金屬多孔材料在環境治理領域的應用

馮 丹

(天津工業職業學院天津300800)

0 引言

金屬多孔材料是指用金屬粉末、 金屬纖維或者金屬絲網燒結制成的含有貫通孔道的一類金屬材料， 其內部彌散分布著大量的有方向性或隨機分布的孔洞，其孔隙率可以達到98%，孔洞的形態不同特點各異，主要有獨立孔洞和連續孔洞，其中連續孔洞除了具有密度小、 剛性和比強度好等特點外還具有浸透性、通氣性好的特點，另外孔徑的大小、分布和孔隙率可以實現準確控制。 這類材料既有金屬的固有特性，如導電性、導熱性、可塑性等又具有一系列功能特性，如高滲透性、高比表面積、能量吸收、毛細現象、隔音、隔熱等，是一種新型的結構功能材料。 在工業上可以用于過濾分離、表面燃燒、熱交換、催化劑載體、電化學過程、多孔電極、自潤滑、生物植入體等方面，廣泛應用于航空航天、化工、建材、冶金、原子能、機械、環保等諸多領域。

隨著經濟的高速發展、 資源的過渡開采和不合理利用導致環境問題層出不窮， 各種污染嚴重影響了人們的生產和生活。 環境治理方面的問題成為大家關注的焦點， 其中新材料的使用成為影響治理水平的關鍵因素。 金屬多孔材料因其優良特性，在環境治理領域發揮了不可小覷的作用。

1 金屬多孔材料在潔凈煤技術的應用

我國的能源結構中以煤炭為主， 隨之帶來了嚴重的環境污染問題， 煤的高效和清潔利用對當前環境問題的改善有很大的影響。 潔凈煤技術是20 世紀80 年代中期美國首先提出來的，是指煤炭從開采到利用的全過程中減少污染物排放和提高利用率的加工、轉化、燃燒及污染控制等技術的總稱，煤氣化技術是其中的一項關鍵技術，被稱之為跨世紀能源新技術的煤的潔凈燃燒聯合循環發電工藝技術(整體煤氣化聯合循環發電IGCC，增壓流化床燃燒聯合循環發電PFBC 等)就是利用煤氣化產生的高溫煤氣經高溫除塵凈化后通過燃氣透平發電， 然后尾氣經余熱鍋爐產生蒸汽以驅動汽輪機發電，形成聯合循環發電，比普通燃煤發電效率高5%～10% 。 干法除塵(DSR)是干煤粉加壓氣化工藝的重要環節，王凡等[1]人以殼牌煤氣化裝置為例測試Fe3Al 金屬間化合物粉末濾芯在溫度約為300～350 ℃氣氛中的使用情況得出過濾之后固體顆粒物的含量(質量分數)穩定在10-5～2×10-5，飛灰平均粒徑(d 0.5)為2.714 μm，過濾效率和過濾精度很高，且不受低溫潮濕的環境的影響。 在孔徑測試中， 經過兩次清洗的濾芯的平均孔徑比新濾芯略大。 在滲透性測試中，經過兩次清洗的濾芯的滲透率比經過一次清洗的濾芯的滲透率要高但是比新濾芯的滲透率略低， 滲透性接近于新濾芯的水平。 在強度測試中，使用兩次的金屬濾芯的壓潰強度較之新金屬濾芯與使用一次的金屬濾芯略低，但相對于陶瓷濾芯明顯要高，此外經過兩次清洗的金屬濾芯的焊接試樣的最大斷裂力比新金屬濾芯及清洗一次的金屬濾芯略低， 但比陶瓷濾芯明顯要高，這些測試說明Fe3Al 濾芯粉末體兩次使用之后清洗再生還可以獲得較好的透氣性， 且依然具有較高的力學性能， 焊接強度不會在使用過程中受到明顯影響。

