒数分别为137、132、140.结果表明,3种试样的均匀度和一致性良好.

1.3 效率测试方法

图 4为实验所用测试装置示意,两台TSI9306激光粒子计数器分别同时测量样品上游和下游的颗粒物浓度,Testo512压差计用来测量样品的阻力,通过气体转子流量计来控制风速.过滤效率和阻力是过滤材料最重要的 2个参数,实验在 1～3m/min风速范围内测量样品的阻力;在1.7m/min的面风速下测量样品的分粒级效率;每种样品测试3组.过滤效率通过下式计算：

式中：f为过滤效率;Cu与Cd分别为上下游粒子浓度,个/cm3.

图4 测试装置Fig.4 The experimental setup

1.4 电气石分析仪器

使用X'Pert PRO型多晶X射线衍射仪(XRD)对 TM 物相进行分析,得到的分析图像通过HighScore软件在ICDD数据库中检索匹配;采用JEM-2100F型场发射透射电镜(SEM)获取样品微观图像,通过观察图像分析 TM 颗粒形貌及分布规律.TM 纯度由东北大学研究院分析测试中心采用化学滴定的方法测定.

2 结果与讨论

2.1 压差特性

压差在工业除尘领域称为阻力,是评价滤料的重要指标.阻力越大,能耗越大,压差与效率之间相互关联,通常阻力越大效率越高.人们期待的是高效低阻的过滤材料.实验中 4种样品的阻力如图5所示.

由图 5可见,4种样品的阻力随着风速的增加线性增长,样品间相同风速下阻力差异很小,在给定的过滤效率测试风速1.7m/min下,各样品间阻力差异≤2Pa.这是因为3种TM颗粒较小、粒径分布基本一致,并且颗粒都附着在滤材的表面,没有渗透到滤材内部堵塞孔隙(图3),所以TM颗粒对滤料孔隙结构产生的影响很小,对颗粒物捕集效率产生的影响可以忽略.

图5 不同风速下样品阻力特性Fig.5 Pressure drop of samples in different face velocity

2.2 分粒级效率

如图6所示,A、B、C 3种样品对不同粒径粒子的过滤效率均高于样品D,加有TM1的样品A效率提升最大,对各粒径颗粒物捕集效率分别提升了18.52%, 18.01%, 16.84%, 15.76%, 13.35%;样品B效率分别提升了11.57%, 11.20%, 9.94%,9.75%, 8.47%;样品C效率提升幅度最小,分别提升了9.24%, 9.26%, 7.75%, 7.77%, 6.06%; 3种样品的效率大小关系为A＞B＞C.与Ji等[9]得到的亚微米颗粒物捕集效率规律相同,在0.3～1μm粒径范围内,滤料对颗粒物捕集效率随颗粒物粒径增大而增大,但因为驻极滤料对微小粒子的静电吸附作用,驻极滤料的颗粒物捕集效率提高,且随粒径的增大捕集效率增长趋势较为平缓.

图6 样品在1.7m/min风速下过滤效率Fig.6 Ef fi ciencies of filters at 1.7m/min face velocity

滤料的机械过滤机理包括扩散、拦截、惯性碰撞和重力沉降,机械过滤机理作用下,0.1～1μm粒径范围内,颗粒物捕集效率随粒径增大而增大

[22],样品 D 的效率变化与此趋势一致,而加有TM1的样品 A随着粒径的增大效率增长平缓,样品B、样品C与样品A规律一致,趋势相对较弱.这是因为驻极滤料除了机械过滤外还存在静电吸附作用,吸附作用对单纤维捕集效率的影响是无量纲常数N的函数[23]：

式中：n为极性粒子数量;e为单个粒子电性;Q为纤维电荷密度;CC为修正系数;ε0为真空电容率;μ为气体粘度;dp为颗粒物直径;df为纤维直径;U为过滤风速.当滤料和TM颗粒基本参数确定,风速不变,颗粒物粒径越大,N值越小,相应的静电吸附作用对效率影响越小.

由图 7可看出,3种电气石对颗粒物捕集效率的提升幅度随颗粒物粒径增大而减小,这与冯壮波等[24]研究的人工驻极体滤料结果一致.

图7 加有TM的3种样品效率提升幅度Fig.7 Ef fi ciencies increased percentage of three filters with TM

图8 、图9分别为滤料样品对2.5,3μm颗粒物的捕集效率,对于2.5μm颗粒物A、B、C 3种样品的颗粒物捕集效率均有所提升,由 68.3%分别增至81.7%、78.0%、74.2%;而对于3μm颗粒物,经过处理的滤料颗粒物捕集效率基本没有变化,效率提升最大的样品A效率增幅＜2%,因此实验所用TM对微细颗粒物有效吸附粒径为3μm.

