一種多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器及其制備方法

張廣廣　陳智勇　黃曉婧　付興領(lǐng)　高銘遠(yuǎn)

摘 要：現(xiàn)有的蜂窩陶瓷顆粒過濾器的微孔直徑大小基本一致，難以滿足廢氣中不同粒徑的顆粒污染物的過濾需求，顆粒過濾器過濾效果較差，針對上述狀況，文章提出一種多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器及其制備方法。該多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器由三節(jié)不同孔徑的顆粒過濾器組成，三節(jié)不同孔徑的顆粒過濾器的微孔直徑依次減小，使多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器能夠依次過濾汽車尾氣中的不同粒徑的顆粒污染物，從而保證將小顆粒物過濾的前提下微孔不會被堵塞。該多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器的過濾效果更好，清理周期更長，使用壽命更長。關(guān)鍵詞：SiC;蜂窩陶瓷;顆粒過濾器;汽車尾氣中圖分類號：TB3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-101-04

Abstract： In view of the fact that the micropore diameter of the existing honeycomb ceramic particle filter is basically the same， which is difficult to match with the size of different pollutant particles in the automobile exhaust gas， so that the filter in actual use will lead to poor filtering effect due to the too large or too small micropore diameter.?This paper proposes a honeycomb ceramic particle filter and its preparation method. The honeycomb ceramic particle filter is composed of three sections of secondary particle filter， and the micropore diameter of the three sections of secondary particle filter is successively reduced， so that the three sections of secondary particle filter can successively filter the particle pollutants of different diameters in the tail gas， which can ensure that the micropore is not blocked quickly by the large particles on the premise of filtering the small particles. The particle filter has better filtration effect， longer cleaning cycle and longer service life.Keywords：?SiC; Honeycomb ceramics; Particle filter; Automobile exhaustCLC NO.：?TB3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-101-04

1?引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，汽車尾氣排放污染問題日益嚴(yán)重，同時冶金、化工、建材等行業(yè)也產(chǎn)生大量的廢氣，這些廢氣顆粒物含量高，同時含有大量有害氣體，必須進(jìn)行凈化處理。多孔陶瓷具有熱導(dǎo)率低、表面積大、氣孔率高、耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，因此常被作為傳感器、催化劑載體、過濾器等，廣泛應(yīng)用到冶金、化工和汽車等領(lǐng)域的廢氣處理中。

目前，根據(jù)多孔陶瓷作為濾材使用時的安裝排列方式和形狀的不同，主要分為蜂窩式、列管式和掛燭式。其中，蜂窩式陶瓷多采用壁流式蜂窩結(jié)構(gòu)，即具有平行的規(guī)則管道，所有管道的進(jìn)口和出口交錯密封，進(jìn)而形成獨(dú)立的進(jìn)氣管道和排氣管道，含顆粒物廢氣進(jìn)入蜂窩陶瓷進(jìn)氣管道后必須經(jīng)過多孔薄壁到相鄰排氣管道排出，大的顆粒物被多孔薄壁阻擋在入口側(cè)[1-4]。

現(xiàn)有的蜂窩陶瓷顆粒過濾器，通常為一個整體式結(jié)構(gòu)，管道的首端至尾端的薄壁微孔直徑基本一致。但廢氣中顆粒物粒徑大小不同，薄壁微孔直徑如果制備尺寸過大，則只能過濾粒徑較大顆粒物，造成粒徑較小顆粒物沒有被吸附而從微孔逃逸;而薄壁微孔直徑如果制備尺寸過小，直徑較大的廢氣顆粒物將很快堵塞薄壁微孔，進(jìn)而縮短了清理周期?[5-6]。

為解決上述的現(xiàn)有蜂窩陶瓷顆粒過濾器的微孔直徑難以與廢氣中不同直徑顆粒物相匹配問題，本文提出一種多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器及其制備方法。