2 金屬多孔材料在高效潔凈能源的應用—表面燃燒技術

表面燃燒技術是全預混燃燒方式的一種新型燃燒技術，具有高效節能，低污染的特點。 要想形成表面燃燒，除了空煤氣全預混以外，還要有多孔表面，由SiC 和Al2O3等陶瓷泡沫或纖維制作的表面燃燒器成本高、易碎、不耐熱震、導熱率低，難以達到實用化的要求。 近年來，因為FeCrAI、NiAl 等金屬合金纖維具有良好的耐高溫抗氧化性能被用來制作表面燃燒器， 以彌補陶瓷纖維材料的不足[2]。這類材料表面氣孔分布均勻，透氣性好，導熱系數和輻射率高，有利于傳熱和增加燃燒反應區域，提高了燃燒效率。 金屬纖維表面燃燒技術適用于任何氣體和液體燃料(甚至固體顆粒燃料)，煤也可經過汽化或液化后采用金屬纖維燃燒器燃燒。金屬纖維燃燒器還具有高的納污量， 可容納燃燒粉塵(如煤粉)，降低有害氣體和粉塵的排放，實現了真正的潔凈燃燒。

3 金屬多孔材料在高溫氣體凈化中的應用

工業生產過程中， 很多領域都會涉及到高溫含塵氣體， 如冶金行業鋼鐵冶煉過程中的高爐煤氣和轉爐煤氣、玻璃工業的高溫尾氣等。 這些氣體中有大量物理顯熱、化學潛熱、動力能以及可利用的物質， 它們的凈化處理和合理利用蘊含著很大的經濟效益。 傳統高溫氣體除塵技術一般是先將高溫氣體進行冷卻，然后再進行除塵，這樣浪費了大量的熱資源，有時還會產生污水、污泥等二次污染， 而高溫氣體的直接凈化除塵技術可以不用冷卻利用高溫過濾材料實現氣固分離， 使高溫氣體資源能夠綜合利用， 并能最大程度地利用氣體顯熱和有用能源， 而且簡化了工藝過程， 節省了設備投資以及避免了二次水污染等， 因此具有顯著的優勢。

高溫過濾材料在高溫氣體介質過濾除塵技術中很關鍵，因為特殊的工作環境，要求其在高溫、高腐蝕性氣體中必須滿足過濾特性、使用壽命、價格等多方面的要求[3]。

金屬多孔材料因具有良好的耐熱性、 抗熱震性和良好的機械性能，強度高，不易斷裂等優點，另外還有良好的加工性能和焊接性能， 更適用于高溫氣體的過濾除塵材料， 尤其是高溫抗腐蝕方面的改進更提升了適用性和優越性。 金屬多孔材料制備的高溫過濾介質可以實現對5 μm 以下的塵粒進行精細除塵， 如金屬粉末燒結多孔材料FeAl 金屬間化合物和310S 不銹鋼材料具有很好的抗高溫氧化、耐硫腐蝕性能，用它們制作的燒結金屬濾管，最高使用溫度可以達到900 ℃[4，5]；銅基合金、304 不銹鋼、316 不銹鋼、GH3030 高鎳合金和GH4 高溫合金等材質的金屬纖維制品、Fe-Al燒結粉末和310S 燒結金屬絲網也在高溫除塵領域廣泛使用[6]。 燒結不銹鋼纖維氈作為一種新型材料，是采用微米級的不銹鋼纖維無紡鋪制、疊配和高溫燒結而成的多層纖網材料， 孔徑分布均勻且孔徑大小梯度可以控制，具有過濾精度高，納污容量高等特點。 它的孔隙率可以達到70%～85%相對粉末過濾材料具有更好的過濾性能， 同樣體積下過濾面積比玻璃纖維除塵袋和多孔陶瓷過濾材料也大得多，使用溫度可以高達500 ℃，如316L 不銹鋼纖維氈， 除此之外它還具備良好的導熱性可波折易加工等特性。 Ni 基金屬因為其良好的抗高溫性能也被用來研制高溫過濾材料，楊坤等[7]用傳統的冷等靜壓成型工藝制備的Ni 基高溫合金過濾管， 經1240℃燒結后樣品的透氣系數達到最大為271.7 m3·m-2·kPa-1·h-1，且流阻最小，測試得出其耐壓強度可以達到86.2 MPa，將試樣用于5 μm以上含塵氣體過濾除塵其效率達到99. 9%以上，能夠滿足潔凈煤、 多晶硅等行業生產過程中產生的含塵氣體分離的要求。

