捕塵過濾材料清洗再生實驗研究*

楊璐璐 劉中岳 柳靜獻

(東北大學濾料檢測中心 沈陽110004)

0 引言

在高速發展的工業體系下，環境污染問題日益嚴重。用于空氣顆粒物捕集的濾料通常為一次性耗材，當阻力上升到一定值時濾料被拋棄，這不僅增加了空氣過濾的成本，也造成石油資源的極大浪費，更給環境帶來了嚴重污染[1]。因此，對于使用過的廢舊過濾材料，探索適當的清洗再生方法，實現濾料重復利用，不僅有著極高的經濟價值，而且有著重要的環保意義。一些工廠嘗試利用高壓水槍噴洗含塵濾料，結果表明，此法對濾料的外觀結構和過濾性能有較大影響[2]。

本文通過系統的清洗實驗，研究表面活性劑的合理使用條件及方法，研究時間、溫度、清洗劑濃度以及超聲波的物理震動作用對廢舊空氣過濾材料清洗效果的影響，并對比清洗前后濾料的阻力、過濾效率、纖維力學性能的變化，研究出最佳的清洗劑使用參數，提高空氣過濾材料的清洗效果，實現空氣過濾材料的重復利用。

1 實驗部分

1.1 設備及材料

濾料過濾與容塵過程使用靜態除塵率測試裝置，如圖1所示。新濾料經過容塵過程，阻力上升，其上附著大量粉塵，阻力到達一定數值時停止容塵。附著有粉塵的濾料樣品作為本文中被清洗再生的對象，依據實驗不同，可以進行反復“容塵—清洗”過程。

圖1 濾料過濾性能測試實驗裝置結構

濾料清洗再生過程使用脂肪酸甲酯磺酸鈉(MES)作為表面活性劑，超聲波清洗機作為清洗設備，東北大學自制氣泡漂洗機用以去除濾料表面殘留的活性劑。

濾料性能測試裝置有美國TSI公司的AeroTrak 9306 型手持式粒子計數器用以測試濾料計數效率，電子式織物強力機用以測試濾料纖維機械強力，YG(B)461E 全自動織物透氣測試儀測試濾料的透氣性與阻力，德圖Testo512壓差計用以測試濾料阻力。

實驗樣品為取自市場的中效空氣過濾器F7，實驗粉塵為粘性較大的ISO 12103-1A2標準粉塵。

1.2 實驗原理

附著在濾料纖維表面的粉塵，主要通過靜電力、毛細力、范德華力等作用力與濾料粘結[3]。探索合適的清洗劑濃度，降低溶液的表面張力，使濾料在浸入溶液的過程中親水性增強，部分粉塵在溶液中自動脫落。結合超聲波振子的能量振動作用，克服粉塵與濾料之間的各類作用力的合力[4]。

本文為模擬現場長期使用的實際工況，將實驗室經過發塵后的濾料置于潮濕環境存放數天，此時粉塵牢固附著于纖維濾料的表面及內部，接近現場需要更換并丟棄的程度。研究表明，潮濕環境中相鄰的粉塵顆粒間有細微的液體存在，在產生的橋聯力的作用下聚集到一起，形成難以脫落的粉塵團粘結在纖維內部[5]。為克服這種強作用力，選用一定比例的濾料清洗劑，通過控制不同實驗變量，分別改變清洗時間、清洗溫度、清洗劑溶液濃度，結合超聲波振動作用，探索最合適的清洗劑配比、實驗溫度和清洗時間，使得濾料在力學和過濾性能不發生明顯變化的前提下清洗效果最佳。

1.3 實驗方法

MES表面活性劑可認為生物無毒，被譽為真正綠色環保的表面活性劑[6]；MES抗硬水力強，在軟水和硬水中都有較好的洗滌效果，不僅在軟水環境中去污能力強于磺酸，在硬水中優勢更加明顯；MES配伍性好，適合與其他表面活性劑復配，復配效果明顯，而且應用于配方中，保持酶活性比烷基苯磺酸好；MES發泡性和分散性能好；低濃高效，同等濃度下的MES去污性能明顯高于磺酸[7]。此外，MES溶液pH值為5.0～7.0，呈弱酸性，符合空氣過濾材料滌綸纖維耐酸不耐堿的特性，避免對濾料纖維造成腐蝕損傷[8]。

