極化處理對濾料過濾性能的強(qiáng)化

郝偉東,郭穎赫,毛 寧,柳靜獻(xiàn) (東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

袋式除塵器是控制工業(yè)排放微細(xì)顆粒物的最有效手段.濾料作為袋式除塵的核心,其過濾效率直接影響煙塵的排放濃度,其壓差關(guān)系到系統(tǒng)的能耗.在保持壓差不增的前提下,提高濾料對以PM2.5為代表的微細(xì)粒子的過濾效率一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點[1-8].駐極體濾料因高效低阻的特性在空氣過濾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,靜電吸附是其主要的過濾機(jī)理,因此對亞微米顆粒物的捕集效率很高[9-10],目前國內(nèi)外對駐極體過濾材料的研究[11-13]多是圍繞以電暈放電駐極方法為主的駐極材料,而這種人工駐極過濾材料隨溫度的升高退極現(xiàn)象十分明顯[7],不適用于袋式除塵濾料所面臨的高溫環(huán)境.電氣石(TM)是一種典型的天然礦物駐極體,加熱到 1000℃時其電極性才會消失[14],TM 具有壓電性和熱電性,在室溫下其晶體表面存在“永久自發(fā)電極”,因其顆粒周圍存在靜電場現(xiàn)象,開啟了其在環(huán)保領(lǐng)域的研究熱潮[15-16].將 TM 添加到熔噴織物中,其孔徑增大,機(jī)械性能和抗菌性能大大提高;且織物駐極后表面電荷密度提高,駐極前后過濾效率均有所提升[17-19].但對TM在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用與研究[20-21]多數(shù)集中在水凈化方向,在用于工業(yè)除塵的袋除塵濾料上還屬空白.

本研究通過將 TM 粉覆于袋除塵濾料表面形成駐極濾料,以微細(xì)顆粒物捕集效率為衡量標(biāo)準(zhǔn),研究TM對微細(xì)顆粒物捕集效率的影響,并探討其在高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域的應(yīng)用,以期為工業(yè)排放的微細(xì)顆粒物控制開辟新的方向.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗選用的過濾材料為袋式除塵中常用的聚苯硫醚(PPS)針刺氈濾材和滌綸(PET)濾材,PPS及PET濾料的克重、厚度及壓差等基本參數(shù)見表 1.膠粘層為熱熔薄膜,其熔點為 140～160℃,密度為 1.20g/cm3,熔融指數(shù)為 15～20g/10min.

表1 過濾材料參數(shù)Table 1 Parameters of filter media

TM 粉分別取自新疆(TM1)、桂林(TM2)和內(nèi)蒙古(TM3),粒徑分析使用 Dino-Capture電子顯微鏡采集圖像, Imganaly軟件對圖像處理分析,分析圖像見圖1,粒徑統(tǒng)計結(jié)果見表2.結(jié)果表明,3種樣品粒徑分布基本一致,平均粒徑為25μm.

圖1 TM顆粒粒徑分析Fig.1 TM particle size analysis

表2 TM顆粒粒徑分布(%)Table 2 TM particle size distribution(%)

1.2 樣品制作

圖2 樣品結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The structure of sample

PPS作為TM粉的負(fù)載基材,將定量TM粉放入水中攪拌,使其維持懸浮狀態(tài)直至將其移入以PPS濾料為底的沉降容器中,待粉體完全沉降在濾料表面后將水移除,樣品放入80℃烘箱中烘干.將熱熔薄膜和PET依次在烘干的樣品上鋪好,呈三明治狀,經(jīng) 150℃熱壓面熱壓 20s后,即完成處理過程.PET濾材的主要作用是防止熱熔型膠層粘結(jié)在熱壓面上.實驗樣品結(jié)構(gòu)示意見圖2.

