丁佰權(quán) 沈恒根

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

隨著工業(yè)污染物的排放對(duì)環(huán)境和氣候的破壞日益嚴(yán)重，全國各地經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，我國近年來連續(xù)頒布《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[1（]GB 28662-2012）》、《煉鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[2（]GB 28663-2012）》、《煉鋼工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[3（]GB 28664-2012）》等標(biāo)準(zhǔn)，并要求各工業(yè)企業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行排放限值，其中，無完整車間排放濃度限值低至5 mg/m3，超低排放、近零排放已成為工業(yè)企業(yè)的目標(biāo)。袋式除塵器是一種除塵效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行投資低的除塵設(shè)備，在工業(yè)企業(yè)的末端治理上得到廣泛的應(yīng)用。濾料的選擇也是判斷袋式除塵器效率高低的核心技術(shù)參數(shù)。目前機(jī)械鑄造袋式除塵器主要采用滌綸濾料。滌綸濾料在常溫下具有良好的力學(xué)性能，但在較高溫度下，其對(duì)水氣敏感，易發(fā)生水解作用，使其強(qiáng)力大幅下降。難以長時(shí)間保證其對(duì)煙氣凈化效率。高硅氧玻璃纖維濾料是近年來針對(duì)高溫粉塵過濾專業(yè)研制的一種除塵濾料，此種高硅氧除塵布袋代替了原來的滌綸濾料，具有更高的工作溫度并且具有抗氧化性能強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸代替滌綸濾料用于袋式除塵器中。聚四氟乙烯PTFE 浸漬及表面PTFE 覆膜處理，將耐酸高硅氧的特點(diǎn)與PTFE 的耐溫耐腐、柔韌性好、易清灰等特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，濾袋的使用壽命等各項(xiàng)性能得到大幅度的提升本文就兩種濾料的力學(xué)特性，耐腐蝕特性，耐溫力學(xué)特性和過濾特性進(jìn)行了分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

1 測試及結(jié)果

1.1 濾料

本實(shí)驗(yàn)選用同一廠家生產(chǎn)的高硅氧和（PTFE）覆膜高硅氧濾料以及普通滌綸濾料進(jìn)行測試，以保證實(shí)驗(yàn)中2 種高硅氧濾料只存在覆膜和未覆膜的差別。濾料的基本參數(shù)測試結(jié)果如表1 所示。

表1 三種濾料基本參數(shù)測試結(jié)果

1.2 測試方法

1.2.1 濾料的克重

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定（GB/T 4669—2008）》對(duì)兩種濾料分別取樣，大小為100 cm2的方形濾料各5 塊，用精度為0.001 g 的電子天平對(duì)各樣品進(jìn)行測定，不少于三次計(jì)算平均值。

1.2.2 濾料的厚度

將測量克重用的個(gè)樣品放置在厚度儀上進(jìn)行測量，計(jì)算平均值。

1.2.3 濾料的透氣性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《紡織品織物透氣性的測定[4（]GB/T 5453-2013）》，分別對(duì)兩種濾料取20 cm2（為方便測試取正方形）大小的濾料各10 塊，給其200 Pa 大小的壓差，分別對(duì)每塊濾料進(jìn)行透氣量的測定3 次，計(jì)算平均值和CV 值，CV 值的計(jì)算方式見式（1）。

式中：σ 為透氣量測量值的標(biāo)準(zhǔn)差，m3/(m2·min)；μ 為透氣量測量值的均值，m3/(m2·min)。

1.2.4 濾料的耐溫性能

按參考標(biāo)準(zhǔn)《紡織品織物拉伸性能（GB/T 3923.1-2013》剪取兩種濾料經(jīng)、緯向?yàn)V料樣品10 條，分別置于120 ℃，140℃，160 ℃，180 ℃，200 ℃恒溫干燥箱內(nèi)加熱24 h 后取出，再分別放置于相對(duì)濕度60%、干球溫度20 ℃的環(huán)境中24 h 后測定經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力、伸長量，每條樣品各測3 組數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值，并計(jì)算其斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長保持率，其計(jì)算公式見式（2）、式（3）：