經查閱文獻及初步探索，LAS(十二烷基苯磺酸鈉)溶液質量分數在1%左右時對粉塵顆粒去除效果明顯[9]。由于MES在洗滌效果、抗硬水性、發泡性和分散性等性能上都優于LAS，因此本實驗選定質量分數在0%～0.9%的5組MES溶液800 mL，質量分數梯度為0.2%。待清洗試樣為中效荷塵過濾棉，在溶液溫度分別為25、30、35、40 ℃時對荷塵的濾料進行浸泡處理，每隔5 min稱量試樣濾料的質量，計算試樣清潔度，進而評價清洗效果，確定最佳清洗參數。

1.3.1 效率、阻力實驗

為確保清洗前后濾料力學性能、阻力、過濾效率、透氣率等參數的準確性，實驗前對濾料初始性能進行測試。為減小偶然誤差，每組實驗均選用3個含塵濾料試樣。

濾料靜態除塵效率測試裝置是用來測量濾料清洗前后阻力壓降、過濾效率和計數效率的裝置，該儀器結合Testo512 壓差計測得不同過濾效果的纖維濾料的阻力壓降，結合粒子計數器測量濾料的計數效率，利用上部發塵系統制備待清洗試樣并測得濾料的除塵效率。

1.3.2 纖維強度、透氣率實驗

荷塵前，測得過濾棉的透氣率、纖維強度。透氣率是衡量材料透氣難易程度的指標，透氣率越大，說明氣體越容易透過材料，阻力越低。纖維強度是反映構成濾料的纖維本身抗拉能力的指標，測量清洗前后濾料的纖維拉伸強度是否發生變化，可以直接反映纖維受損傷程度。

2 結果與討論

2.1 清洗參數確定

影響MES清洗效果的因素主要有濃度、溫度和清洗時間，為了定量確定合適的清洗參數，以上述3個參數作為實驗變量，每隔5 min稱重計算出的清潔度作為評價指標，如圖2～圖5所示。含塵濾料清洗的清潔度計算公式為

η=(1-m/M)×100%

式中，m為清洗后濾料中殘留的粉塵質量；M為潔凈濾料初始質量。

圖2～圖5分別表示在25～40 ℃時，濾料清潔度隨相應的MES溶液質量分數和清洗時間的變化過程，且在不同的溫度和清洗時間下，濾料的清潔度均在溶液質量分數為0.5%～0.9%時達到較好的效果；不同的溫度和質量分數下，清洗時間在25 min以上時，清潔度達到較好的效果；在不同的質量分數和清洗時間下，溶液加熱與否都能使濾料的清潔度達到預期效果。

圖2 25 ℃時受時間與MES質量分數影響的濾料清潔度

圖3 30 ℃時受時間與MES質量分數影響的濾料清潔度

圖4 35 ℃時受時間與MES質量分數影響的濾料清潔度

圖5 40 ℃時受時間與MES質量分數影響的濾料清潔度

2.1.1 MES溶液質量分數的影響

圖6表示25 ℃時不同清洗時間下的MES溶液質量分數和潔凈度分布，改變MES溶液的質量分數，結果顯示：濾料的清潔度與MES溶液質量分數呈正相關，隨著溶液質量分數的升高，濾料清潔度增大。在溶液質量分數在0～0.3%時，濾料清潔度最高只在80%以下；當溶液質量分數升高到0.5%～0.7%時，清潔度最高可達97%；繼續增加溶液的質量分數至0.9%，清潔度仍維持在97%左右。這說明在溫度和清洗時間適當的情況下，MES溶液質量分數對濾料清潔度的影響顯著，最佳清洗質量分數為0.7%。

圖6 25 ℃時不同清洗時間下的MES質量分數與清潔度曲線

2.1.2 清洗時間的影響

圖7為25 ℃時的清洗時間與清潔度的分布。隨著清洗時間的延長，濾料的清潔度顯著增加，不同質量分數下的樣品均在30 min時達最佳清洗效果，且清潔度能達到97%以上。因此，在適當的MES溶液質量分數和清洗溫度下，30 min可以達到較好的濾料清洗效果。

圖7 25 ℃時不同MES質量分數下的清潔度與清洗時間曲線

2.1.3 清洗溫度的影響

配制溶液過程中由于溫度的限制，部分粉末沉淀在燒杯底部無法及時溶解，因此考慮溶液溫度對清洗效果的影響，實驗選擇了25、30、35、40 ℃這4個溫度梯度，圖8為溶液質量分數在0.7%時，溫度與清洗效果關系曲線。由圖可知，在不同清洗時間下，溫度對濾料清洗效果有一定的影響，清洗時間越長，影響效果越小，在清洗時間為30 min 時清潔度達97%以上，而且溫度影響可以忽略，清洗效果差距不大，從節能的角度考慮，故選擇室溫(25 ℃)為清洗的適宜溫度。

