高温气体过滤材料的制备及过滤性能的研究

发布时间：2019-01-11 18:38

【摘要】：在过去的几十年中,“雾霾”已经给人们的生活带来了很多严重的困扰。例如在交通方面,雾霾会使可视度降低,引起交通拥挤,航班延误甚至取消等问题。同时,高浓度的PM2.5意味着污染的空气会给人们的身体健康带来极大的危害。有研究表明雾霾还会对社会的经济发展造成严重影响。美国商会的调查显示,在中国,空气质量已经成为高端人才选择就业城市的一个重要因素。随着工业技术的发展,工业生产排放的废气中灰尘颗粒物的粒径越来越小。研究者在欧洲及亚洲的许多城市已经做了大量的实验并进行了实地考察来探究微小颗粒物的形成原因。与此同时,除尘技术的开发也着眼于对小粒径颗粒物的过滤,如PM2.5甚至PM1.0。而现有除尘技术中使用的过滤材料也存在一些应用上的局限性,大部分过滤材料只能对经过冷却处理后的气体进行过滤,不能直接对高温废气进行除尘处理。这样的过滤方式势必会给工业生产带来额外的能源及经济损耗。因此,对高温气体过滤材料的研发就变得非常重要。目前,多种材料已经被研发并运用于高温气体过滤领域中。例如,聚四氟乙烯(PTFE)纤维过滤材料、聚苯硫醚(PPS)纤维过滤材料、玻璃纤维过滤材料、陶瓷纤维过滤材料以及金属纤维过滤材料等。然而,这些传统过滤材料的纤维直径较大、织物的孔径也大,对小粒径微尘颗粒物几乎没有过滤效果,因此该类过滤材料已经不能满足目前的除尘标准。与此同时,上述这些过滤材料在高温环境下的使用寿命较短,频繁更换滤袋会给工业生产带来更大经济负担。因此,高效、节能、耐高温的过滤材料有待进一步开发。通常来说,当过滤材料的纤维直径和织物的孔径减小时,其过滤效率就会增大。由于纳米纤维过滤材料具有较小的孔径、较细的纤维直径以及较大的比表面积,因此近年来被越来越多地应用到气体过滤领域中。在过滤过程中,纳米纤维具有气体滑脱效应,即使其结构紧密也不会给过滤材料造成太大的过滤压降。目前已经研发出了多种超细纤维过滤材料,如Ultra-Web?、Fibra-Web?、Finetex Mats TM以及AMSOIL Ea。然而,这些材料的机械性能及耐高温性能都无法满足高温工业废气除尘的使用要求,因此都不能在高温工业废气除尘中进行应用。针对上述问题,本研究采用了聚酰亚胺纳米(PI)纤网、碳纤维机织物以及碳纳米管材料来制备高温气体过滤材料并对其过滤性能进行了研究。研究内容主要包括以下4大部分:(1)为了制备过滤性能优越的高温气体过滤材料,本文首先制备了聚酰亚胺纳米纤网/机织物多尺度纤维复合过滤材料来对微小颗粒物进行过滤。研究中选用聚酰亚胺纳米纤网作为过滤层材料,选用碳纤维机织物、玻璃纤维机织物以及芳纶纤维机织物作为力学增强层材料。力学增强层材料主要用来弥补纳米纤网力学性能不足的缺陷。研究结果表明,碳纤维机织物是三种力学增强层材料中力学性能最好的一种材料。并且聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合过滤材料在2m/min的测试风速下经过连续17分钟的过滤处理后,过滤效率可达99.99%,而过滤压降仅为230 Pa。这种复合滤料突出的过滤性能不仅仅是因为聚酰亚胺纳米纤网和碳纤维机织物的热稳定性能好,更加重要的是,在整个过滤过程中滤料具有很好的结构稳定性。(2)在第一部分研究的基础上,本课题接着对综合性能较好的聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合滤料进行了深入研究。通过控制聚酰亚胺纳米纤网的平方米克重制备出了一系列聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合过滤材料。研究中选用一种商业用P84/玻璃纤维复合非织造滤料作为对比样。实验结果表明,本研究制备的所有复合过滤材料的过滤效率均比对比样的过滤效率高。此外,复合过滤材料的过滤性能先随着聚酰亚胺(PI)纳米纤网面密度的增大而增大,当达到一个临界面密度值时(11.64 g/m2),其过滤效率随着PI纳米纤网面密度的增大而趋于稳定。为了观察这种复合滤料的可重复使用性能,研究中还使用了一个自制的简易反向气流清灰装置对复合滤料进行清灰处理,清灰气压为500 k Pa。经过6次循环清灰处理后,复合过滤材料的过滤效率仍然可以保持在99.99%,而过滤压降增大到410Pa。热稳定性测试结果表明,本研究制备的复合滤料在260oC时可以保持较好的过滤性能和机械性能。SEM测试结果显示,PI纳米纤网在过滤过程中起主要过滤作用。力学增强层碳纤维机织物由于孔径较大,在过滤过程中不会造成整个复合滤料过滤压降的明显增大,并且这种大孔径结构有利于清灰过程中灰尘颗粒物的排出。