圖3 樣品TM顆粒分布Fig.3 Distribution of TM particles

加有TM1、TM2和TM3的樣品分別為A、B、C,駐極處理過程中熱熔薄膜的熔化及PET濾材的粘合使PPS濾料孔隙減小,比表面積增大,對顆粒物的捕集效率會隨之增大,為排除這種處理工藝對捕集效率的影響,對比樣品 D除未添加TM外,處理過程與A、B、C一致.濾料單位面積內(nèi) TM 顆粒的數(shù)量可用于衡量粉體分散的均勻程度,通過電子顯微鏡觀察 TM 顆粒在濾材表面的分布情況,見圖3;經(jīng)統(tǒng)計,面積為20cm2的樣品A、B、C表面粘黏TM顆粒數(shù)分別為137、132、140.結(jié)果表明,3種試樣的均勻度和一致性良好.

1.3 效率測試方法

圖 4為實驗所用測試裝置示意,兩臺TSI9306激光粒子計數(shù)器分別同時測量樣品上游和下游的顆粒物濃度,Testo512壓差計用來測量樣品的阻力,通過氣體轉(zhuǎn)子流量計來控制風(fēng)速.過濾效率和阻力是過濾材料最重要的 2個參數(shù),實驗在 1～3m/min風(fēng)速范圍內(nèi)測量樣品的阻力;在1.7m/min的面風(fēng)速下測量樣品的分粒級效率;每種樣品測試3組.過濾效率通過下式計算：

式中：f為過濾效率;Cu與Cd分別為上下游粒子濃度,個/cm3.

圖4 測試裝置Fig.4 The experimental setup

1.4 電氣石分析儀器

使用X'Pert PRO型多晶X射線衍射儀(XRD)對 TM 物相進(jìn)行分析,得到的分析圖像通過HighScore軟件在ICDD數(shù)據(jù)庫中檢索匹配;采用JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡(SEM)獲取樣品微觀圖像,通過觀察圖像分析 TM 顆粒形貌及分布規(guī)律.TM 純度由東北大學(xué)研究院分析測試中心采用化學(xué)滴定的方法測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 壓差特性

壓差在工業(yè)除塵領(lǐng)域稱為阻力,是評價濾料的重要指標(biāo).阻力越大,能耗越大,壓差與效率之間相互關(guān)聯(lián),通常阻力越大效率越高.人們期待的是高效低阻的過濾材料.實驗中 4種樣品的阻力如圖5所示.

由圖 5可見,4種樣品的阻力隨著風(fēng)速的增加線性增長,樣品間相同風(fēng)速下阻力差異很小,在給定的過濾效率測試風(fēng)速1.7m/min下,各樣品間阻力差異≤2Pa.這是因為3種TM顆粒較小、粒徑分布基本一致,并且顆粒都附著在濾材的表面,沒有滲透到濾材內(nèi)部堵塞孔隙(圖3),所以TM顆粒對濾料孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響很小,對顆粒物捕集效率產(chǎn)生的影響可以忽略.

圖5 不同風(fēng)速下樣品阻力特性Fig.5 Pressure drop of samples in different face velocity

2.2 分粒級效率

如圖6所示,A、B、C 3種樣品對不同粒徑粒子的過濾效率均高于樣品D,加有TM1的樣品A效率提升最大,對各粒徑顆粒物捕集效率分別提升了18.52%, 18.01%, 16.84%, 15.76%, 13.35%;樣品B效率分別提升了11.57%, 11.20%, 9.94%,9.75%, 8.47%;樣品C效率提升幅度最小,分別提升了9.24%, 9.26%, 7.75%, 7.77%, 6.06%; 3種樣品的效率大小關(guān)系為A＞B＞C.與Ji等[9]得到的亞微米顆粒物捕集效率規(guī)律相同,在0.3～1μm粒徑范圍內(nèi),濾料對顆粒物捕集效率隨顆粒物粒徑增大而增大,但因為駐極濾料對微小粒子的靜電吸附作用,駐極濾料的顆粒物捕集效率提高,且隨粒徑的增大捕集效率增長趨勢較為平緩.

