耐高温针刺毡脱硝催化剂负载预处理工艺探讨

余 娟,周 蓉,2,邢建民

(1.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071；2.青岛大学 非织造布研究院，山东 青岛 266071；3.滨州亚光家纺有限公司，山东 滨州 256600)

长期以来，我国的传统工业，如钢铁、水泥及燃煤电厂等，在生产过程中会产生大量高温烟尘气体[1]。烟气中含尘量高、温度高，同时还伴随有硫化物、氮氧化物(NOx)等有害气体，对环境造成了严重污染[2]。全国两会提出，2018年要实现二氧化硫、氮氧化物排放量下降3%的目标。高温烟气的除尘与脱硝是环境治理的重点。目前，相对成熟的烟气净化技术都是针对单一烟气污染物进行单独控制，均有相对独立的一套系统及工艺流程，在不计运行成本的条件下，能够高效地脱除烟气中的NOx，但高昂的运行费用及设备初投资使绝大部分企业无法承担。因此，结构紧凑、费用低又能同时脱硫脱硝的技术日益受到重视，成为烟气净化技术发展的方向[3-6]。

若将具有高过滤效率的针刺毡与金属脱硝催化剂相结合制成功能性过滤针刺毡，则能实现除尘脱硝两用的效果，更重要的是可以节省大量人力、物力资源。所以本文旨在选择并对耐高温过滤材料进行预处理，获得用于脱硝催化剂负载的载体。

1 实验部分

1.1 催化剂载体(针刺毡)的选取

根据传统工业的实际工况，选择具有较好环境适应性的纤维原料制成的耐高温针刺毡作为催化剂载体。本文所选三种针刺毡是玻璃纤维分别与轶纶、芳纶、玄武岩纤维制成的复合针刺毡。玻璃纤维用于增加针刺毡的强力，由于玻璃纤维经高温熔融纺丝而成，纤维表面光滑，比表面积比较小，金属催化剂不能够充分地负载在针刺毡上，所以需要对针刺毡进行表面预处理。三种针刺毡成分配比见表1。

表1 三种针刺毡的成分配比

陈诵英等人[7]研究发现盐酸处理玻璃纤维，可以增加玻璃纤维非微孔数量，增加比表面积。为使金属催化剂更好地负载在三种针刺毡上，可用盐酸进行预处理。玻璃纤维的主要成分为：72.85%的SiO2、9.45%的Al2O3、0.13%的Fe2O3以及6.31% CaO和3.57%的MgO等。进行预处理实验时，盐酸主要是与玻璃纤维中的Al2O3、CaO和Fe2O3发生化学反应。

1.2 盐酸预处理实验

盐酸预处理步骤如下：用去离子水配置浓度为5%、10%、15%、20%、25%的盐酸溶液；将清洁处理的针刺毡浸渍到不同浓度盐酸溶液中，调节水浴锅温度。一段时间后，将浸渍好的针刺毡取出，然后用去离子水将浸渍毡样中的盐酸冲洗干净，在100℃中烘干，然后称重。

2 实验与结果

2.1 盐酸预处理效果的评价指标

影响盐酸预处理的因素主要有三个：盐酸浓度、浸渍时间、浸渍温度。本实验所选取的浸渍时间分别为：15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min、45 min、50 min、55 min；浸渍温度：15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、60℃；盐酸浓度分别为：5%、10%、15%、20%、25%。

陈诵英等人[7]做了盐酸腐蚀玻璃纤维的实验时发现，玻璃纤维失重4%左右时出现了12.8 m2/g的比表面积；当盐酸浓度过高，对玻璃纤维过度腐蚀时，失重率超过7%时，微孔开始出现，总的比表面积开始下降。本文以针刺毡失重率作为评价指标，选取失重率不超过6%的盐酸预处理工艺为最佳。

2.2 预处理工艺条件对预处理毡失重率的影响

2.2.1盐酸浓度对预处理毡失重率的影响

从图1中可以看出，三种预处理毡的失重率随着盐酸浓度的增加逐渐增加，当盐酸浓度超过15%左右时，三种预处理毡的失重率都超过了7%，这是盐酸对玻璃纤维过度腐蚀造成的，并且盐酸可能和针刺毡中的其它成分发生了反应。因此最佳的盐酸预处理浓度为15%左右。

图1 盐酸浓度对三种预处理毡失重率的影响

2.2.2浸渍温度对预处理毡失重率的影响

因此，选取的盐酸浓度为15%左右。从图2中可以看出，预处理毡失重率随着盐酸浸渍温度的升高逐渐增加。当盐酸浸渍温度为45℃～50℃之间时，失重率达到了7%左右。当温度超过50℃之后失重率急剧变化，故而选取的最佳的盐酸浸渍温度为45℃～50℃之间。

图2 盐酸浸渍温度对三种预处理毡失重率的影响

2.2.3盐酸浸渍时间对失重率的影响

探究盐酸浸渍时间对失重率的影响时，选取的盐酸浓度15%，盐酸浸渍温度为45℃～50℃之间。盐酸浸渍时间对三种预处理毡失重率的性能影响见图3。当盐酸浸渍时间超过50 min时，三种预处理毡的失重率超过了7%。当浸渍时间超过50 min时，失重率逐渐增加。所以确定盐酸浸渍时间为40 min～50 min。