这种突出的结构特性以及良好的过滤性能使聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合过滤材料在高温气体过滤领域具有较好的应用前景。(3)由前两部分的研究可知,含纳米纤网的复合滤料具有较高的过滤效率。然而由于其结构相对紧密,纳米纤网的引入势必增大了整个复合滤料的过滤压降。因此,在第三部分的研究中,不再使用纳米纤网,而是直接使用碳纤维机织物作为过滤材料,通过给其加载高压,将静电除尘原理与袋式除尘技术相结合,制备出了加载电压碳纤维机织物过滤材料。为了研究分析不同测试条件对加压碳纤维机织物过滤性能的影响,本课题对以下因素进行了表征和分析:碳纤维机织物的面密度、气体流速、碳纤维机织物的层数以及相对湿度。研究结果表明,加载在碳纤维机织物上的起晕电压应当大于20 k V,并且过滤效率随着加载电压的增大而增大。当加载电压为40 k V时,其对PM1.0的过滤效率可达90%,而过滤压降仅为6 Pa。与聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合滤料的过滤压降(251 Pa)相比,加载电压碳纤维机织物过滤材料的过滤压降大幅度降低。当过滤风速从2 m/min增大到4 m/min时,加载30 k V和40 k V电压的碳纤维机织物的过滤效率降低了约13%,然而当过滤风速进一步增大,从4 m/min增大到8 m/min时,过滤效率基本保持不变。实验结果还表明,增加的碳纤维机织物层数对过滤效率的影响并不大。然而过滤效率却随着相对湿度的增大而大幅度升高,当相对湿度由40%升高到95%时,过滤效率升高到99.8%,而起晕电压降低到了10 k V。此外,本研究制备的加压碳纤维机织物过滤材料还具有很好的抗菌性能。(4)经过前面三部分的研究,本课题最后一章旨在研究制备一种过滤效率高、过滤压降低而力学性能强的纯纳米纤维过滤材料。研究中将连续的碳纳米管夹在了上下两层聚酰亚胺纳米纤网中间,制备出了碳纳米管/聚酰亚胺纳米纤网复合过滤材料来进行高温气体过滤。此部分研究选用直径为260 nm的聚酰亚胺纳米纤网作为力学增强层材料,直径为600 nm的静电纺聚醚酰亚胺纳米纤维作为粘结层材料。碳纳米管薄膜与聚酰亚胺纳米纤网通过聚醚酰亚胺纳米纤维进行粘结,形成结构稳定的纳米结构复合气体过滤材料。其中,碳纳米管的平均直径为30 nm。研究中制备了两种不同结构的纳米复合滤料。在其中一种结构中,碳纳米管薄膜间层层紧挨;而另一种结构中,碳纳米管薄膜之间纺制了聚醚酰亚胺纳米纤网。过滤性能测试结果显示,纳米结构复合滤料的过滤效率随着碳纳米管层数的增加而增大,其中4层碳纳米管复合滤料对粒径为0.3 um微尘颗粒物的过滤效率高达99.99%,而过滤压降仅为120 Pa,与聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合滤料的过滤压降相比(251 Pa),此部分制备的纳米结构复合过滤材料的过滤压降大幅度降低,而过滤效率却依旧很高。机械性能测试结果表明碳纳米管薄膜的加入增强了整个复合滤料的力学性能,其中4层碳纳米管复合滤料的拉伸强度达到了9 MPa,属于纳米纤维材料中拉伸强度较大的薄膜。此部分研究还测试分析了复合滤料对高温气体的过滤性能。结果表明,本研究制备的纳米复合滤料可对200oC以下的气体进行过滤。综上所述,本课题研究了三种高温气体过滤体系。首先制备了静电纺纳米纤维与机织物(碳纤维机织物、玻璃纤维机织物及芳纶纤维机织物)的复合耐高温气体过滤材料,并对其结构特性、拉伸性能、弯曲性能以及过滤性能进行了研究。然后,对综合性能较好的聚酰亚胺纳米纤网/碳纤维机织物复合滤料进行了多方面、多角度深入研究。接着,不再使用聚酰亚胺纳米纤网,而在碳纤维机织物上直接加载高电压,制备出了加载电压碳纤维机织物过滤材料。研究了加载电压大小、气体流速、碳纤维机织物层数、以及相对湿度对此结构滤料过滤性能的影响。最后,研究制备了过滤效率高而过滤压降低的静电纺纳米纤维与碳纳米管的纳米结构复合高温气体过滤材料。通过改变碳纳米管在复合滤料中的嵌入结构,制备了两种不同结构的滤料,并对纳米复合滤料的结构特性、拉伸性能以及热处理前后的过滤性能进行了研究分析。研究结果表明,这三种过滤体系都具有突出的过滤效率以及良好的耐高温特性,可作为高温气体过滤材料使用。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS106.62

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