余 娟,周 蓉,2,邢建民

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.青島大學(xué) 非織造布研究院，山東 青島 266071；3.濱州亞光家紡有限公司，山東 濱州 256600)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的傳統(tǒng)工業(yè)，如鋼鐵、水泥及燃煤電廠等，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)焿m氣體[1]。煙氣中含塵量高、溫度高，同時(shí)還伴隨有硫化物、氮氧化物(NOx)等有害氣體，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[2]。全國(guó)兩會(huì)提出，2018年要實(shí)現(xiàn)二氧化硫、氮氧化物排放量下降3%的目標(biāo)。高溫?zé)煔獾某龎m與脫硝是環(huán)境治理的重點(diǎn)。目前，相對(duì)成熟的煙氣凈化技術(shù)都是針對(duì)單一煙氣污染物進(jìn)行單獨(dú)控制，均有相對(duì)獨(dú)立的一套系統(tǒng)及工藝流程，在不計(jì)運(yùn)行成本的條件下，能夠高效地脫除煙氣中的NOx，但高昂的運(yùn)行費(fèi)用及設(shè)備初投資使絕大部分企業(yè)無(wú)法承擔(dān)。因此，結(jié)構(gòu)緊湊、費(fèi)用低又能同時(shí)脫硫脫硝的技術(shù)日益受到重視，成為煙氣凈化技術(shù)發(fā)展的方向[3-6]。

若將具有高過(guò)濾效率的針刺氈與金屬脫硝催化劑相結(jié)合制成功能性過(guò)濾針刺氈，則能實(shí)現(xiàn)除塵脫硝兩用的效果，更重要的是可以節(jié)省大量人力、物力資源。所以本文旨在選擇并對(duì)耐高溫過(guò)濾材料進(jìn)行預(yù)處理，獲得用于脫硝催化劑負(fù)載的載體。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑載體(針刺氈)的選取

根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)的實(shí)際工況，選擇具有較好環(huán)境適應(yīng)性的纖維原料制成的耐高溫針刺氈作為催化劑載體。本文所選三種針刺氈是玻璃纖維分別與軼綸、芳綸、玄武巖纖維制成的復(fù)合針刺氈。玻璃纖維用于增加針刺氈的強(qiáng)力，由于玻璃纖維經(jīng)高溫熔融紡絲而成，纖維表面光滑，比表面積比較小，金屬催化劑不能夠充分地負(fù)載在針刺氈上，所以需要對(duì)針刺氈進(jìn)行表面預(yù)處理。三種針刺氈成分配比見(jiàn)表1。

表1 三種針刺氈的成分配比

陳誦英等人[7]研究發(fā)現(xiàn)鹽酸處理玻璃纖維，可以增加玻璃纖維非微孔數(shù)量，增加比表面積。為使金屬催化劑更好地負(fù)載在三種針刺氈上，可用鹽酸進(jìn)行預(yù)處理。玻璃纖維的主要成分為：72.85%的SiO2、9.45%的Al2O3、0.13%的Fe2O3以及6.31% CaO和3.57%的MgO等。進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，鹽酸主要是與玻璃纖維中的Al2O3、CaO和Fe2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

1.2 鹽酸預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

鹽酸預(yù)處理步驟如下：用去離子水配置濃度為5%、10%、15%、20%、25%的鹽酸溶液；將清潔處理的針刺氈浸漬到不同濃度鹽酸溶液中，調(diào)節(jié)水浴鍋溫度。一段時(shí)間后，將浸漬好的針刺氈取出，然后用去離子水將浸漬氈樣中的鹽酸沖洗干凈，在100℃中烘干，然后稱重。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 鹽酸預(yù)處理效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

影響鹽酸預(yù)處理的因素主要有三個(gè)：鹽酸濃度、浸漬時(shí)間、浸漬溫度。本實(shí)驗(yàn)所選取的浸漬時(shí)間分別為：15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min、45 min、50 min、55 min；浸漬溫度：15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、60℃；鹽酸濃度分別為：5%、10%、15%、20%、25%。

