ePTFE薄膜在過濾PM2.5領域中的應用

楊俊秋 ，周飛，崔西武，胡學梅，余靖華，王世山

（1. 武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢， 430050）

（2. 武漢市工程塑料有限公司，湖北武漢， 430050）

1.前言

2013年12月以來，環(huán)境保護部的數(shù)據(jù)顯示，已陸續(xù)有25個省份、100多座大中城市不同程度出現(xiàn)霧霾天氣，覆蓋了中國將近一半的國土，面對來勢洶洶的霧霾，各地紛紛拉響應急響應。包括高速封路，機場“停擺”，工地停工，學校停課，大氣污染已經成為嚴重影響民眾正常生產生活和身體健康的重要民生問題，采取有效措施治理大氣污染刻不容緩。專家分析稱，空氣質量達到重污染的狀況，首要污染物為細顆粒物（PM2.5）,天氣因素是觸發(fā)和加劇霧霾影響的直接因素，但根本因素是持續(xù)的污染物排放，主要大氣污染排放總量遠遠超過了環(huán)境容量［1］。

圖1 ePTFE微孔薄膜制備工藝

2.PM2.5的危害及主要來源

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的固體顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，它的直徑大小還不足人的頭發(fā)細度的1/20。雖然PM2.5的含量在大氣成分中所占的比例并不大，但它對空氣質量和大氣能見度等方面具有重大的影響。據(jù)衛(wèi)生部門介紹，由PM2.5而造成的霧霾天氣對人類健康的危害甚至要比沙塵暴還要大。粒徑在10μm以上的固體顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5 ～10μm之間的顆粒物，能夠順利進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外；而粒徑在2.5μm以下的固體顆粒，能很順利地進入支氣管，進一步被吸入人體肺部，從而干擾肺部的氣體交換。與其它大粒徑的固體顆粒相比，PM2.5具有粒徑小、比表面積大、含有大量重金屬等有毒物質且在空氣中沉積時間長等特點，因此，無論是對人類的身體健康還是環(huán)境質量等都有很大的危害性。PM2.5來源非常廣泛、成分也相對復雜，燃煤鍋爐、汽車尾氣、揚塵等是PM2.5含量高的主要元兇，主要源頭包括燃煤電廠、工業(yè)生產、人類日常生活排放的廢氣、汽車尾氣、垃圾焚燒、化石燃料燃燒等。另外，一些排放出的氣體通過發(fā)生一系列化學反應也會轉化成PM2.5［2］。

3.ePTFE薄膜在過濾PM2.5中的優(yōu)勢

3.1 PTFE（聚四氟乙烯）特性

PTFE（聚四氟乙烯）俗稱“塑料王”，是由TFE（四氟乙烯）單體經聚合而成的具有特殊性能的含氟高聚物高分子材料，具有優(yōu)良的耐高低溫性、在-200~250℃可長期使用；耐腐蝕性極強，除熔融金屬鈉和液氟外，PTFE能耐其它一切化學藥品，甚至在王水中煮沸也不起變化；電絕緣性能、密封性能等極佳，已廣泛應用于電信電纜、密封、航空航天以及環(huán)保等領域。

3.2 ePTFE（expanded PTFE）微孔薄膜

圖2 ePTFE微孔薄膜的微觀結構

ePTFE微孔薄膜是以PTFE為原材料，通過一定的工藝膨化為一種具有多微孔性低密度的薄膜，它具有PTFE所固有的性能，如光滑的表面、極好的化學穩(wěn)定性、極低的摩擦系數(shù)、耐高低溫和耐老化等優(yōu)良性能。ePTFE微孔薄膜是一種理想的過濾材料，孔徑一般在0.5μm～3μm之間，最小孔徑可以達到0.02μm。ePTFE薄膜是由許多非常細小的纖維組成的，纖維之間的孔隙在μm級，孔隙率可高達90%，可用作高溫過濾材料，除塵凈化率可達99.99%，是過濾微顆粒物、凈化空氣的理想材料。ePTFE微孔薄膜具有雙向拉伸的微孔結構，橫向拉伸的均勻性是決定微孔膜孔徑均勻性的關鍵，也是決定凈化率高低，能否實現(xiàn)過濾達標排放的關鍵。

ePTFE微孔膜的常規(guī)制備方法是：將PTFE分散樹脂與液體助擠劑混合，通過壓延法將混合物制成薄片，再用機器將薄片雙向拉伸，從而制得PTFE微孔膜，工藝流程見圖1。

