郝偉東,郭穎赫,毛 寧,柳靜獻 (東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

袋式除塵器是控制工業(yè)排放微細顆粒物的最有效手段.濾料作為袋式除塵的核心,其過濾效率直接影響煙塵的排放濃度,其壓差關系到系統(tǒng)的能耗.在保持壓差不增的前提下,提高濾料對以PM2.5為代表的微細粒子的過濾效率一直是業(yè)內關注的焦點[1-8].駐極體濾料因高效低阻的特性在空氣過濾領域得到廣泛應用,靜電吸附是其主要的過濾機理,因此對亞微米顆粒物的捕集效率很高[9-10],目前國內外對駐極體過濾材料的研究[11-13]多是圍繞以電暈放電駐極方法為主的駐極材料,而這種人工駐極過濾材料隨溫度的升高退極現(xiàn)象十分明顯[7],不適用于袋式除塵濾料所面臨的高溫環(huán)境.電氣石(TM)是一種典型的天然礦物駐極體,加熱到 1000℃時其電極性才會消失[14],TM 具有壓電性和熱電性,在室溫下其晶體表面存在“永久自發(fā)電極”,因其顆粒周圍存在靜電場現(xiàn)象,開啟了其在環(huán)保領域的研究熱潮[15-16].將 TM 添加到熔噴織物中,其孔徑增大,機械性能和抗菌性能大大提高;且織物駐極后表面電荷密度提高,駐極前后過濾效率均有所提升[17-19].但對TM在環(huán)保領域的應用與研究[20-21]多數(shù)集中在水凈化方向,在用于工業(yè)除塵的袋除塵濾料上還屬空白.

本研究通過將 TM 粉覆于袋除塵濾料表面形成駐極濾料,以微細顆粒物捕集效率為衡量標準,研究TM對微細顆粒物捕集效率的影響,并探討其在高溫煙氣過濾領域的應用,以期為工業(yè)排放的微細顆粒物控制開辟新的方向.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗選用的過濾材料為袋式除塵中常用的聚苯硫醚(PPS)針刺氈濾材和滌綸(PET)濾材,PPS及PET濾料的克重、厚度及壓差等基本參數(shù)見表 1.膠粘層為熱熔薄膜,其熔點為 140～160℃,密度為 1.20g/cm3,熔融指數(shù)為 15～20g/10min.

表1 過濾材料參數(shù)Table 1 Parameters of filter media

TM 粉分別取自新疆(TM1)、桂林(TM2)和內蒙古(TM3),粒徑分析使用 Dino-Capture電子顯微鏡采集圖像, Imganaly軟件對圖像處理分析,分析圖像見圖1,粒徑統(tǒng)計結果見表2.結果表明,3種樣品粒徑分布基本一致,平均粒徑為25μm.

圖1 TM顆粒粒徑分析Fig.1 TM particle size analysis

表2 TM顆粒粒徑分布(%)Table 2 TM particle size distribution(%)

1.2 樣品制作

圖2 樣品結構示意Fig.2 The structure of sample

PPS作為TM粉的負載基材,將定量TM粉放入水中攪拌,使其維持懸浮狀態(tài)直至將其移入以PPS濾料為底的沉降容器中,待粉體完全沉降在濾料表面后將水移除,樣品放入80℃烘箱中烘干.將熱熔薄膜和PET依次在烘干的樣品上鋪好,呈三明治狀,經 150℃熱壓面熱壓 20s后,即完成處理過程.PET濾材的主要作用是防止熱熔型膠層粘結在熱壓面上.實驗樣品結構示意見圖2.

圖3 樣品TM顆粒分布Fig.3 Distribution of TM particles

加有TM1、TM2和TM3的樣品分別為A、B、C,駐極處理過程中熱熔薄膜的熔化及PET濾材的粘合使PPS濾料孔隙減小,比表面積增大,對顆粒物的捕集效率會隨之增大,為排除這種處理工藝對捕集效率的影響,對比樣品 D除未添加TM外,處理過程與A、B、C一致.濾料單位面積內 TM 顆粒的數(shù)量可用于衡量粉體分散的均勻程度,通過電子顯微鏡觀察 TM 顆粒在濾材表面的分布情況,見圖3;經統(tǒng)計,面積為20cm2的樣品A、B、C表面粘黏TM顆粒數(shù)分別為137、132、140.結果表明,3種試樣的均勻度和一致性良好.

1.3 效率測試方法

圖 4為實驗所用測試裝置示意,兩臺TSI9306激光粒子計數(shù)器分別同時測量樣品上游和下游的顆粒物濃度,Testo512壓差計用來測量樣品的阻力,通過氣體轉子流量計來控制風速.過濾效率和阻力是過濾材料最重要的 2個參數(shù),實驗在 1～3m/min風速范圍內測量樣品的阻力;在1.7m/min的面風速下測量樣品的分粒級效率;每種樣品測試3組.過濾效率通過下式計算：

式中：f為過濾效率;Cu與Cd分別為上下游粒子濃度,個/cm3.