圖6 樣品在1.7m/min風(fēng)速下過濾效率Fig.6 Ef fi ciencies of filters at 1.7m/min face velocity

濾料的機(jī)械過濾機(jī)理包括擴(kuò)散、攔截、慣性碰撞和重力沉降,機(jī)械過濾機(jī)理作用下,0.1～1μm粒徑范圍內(nèi),顆粒物捕集效率隨粒徑增大而增大

[22],樣品 D 的效率變化與此趨勢一致,而加有TM1的樣品 A隨著粒徑的增大效率增長平緩,樣品B、樣品C與樣品A規(guī)律一致,趨勢相對較弱.這是因為駐極濾料除了機(jī)械過濾外還存在靜電吸附作用,吸附作用對單纖維捕集效率的影響是無量綱常數(shù)N的函數(shù)[23]：

式中：n為極性粒子數(shù)量;e為單個粒子電性;Q為纖維電荷密度;CC為修正系數(shù);ε0為真空電容率;μ為氣體粘度;dp為顆粒物直徑;df為纖維直徑;U為過濾風(fēng)速.當(dāng)濾料和TM顆粒基本參數(shù)確定,風(fēng)速不變,顆粒物粒徑越大,N值越小,相應(yīng)的靜電吸附作用對效率影響越小.

由圖 7可看出,3種電氣石對顆粒物捕集效率的提升幅度隨顆粒物粒徑增大而減小,這與馮壯波等[24]研究的人工駐極體濾料結(jié)果一致.

圖7 加有TM的3種樣品效率提升幅度Fig.7 Ef fi ciencies increased percentage of three filters with TM

圖8 、圖9分別為濾料樣品對2.5,3μm顆粒物的捕集效率,對于2.5μm顆粒物A、B、C 3種樣品的顆粒物捕集效率均有所提升,由 68.3%分別增至81.7%、78.0%、74.2%;而對于3μm顆粒物,經(jīng)過處理的濾料顆粒物捕集效率基本沒有變化,效率提升最大的樣品A效率增幅＜2%,因此實驗所用TM對微細(xì)顆粒物有效吸附粒徑為3μm.

圖8 2.5μm粒子過濾效率Fig.8 Efficiency of filters for 2.5μm particle

TM 的靜電吸附機(jī)理是提高顆粒物捕集效率的主要因素;TM 顆粒的添加增大了濾料的比表面積,在一定程度上也使效率提高.

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

為進(jìn)一步分析 TM 對顆粒物的吸附效果,對實驗后一段時間的樣品 A上的 TM 顆粒進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果見圖 10.湯云暉等[26]的研究表明在電場的作用下,溶液中帶電粒子在電氣石周圍聚積;顆粒物捕集效率測試采用的大氣塵中有90%～95%為帶電粒子[25], 類比于溶液中帶電粒子.可以看出,被捕集顆粒物大都聚集在TM顆粒上或其周圍區(qū)域,進(jìn)一步證明電氣石通過電場作用吸附微細(xì)顆粒物.這些顆粒中有直接被吸附的顆粒,也包括由于受電場力作用運(yùn)動軌跡發(fā)生改變的粒子,因與纖維的碰撞幾率增加,進(jìn)而被纖維捕集.與人工駐極濾料一樣,駐極體礦物粉處理過的濾料可以吸附電荷相反的顆粒物,同時也能使中性粒子荷電,進(jìn)而提高對顆粒物的捕集效率.

2.3 電氣石吸附性差異分析

以上實驗結(jié)果也反映出 3種粒徑分布基本一致的 TM 顆粒對濾料效率的提升影響程度存在差異,為深入分析,對 3種 TM 顆粒做了 XRD物相定性分析(圖11).

