新型微孔膜滤料的制备与除尘性能测试

王 岩，张 涛，陈宜华，王 攀，邱树永，吕真虎

(安徽工业大学 能源与环境学院，安徽 马鞍山 243002)

近年来，雾霾天气的频发严重影响了人们的生产生活和身体健康[1-2]。随着人们环保意识的增强和污染物排放标准的提高，防控大气污染刻不容缓[3-4]。

袋式除尘器由于具备除尘性能稳定、过滤效率高、适用范围广等优点被广泛应用于烟气粉尘的处理，但仍存在除尘器滤袋易磨损、难清灰、易粘结等问题，而滤料性能的优劣决定着袋式除尘器的除尘效果及使用寿命[5]，因此，研制袋式除尘器新型滤料对提升除尘器性能具有重要意义[6]。

方沛等[7]通过研究滤料表面处理工艺得出滤料抗水拒油的实验条件；Czigány等[8]实验研究发现经过表面处理后的覆膜滤料机械强度明显增强；Manikandan等[9]采用合成环氧树脂-SiO2浆料对玄武岩纤维改性提高其力学性能；Wei等[10]采用纳米级混合胶进行玄武岩纤维表面改性，发现纤维及复合滤料的机械性能可有效提高，因此，滤料表面改性处理可以提高滤料的化学性能和机械性能。

本文中以无纺布滤料为基材，采用环氧树脂、丙酮、二乙烯三胺、有机玻璃树脂、无水乙醇等化学试剂，对无纺布基材进行表面改性处理，通过辊压、定型、裁剪等工序，制备低阻、高效、耐磨的新型微孔膜滤料；对新型微孔膜滤料的形貌结构、孔径分布、透气性、力学性能及过滤性能进行实验分析，滤料的除尘性能以过滤效率和过滤压损为指标，探讨其微观结构与过滤性能和过滤形式的关系，为解决常规滤料压力损失增长快、易磨损、易粘袋等问题提供研究基础。

1 实验

1.1 原材料

采用无纺布滤料为基材，通过浸渍、胶粘处理后形成新型微孔膜滤料。无纺布滤料参数如表1所示。

表1 无纺布滤料参数

1.2 新型微孔膜滤料的制备

制备新型微孔膜滤料的混合溶液组分的质量分数如表2所示。

表2 制备新型微孔膜滤料的混合溶液组分的质量分数

预处理：将无纺布滤料基材样品浸泡在无水乙醇中以去除滤料表面污渍，浸泡5 min后用蒸馏水反复冲洗至洁净，然后放入烘箱中，在恒温70 ℃下干燥至质量不变时取出滤料。

前处理：按照表2所示的质量分数制备环氧树脂、丙酮、二乙烯三胺混合溶液，使用磁力搅拌器将混合溶液搅拌至均匀，并将预处理后的基材样品完全浸入混合溶液，浸渍10、20、30、40、50、60 min后放入干燥箱恒温70 ℃进行干燥。待基材样品质量恒定后取出备用。

后处理：按照表2所示的质量分数制备有机玻璃树脂、无水乙醇、三乙烯四胺混合溶液，重复前处理操作，即制备出新型微孔膜滤料。混合溶液的质量分数如表2所示。

1.3 新型微孔膜滤料的除尘性能测试

除尘性能测试仪器如表3所示。

表3 除尘性能测试仪器

参照袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件(GB 12625—1990)和过滤材料测试标准(ASTMD 6830—2002)，自制新型微孔膜滤料除尘性能测试平台如图1所示。测试平台由发尘器、测试风管、滤料夹、采样口及风机组成。发尘器通过改变转速来调节进口处的粉尘质量浓度；风机通过调频来改变过滤风速，并通过热敏风速仪对风管风速进行标定；在风速稳定处设置采样口，利用微电脑粉尘采样器测试滤料两端的粉尘质量浓度；利用数字式压力计测试进、出口静压。

1—发尘器；2—测试风管；3—滤料夹；4—采样口；5—风机。

1.4 除尘性能衡量指标

滤料的过滤效率计算公式为

(1)

式中：η为过滤效率，%；C1、C2为滤料两端采样口粉尘的质量浓度，mg/m3；Q1、Q2为实验装置进出口风量，m3/s。

滤料的单位面积过滤压力损失(本文中简称过滤压损)的计算公式为

ΔP=P2-P1，

(2)

