耐高温脱除PM2.5 用磁性玄武岩滤料表征及过滤性能研究

杨炳文， 杨学宾， 刁永发， 周发山， 费建信

（东华大学， 上海 201600）

冶金行业是国民经济重要的工业生产行业，现阶段我国存在技术落后，场内生产冶金工艺结构不合理等问题，从而导致冶金产业的严重污染[1]。冶金行业排放烟气[2]具有粒径分布范围广，且存在超细小颗粒及烟气温度高等特点。这对袋式除尘器过滤材料提出了高要求。玄武岩滤料[3-4]具有很好的耐温性能，工作温度可达300 ℃，极限温度达到860 ℃，适用于高温烟气的过滤。

本文通过工业常用的浸渍法制备了一种磁性玄武岩滤料并利用SEM、VSM 等表征方法对针刺与水刺两种磁性玄武岩滤料进行了表征分析，通过滤料过滤试验台对针刺玄武岩滤料、水刺玄武岩滤料、磁性针刺玄武岩滤料、磁性水刺玄武岩滤料及玄武岩覆膜滤料对微细颗粒的过滤效率和阻力特性进行研究，为今后捕集微细颗粒物过滤材料的开发和发展提供建议。

1 实验材料及装置

1.1 实验样品

本文所用实验样品有针刺玄武岩滤料、水刺玄武岩滤料覆膜玄武岩滤料，基本参数见表1。

1.2 磁性玄武岩滤料的制备

1.2.1 实验材料及药品

纳米铁酸钴粒子（30～55 nm）；NaOH（分析纯）和蒸馏水；氨基甲酸乙酯；钛酸酯偶联剂NDZ-201；无水乙醇；盐酸；针刺玄武岩滤料；水刺玄武岩滤料。

表1 实验样品参数特性

1.2.2 制备过程

称取玄武岩滤料0.5 g，用质量分数为20%的盐酸溶液浸渍处理30 min，浸渍完成后用去离子水洗涤至中性，烘干备用。在反应槽中放入去离子水和无水乙醇（质量比1∶2）共800 mL，接着加入0.04 mol制备好的铁酸钴纳米粒子，及预处理后的玄武岩滤料，加入20 mL 钛酸酯偶联剂NDZ-201，在300 r/min的速度下振荡摇匀2 h，将氨基甲酸乙酯（C3H7NO2）1.5 g 和质量分数为75%的乙醇（C2H6O）30 mL 按此比例配成粘结剂，将负载纳米铁酸钴粒子后的玄武岩滤料放入稀释黏结剂浸渍20 min，取出滤料放入烘箱60°C 烘干8 h 即得负载纳米铁酸钴玄武岩滤料。

1.3 实验装置

利用AFC-131 滤料测试台进行滤料过滤性能测试，示意图如下页图1。

2 实验结果及分析

2.1 SEM 形貌分析

磁性玄武岩滤料的制备：将上述方法制备的玄武岩滤料放入超高电压充磁电源装置采用EX 2000 V 对负载纳米铁酸钴粒子玄武岩滤料进行加磁处理，使滤料表面磁性铁酸钴得到磁化。原始覆膜滤料、针刺玄武岩滤料与水刺玄武岩滤料的电镜扫描图如图2 和图3 所示。

图1 AFC-131 滤料测试台原理图

图2 各滤料的电镜扫描图

图3 负载纳米铁酸钴玄武岩滤料

原始覆膜滤料表面附着一层薄膜，纤维之间连接紧密，孔隙小；原始针刺玄武岩滤料纤维互相聚集，相互缠结，出现了很多团状的纤维集合但也存在许多显著的三维结构，孔隙较大；原始水刺玄武岩滤料直径分布均匀，孔隙较低。负载铁酸钴纳米粒子后，可以明显看出铁酸钴纳米颗粒在针刺玄武岩滤料上的分布更加均匀密集。