圖11表明,3種TM的XRD衍射譜線均與黑電氣石的主要衍射譜線吻合,受 TM 顆粒純度以及擇優(yōu)取向等因素影響,峰的強(qiáng)度與黑電氣石衍射峰強(qiáng)度不盡一致,但主要衍射峰的位置完全吻合,不影響物相定性分析,因此判斷3種TM同屬一類電氣石,組成成分相同;通過圖 11可以初步判斷3種TM的純度不同,但通過XRD圖譜很難精確定量分析TM純度[27],因此采用化學(xué)滴定的方法測定 B2O3含量,確定硼(B)含量后通過化學(xué)式計算出TM純度,B2O3含量及TM純度見表3.結(jié)果表明,TM1純度＞TM2純度＞TM3純度,而其對應(yīng)處理的濾料效率 A＞B＞C,說明引起差異的原因是TM純度.純度越高,結(jié)晶性越好,自發(fā)極化強(qiáng)度越大[28],反映在公式(2)中即相同風(fēng)速下對同一粒徑顆粒物的捕集效率,在其他條件相同的情況下,單個電氣石顆粒電性值e越大,效率越高.

圖10 樣品A的潔凈狀態(tài)以及過濾實驗后的SEM圖Fig.10 SEM images of sample A before and after experimenta.未進(jìn)行效率測試的潔凈樣品 b.經(jīng)過大量效率測試的樣品

圖11 TM的XRD掃描圖像Fig.11 X-ray diffraction pattern of TM powder

表3 TM純度Table 3 Purity of TM

2.4 高溫處理后過濾性能分析

將效率提升最高的樣品 A在 200℃高溫中放置1h,常溫暴露1h,反復(fù) 3次,處理后測試其計數(shù)效率,如圖 12所示.冀志江等[29]研究表明：在850℃時黑電氣石表面開始分解形成新物相,在500℃時TM表面Fe2+開始氧化成Fe3+,且不破壞電氣石結(jié)構(gòu).因此在 200℃對樣品進(jìn)行處理不會引起TM顆粒的外貌形狀及含量的變化.

圖12 濾料高溫處理前后效率Fig.12 Ef fi ciencies of filter after high temperature treated

結(jié)果表明,在 200℃高溫下,經(jīng)駐極處理的濾料效率幾乎沒有變化,在一般工業(yè)煙氣溫度(150℃左右)環(huán)境下,也可發(fā)揮其靜電吸附作用,提高對微細(xì)顆粒物的捕集效率.

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)礦物駐極體電氣石極化處理的濾料壓差增長≤2Pa,對微細(xì)顆粒物的捕集效率顯著提高.

3.2 電氣石的純度越高效率提升效果越好,純度為87.52%電氣石處理的濾料對0.3,0.5,0.7,0.9,2.5μm顆粒物的捕集效率在34.6%,35.4%,37.9%,38.7%,68.3%基礎(chǔ)上分別提升了 18.52%,18.01%,16.84%,15.76%,11.49%.

3.3 新型駐極濾料對微細(xì)顆粒物的靜電吸附機(jī)理與人工駐極過濾材料一致,對顆粒物捕集效率的影響隨顆粒物粒徑的增大而減弱,實驗樣品對3μm顆粒物捕集效率增幅＜2%.

3.4 與傳統(tǒng)的人工駐極體濾料不同,經(jīng) 200℃高溫處理過的袋除塵駐極濾料對微細(xì)顆粒物捕集效率沒有變化,可以用于高溫?zé)煔猸h(huán)境中.

[1]江 琪,王 飛,張恒德,等.2013～2015 年北京市 PM2.5、反應(yīng)性氣體和氣溶膠粒徑的特性分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(10)：3647-3657.

[2]伯 鑫,徐 峻,杜曉惠,等.京津冀地區(qū)鋼鐵企業(yè)大氣污染影響評估 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(5)：1684-1692.

[3]Lu Feng, Xu Dongqun, Cheng Yibin, et al. Systematic review and meta-analysis of the adverse health effects of ambient PM2.5and PM10pollution in the Chinese population [J]. Environmental Research, 2015,136(C)：196-204.

[4]Wang P, Cao J J, Shen Z X, et al. Spatial and seasonal variations of PM2.5mass and species during 2010 in Xi'an, China [J].Science of Total Environment, 2015,508(C)：477-87.

[5]Chan C K, Yao X H. Air pollution in mega cities in China [J].Atmospheric Environment, 2008,42(1)：1-42.

[6]柳靜獻(xiàn),謝 越,常德強(qiáng),等.除塵濾料對微細(xì)顆粒捕集性能的研究 [J]. 過濾與分離, 2012,22(4)：21-25.