4 金屬多孔材料在汽車尾氣凈化方面的應用

隨著汽車數量的越來越多， 汽車尾氣造成的污染已經成為環境污染的主要途徑之一， 治理汽車污染已經成為全球性的問題。 汽車尾氣污染物主要為碳氫化合物、硫氧化物、氮氧化合物及固體顆粒物等， 加裝三元催化器對尾氣凈化是治理汽車尾氣的主要手段之一， 其關鍵部件就是催化劑載體。陶瓷多孔材料的催化劑載體強度、 抗熱震性能及導熱性不理想，凈化效果較差、使用壽命短。近年來Fe-Cr-AI 合金材料制備的多孔載體開始取代多孔陶瓷， 加之非尾氣加熱催化劑的使用能夠大大縮短起燃時間、提升起燃溫度。 西安菲爾特金屬過濾材料有限公司的Fe-Cr-Al 纖維產品采用電化學還原方法將鉑族金屬沉積于載體， 實現尾氣凈化，可以用在各類機動車尾氣凈化器中[8]。

柴油車的尾氣排放也是比較嚴重的尾氣污染， 主要是通過柴油機顆粒捕集器處理柴油機排放微粒。 Fe-Cr-Al 合金纖維也可以用來制作柴油機顆粒捕集器，這種顆粒捕集器升溫快、熱熔小，能使排氣微粒迅速起燃，且抗機械振動，高溫沖擊性、抗腐蝕性強，所處理的柴油車尾氣能夠達到排放的標準，滿足更高的生產生活需求，未來適用領域將會廣泛[8]。 Ni-20Cr 和Ni-33Cr -1.8Al 合金多孔體也適于柴油機的排氣過濾材料且避免了多孔陶瓷的開裂問題， 減少環境污染[9]。

5 金屬多孔材料在水處理方面的應用

水污染問題一直是困擾人們的主要環境污染問題。 隨著人們生產和生活用水量的增加，各種污水排放量大，種類多，成分復雜，處理難度大。 在水處理方面，人們不斷的研究新方法、新材料，其中各種過濾材料的使用對解決水的污染問題起了很大的作用。 多孔金屬鈦是一種新型的過濾材料，其耐腐蝕、力學性能好，過濾精度高，可適合應用多種再生方法如酸洗、堿洗和其它化學清洗， 也可以進行超聲波、高壓氣、水反沖和溶劑清洗、使用壽命長。 在水處理領域有所應用，如微孔鈦管組成的二級過濾系統在飲用水凈化方面效果顯著，為砂濾芯的10-15 倍，而且費用降低20%-30%，在海水淡化系統中的半透膜支撐體可以用多孔鈦制作[10]。

在造紙業， 紙漿漂洗和污水處理方面會用到316L 不銹鋼、鎳及鎳合金和鈦多孔材料。在化工行業，一些酸、堿溶液中的液固過濾和分離也會用到不銹鋼、鈦等耐蝕多孔金屬材料，實現凈化或回收的目的[11]。

6 總結與展望

在環境污染日益嚴重的今天， 環境問題的治理已經成為全球性的問題， 其中新材料的有效使用對治理效果有很大的影響。 金屬多孔材料因其優異金屬特性和多孔結構在環境治理領域中潔凈高效能源方面、以高溫氣體除塵、水處理為代表的過濾分離領域、催化劑載體方面有很大的應用，但也存在一些問題如抗高溫腐蝕性能方面還有待改進。 在未來的開發研究中，具有更好的抗高溫腐蝕的金屬多孔材料如金屬與陶瓷復合多孔材料、耐超高溫金屬間化合物過濾材料等將更有空間和發展前景。