式中：λ 為熱處理后濾料的經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力保持率，%；F 為濾料初始的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力，N；Fi為熱處理后濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力，N；i 為測試時(shí)不同恒溫干燥箱內(nèi)不同溫度，i=120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、

200 ℃。

式中：λ1為熱處理后濾料的徑向、緯向斷裂伸長保持率，%；Li為濾料初始經(jīng)緯向斷裂伸長量，mm；L 為處理后的經(jīng)緯向斷裂伸長量，mm。

1.2.5 濾料的耐腐蝕性能

本次對(duì)兩種濾料耐腐蝕性能測試時(shí)，選用濃硫酸和NaOH 溶液，分別配制20%、40%的NaOH 溶液和20%、40%的硫酸溶液。按上述方式對(duì)兩種濾料取樣，分別剪取經(jīng)、緯向?yàn)V料樣品分別放在4 種溶液中浸泡24 h 后，用清水沖洗濾料，然后放置于恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干，最后測定其經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力，同樣測3 組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。

1.2.6 濾料的過濾效率

濾料的過濾效率有兩種：靜態(tài)除塵效率和動(dòng)態(tài)除塵效率。因動(dòng)態(tài)除塵效率的測試要在袋式除塵器模擬真實(shí)工作環(huán)境下進(jìn)行的，并且測試結(jié)果差距不明顯。故本次測試主要測試靜態(tài)除塵效率[5]，即利用環(huán)境中氣溶膠顆粒物代替實(shí)際工程上的含塵氣流進(jìn)行過濾效率測試。靜態(tài)過濾性能測試裝置見圖1，測試前對(duì)兩種濾料進(jìn)行取樣，剪取直徑為8 cm 的圓形濾料1 塊，調(diào)整裝置中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)使得過濾風(fēng)速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3 m/min，測定前后濃度，每組取10 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值求得兩種濾料的過濾效率。過濾效率計(jì)算式為：

圖1 靜態(tài)過濾效率測試臺(tái)

式中：η 為過濾效率，%；η1前側(cè)濃度平均值，μg/m3；η2為后側(cè)濃度平均值，μg/m3。

1.3 主要測試儀器

本次測試的主要儀器及其型號(hào)見表2。

表2 主要測試儀器及參數(shù)

2 測試結(jié)果及分析

2.1 濾料的耐溫力學(xué)性能

機(jī)械鑄造生產(chǎn)過程中，由于工藝特性，散發(fā)出的污染物溫度較高，使得袋式除塵器對(duì)含塵氣流凈化時(shí)通常在高溫情況下進(jìn)行。因此，濾料的耐溫性能往往影響其適宜的工作溫度及使用壽命。圖2、圖3 分別給出了兩種濾料在120 ℃，140 ℃，160 ℃，180 ℃及200 ℃下的24 h 后的經(jīng)、緯向的斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長保持率的變化趨勢圖。

圖2 三種濾料經(jīng)向的斷裂強(qiáng)力保持率變化趨勢圖

圖3 三種濾料緯向的斷裂強(qiáng)力保持率變化趨勢圖

根據(jù)國標(biāo)GB/T 6719-2009 中關(guān)于濾料熱處理后經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度保持率的考核標(biāo)準(zhǔn)知，濾料需要保證在連續(xù)工作溫度下24 h 的斷裂強(qiáng)力保持率≥100%。由圖2、圖3 可知:未覆膜的高硅氧玻璃濾料和經(jīng)PTFE 覆膜后的高硅氧濾料都能在較高溫度下保證緯向的斷裂強(qiáng)力保持率大于100%；PTFE 覆膜濾料徑向斷裂強(qiáng)度保持率隨溫度的變化趨勢為先上升后緩緩下降，溫度達(dá)到200 ℃時(shí)也能保證在95%～99%之間；未覆膜的高硅氧濾料徑向斷裂強(qiáng)度保持率隨溫度升高緩緩下降，在200 ℃高溫時(shí)仍能保持在95%以上；在溫度低于180 ℃工作時(shí)緯向的斷裂強(qiáng)度保持率在100%以上，并且當(dāng)溫度高于180℃后，其經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度仍在95%以上。這是由于高硅氧纖維中二氧化硅（SiO2）含量高于96%。