2?技術(shù)方案

該多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器，由三節(jié)不同微孔直徑（大、中、小）的次級蜂窩狀陶瓷顆粒過濾器組成。三節(jié)次級顆粒過濾器的外壁為直徑相同、內(nèi)部截面形狀相同的圓柱面，三節(jié)次級顆粒過濾器沿氣體流通方向的長度相同，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，氣體流通方向如圖1中箭頭所示。進(jìn)入顆粒過濾器的氣體，依次通過大孔徑顆粒過濾器、中孔徑過濾器和小孔徑過濾器[7]。

三節(jié)顆粒過濾器均設(shè)置有進(jìn)氣管道和出氣管道，任意相鄰管道之間的管壁上均分布著微孔，用于過濾通過氣體中的顆粒物的。所有進(jìn)氣管道的尾端和出氣管道的首端均粘接著SiC塊。

大孔徑顆粒過濾器出氣管道與中孔徑顆粒過濾器進(jìn)氣管道相互連通對齊，中孔徑顆粒過濾器出氣管道與小孔徑顆粒過濾器進(jìn)氣管道相互連通對齊。大孔徑顆粒過濾器的尾端與中孔徑顆粒過濾器的首端相互貼合對齊，中孔徑顆粒過濾器的尾端與小孔徑顆粒過濾器的首端相互貼合對齊[8-10]。

使用一個SiC塊，將大孔徑顆粒過濾器的進(jìn)氣管道尾端與相應(yīng)的中孔徑顆粒過濾器出氣管道粘接;使用一個SiC塊，兩端將中孔徑顆粒過濾器進(jìn)氣管道尾端與相應(yīng)的小孔徑顆粒過濾器出氣管道首端粘接;從而將大、中、小孔徑三節(jié)顆粒過濾器粘接成為一個整體。大孔徑顆粒過濾器的微孔直徑約15-20μm，中孔徑顆粒過濾器的微孔直徑約5-8μm，小孔徑顆粒過濾器的微孔直徑約2-3μm。

具有不同直徑的汽車尾氣等廢氣顆粒進(jìn)入多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器后，首先進(jìn)入大孔徑顆粒過濾器，側(cè)壁的微孔吸附過濾掉直徑過大的顆粒污染物;剩余未被吸附過濾的顆粒污染物進(jìn)入中孔徑顆粒過濾器，側(cè)壁的微孔吸附過濾掉直徑較大的顆粒污染物;剩余未被吸附過濾的顆粒污染物進(jìn)入小孔徑顆粒過濾器，側(cè)壁的微孔吸附過濾掉直徑稍大的顆粒污染物。從多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器最終排出廢氣的顆粒物含量滿足防顆粒污染要求，大幅降低了顆粒物將微孔堵塞的速度，大幅增大了蜂窩陶瓷顆粒過濾器的清理周期[11]。

3 制備方法

3.1 原料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

原料主要包括滑石粉、木節(jié)土、PMMA微球、鱗片石墨粉、無水乙醇?、聚乙烯醇水溶液、SiC粉、硅粉、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂等[12-13]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括真空燒結(jié)爐、真空干燥箱、模具、冷壓成型機(jī)等。

3.2 大孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備

大孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備步驟如下：

（1）稱取造孔劑和粘結(jié)劑，其中造孔劑為12質(zhì)量份比的PMMA微球、8質(zhì)量份比的鱗片石墨粉，陶瓷粘結(jié)劑為18質(zhì)量份比的木節(jié)土、62質(zhì)量份比的滑石粉。將造孔劑和粘結(jié)劑放置于球磨機(jī)中進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，進(jìn)行24小時的球磨和均勻混合，最終制備平均粒徑為15-20?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去離子水配制，質(zhì)量百分比為3%。