式中：ΔP为过滤压损，Pa；P1、P2为实验装置进、出口静压，Pa。

新型微孔膜滤料的除尘性能以过滤效率和过滤压损为衡量指标。

2 结果与讨论

2.1 新型微孔膜滤料的孔径分布和透气性能

新型微孔膜滤料试样与基材的孔径分布如表4所示。由表4可以看出，经过浸渍处理过后，较无纺布滤料基材相比，最大孔径减小了25 μm左右，平均孔径减小了12 μm以上，处理过后的6组试样孔径大小和孔径范围均明显缩小，孔径分布更加均匀集中。

表4 新型微孔膜滤料试样与基材的孔径分布

滤料的透气性能是影响其过滤压损的重要指标[11]。图2为新型微孔膜滤料试样的透气度和最大孔径。

图2 新型微孔膜滤料试样的透气度的和最大孔径

由图2可知，新型微孔膜滤料试样的透气度度远小于无纺布的。无纺布基材结构较为松散，纤维间隙较大，透气性好，但经过乳液浸渍后的新型微孔膜滤料试样表面附着大量的乳液胶体，纤维之间的孔隙减小，内部气流流通通道更加复杂，所以透气性能较无纺布基材有一定程度的下降；新型微孔膜滤料最大孔径与滤料的透气性正相关，这说明气流更容易从滤料压损较小的大孔径通道流走，从而影响滤料的捕集效率。

综上所述，随着浸渍时间的延长，无纺布基材的纤维间孔隙被浸渍液所填充，使新型微孔膜滤料试样的平均孔径进一步减小，从而导致滤料的透气率有所降低。

2.2 新型微孔膜滤料的力学性能

断裂强力与断裂伸长率是滤料重要的力学指标，性能越好的滤料对其要求越高[12]。图3为新型微孔膜滤料试样的断裂强力和断裂伸长率，图中水平线1、2分别表示无纺布基材的纵向、横向的测试值。

由图4可知，经表面改性处理后的新型微孔膜滤料试样的横、纵断裂强力均有一定程度的提升，其中增加最明显的是试样5，其横、纵向断裂强力分别由900、700 N提升至1 450、1 170 N，分别提升61.1%、67.1%。断裂伸长率除试样4外均有不同幅度的减小，这说明滤料经浸渍处理后，力学性能进一步提升，机械强度显著提高。

(a)断裂强力(b)断裂伸长率图3 新型微孔膜滤料试样的断裂强力和断裂伸长率Fig.3 Breakingstrengthandbreakingelongationofnewtypeofmicroporousmembranefiltermaterialsamples

2.3 新型微孔膜滤料的过滤性能

2.3.1 全尘过滤效率

过滤效率是最重要的过滤性能指标之一，随着污染物排放标准愈发严格，对除尘设备的过滤效率的要求也进一步增加[13]。实验以覆膜滤料、针刺毡滤料、新型微孔膜滤料试样5为实验对象，分别以0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m/min的过滤风速测试3种滤料的全尘过滤效率。图4为3种滤料的全尘过滤效率随过滤风速的变化规律。

图4 3种滤料的全尘过滤效率随过滤风速变化的规律

由图4可知，新型微孔膜滤料的全尘过滤效率最高，其次是覆膜滤料的，针刺毡布滤料的最低。过滤风速对3种滤料的全尘过滤效率有不同程度的影响，新型微孔膜滤料在0.6 m/min的过滤风速下，全尘过滤效率能达到99.98%；过滤风速在1.2 m/min以内时，微孔膜滤料的全尘过滤效率也基本保持稳定，均在99.9%以上。针刺毡滤料的全尘过滤效率较低，均低于99%，过滤风速为2.0 m/min时，其全尘过滤效率仅有95%。3种滤料的全尘过滤效率都随着过滤风速的增加而降低，其中新型微孔膜滤料降低幅度最小。这是因为，新型微孔膜滤料的过滤方式为表面过滤，沉积的粉尘层较薄也不易穿透；而针刺毡滤料一般为深层过滤，在较高风速下，沉积在滤料内部的粉尘颗粒会透过滤料纤维，导致其过滤效率迅速下降。

2.3.2 分级过滤效率

实验以覆膜滤料、针刺毡滤料、新型微孔膜滤料为实验对象，在粉尘负荷分别设为200、400 g/m2、过滤风速设为1 m/min的条件下，测试3种滤料的分级过滤效率。图5为不同粉尘负荷条件下3种滤料的分级过滤效率随粒径变化的规律。

(a)粉尘负荷为200g/m3(b)粉尘负荷为400g/m3图5 不同粉尘负荷条件下3种滤料的分级过滤效率随粒径变化的规律Fig.5 Variationlawofclassificationfiltrationefficiencyofthreekindsoffiltermediawithparticlesizeunderdifferentdustloadingconditions

