负载铁酸钴纳米粒子磁性聚酰亚胺滤料制备及捕集细颗粒性能研究

发布时间：2020-03-24 07:12

【摘要】：当前钢铁工业颗粒物排放污染问题依然很严峻,给环境治理带来了重大挑战。而钢铁工业颗粒物排放控制的重点之一在于生产过程中微细颗粒物的控制,尤其是在原料处理过程中排放的铁磁性颗粒物,传统的滤料除尘及覆膜技术能够实现对微细颗粒物的高效捕集,但目前国内用于除尘过滤的聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)、芳纶等纤维滤料耐温性能差、产量有限、价格昂贵,基本依赖于国外进口,很难在实际应用过程中大规模推广。而聚酰亚胺滤料具有优异的耐高温性能及良好的耐腐蚀性能,在除尘过程中颗粒物在其表面具有非常好的沉积效果,在高温含尘气体净化领域具有极大的应用潜力;另一方面,聚酰亚胺滤料对于粒径非常小的铁磁性颗粒物的捕集能力有限,因此,尝试开发新型耐温耐腐蚀磁性功能滤料,对于钢铁工业的磁性颗粒物脱除具有重要意义。但高性能的磁性聚酰亚胺滤料的制备,仍处于极具挑战性的开发阶段。本文尝试以聚酰亚胺滤料负载铁酸钴纳米粒子,通过共沉淀法制备磁性聚酰亚胺滤料。为验证纳米铁酸钴在聚酰亚胺滤料表面优异的沉积负载性能,同样以共沉淀法制备了磁性PTFE滤料、磁性PPS滤料、磁性玻纤滤料、磁性芳纶滤料,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、振动样品磁强计(VSM)等表征分析其负载的铁酸钴纳米分布、滤料表面与铁酸钴纳米的相互作用机理、铁酸钴负载均匀性,引起的滤料磁学性能的差异;通过共沉淀法与浸渍法制备的磁性聚酰亚胺滤料性能对比分析发现,浸渍法突破聚酰亚胺滤料最高承受温度260℃的限制,获得了铁酸钴结晶度更高的磁性聚酰亚胺滤料,故浸渍法在制备磁性聚酰亚胺滤料时能达到更高的矫顽力和剩余磁化强度;在浸渍法制备磁性聚酰亚胺滤料的基础上,考察磁性聚酰亚胺滤料制备过程中,不同制备条件对磁性聚酰亚胺滤料磁滞回线的影响;探讨了无磁性聚酰亚胺滤料和磁性聚酰亚胺滤料在力学性能、耐温性能、耐酸碱性能等方面的差异,测试了无磁性聚酰亚胺滤料和磁性聚酰亚胺滤料在捕集细颗粒物过滤性能方面的差异。具体研究工作如下:首先采用共沉淀法制备负载铁酸钴的磁性聚酰亚胺滤料,通过SEM、XRD、FTIR及VSM等测试手段,对比磁性PTFE滤料、磁性PPS滤料、磁性玻纤滤料、磁性芳纶滤料四种磁性滤料,考察负载的磁性铁酸钴纳米粒子在聚酰亚胺滤料上的分布特征、结晶程度、表面官能团等,探讨聚酰亚胺滤料表面与铁酸钴纳米粒子间的相互作用机理,以及磁性聚酰亚胺滤料、磁性PTFE滤料、磁性PPS滤料、磁性玻纤滤料、磁性芳纶滤料的剩余磁化强度、矫顽力的差异。共沉淀法制备磁性聚酰亚胺滤料是在90°C水浴环境下,铁酸钴纳米沉淀至聚酰亚胺滤料表面形成的。已负载纳米铁酸钴的烘焙温度受到聚酰亚胺滤料可承受最高温度的限制,而获得结晶度更好的铁酸钴纳米需经过800℃以上的高温焙烧;浸渍法可单独制备铁酸钴纳米,并进行滤料负载,通过对比分析浸渍法和共沉淀法制备的磁性聚酰亚胺滤料。结果表明:聚酰亚胺滤料能提供较大附着表面积,同时由于自身C=O双键较强的极性使得负载铁酸钴纳米粒子更具优势。研究表明:浸渍法克服了聚酰亚胺滤料可承受高温的限制,获得铁酸钴纳米结晶度更高的磁性聚酰亚胺滤料。