2.2 磁性针刺玄武岩滤料与磁性水刺玄武岩滤料磁滞回线分析

如图4，对磁性玄武岩滤料进行充磁处理后，称取磁性水刺玄武岩滤料上样量为61 mg，磁性针刺玄武岩滤料上样量为45 mg，分析其剩余磁化强度及矫顽力等磁学性能。

图4 磁性玄武岩滤料的磁滞回线图谱

根据VSM 测试表征结果，磁性水刺玄武岩滤料的矫顽力为±1889 Oe，剩磁为1.19 emu/g；磁性针刺玄武岩滤料矫顽力为±1997 Oe，剩磁为2.01 emu/g。磁性针刺玄武岩滤料表现出更加优异的磁性能。原因是针刺玄武岩滤料负载纳米铁酸钴粒子较多，这是由于针刺玄武岩滤料针刺过程对玄武岩纤维产生了更多切割而为纳米铁酸钴粒子产生了更多的附着点，可以附着大量铁酸钴粒子；而水刺玄武岩滤料直径均匀，附着点较少。

2.3 磁性玄武岩及覆膜滤料捕集细颗粒物过滤性能对比

为验证磁性玄武岩在过滤除尘方面的功能性，分别对磁性针刺玄武岩滤料、磁性水刺玄武岩滤料、覆膜玄武岩滤料、无处理针刺玄武岩滤料及无处理水刺玄武岩滤料五种滤料测试分级过滤效率和过滤阻力特性。过滤风速为1m/min、粉尘初始浓度为60mg/m3的条件下进行静态除尘分级过滤效率测试。在流量为1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.2 m3/h、2.5 m3/h 四种不同流量，300 g/m2的粉尘浓度下进行阻力实验。

由图5 可知，随着气溶胶粒子的增大，每种滤料过滤效率增大。覆膜玄武岩滤料过滤效率最高，对PM0.5 过滤效率约为49.7%，PM2.5 过滤效率约为99.3%；磁性玄武岩滤料过滤效率高于无磁性玄武岩滤料，此外，磁性针刺玄武岩滤料对粒径范围小于2 μm 的微细粒子中过滤效率相较于磁性水刺玄武岩滤料更高。磁性针刺玄武岩滤料在粒径范围为0.5～2.5 μm 的气溶胶粒子的过滤效率从24.6%上升到95.2%，相同条件下磁性水刺的过滤效率从20.6%上升到91.2%。水刺玄武岩滤料与针刺玄武岩滤料对粒径小于2 μm 的微细粒子过滤效率较低，水刺玄武岩滤料对PM2.5 的过滤效率为82%，针刺玄武岩滤料对PM2.5 过滤效率为76%。

图5 不同滤料除尘效果

图6 滤料在不同风速下阻力

由图6 可知，各滤料阻力随着流量增大而增大。其中，各滤料阻力呈现覆膜玄武岩滤料＞磁性水刺玄武岩滤料＞磁性针刺玄武岩滤料＞水刺玄武岩滤料＞针刺玄武岩滤料的情况。在流量为2.5 m3/h 的情况下，磁性针刺玄武岩滤料对比于普通针刺玄武岩滤料的52Pa 增长至82Pa；普通水刺玄武岩滤料的83Pa，磁性水刺玄武岩滤料为164 Pa；覆膜滤料为250 Pa。

3 结论

1）磁性针刺玄武岩滤料磁性能优于磁性水刺玄武岩滤料。

2）在过滤风速为1 m/min、粉尘初始质量浓度为60 mg/m3的条件下，覆膜玄武岩滤料对气溶胶粒子过滤效率最高，对PM0.5 过滤效率约为49.7%，PM2.5 过滤效率约为99.3%；磁性针刺玄武岩滤料在粒径范围为0.5～2.5 μm 的气溶胶粒子的过滤效率从24.6%上升到95.2%，相同条件下磁性水刺的过滤效率从20.6%上升到91.2%；水刺玄武岩滤料与针刺玄武岩滤料对粒径小于2 μm 的微细粒子过滤效率较低，水刺玄武岩滤料对PM2.5 的过滤效率为82%，针刺玄武岩滤料对PM2.5 过滤效率为76%。

3）过滤阻力方面，各滤料的阻力覆膜玄武岩滤料＞磁性水刺玄武岩滤料＞磁性针刺玄武岩滤料＞水刺玄武岩滤料＞针刺玄武岩滤料，但磁性针刺玄武岩滤料的增长率相对较低，在流量为2.5 m3/h 的情况下，其阻力为82 Pa，低于水刺玄武岩滤料的83 Pa。