由图5可以看出，新型微孔膜滤料和覆膜滤料的分级过滤效率受粉尘粒径变化的影响较小，即使针对微细粉尘，这2种滤料也具有较高的分级过滤效率，而针刺毡滤料对微细粉尘的分级过滤效率较低。3种滤料的分级过滤效率都随着粉尘粒径的增大而增大，但3种滤料对微细粉尘的分级过滤效率有显著差异，新型微孔膜滤料、覆膜滤料以及针刺毡滤料对粉尘粒径为2.5 μm的粉尘的分级过滤效率分别为96.8%、94%、79%。这是由于，新型微孔膜滤料表面存在立体、交错的微孔膜层，可以显著提高微细粉尘的分级过滤效率。粉尘负荷对滤料的分级过滤效率也有一定的影响，分级过滤效率随着粉尘负荷的增加而进一步提高，这是因为粉尘负荷的增加会使粉尘初层更快的形成，分级过滤效率随之提升。

2.3.3 静态过滤压损

以新型微孔膜滤料、覆膜滤料、针刺毡滤料为实验对象，在过滤风速为0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 m/min时，测试其静态过滤压损。图6为3种滤料在不同过滤风速时静态过滤压损。

图6 3种滤料在不同过滤风速时的静态过滤压损

由图6可知，3种滤料的静态过滤压损均随过滤风速的增大而增大。随着过滤风速增大，清洁滤料的过滤压损呈线性增长，其中针刺毡滤料的静态过滤压损增幅较小，主要原因是针刺毡滤料未经过覆膜和表面改性处理，透气性更大；但相较于覆膜滤料新型微孔膜滤料的静态过滤压损增幅较缓。

2.3.4 动态过滤压损

以新型微孔膜滤料、覆膜滤料、针刺毡滤料为实验对象，控制过滤风速为1 m/min，测试运行时刻为0、2、4、6、8、10、12 min时3种滤料的过滤压损。图7为3种滤料的动态过滤压损随过滤时间的变化规律。

图7 3种滤料的动态过滤压损随过滤时间的变化规律

由图7可知，随着过滤时间的延长，3种滤料的动态过滤压损随之增大，且增速越来越快。其中，在保持同样的过滤效率前提下，新型微孔膜滤料的动态过滤压损增幅最小。在过滤时间为6 min时，覆膜滤料、针刺毡滤料、新型微孔膜滤料的动态过滤压损分别为299、267、222 Pa，且随着过滤时间的延长，3种滤料的动态过滤压损差距越来越大，在12 min时，针刺毡滤料的动态过滤压损已经比新型微孔膜滤料的高300 Pa以上。这是由于，新型微孔膜滤料表面经过特殊的浸渍处理，纤维孔隙中填充了大量的浸渍液，滤料表面存在光滑的立体的网状膜层，且在滤料成型过程中经过压缩与多次烘干，滤料的结构更加紧凑，因此在过滤时粉尘不易沉积在滤料内部，动态过滤压损也增加得更为缓慢。

综上所述，过滤风速在1.2 m/min以下时，新型微孔膜滤料与覆膜滤料下的全尘过滤效率均在99%以上，但过滤风速超过1.2 m/min后，覆膜滤料的全尘过滤效率下降较快；针刺毡滤料的全尘过滤效率较低，随着过滤风速增加，全尘过滤效率持续降低至95%。新型微孔膜滤料的分级过滤效率受粒径影响较小，对PM2.5的分级过滤效率仍在96%以上，而覆膜滤料与针刺毡滤料的分级过滤效率受粉尘粒径的影响很大，对微细粉尘的分级过滤效率较低。3种滤料的静态过滤压损均随着过滤风速的增大显著提高，覆膜滤料静态过滤压损最大，新型微孔膜滤料次之，针刺毡滤料的较小。3种滤料的动态过滤压损随着过滤时间的增加而增大，新型微孔膜滤料的动态过滤压损较小，在运行时间为12 min时，较针刺毡滤料的低300 Pa以上。

2.4 新型微孔膜滤料的综合评价

2.4.1 滤料表面改性机理分析

滤料表面改性处理是在保留滤料基材原有优点的基础上，通过优化或改造工艺，使其克服存在的不足，提高其过滤性能的过程。环氧树脂的分子结构中含有活泼的环氧基团，可与各种固化剂发生反应，生成高聚合产物；形成的高聚物具有优良的理化性质，且一般呈现为不定向三维立体的网状结构，使改性的滤料基材结构更加紧凑，过滤效率进一步提升，因此，选用环氧树脂作为滤料表面改性处理的主要成分。二乙烯三胺作为环氧树脂的室温固化剂，无水乙醇及丙酮作为环氧树脂的溶剂和稀释剂，在70 ℃的温度下，反应时间为45 min左右，两者即可完成交联反应，使无纺布滤料基材表面产生力学性能优良、化学性质稳定的光滑网状膜层，滤料表面过滤压损减小，从而提高了滤料基材的力学性能及过滤性能。