图8 2.5µm粒子过滤效率Fig.8 Efficiency of filters for 2.5µm particle

TM 的静电吸附机理是提高颗粒物捕集效率的主要因素;TM 颗粒的添加增大了滤料的比表面积,在一定程度上也使效率提高.

图9 3µm粒子捕集效率Fig.9 Ef fi ciencies of filters for 3µm particle

为进一步分析 TM 对颗粒物的吸附效果,对实验后一段时间的样品 A上的 TM 颗粒进行SEM 分析,结果见图 10.汤云晖等[26]的研究表明在电场的作用下,溶液中带电粒子在电气石周围聚积;颗粒物捕集效率测试采用的大气尘中有90%～95%为带电粒子[25], 类比于溶液中带电粒子.可以看出,被捕集颗粒物大都聚集在TM颗粒上或其周围区域,进一步证明电气石通过电场作用吸附微细颗粒物.这些颗粒中有直接被吸附的颗粒,也包括由于受电场力作用运动轨迹发生改变的粒子,因与纤维的碰撞几率增加,进而被纤维捕集.与人工驻极滤料一样,驻极体矿物粉处理过的滤料可以吸附电荷相反的颗粒物,同时也能使中性粒子荷电,进而提高对颗粒物的捕集效率.

2.3 电气石吸附性差异分析

以上实验结果也反映出 3种粒径分布基本一致的 TM 颗粒对滤料效率的提升影响程度存在差异,为深入分析,对 3种 TM 颗粒做了 XRD物相定性分析(图11).

图11表明,3种TM的XRD衍射谱线均与黑电气石的主要衍射谱线吻合,受 TM 颗粒纯度以及择优取向等因素影响,峰的强度与黑电气石衍射峰强度不尽一致,但主要衍射峰的位置完全吻合,不影响物相定性分析,因此判断3种TM同属一类电气石,组成成分相同;通过图 11可以初步判断3种TM的纯度不同,但通过XRD图谱很难精确定量分析TM纯度[27],因此采用化学滴定的方法测定 B2O3含量,确定硼(B)含量后通过化学式计算出TM纯度,B2O3含量及TM纯度见表3.结果表明,TM1纯度＞TM2纯度＞TM3纯度,而其对应处理的滤料效率 A＞B＞C,说明引起差异的原因是TM纯度.纯度越高,结晶性越好,自发极化强度越大[28],反映在公式(2)中即相同风速下对同一粒径颗粒物的捕集效率,在其他条件相同的情况下,单个电气石颗粒电性值e越大,效率越高.

图10 样品A的洁净状态以及过滤实验后的SEM图Fig.10 SEM images of sample A before and after experimenta.未进行效率测试的洁净样品 b.经过大量效率测试的样品

图11 TM的XRD扫描图像Fig.11 X-ray diffraction pattern of TM powder

表3 TM纯度Table 3 Purity of TM

2.4 高温处理后过滤性能分析

将效率提升最高的样品 A在 200℃高温中放置1h,常温暴露1h,反复 3次,处理后测试其计数效率,如图 12所示.冀志江等[29]研究表明：在850℃时黑电气石表面开始分解形成新物相,在500℃时TM表面Fe2+开始氧化成Fe3+,且不破坏电气石结构.因此在 200℃对样品进行处理不会引起TM颗粒的外貌形状及含量的变化.

图12 滤料高温处理前后效率Fig.12 Ef fi ciencies of filter after high temperature treated

结果表明,在 200℃高温下,经驻极处理的滤料效率几乎没有变化,在一般工业烟气温度(150℃左右)环境下,也可发挥其静电吸附作用,提高对微细颗粒物的捕集效率.

3 结论

3.1 经矿物驻极体电气石极化处理的滤料压差增长≤2Pa,对微细颗粒物的捕集效率显著提高.

3.2 电气石的纯度越高效率提升效果越好,纯度为87.52%电气石处理的滤料对0.3,0.5,0.7,0.9,2.5μm颗粒物的捕集效率在34.6%,35.4%,37.9%,38.7%,68.3%基础上分别提升了 18.52%,18.01%,16.84%,15.76%,11.49%.

3.3 新型驻极滤料对微细颗粒物的静电吸附机理与人工驻极过滤材料一致,对颗粒物捕集效率的影响随颗粒物粒径的增大而减弱,实验样品对3μm颗粒物捕集效率增幅＜2%.

3.4 与传统的人工驻极体滤料不同,经 200℃高温处理过的袋除尘驻极滤料对微细颗粒物捕集效率没有变化,可以用于高温烟气环境中.

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