圖8 質量分數為0.7%的MES溶液在不同清洗時間下的清潔度與溫度曲線

綜上所述，設定最佳清洗參數為25 ℃下以質量分數為0.7%的MES溶液清洗30 min，清潔度可達97%。

2.2 清洗結果分析

圖9和圖10為濾料清洗前后對比效果。其中圖9為濾料經靜態除塵率測試裝置進行容塵實驗后得到的待清洗荷塵試樣，此時濾料表面及其內部有大量粉塵富集，實驗先經過氣吹風管進行基礎吹掃，除去濾料表面的粉塵，然后浸泡于不同質量分數的表面活性劑MES溶液中。圖10為清洗實驗后濾料狀態，可以看出濾料表面的粉塵基本被清洗。為了更加深入探索濾料內部粉塵殘留情況，對試樣進行顯微微觀分析，見圖11，纖維表面潔凈，無明顯粉塵殘留，再次證明25 ℃下浸泡于質量分數為0.7%的MES溶液中30 min對粉塵的清洗效果相對較好。

圖9 待清洗濾料試樣

圖10 清洗后試樣

圖11 質量分數為0.7%的MES溶液清洗后濾料纖維微觀照片

2.3 超聲波組合清洗法

為進一步強化清洗效果，探索組合清洗法，即充分利用MES表面活性劑的清洗作用，再結合超聲波振子的振動作用，將上述清洗過程中殘留在濾料內部難以浸泡清潔的粉塵通過振子的振動作用去除。實驗選定上述探索出的最佳濃度、溫度、清洗時間，將25 ℃下質量分數為0.7%的MES溶液放入超聲波清洗儀中，超聲波功率為320 W。將待清洗的濾料放入溶液內，開啟超聲波清洗5 min，測試其清潔度。之后再對濾料樣品進行容塵實驗，之后再清洗，循環反復“容塵—清洗”過程4次，比較清洗效果，如表1所示。由于表面活性劑浸泡濾料后直接晾干，會有部分清洗劑殘留在濾料的表面和內部，為了去除這種影響，利用東北大學自制氣泡漂洗機進行后續漂洗工作。

表1 組合清洗法質量變化

由表1可以看出，選擇組合清洗法，第一次清洗效果即可達到99.2%，經4次清洗的最終清潔度均達99.7%以上，基本可以認為濾料深層已無粉塵殘留，其清潔度遠遠高于單獨清洗劑浸泡的效果。經漂洗后的濾料微觀照片如圖12所示，表面經組合清洗法后濾料纖維內部無明顯粉塵殘留，且殘留在濾料上的清洗劑經氣泡漂洗機作用也被消除。

圖12 組合清洗后試樣微觀照片

3 損傷程度分析

清洗過程對濾料的損傷程度體現在以下幾個指標：纖維拉伸強度變化、阻力壓降變化、濾料阻力變化和過濾效率變化。表2展示了濾料清洗前后各指標的變化狀況。其中，纖維拉伸強度測試實驗根據《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》(GB/T 14337—2008)的規定，清洗前后均測試50組纖維的強度，得出清洗前后纖維拉伸強度；阻力參數根據靜態實驗裝置測得，分別測試3次取平均值；過濾效率測試2次取平均值。

表2 濾料清洗前后性能對比

可以看出，試樣在經清洗后纖維強度略有降低，變化范圍在0.5 cN以內；阻力沒有變化，過濾效率變化范圍在0.16%，各參數變化范圍很小，證明該清洗方法可行。

4 結論

針對空氣凈化材料僅能使用一次的問題，通過實驗探索出將其清洗復用的方法，得到如下結論：

(1)在清洗溫度和清洗時間一定的情況下，表面活性劑(MES)溶液質量分數為0.7%時，對濾料的清洗效果最好。

(2)清洗溫度和表面活性劑溶液質量分數一定時，濾料浸泡清洗30 min，濾料的清潔程度最佳。

(3)溫度為25 ℃時，對中效過濾棉上粉塵進行清洗，其清潔度達97%。

(4)選用組合清洗法，表面活性劑質量分數為0.7%，溫度為25 ℃時，進行超聲波輔助清洗5 min，即可達到清潔度99.2%以上，超聲波的作用大大縮短了清洗時間。

(5)濾料經清洗再生4次后，濾料過濾效率、阻力及纖維強力性能下降很小，證明該清洗方法可以進行工程化應用。