陳誦英等人[7]做了鹽酸腐蝕玻璃纖維的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維失重4%左右時(shí)出現(xiàn)了12.8 m2/g的比表面積；當(dāng)鹽酸濃度過(guò)高，對(duì)玻璃纖維過(guò)度腐蝕時(shí)，失重率超過(guò)7%時(shí)，微孔開(kāi)始出現(xiàn)，總的比表面積開(kāi)始下降。本文以針刺氈失重率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取失重率不超過(guò)6%的鹽酸預(yù)處理工藝為最佳。

2.2 預(yù)處理工藝條件對(duì)預(yù)處理氈失重率的影響

2.2.1鹽酸濃度對(duì)預(yù)處理氈失重率的影響

從圖1中可以看出，三種預(yù)處理氈的失重率隨著鹽酸濃度的增加逐漸增加，當(dāng)鹽酸濃度超過(guò)15%左右時(shí)，三種預(yù)處理氈的失重率都超過(guò)了7%，這是鹽酸對(duì)玻璃纖維過(guò)度腐蝕造成的，并且鹽酸可能和針刺氈中的其它成分發(fā)生了反應(yīng)。因此最佳的鹽酸預(yù)處理濃度為15%左右。

圖1 鹽酸濃度對(duì)三種預(yù)處理氈失重率的影響

2.2.2浸漬溫度對(duì)預(yù)處理氈失重率的影響

因此，選取的鹽酸濃度為15%左右。從圖2中可以看出，預(yù)處理氈失重率隨著鹽酸浸漬溫度的升高逐漸增加。當(dāng)鹽酸浸漬溫度為45℃～50℃之間時(shí)，失重率達(dá)到了7%左右。當(dāng)溫度超過(guò)50℃之后失重率急劇變化，故而選取的最佳的鹽酸浸漬溫度為45℃～50℃之間。

圖2 鹽酸浸漬溫度對(duì)三種預(yù)處理氈失重率的影響

2.2.3鹽酸浸漬時(shí)間對(duì)失重率的影響

探究鹽酸浸漬時(shí)間對(duì)失重率的影響時(shí)，選取的鹽酸濃度15%，鹽酸浸漬溫度為45℃～50℃之間。鹽酸浸漬時(shí)間對(duì)三種預(yù)處理氈失重率的性能影響見(jiàn)圖3。當(dāng)鹽酸浸漬時(shí)間超過(guò)50 min時(shí)，三種預(yù)處理氈的失重率超過(guò)了7%。當(dāng)浸漬時(shí)間超過(guò)50 min時(shí)，失重率逐漸增加。所以確定鹽酸浸漬時(shí)間為40 min～50 min。

圖3 鹽酸浸漬時(shí)間對(duì)三種預(yù)處理氈失重率的影響

因此，選取的最佳鹽酸預(yù)處理工藝是：鹽酸濃度為15%、鹽酸浸漬時(shí)間為40 mi～50 min，鹽酸浸漬溫度為45℃～50℃。

2.3 預(yù)處理對(duì)針刺氈性能影響

探究預(yù)處理對(duì)針刺氈性能影響時(shí)，考察的是最佳鹽酸預(yù)處理工藝條件下的針刺氈處理前后的物理機(jī)械性能以及過(guò)濾性能。

2.3.1預(yù)處理氈透氣性測(cè)試

在高溫?zé)焿m過(guò)濾中，透氣性是一個(gè)重要的指標(biāo)。三種預(yù)處理氈的透氣性測(cè)試見(jiàn)圖4、圖5、圖6，條形圖上方的百分?jǐn)?shù)是針刺氈原樣透氣性和預(yù)處理氈透氣性的比值，每種取4個(gè)樣品，從圖中可以看出，軼綸、芳綸、玄武巖三種預(yù)處理氈透氣性都有一定的增加，但增加幅度不是太大。三種針刺氈在預(yù)處理后，鹽酸與針刺氈中玻璃纖維發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，造成平均孔徑增大，所以出現(xiàn)了透氣性增加現(xiàn)象。