圖4 測試裝置Fig.4 The experimental setup

1.4 電氣石分析儀器

使用X'Pert PRO型多晶X射線衍射儀(XRD)對 TM 物相進行分析,得到的分析圖像通過HighScore軟件在ICDD數(shù)據(jù)庫中檢索匹配;采用JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡(SEM)獲取樣品微觀圖像,通過觀察圖像分析 TM 顆粒形貌及分布規(guī)律.TM 純度由東北大學研究院分析測試中心采用化學滴定的方法測定.

2 結果與討論

2.1 壓差特性

壓差在工業(yè)除塵領域稱為阻力,是評價濾料的重要指標.阻力越大,能耗越大,壓差與效率之間相互關聯(lián),通常阻力越大效率越高.人們期待的是高效低阻的過濾材料.實驗中 4種樣品的阻力如圖5所示.

由圖 5可見,4種樣品的阻力隨著風速的增加線性增長,樣品間相同風速下阻力差異很小,在給定的過濾效率測試風速1.7m/min下,各樣品間阻力差異≤2Pa.這是因為3種TM顆粒較小、粒徑分布基本一致,并且顆粒都附著在濾材的表面,沒有滲透到濾材內部堵塞孔隙(圖3),所以TM顆粒對濾料孔隙結構產生的影響很小,對顆粒物捕集效率產生的影響可以忽略.

圖5 不同風速下樣品阻力特性Fig.5 Pressure drop of samples in different face velocity

2.2 分粒級效率

如圖6所示,A、B、C 3種樣品對不同粒徑粒子的過濾效率均高于樣品D,加有TM1的樣品A效率提升最大,對各粒徑顆粒物捕集效率分別提升了18.52%, 18.01%, 16.84%, 15.76%, 13.35%;樣品B效率分別提升了11.57%, 11.20%, 9.94%,9.75%, 8.47%;樣品C效率提升幅度最小,分別提升了9.24%, 9.26%, 7.75%, 7.77%, 6.06%; 3種樣品的效率大小關系為A＞B＞C.與Ji等[9]得到的亞微米顆粒物捕集效率規(guī)律相同,在0.3～1μm粒徑范圍內,濾料對顆粒物捕集效率隨顆粒物粒徑增大而增大,但因為駐極濾料對微小粒子的靜電吸附作用,駐極濾料的顆粒物捕集效率提高,且隨粒徑的增大捕集效率增長趨勢較為平緩.

圖6 樣品在1.7m/min風速下過濾效率Fig.6 Ef fi ciencies of filters at 1.7m/min face velocity

濾料的機械過濾機理包括擴散、攔截、慣性碰撞和重力沉降,機械過濾機理作用下,0.1～1μm粒徑范圍內,顆粒物捕集效率隨粒徑增大而增大

[22],樣品 D 的效率變化與此趨勢一致,而加有TM1的樣品 A隨著粒徑的增大效率增長平緩,樣品B、樣品C與樣品A規(guī)律一致,趨勢相對較弱.這是因為駐極濾料除了機械過濾外還存在靜電吸附作用,吸附作用對單纖維捕集效率的影響是無量綱常數(shù)N的函數(shù)[23]：

式中：n為極性粒子數(shù)量;e為單個粒子電性;Q為纖維電荷密度;CC為修正系數(shù);ε0為真空電容率;μ為氣體粘度;dp為顆粒物直徑;df為纖維直徑;U為過濾風速.當濾料和TM顆?；緟?shù)確定,風速不變,顆粒物粒徑越大,N值越小,相應的靜電吸附作用對效率影響越小.

由圖 7可看出,3種電氣石對顆粒物捕集效率的提升幅度隨顆粒物粒徑增大而減小,這與馮壯波等[24]研究的人工駐極體濾料結果一致.

圖7 加有TM的3種樣品效率提升幅度Fig.7 Ef fi ciencies increased percentage of three filters with TM

圖8 、圖9分別為濾料樣品對2.5,3μm顆粒物的捕集效率,對于2.5μm顆粒物A、B、C 3種樣品的顆粒物捕集效率均有所提升,由 68.3%分別增至81.7%、78.0%、74.2%;而對于3μm顆粒物,經過處理的濾料顆粒物捕集效率基本沒有變化,效率提升最大的樣品A效率增幅＜2%,因此實驗所用TM對微細顆粒物有效吸附粒徑為3μm.