聚四氟乙烯微孔膜是在不添加任何其它材料，經機械拉伸使其纖維膨化制得。在實際生產中可根據(jù)樹脂牌號、設備及使用要求，合理選用各生產工藝參數(shù)，利用不同工藝控制，得到不同孔徑大小及孔隙率的微孔膜，從而滿足不同的使用要求。圖2為ePTFE微孔薄膜的微觀結構［3］。

3.3 ePTFE薄膜復合濾料

（1）濾料的組成

ePTFE薄膜復合濾料，是以PTFE為原料, 通過膨化處理得到一種多微孔的薄膜，然后將薄膜以熱熔或膠粘等特殊工藝復合在織造物或紙質基布上，得到微孔薄膜復合濾料。在ePTFE薄膜復合濾料中，ePTFE薄膜主要起過濾作用，而作為基布的傳統(tǒng)濾料只起支撐作用。不同的基布與ePTFE薄膜復合可制成不同條件下使用的復合濾料。

ePTFE薄膜復合濾料具有PTFE所固有的優(yōu)良性能，同時還具有多微孔性、高透氣性和疏水性等良好性能，此外，實踐表明，ePTFE薄膜復合濾料還具有十分高的過濾精度和過濾效率，而阻力增長卻相當緩慢，故其得到了廣泛關注，并在近年大量應用于袋式除塵中。

（2）過濾機理

傳統(tǒng)的濾料如針刺氈、編織濾料等，其過濾機理實質是一種“深層過濾”技術，即通過濾料纖維捕集作用，首先在濾料表面形成“一次粉塵層”（即“粉餅”），然后通過這層粉餅來過濾后續(xù)的粉塵。此類傳統(tǒng)濾料在使用初期，由于濾料本身的孔隙較大，部分粉塵會穿過濾料。只有當“粉餅”形成以后，過濾的效果才顯現(xiàn)出來。但是，當濾料纖維繼續(xù)捕集，濾料表面的粉塵會慢慢滲入到濾料中，進一步將使濾料孔隙堵塞，導致過濾設備運行阻力不斷增加，最終喪失過濾功能。

ePTFE微孔薄膜復合濾料是在普通濾料表面加上一層PTFE薄膜而形成的一種新型復合濾料，具有十分獨特的交叉微孔特性，ePTFE微孔薄膜相當于起到了“粉餅”的作用，物料交換是在濾料表面進行的，使用之初即可以進行有效的過濾。ePTFE微孔薄膜復合濾料表面的薄膜特有的立體網狀結構，能有效將粉塵阻擋于門外，且孔隙再無堵塞之憂，該過濾方式稱為“表面過濾”［4］。數(shù)據(jù)顯示，ePTFE薄膜復合濾料可實現(xiàn)接近零排放，同時由于ePTFE薄膜具有不粘性、摩擦系數(shù)小的特點，粉塵會自動脫落，使得設備阻力長期穩(wěn)定，因此是理想的過濾材料。

（3） ePTFE薄膜復合濾料的優(yōu)點

與傳統(tǒng)濾料相比，ePTFE薄膜復合濾料具有諸多優(yōu)點：

一是除塵效率高。ePTFE薄膜像一層人工合成的粉塵層，實現(xiàn)了“表面過濾”，使濾料的除塵效率可達到99.9%，接近于“零排放”的水平。尤其是對于超細粉塵可達到極高的過濾效率，而傳統(tǒng)的過濾材料的分級除塵效率則低得多。

二是運行阻力低。由于ePTFE薄膜表面的光滑性，粉塵極易脫落，即便是潮濕的超細粉塵也不會粘附，因此，用ePTFE薄膜復合濾料的設備始終能在低阻力下平穩(wěn)運行。

三是過濾風速大。ePTFE薄膜復合濾料相對于傳統(tǒng)濾料而言過濾阻力低，換言之則可提高過濾風速，從而使除塵裝置結構更加緊湊，鋼耗量大為減少，提高設備集塵能力。

四是清灰性能好。ePTFE復合濾料具有表面光滑且非親水性，所以在清灰時粉塵極易脫落 。同時由于清灰壓力強度較低，粉塵與濾料之間摩擦小，濾料的使用壽命較長。

五是適用范圍廣。ePTFE微孔薄膜與各種不同材質的基布復合后，仍然具有耐高溫、耐高濕、耐酸堿、易剝離的特性，適用于各種工業(yè)粉塵治理、煙氣凈化、物料回收和空氣凈化。