圖4 軼綸針刺氈的透氣性測(cè)試

圖5 芳綸針刺氈的透氣性測(cè)試

圖6 玄武巖針刺氈的透氣性測(cè)試

2.3.2預(yù)處理氈?jǐn)嗔褟?qiáng)度測(cè)試

三種預(yù)處理氈?jǐn)嗔褟?qiáng)度見(jiàn)圖7、圖8、圖9，條形圖上方的百分?jǐn)?shù)是預(yù)處理氈的斷裂強(qiáng)度和針刺氈原樣強(qiáng)度的比值，每種取5個(gè)樣品。三種針刺氈在經(jīng)過(guò)鹽酸預(yù)處理后，其強(qiáng)度都有略微的改變。其中軼綸預(yù)處理氈的斷裂強(qiáng)度保持在了原來(lái)的94%以上，芳綸預(yù)處理氈保持在了原來(lái)的87%以上，玄武巖針刺氈保持在了原來(lái)的80%以上。雖然由于鹽酸預(yù)處理對(duì)三種針刺氈造成了9%左右的破壞，但其斷裂強(qiáng)度還是比較大。

圖7 軼綸針刺氈預(yù)處理前后強(qiáng)度對(duì)比

圖8 芳綸針刺氈預(yù)處理前后強(qiáng)度對(duì)比

圖9 玄武巖針刺氈預(yù)處理前后強(qiáng)度對(duì)比

2.3.3預(yù)處理氈除塵效率和過(guò)濾阻力測(cè)試

影響過(guò)濾效率的因素很多[8]，包括微粒尺寸、過(guò)濾纖維的粗細(xì)、纖維填充率、過(guò)濾速度、濕度等。本文選用軼綸氈預(yù)處理前后過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力變化說(shuō)明預(yù)處理對(duì)針刺氈過(guò)濾性能影響。軼綸針刺預(yù)處理前后的過(guò)濾效率見(jiàn)圖10，過(guò)濾阻力見(jiàn)圖11。

圖10中，隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，軼綸針刺氈的過(guò)濾效率逐漸增加，當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速為2 m/min時(shí)，過(guò)濾效率最大。過(guò)濾風(fēng)速繼續(xù)增大，過(guò)濾效率逐漸下降。軼綸針刺氈在預(yù)處理后的過(guò)濾效率達(dá)到了99.9%以上，說(shuō)明預(yù)處理后的軼綸針刺氈并沒(méi)有因?yàn)辂}酸預(yù)處理而影響過(guò)濾效率。

圖11中，隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，過(guò)濾阻力逐漸增加，從過(guò)濾風(fēng)速為0.5 m/min時(shí)的220 Pa，達(dá)到了過(guò)濾風(fēng)速為3.5 m/min時(shí)的280 Pa左右。且過(guò)濾阻力比未經(jīng)處理的針刺氈過(guò)濾阻力要大?？紤]到預(yù)處理氈的過(guò)濾效率較高，因此其對(duì)粉塵的過(guò)濾效果還是很好。

圖10 軼綸針刺氈處理前后過(guò)濾效率對(duì)比圖

圖11 軼綸針刺氈預(yù)處理前后過(guò)濾阻力對(duì)比

3 結(jié)論

本文選擇的是芳綸、軼綸、玄武巖纖維與玻璃纖維復(fù)合的三種耐高溫針刺氈作為催化劑載體。由于三種耐高溫針刺氈含有增強(qiáng)強(qiáng)力的玻璃纖維，須對(duì)三種耐高溫針刺氈載體進(jìn)行鹽酸浸漬處理改性，以增加比表面積和孔徑的數(shù)量。

在探究鹽酸改性處理影響改性效果時(shí)，以預(yù)處理氈失重率不超過(guò)7%作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在探究鹽酸預(yù)處理最佳工藝—鹽酸濃度、鹽酸浸漬時(shí)間、鹽酸浸漬溫度時(shí)，采用控制變量法和逐次篩選的方法，確定最佳的鹽酸預(yù)處理處理?xiàng)l件是：鹽酸濃度為15%、鹽酸浸漬時(shí)間為40 min～50 min，鹽酸浸漬溫度為45℃～50℃。

對(duì)預(yù)處理針刺氈進(jìn)行物理機(jī)械性能和過(guò)濾性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性后的針刺氈重量上略微失重；透氣性略微增加；隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，改性后的針刺氈的過(guò)濾阻力是逐漸增加的，但過(guò)濾效率基本上保持在99.9%以上。

綜合以上的指標(biāo)判斷，預(yù)處理后的芳綸、軼綸、玄武巖針刺氈可以應(yīng)用到脫硝催化劑載體的研究中。

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