（3）分別稱取步驟1得到的12質(zhì)量份比粉料和步驟2得到的5質(zhì)量份比聚乙烯醇水溶液;再稱取14質(zhì)量份比的直徑為15-20μm、長度為200-500μm的桃木粉，13質(zhì)量份比的硅含量≥99.8%、粒徑為15μm≤d50≤20μm的Si粉，55質(zhì)量份比的SiC含量≥99.9%、粒徑為15μm≤d50≤20μm的SiC粉，將三者混合攪拌均勻，并使用10-2Pa的真空度進(jìn)行真空干燥處理。

（4）放置好預(yù)備的模具，并將步驟3所制備的粉料倒入，利用20MPa的壓力進(jìn)行冷壓成型，保壓20分鐘，得到如圖1和圖2所示的三節(jié)不同孔徑的顆粒過濾器的蜂窩狀坯體。

（5）將步驟4制備的蜂窩狀坯體和其預(yù)備模具置于真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)成型。使用10-2Pa的真空度，采用30MPa的燒結(jié)壓力，以10℃/h的升溫速率從室溫緩慢升至1350℃，保溫4h，保壓3h，再以30℃/h的降溫速率降至室溫。

（6）將步驟5中制備的蜂窩狀坯體取出，再對其進(jìn)行表面處理，將表面模殼材料去除，即制備了直徑為15-20μm微孔的大孔徑蜂窩狀陶瓷。

3.3?中孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備

中孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備步驟如下：

（1）稱取造孔劑和粘結(jié)劑，其中造孔劑為10質(zhì)量份比的PMMA微球、6質(zhì)量份比的鱗片石墨粉，陶瓷粘結(jié)劑為15質(zhì)量份比的木節(jié)土、65質(zhì)量份比的滑石粉。將造孔劑和粘結(jié)劑放置于球磨機(jī)中進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，進(jìn)行30小時的球磨和均勻混合，最終制備平均粒徑為5-8?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去離子水配制，質(zhì)量百分比為3%。

（3）分別稱取步驟1得到的9質(zhì)量份比粉料和步驟2得到的6質(zhì)量份比聚乙烯醇水溶液;再稱取12質(zhì)量份比的直徑為5-8μm、長度為100-400μm的桃木粉，12質(zhì)量份比的硅含量≥99.9%、粒徑為5μm≤d50≤8μm的Si粉，58質(zhì)量份比的SiC含量≥99.9%、粒徑為5μm≤d50≤8μm的SiC粉，將三者混合攪拌均勻，并使用10-2Pa的真空度進(jìn)行真空干燥處理。

（4）放置好預(yù)備的模具，并將步驟3所制備的粉料倒入，利用25MPa的壓力進(jìn)行冷壓成型，保壓25分鐘，得到如圖1和圖2所示的三節(jié)不同孔徑的顆粒過濾器的蜂窩狀坯體。

（5）將步驟4制備的蜂窩狀坯體和其預(yù)備模具置于真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)成型。使用10-2Pa的真空度，采用32MPa的燒結(jié)壓力，以15℃/h的升溫速率從室溫緩慢升至1330℃，保溫3h，保壓3.5h，再以35℃/h的降溫速率降至室溫。

（6）將步驟5中制備的蜂窩狀坯體取出，再對其進(jìn)行表面處理，將表面模殼材料去除，即制備了直徑為5-8μm微孔的大孔徑蜂窩狀陶瓷。

3.4?小孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備

小孔徑顆粒過濾器陶瓷的制備步驟如下：

（1）稱取造孔劑和粘結(jié)劑，其中造孔劑為15質(zhì)量份比的PMMA微球、5質(zhì)量份比的鱗片石墨粉，陶瓷粘結(jié)劑為16質(zhì)量份比的木節(jié)土、60質(zhì)量份比的滑石粉。將造孔劑和粘結(jié)劑放置于球磨機(jī)中進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，進(jìn)行36小時的球磨和均勻混合，最終制備平均粒徑為2-3?m的粉料。