六是經濟效益好。使用ePTFE復合濾料，降低了電能的消耗以及超標排放帶來的經濟損失；同時，提高了產品的回收率，降低了產品的損耗；此外，由于ePTFE復合濾料的過濾風速大，可以減小除塵器的投入，因而減小了除塵設備的投資費用。因此，ePTFE復合濾料的應用使經濟效益大幅提高［5］。

4.ePTFE復合濾袋在環(huán)保領域的主要應用

在環(huán)保領域，ePTFE復合濾料可廣泛應用于袋式除塵器，在防治煙塵特別是超細粉塵

PM2.5對大氣的污染等方面獲得大有可為。

4.1. 在濾料除塵領域

燃煤電廠領域，燃煤發(fā)電廠在我國普遍存在，煤炭燃燒過程會產生大量的二氧化硫、氮氧化物及可吸入顆粒物PM2.5。由于ePTFE具有的優(yōu)良特性，在高溫環(huán)境中使用ePTFE膜和玻璃纖維針刺氈復合濾料制成的袋式除塵器，可極大降低電廠煙塵的排放。ePTFE膜與玻璃纖維針刺氈復合濾材是公認的能過濾可吸入顆粒物的最有效材料。

在垃圾焚燒治理方面，ePTFE復合濾袋的應用效果十分顯著。垃圾焚燒過程中會產生大量的污染物，這些污染物具有以下特點：煙氣中存在顆粒物、重金屬、酸性氣體和有機劇毒性污染物；煙氣含濕量高、露點溫度高、過濾器易結露；高低溫煙氣交互存在；脫酸處理產生的顆粒物易吸潮導致清灰困難和管道堵塞；煙氣腐蝕性強。以ePTFE微孔膜覆膜后的濾袋，在垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣凈化中可以取得良好的效果。

4.2 在水泥行業(yè)領域

隨著我國節(jié)能減排要求的越來越嚴格，水泥工業(yè)領域傳統(tǒng)使用的電除塵器已經不能滿足國家新的排放標準。在水泥生產工藝流程中，使用傳統(tǒng)的針刺氈和編織濾料難以滿足減排的標準，而表面復合有ePTFE薄膜濾料制成的袋式除塵器，在減少大氣污染物排放的同時，還可回收水泥粉末、提高產量、降低生產原料損耗和節(jié)約能源。

4.3 在實驗室凈化領域

在食品、生物、醫(yī)藥、醫(yī)療行業(yè)中對空氣潔凈度級別較高的潔凈室領域，ePTFE覆膜濾料過濾器具有抗腐蝕好、穩(wěn)定性好、相同的阻力條件下流量大等特點，能夠滿足高效空氣過濾的要求，ePTFE覆膜濾料能在這些行業(yè)中發(fā)揮更大的技術經濟潛力和應用價值［6］。

5.結束語

雖然ePTFE薄膜復合濾料在過濾PM2.5中的優(yōu)勢顯著、產業(yè)前景廣闊，目前我國生產ePTFE薄膜的企業(yè)也很多，但大多工藝單一、設備較簡陋、自動化程度低、規(guī)模較小、檢測手段不完備，產品合格率不高、孔徑尺寸不夠均勻、成本較高，若用進口膜成本更高，使得在過濾PM2.5細顆粒物行業(yè)應用推廣受限。隨著人們對空氣質量的密切關注，國家環(huán)保部門對大氣污染物排放制定了越來越嚴格的標準，相關部門及企業(yè)正投入大量的人力物力進行研究實驗，本課題組采取校企合作方式，目前正從理論及加工中不斷研究、探討、實驗成型工藝及加工設備、完善檢測方式，力爭使產品孔徑更均勻、合格率更高，努力提高生產效率、降低生產成本，使ePTFE薄膜復合濾料在過濾PM2.5領域中應用更加廣泛、效果更好。

［1］金琴芳等.淺談PM2．5的防治對策建議［J］.污染防治技術，2013（6）：88-90

［2］趙傳陽等.粉塵PM2．5及其對人體的危害［J］.制冷與空調，2013（8）：403-406

［3］侯成成等.PTFE覆膜濾袋在控制PM2.5中的應用［J］.新材料產業(yè)2013（07）：43-48

［4］吳利瑞等.EPTFE薄膜復合濾料的性能及應用［J］.空調暖通技術2001（1）26-29頁

［5］王冬梅等. 高溫過濾材料的應用及發(fā)展趨勢［J］.中國環(huán)保產業(yè) ，2009（6）：24-29.

［6］陳虧等. 玻璃纖維／PTFE 高溫熱壓覆膜濾料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 產業(yè)用紡織品，2010（ 2） : 1-5