图3 盐酸浸渍时间对三种预处理毡失重率的影响

因此，选取的最佳盐酸预处理工艺是：盐酸浓度为15%、盐酸浸渍时间为40 mi～50 min，盐酸浸渍温度为45℃～50℃。

2.3 预处理对针刺毡性能影响

探究预处理对针刺毡性能影响时，考察的是最佳盐酸预处理工艺条件下的针刺毡处理前后的物理机械性能以及过滤性能。

2.3.1预处理毡透气性测试

在高温烟尘过滤中，透气性是一个重要的指标。三种预处理毡的透气性测试见图4、图5、图6，条形图上方的百分数是针刺毡原样透气性和预处理毡透气性的比值，每种取4个样品，从图中可以看出，轶纶、芳纶、玄武岩三种预处理毡透气性都有一定的增加，但增加幅度不是太大。三种针刺毡在预处理后，盐酸与针刺毡中玻璃纤维发生了化学反应，造成平均孔径增大，所以出现了透气性增加现象。

图4 轶纶针刺毡的透气性测试

图5 芳纶针刺毡的透气性测试

图6 玄武岩针刺毡的透气性测试

2.3.2预处理毡断裂强度测试

三种预处理毡断裂强度见图7、图8、图9，条形图上方的百分数是预处理毡的断裂强度和针刺毡原样强度的比值，每种取5个样品。三种针刺毡在经过盐酸预处理后，其强度都有略微的改变。其中轶纶预处理毡的断裂强度保持在了原来的94%以上，芳纶预处理毡保持在了原来的87%以上，玄武岩针刺毡保持在了原来的80%以上。虽然由于盐酸预处理对三种针刺毡造成了9%左右的破坏，但其断裂强度还是比较大。

图7 轶纶针刺毡预处理前后强度对比

图8 芳纶针刺毡预处理前后强度对比

图9 玄武岩针刺毡预处理前后强度对比

2.3.3预处理毡除尘效率和过滤阻力测试

影响过滤效率的因素很多[8]，包括微粒尺寸、过滤纤维的粗细、纤维填充率、过滤速度、湿度等。本文选用轶纶毡预处理前后过滤效率和过滤阻力变化说明预处理对针刺毡过滤性能影响。轶纶针刺预处理前后的过滤效率见图10，过滤阻力见图11。

图10中，随着过滤风速的增加，轶纶针刺毡的过滤效率逐渐增加，当过滤风速为2 m/min时，过滤效率最大。过滤风速继续增大，过滤效率逐渐下降。轶纶针刺毡在预处理后的过滤效率达到了99.9%以上，说明预处理后的轶纶针刺毡并没有因为盐酸预处理而影响过滤效率。

图11中，随着过滤风速的增加，过滤阻力逐渐增加，从过滤风速为0.5 m/min时的220 Pa，达到了过滤风速为3.5 m/min时的280 Pa左右。且过滤阻力比未经处理的针刺毡过滤阻力要大。考虑到预处理毡的过滤效率较高，因此其对粉尘的过滤效果还是很好。

图10 轶纶针刺毡处理前后过滤效率对比图

图11 轶纶针刺毡预处理前后过滤阻力对比

3 结论

本文选择的是芳纶、轶纶、玄武岩纤维与玻璃纤维复合的三种耐高温针刺毡作为催化剂载体。由于三种耐高温针刺毡含有增强强力的玻璃纤维，须对三种耐高温针刺毡载体进行盐酸浸渍处理改性，以增加比表面积和孔径的数量。

在探究盐酸改性处理影响改性效果时，以预处理毡失重率不超过7%作为一个评价指标。在探究盐酸预处理最佳工艺—盐酸浓度、盐酸浸渍时间、盐酸浸渍温度时，采用控制变量法和逐次筛选的方法，确定最佳的盐酸预处理处理条件是：盐酸浓度为15%、盐酸浸渍时间为40 min～50 min，盐酸浸渍温度为45℃～50℃。

对预处理针刺毡进行物理机械性能和过滤性能评价，实验发现，改性后的针刺毡重量上略微失重；透气性略微增加；随着过滤风速的增加，改性后的针刺毡的过滤阻力是逐渐增加的，但过滤效率基本上保持在99.9%以上。

综合以上的指标判断，预处理后的芳纶、轶纶、玄武岩针刺毡可以应用到脱硝催化剂载体的研究中。

参考文献：

[1] 付海明.高温烟尘颗粒捕集技术探讨[J].区域供热，2004，(1)：6—10，24.

[2] 向晓东，柯了英，杨振兴，等.高温烟尘陶瓷纤维过滤技术特性及其应用评述[J].制冷空调与电力机械，2008，29(1)：78—82.

[3] Blumrich S, Engler B. DESONOX/REDOX-process for Flue Gas Cleaning：A Flue Gas Purification Process for the Simultaneous Removal of NOx and SO2Resp. CO and UHC[J].Catalysis Today, 1993,17(1-2)：301-310.

[4] Markussen Joanna M.，Livengood C. David. Alternative Flue Gas Treatment Technologies for Integrated SO2and NOx Control[A].57thAnnual Meeting American Power Conference[C].Chicago，IL，1995：1595-1600.

[5] Nozawa Shigeru，Morita Isato，Mizoguchi Tadaaki. Latest SOx and NOx Removal Technologies to Answer the Various Needs of Industry[J].Hitachi Review，1993，42(1)：43-48.

[6] Tseng Hui Hsin，Wey MingYen，Liang YuShen，et al. Catalytic Removal of SO2, NO and HCl from Incineration Flue Gas over Activated Carbon Supported Metal Oxides[J].Carbon，2003，41(5)： 1079-1085.

[7] 陈诵英，吕秀莲，彭少逸.玻璃纤维的孔结构研究并比较孔结构分析方法[J].石油炼制，1983，(3)：33-39.

[8] 梁珍，沈恒根.袋式除尘高温过滤材料特性研究[J].建筑科学，2010，26(10)：88-92.