（2）聚乙烯醇水溶液采用去離子水配制，質(zhì)量百分比為3%。

（3）分別稱取步驟1得到的11質(zhì)量份比粉料和步驟2得到的4質(zhì)量份比聚乙烯醇水溶液;再稱取10質(zhì)量份比的直徑為2-3μm、長度為100-300μm的桃木粉，15質(zhì)量份比的硅含量≥99.8%、粒徑為2μm≤d50≤3μm的Si粉，60質(zhì)量份比的SiC含量≥99.9%、粒徑為2μm≤d50≤3μm的SiC粉，將三者混合攪拌均勻，并使用10-2Pa的真空度進(jìn)行真空干燥處理。

（4）放置好預(yù)備的模具，并將步驟3所制備的粉料倒入，利用25MPa的壓力進(jìn)行冷壓成型，保壓25分鐘，得到如圖1和圖2所示的三節(jié)不同孔徑的顆粒過濾器的蜂窩狀坯體。

（5）將步驟4制備的蜂窩狀坯體和其預(yù)備模具置于真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)成型。使用10-2Pa的真空度，采用32MPa的燒結(jié)壓力，以15℃/h的升溫速率從室溫緩慢升至1330℃，保溫3小時，保壓3.5小時，再以35℃/h的降溫速率降至室溫。

（6）將步驟5中制備的蜂窩狀坯體取出，再對其進(jìn)行表面處理，將表面模殼材料去除，即制備了直徑為5-8μm微孔的大孔徑蜂窩狀陶瓷。

3.5 顆粒過濾器的制備

將制備的三節(jié)蜂不同微孔的窩狀陶瓷用SiC塊封堵并粘接，進(jìn)而制備得到多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器[14-15]，具體制備步驟如下：

（1）將脂肪胺型低溫固化劑、雙酚A型環(huán)氧樹脂主劑、芳香胺型中溫固化劑、酸酐型中高溫固化劑攪拌均勻混合成環(huán)氧樹脂，該環(huán)氧樹脂室溫時粘度≤800mpa.s;將該環(huán)氧樹脂加熱到60℃，此時的粘度≤500 mpa.s。

（2）在陶瓷顆粒過濾器中要安裝SiC塊的對應(yīng)孔道位置，將步驟1制備的環(huán)氧樹脂涂抹在大孔徑、中孔徑、小孔徑蜂窩狀陶瓷的孔道兩端內(nèi)壁，環(huán)氧樹脂厚度約1mm左右。

（3）在預(yù)準(zhǔn)備的SiC塊表面均勻涂抹約1mm厚的步驟1所制備的環(huán)氧樹脂，再將這些SiC塊安裝到蜂窩狀陶瓷的涂抹過環(huán)氧樹脂兩端中，具體安裝位置如圖1所示。

（4）將制備的三節(jié)蜂窩狀陶瓷整體放置到預(yù)備模具里，然后把模具放置到真空干燥箱中，真空干燥箱中溫度設(shè)置為600℃，保溫2小時。

（5）模具自然冷卻到室溫之后，把模具取出，再把所制備的多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器從模具中取出，清理表面，完成制備。

4 分析測試

對所制備的三節(jié)不同孔徑的蜂窩狀陶瓷試樣進(jìn)行微觀形貌和性能測試，其微觀形貌如圖3所示，其性能測試結(jié)果如表1所示，三節(jié)蜂窩狀陶瓷均滿足蜂窩狀陶瓷顆粒過濾器的使用性能要求[16]。

5?結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)和制備的多孔徑蜂窩陶瓷顆粒過濾器，微孔直徑與汽車尾氣等廢氣中不同粒徑大小的污染物顆粒相匹配，能夠通過三節(jié)不同微孔的顆粒過濾器依次充分過濾尾氣中的大、小顆粒物，滿足環(huán)保要求。同時避免了小微孔過濾大顆粒污染物，確保了小微孔不被大顆粒污染物堵塞，過濾效果更好，使用壽命更長，適用范圍更為廣泛。

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