相比于玻璃纖維制成的高硅氧濾料，普通未覆膜滌綸濾料在所測溫度下不滿足國標(biāo)要求，隨著溫度的升高緯向斷裂強(qiáng)度保持率甚至下降到85%以下。因此覆膜高硅氧濾料和未覆膜的高硅氧濾料具有良好的耐溫性能，適合在過濾煙氣溫度較高的場和下使用且可以穩(wěn)定的過濾；而普通滌綸耐溫性查，因?yàn)闇炀]分子中含有46%的酯基[6]，在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生水解、熱裂解，普通滌綸適宜在煙氣溫度低于140 ℃以下的場合。

2.2 濾料的耐腐蝕性能

在機(jī)械鑄造生產(chǎn)過程會(huì)借助到氣刨機(jī)等設(shè)備，在對(duì)鑄件清理過程中除了散發(fā)處高溫粉塵以外，還會(huì)產(chǎn)生一些腐蝕性的氣體，若濾料本身沒有良好的耐酸堿耐腐蝕性，將會(huì)大大降低濾料的使用壽命。圖4、圖5分別表示三種濾料在20%、40%的濃硫酸和20%、40%NaOH 溶液中經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度保持率。

圖4 三種濾料在不同溶液中徑向斷裂強(qiáng)度保持圖

圖5 三種濾料在不同溶液中緯向斷裂強(qiáng)度保持圖

1）三種濾料在20%、40%H2SO4溶液浸泡24 h 后經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率均能維持在90%以上，進(jìn)一步的，高硅氧濾料由于含有超過96%二氧化硅，隨著溶液酸性的增加，經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度保持率在95%以上，且PTFE 覆膜的濾料經(jīng)緯向幾乎沒有發(fā)生斷裂。

2）高硅氧濾料以及覆膜高硅氧濾料在20%、40%NaOH 溶液中經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度保持率基本在80%以上，而普通滌綸濾料的徑向斷裂強(qiáng)度保持率在20%NaOH 溶液只有65%，在40%NaOH 溶液僅有40%左右，且緯向斷裂強(qiáng)度保持率均在40%以下。與酸性溶液中相比，堿性溶液中滌綸濾料經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度保持率差值在50%左右。

3）綜上，相比于普通滌綸濾料，高硅氧濾料的耐酸性耐堿性都很強(qiáng)，并且經(jīng)PTFE 覆膜后的高硅氧濾料在強(qiáng)酸強(qiáng)堿工作條件下都能長期穩(wěn)定的進(jìn)行過濾，其經(jīng)緯向基本不會(huì)出現(xiàn)斷裂。滌綸濾料具有良好的耐酸性，很差的耐堿性，這是由于滌綸遇堿后皂解，使聚合度降低而不適合在強(qiáng)堿性的情況下工作。

2.3 濾料的過濾效率

普通的濾料與覆膜后的濾料最大的區(qū)別就是其過濾機(jī)理不同。聚四氟乙烯(PTFE)薄膜表面光滑且耐化學(xué)腐蝕，是一種具有多微孔性的薄膜，可以將將粉塵全部截留在膜的表面，實(shí)現(xiàn)“表面過濾”；普通的濾料是依靠濾料纖維的捕集作用，即先在濾料表面形成一次粉塵層，再通過這層粉餅過濾后續(xù)粉塵。圖6、圖7、圖8 分別是三種濾料分別在過濾風(fēng)速在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/min 的分級(jí)粒徑靜態(tài)過濾效率。