圖8 2.5μm粒子過濾效率Fig.8 Efficiency of filters for 2.5μm particle

TM 的靜電吸附機理是提高顆粒物捕集效率的主要因素;TM 顆粒的添加增大了濾料的比表面積,在一定程度上也使效率提高.

圖9 3μm粒子捕集效率Fig.9 Ef fi ciencies of filters for 3μm particle

為進一步分析 TM 對顆粒物的吸附效果,對實驗后一段時間的樣品 A上的 TM 顆粒進行SEM 分析,結果見圖 10.湯云暉等[26]的研究表明在電場的作用下,溶液中帶電粒子在電氣石周圍聚積;顆粒物捕集效率測試采用的大氣塵中有90%～95%為帶電粒子[25], 類比于溶液中帶電粒子.可以看出,被捕集顆粒物大都聚集在TM顆粒上或其周圍區(qū)域,進一步證明電氣石通過電場作用吸附微細顆粒物.這些顆粒中有直接被吸附的顆粒,也包括由于受電場力作用運動軌跡發(fā)生改變的粒子,因與纖維的碰撞幾率增加,進而被纖維捕集.與人工駐極濾料一樣,駐極體礦物粉處理過的濾料可以吸附電荷相反的顆粒物,同時也能使中性粒子荷電,進而提高對顆粒物的捕集效率.

2.3 電氣石吸附性差異分析

以上實驗結果也反映出 3種粒徑分布基本一致的 TM 顆粒對濾料效率的提升影響程度存在差異,為深入分析,對 3種 TM 顆粒做了 XRD物相定性分析(圖11).

圖11表明,3種TM的XRD衍射譜線均與黑電氣石的主要衍射譜線吻合,受 TM 顆粒純度以及擇優(yōu)取向等因素影響,峰的強度與黑電氣石衍射峰強度不盡一致,但主要衍射峰的位置完全吻合,不影響物相定性分析,因此判斷3種TM同屬一類電氣石,組成成分相同;通過圖 11可以初步判斷3種TM的純度不同,但通過XRD圖譜很難精確定量分析TM純度[27],因此采用化學滴定的方法測定 B2O3含量,確定硼(B)含量后通過化學式計算出TM純度,B2O3含量及TM純度見表3.結果表明,TM1純度＞TM2純度＞TM3純度,而其對應處理的濾料效率 A＞B＞C,說明引起差異的原因是TM純度.純度越高,結晶性越好,自發(fā)極化強度越大[28],反映在公式(2)中即相同風速下對同一粒徑顆粒物的捕集效率,在其他條件相同的情況下,單個電氣石顆粒電性值e越大,效率越高.

圖10 樣品A的潔凈狀態(tài)以及過濾實驗后的SEM圖Fig.10 SEM images of sample A before and after experimenta.未進行效率測試的潔凈樣品 b.經過大量效率測試的樣品

圖11 TM的XRD掃描圖像Fig.11 X-ray diffraction pattern of TM powder

表3 TM純度Table 3 Purity of TM

2.4 高溫處理后過濾性能分析

將效率提升最高的樣品 A在 200℃高溫中放置1h,常溫暴露1h,反復 3次,處理后測試其計數(shù)效率,如圖 12所示.冀志江等[29]研究表明：在850℃時黑電氣石表面開始分解形成新物相,在500℃時TM表面Fe2+開始氧化成Fe3+,且不破壞電氣石結構.因此在 200℃對樣品進行處理不會引起TM顆粒的外貌形狀及含量的變化.

圖12 濾料高溫處理前后效率Fig.12 Ef fi ciencies of filter after high temperature treated

結果表明,在 200℃高溫下,經駐極處理的濾料效率幾乎沒有變化,在一般工業(yè)煙氣溫度(150℃左右)環(huán)境下,也可發(fā)揮其靜電吸附作用,提高對微細顆粒物的捕集效率.

3 結論

3.1 經礦物駐極體電氣石極化處理的濾料壓差增長≤2Pa,對微細顆粒物的捕集效率顯著提高.

3.2 電氣石的純度越高效率提升效果越好,純度為87.52%電氣石處理的濾料對0.3,0.5,0.7,0.9,2.5μm顆粒物的捕集效率在34.6%,35.4%,37.9%,38.7%,68.3%基礎上分別提升了 18.52%,18.01%,16.84%,15.76%,11.49%.

3.3 新型駐極濾料對微細顆粒物的靜電吸附機理與人工駐極過濾材料一致,對顆粒物捕集效率的影響隨顆粒物粒徑的增大而減弱,實驗樣品對3μm顆粒物捕集效率增幅＜2%.

3.4 與傳統(tǒng)的人工駐極體濾料不同,經 200℃高溫處理過的袋除塵駐極濾料對微細顆粒物捕集效率沒有變化,可以用于高溫煙氣環(huán)境中.

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