2.4.2 微观形貌

新型微孔膜滤料的SEM图像如图8所示。由图8可知，无纺布滤料基材经环氧树脂及其固化剂表面改性处理后，表面附着了一层三维立体的光滑网状膜层，其致密的结构使滤料表面的平均孔径减小，进而使滤料的透气性有所下降，但是也会进一步提升滤料的过滤精度；另一方面，这一膜层不仅充当了粉尘初层，使得过滤行为在刚进行时就能有较高的效率，并减少了粉尘颗粒在滤料表面的沉积，降低了滤料的动态过滤压损，而且其具有防水、不熔的特性，使改性滤料具有了防潮特性。

(a)滤料表面(b)滤料截面图8 新型微孔膜滤料的SEM图像Fig.8 SEMimagesofnewtypeofmicroporousmembranefiltermaterial

总之，滤料表面改性处理会导致其透气性下降，平均孔径减小，但会提升滤料的力学性能及过滤精度。从新型微孔膜滤料截面图可以看出，在滤料内部存在少量浸渍液，未将滤料内部的通道堵死，使滤料在表面改性处理之后依旧具有良好的透气性。

2.4.3 过滤形式

在除尘器运行过程中，不同类型的滤料，具有不同的过滤形式。

常规滤料一般为深层过滤[14]。常规滤料过滤效率不高，是由于在粉尘初层形成之前，粉尘会随着气流进入滤料内部进行深层过滤，部分粉尘则会随着气流穿透滤料，造成过滤效率降低。当滤料迎尘面形成厚约0.3～0.5 mm的粉尘初层之后，过滤效率显著提高，但动态过滤压损也进一步增大，甚至颗粒物会沉积在滤料内部，造成滤料的堵塞。

新型微孔膜滤料为表面过滤。在过滤初期，由于新型微孔膜滤料表面覆盖了一层三维网状结构的光滑膜层，相当于已具备了粉尘初层，使得大量的颗粒物会被表面的微孔膜层捕集下来，从提高了滤料的过滤效率。滤料表面光滑，使过滤粉尘不易附着在滤料表面，而且过滤通道杂乱交错，颗粒物很难直接透过微孔沉积在滤料内部，使得除尘器的动态过滤压损不会像常规滤料一样急剧上升，因此，新型微孔膜滤料不仅具有较高的过滤效率和较低的动态过滤压损，而且颗粒物不易进到滤料内部，使滤料的清灰难度降低。

综上所述，在反应温度为70 ℃时，以无水乙醇和丙酮为溶剂，环氧树脂与二乙烯三胺在反应时间为45 min左右即可完成交联反应，使无纺布滤料基材表面生成光滑的三维立体网状膜层，从而制备出新型微孔膜滤料。新型微孔膜滤料的过滤方式为表面过滤，新型微孔膜滤料表面附着一层三维网状的光滑膜层，提高新型微孔膜滤料的过滤精度的同时充当了粉尘初层，提高了清洁滤料的过滤效率；降低了动态过滤压损，减少了粉尘沉积，降低了清灰难度。

3 结论

新型微孔膜滤料经3道工序制备而成，表面增加一层光滑微孔膜层，使滤料平均孔径减小、透气性能略有降低、机械强度增加、除尘性能增强、过滤形式改变。

1)在反应温度为70 ℃时，以无水乙醇和丙酮为溶剂，环氧树脂与二乙烯三胺在反应时间为45 min左右即可完成交联反应，使无纺布滤料基材表面生成光滑的三维立体网状膜层，制备出新型微孔膜滤料，其孔径尺寸为5～50 μm，结构紧凑，透气性能略微降低，但过滤精度明显提高。

2)新型微孔膜滤料试样的横、纵断裂强力均有一定程度的提升，滤料经浸渍处理后，力学性能进一步提升，机械强度显著提高。

3)过滤风速在1.2 m/min以下时，新型微孔膜滤料的全尘过滤效率≥99%；分级过滤效率受粒径影响较小，对PM2.5的分级过滤效率≥96%；静态过滤压损随着过滤风速的增大而增大，动态过滤压损随着过滤时间的增加而增大。

4)新型微孔膜滤料的过滤方式为表面过滤，表面附着的三维网状的光滑膜层提高了过滤精度，充当了粉尘初层，降低了动态过滤压损，减少了粉尘沉积，提高了过滤效率，降低了清灰难度。