圖6 PTFE 高硅氧濾料靜態(tài)過濾效率

圖7 未覆膜高硅氧濾料靜態(tài)過濾效率

圖8 普通滌綸濾料靜態(tài)過濾效率

1）從圖6～8 中可以發(fā)現(xiàn)，這三種濾料都出現(xiàn)了隨著過濾風(fēng)速的增加過濾效率下降的情況，這是因?yàn)楫?dāng)過濾風(fēng)速增加時(shí)會(huì)使部分顆粒物穿透濾料。圖6 中PTFE 覆膜后的過濾效率絕大部分能夠輕易達(dá)到90%以上，僅有過濾風(fēng)速變大時(shí)，少許粉塵的過濾效率在85%以下。其次未覆膜的高硅氧過濾效率大部分在85%以上，從圖7 中可得未覆膜的高硅氧濾料對(duì)1.0 μm 粒徑以下的粉塵過濾效率較差，PTFE 覆膜的高硅氧濾料表面的薄膜對(duì)細(xì)小粉塵阻擋作用明顯，未覆膜的高硅氧濾料容易被小于1.0 μm 粒徑以下的粉塵擊穿。

2）三種濾料中，普通的滌綸濾料過濾效率最低，對(duì)各種粒徑下的粉塵過濾效率幾乎難以達(dá)到100%，甚至有部分的過濾效率低于50%，這是相對(duì)于高硅氧玻璃纖維濾料而言，普通滌綸濾料為機(jī)制布，內(nèi)部的縫隙較大，難以對(duì)粒徑小于3.0 μm 以下的粉塵取得良好的效果。

3）經(jīng)覆膜后的高硅氧濾料與未覆膜相比，在同一過濾風(fēng)速下過濾污染物，覆膜后的濾料的過濾效率遠(yuǎn)高于未覆膜的過濾效率，尤其是對(duì)于1.0 μm 以下粒徑粉塵，覆膜的高硅氧濾料過濾效率比未覆膜的高出25%，由此可見PTFE 覆膜能夠有效地增加濾料的過濾效率。這主要是由于PTFE 覆膜表面的微孔結(jié)構(gòu)使其具有表面過濾的除塵機(jī)理，有效地阻擋了微小顆粒物穿透濾料，在目前企業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的背景下覆膜濾料的高效除塵機(jī)理應(yīng)該得到關(guān)注。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)三種濾料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測試了各自濾料的力學(xué)特性、耐腐蝕特性以及過濾性能。基本結(jié)論如下：

1）經(jīng)PTFE 覆膜的高硅氧濾料過濾效率遠(yuǎn)高于未覆膜的過濾效率，尤其是對(duì)于1.0 μm 以下粒徑粉塵，覆膜的高硅氧濾料過濾效率比未覆膜的高出25%。這對(duì)于在目前企業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的背景下覆膜濾料的高效除塵機(jī)理應(yīng)該得到關(guān)注。

2）相比于普通滌綸濾料，高硅氧濾料的耐酸性耐堿性都很強(qiáng)，并且經(jīng)PTFE 覆膜后的高硅氧濾料在強(qiáng)酸強(qiáng)堿工作條件下都能長期穩(wěn)定的進(jìn)行過濾，其經(jīng)緯向基本不會(huì)出現(xiàn)斷裂。滌綸濾料具有良好的耐酸性，很差的耐堿性，這是由于滌綸遇堿后皂解，使聚合度降低而不適合在強(qiáng)堿性的情況下工作。

3）未覆膜的高硅氧玻璃濾料和經(jīng)PTFE 覆膜后的高硅氧濾料都能在較高溫度下保證緯向的斷裂強(qiáng)力保持率大于100%，覆膜高硅氧濾料和未覆膜的高硅氧濾料具有良好的耐溫性能，適合在過濾煙氣溫度較高的場和下使用且可以穩(wěn)定的過濾。而普通滌綸耐溫性查，因?yàn)闇炀]分子中含有46%的酯基，在高溫時(shí)能發(fā)生水解、熱裂解，普通滌綸適宜在煙氣溫度低于140 ℃以下的場合。