其次,在浸渍法制备磁性聚酰亚胺滤料的基础上,考察磁性聚酰亚胺滤料制备过程中的滤料预处理条件、搅拌转数、铁酸钴摩尔浓度、反应时间对铁酸钴在聚酰亚胺滤料上负载的影响,结果表明:改性滤料用盐酸会因残留的H~+导致滤料纤维表面羰基和铁酸钴表面羟基无法形成O-C=O的p-л共轭,宜用10%盐酸浸渍达到去除滤料表面杂质的目的;搅拌转数的提高会增加流体紊流度,提高铁酸钴纳米与滤料碰撞吸附的几率,但转数超过200r/min时,负载的铁酸钴纳米会因过高转速导致其在滤料表面负载的不均匀;铁酸钴摩尔浓度从0.05mol/L增加到0.1mol/L的过程中,滤料的剩余磁化强度由3.41emu/g增加到3.73emu/g;在铁酸钴摩尔浓度超过0.1mol/L时,滤料纤维表面的铁酸钴纳米负载的极不均匀。随着搅拌时间由0.5h增加到2h,磁性滤料的剩余磁化强度由2.9emu/g提高到3.95emu/g,在搅拌时间增加至2.5h时,磁性滤料的剩余磁化强度出现小幅下降,从3.95emu/g降至3.91emu/g。最后,将磁性聚酰亚胺滤料放入超高电压、超大电容量充磁电源装置EX 4000V,通电后产生磁场,使滤料表面磁性铁酸钴磁化得到充磁聚酰亚胺滤料。通过滤料可靠性试验和捕集细颗粒物过滤性能实验分析,对比无磁性聚酰亚胺滤料与磁性聚酰亚胺滤料在强力方面的可靠性性能差异,同时对比无磁性聚酰亚胺滤料、改性聚酰亚胺滤料、磁性聚酰亚胺滤料、充磁聚酰亚胺滤料四种滤料在捕集细颗粒物过滤性能方面的差异。结果表明:磁性聚酰亚胺滤料相较于无磁性聚酰亚胺滤料,磁性聚酰亚胺滤料的经纬向强度、耐温平均保持率、耐酸断裂强度保持率上下变化幅度不超过5%,但是无磁性和磁性聚酰亚胺滤料均不具备良好的耐碱腐蚀性。在过滤风速为1m/min、粉尘初始浓度为70mg/m~3的条件下,进行静态除尘分级过滤效率实验测试。在气溶胶细颗粒粒径小于2μm的范围,随着气溶胶细颗粒粒径越小,充磁聚酰亚胺滤料的过滤效率相比于无磁性、磁性聚酰亚胺滤料提高了近20%。磁性聚酰亚胺滤料因负载的铁酸钴而阻力略微增大,在过滤风速为1.5m/min时,磁性聚酰亚胺滤料相比于无磁性聚酰亚胺滤料,阻力增长了3Pa。随着过滤风速由0.5m/min提高到2.5m/min,阻力增长率由100%下降到29%。
【图文】：

针刺滤料,生产工艺流程,水刺

1-纤网; 2-输送帘; 3-压布辊; 4-针板;5-刺针; 6-剥网板; 7-拖网板; 8-牵拉辊图图1-3 针刺滤料生产工艺流程[25]Fig.1-3 Production process of acupuncture filter（3）水刺滤料在 1980 年代左右水刺滤料开始在工业应用方面崭露头角，，水刺滤料成品之后看起来几乎没有针孔，其表面的平整度、光滑度都要比比针刺滤料的表面要高。同时具有工艺流程简单、没有污染、纤维在穿插过程中不易损伤等优点[26, 27]。水刺毡滤料的生产工艺流程如下图 1-4 所示。开棉分切卷绕热风干燥给棉梳理输送预湿水刺I脱水水刺II图1-4 水刺滤料生产工艺流程[28]Fig. 1-4 Production process of spunlace filter

示意图,纤维过滤,机理,过滤效率

纤维过滤机理[35]
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;X757

【参考文献】