[7]Bo?ena ?owkis, Edmund Moty. Electret properties of polypropylene fabrics [J]. Journal of Electrostatics, 2001,51(1)：232-238.

[8]Liu C, Hsu P C, Lee H W, et al. Transparent air filter for highefficiency PM2.5capture [J]. Nature Communications, 2015,6(6205)：1-9.

[9]Ji J H, Bae G N, Kang S H, et al. Effect of particle loading on the collection performance of an electret cabin air filter for submicron aerosols [J]. Aerosol Science, 2003,34：1493-1504.

[10]Nifuku M, Zhou Y, Kisiel A, et al. Charging characteristics for electret filter materials [J]. Journal of Electrostatics, 2001,s51-52：200-205.

[11]周 霞.充電技術(shù)與駐極體性能相關(guān)性研究 [D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué), 2011.

[12]Belaid Tabti, Lucian Dascalescu, Marius Plopeanu, et al. Factors that influence the corona charging of fi brous dielectric materials[J]. Journal of Electrostatics, 2009,67：193-197.

[13]Peter P Tsai, Heidi Schreuder-Gibson, Phillip Gibson. Different electrostatic methods for making electret fi lters [J]. Journal of Electrostatics, 2002,54：333-341.

[14]鐘宏杰.駐極體織物 [J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002,21(2)：76-78.

[15]Kubo T. Engineering application of solid state physics： Interface activity of water given rise to by Tourmaline [J]. Solid State Physics, 1989,27：303-313.

[16]冀志江,金宗哲,梁金生,等.極性晶體電氣石顆粒的電極性觀察[J]. 人工晶體學(xué)報, 2002,31(5)：503-508.

[17]Leonard D Tijing. Antibacterial and superhydrophilic electrospun polyurethane nanocomposite fibers containing tourmaline nanoparticles [J]. Chemical Engineering Journal, 2012,197(14)：41-48.

[18]Yu Bin, Han J, Sun H, et al. The Preparation and property of poly(lactic acid)/tourmaline blends and melt-blown nonwoven [J].Polymer Composites, 2015,36(2)：264-271.

[19]裘 康.電氣石熔噴非織造布的研究與應(yīng)用 [D]. 天津：天津工業(yè)大學(xué), 2005.

[20]印萬忠,韓躍新,任 飛,等.電氣石在環(huán)境工程中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究 [J]. 礦冶, 2005,14(3)：64-68.

[21]吳瑞華,湯云暉,張曉暉,等.電氣石的電場效應(yīng)及其在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用前景 [J]. 巖石礦物學(xué)雜志, 2001,20(4)：474-476.

[22]Liu J, Pui D Y, Wang J. Removal of airborne nanoparticles by membrane coated filters [J]. Science Total Environment, 2011,409(22)：4868-4874.

[23]R. Latrache, Fissan H J. Enhancement of particle deposition in filters due to electrostatic effects [J]. Filtration & Separation,1987,24(6)：418-422.

[24]Feng Zhuangbo, Long Zhengwei, Mo Jinhan. Experimental and theoretical study of a novel electrostatic enhanced air filter(EEAF) for fine particles [J]. Journal of Aerosol Science, 2016,102：41-54.

[25]李艷強(qiáng),郭立穩(wěn),楊炯照,等.粉塵吸附行為及微觀機(jī)理的研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2011,37(6)：25-26.

[26]湯云暉.電氣石的表面吸附與電極反應(yīng)研究 [D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué), 2002.

[27]房俊卓,張 霞,徐崇福.實驗條件對 X 射線衍射物相定量分析結(jié)果的影響 [J]. 巖礦測試, 2008,27(1)：60-62.

[28]冀志江.電氣石自極化及應(yīng)用基礎(chǔ)研究 [D]. 北京：中國建筑材料科學(xué)研究院, 2003.

[29]冀志江.熱處理電氣石的物相轉(zhuǎn)變 [J]. 礦物學(xué)報, 2002,22(3)：280-284.