工業(yè)用空氣過濾材料的研究

彭孟娜

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

工業(yè)用空氣過濾材料的研究

彭孟娜

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

目前，人們對(duì)空氣污染現(xiàn)狀的重視逐漸增加，更多關(guān)于環(huán)保性質(zhì)的法律法規(guī)逐漸出臺(tái)。因此，各廠業(yè)為了順應(yīng)國(guó)家政策，同時(shí)也為了自身更好更快的發(fā)展，工業(yè)用空氣過濾材料在應(yīng)用上得到越來越廣泛的發(fā)展。簡(jiǎn)單介紹了工業(yè)用空氣濾材的特點(diǎn)、種類、應(yīng)用領(lǐng)域及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等，目的是能夠推動(dòng)工業(yè)用空氣過濾材料的研究發(fā)展，為能更好的服務(wù)于工業(yè)領(lǐng)域奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的綠色可持續(xù)發(fā)展。

空氣過濾材料 內(nèi)涵 種類 應(yīng)用 發(fā)展

0 研究背景及意義

隨著工業(yè)化的生產(chǎn)，在一定范圍內(nèi)，大氣中產(chǎn)生了此前不存在的微量物質(zhì)，形成空氣污染的因素很多,主要包括工業(yè)煙塵、有機(jī)揮發(fā)物、汽車尾氣、揚(yáng)塵等[1]。這些因素都可能會(huì)對(duì)人類、動(dòng)植物以及物品、材料造成威脅，甚至產(chǎn)生一定的危害。因此，工業(yè)用空氣過濾材料的開發(fā)生產(chǎn)也就應(yīng)運(yùn)而生，隨著環(huán)保部門監(jiān)管力度加大，空氣過濾材料的普遍使用成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一個(gè)程序。

1 空氣過濾材料的內(nèi)涵及特點(diǎn)

1.1 空氣過濾材料的內(nèi)涵

空氣過濾材料主要應(yīng)用于空氣凈化方面，以捕集塵粒為主[1]，即把對(duì)大氣產(chǎn)生污染的粉塵微粒通過過濾技術(shù)控制在一定范圍內(nèi)，或者是將空氣中的懸浮顆粒物通過空氣循環(huán)過濾將其捕集在一起的濾料[2]。空氣過濾材料有利于資源有效再分配、環(huán)境保護(hù)及人類身心健康。

目前，人們對(duì)空氣質(zhì)量及室內(nèi)氣體品質(zhì)逐漸看重，越來越多的有關(guān)環(huán)保方面的法律法規(guī)出臺(tái)并應(yīng)用。因此，空氣過濾材料在環(huán)境整治之中承擔(dān)著越來越不可或缺的角色，發(fā)展空間也是越來越大，成為國(guó)際濾材市場(chǎng)中增速最大的組成成分。

1.2 空氣過濾材料的特點(diǎn)

過濾材料的性能指標(biāo)包括：透氣性、斷裂強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、纖維直徑、單重、分級(jí)除塵效率等。性能良好的濾料的衡量標(biāo)準(zhǔn)多樣，具體而言包括以下三個(gè)方面：高強(qiáng)、高過濾效率、高透氣率，即為了要求制作的過濾材料纖維具備良好的過濾性能應(yīng)該盡量細(xì)且多。此外，還要保證過濾材料本身的安全性，不易老化，成本低。

2 空氣過濾材料的種類、應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 空氣過濾材料的種類

作為濾材，必須具備3個(gè)基本要求：氣體流速、產(chǎn)品質(zhì)量和物理化學(xué)性能具備特殊的要求。袋式除塵器上所用的過濾布，原材料主要是天然纖維、合成纖維及無機(jī)纖維三大類[3]。按照加工方式，過濾布可分為織造布、無紡布及復(fù)合布三類。

2.1.1 纖維濾材

纖維過濾材料具有較大的比表面積，體積蓬松，價(jià)格低，易于加工等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了它始終占據(jù)著市場(chǎng)的絕大部分[4]。其中，非織造布過濾成布工藝短，成本低，過濾性能好，使其成為主導(dǎo)產(chǎn)品。 生產(chǎn)工藝主要有針刺法和熔噴法；主要使用的原材料包括聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、PPS、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亞胺(P84)，偏芳香族聚酰胺(Nomex)、三聚氰胺等，此外，還包括玻璃纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等為主的無機(jī)纖維。

2.1.2 復(fù)合濾材

復(fù)合濾材是把不同種類的纖維交織在一起而形成的，用于消除單一濾材性能上的不足，滌綸與玻璃纖維交叉織造的最新開發(fā)的過濾材料就是此原理[5]。玻璃纖維過濾材料具有的特質(zhì)很多，包括良好的耐溫性，較低的伸長(zhǎng)率，較高的強(qiáng)度，較好的耐腐蝕性等，較高的過濾效率。但是由于玻纖耐磨性較差，因此使用時(shí)容易磨損、斷裂，影響使用壽命；而滌綸具有抗斷裂、良好的耐磨性、較低的強(qiáng)度、較大的伸長(zhǎng)率等特點(diǎn)。編織后的過濾器具有良好的性能，已開始應(yīng)用。近幾年來，復(fù)合濾材成為一個(gè)新焦點(diǎn)。

2.1.3 功能性濾材

功能性空氣濾料作為空氣過濾材料的一種新熱點(diǎn)，它主要是針對(duì)一些特定行業(yè)，像耐高溫、耐腐蝕、抗靜電、有害氣體的消除等行業(yè)[6]。例如PPS濾料具有優(yōu)良的耐酸性、耐堿性、工作溫度達(dá)190攝氏度。又如不銹鋼纖維，將金屬纖維加入到抗靜電濾料中可用于防治靜電吸附粉塵，有較大的系統(tǒng)阻力，致使濾袋可接受的負(fù)荷不斷加大，損壞加重，減少使用壽命；同時(shí)可以防止一些含塵氣體袋摩擦火花[7]。

2.1.4 高效、高性能濾料

(1)加厚型膨體玻纖布過濾材料[8]。

(2)各種耐高溫纖維過濾材料：P84纖維、PPS纖維、芳綸纖維、預(yù)氧化碳纖維等各自分別與玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料，屬于針刺過濾氈濾料[9]。目前，已被廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保業(yè)、核工業(yè)及軍事領(lǐng)域等。

(3)覆膜濾料：覆膜濾料是一種新型的除塵和物料方面的過濾材料。經(jīng)過覆膜處理后表面十分光滑，其除塵原理稱之為微孔篩濾，主要采用的是表面過濾，被過濾的物質(zhì)近乎100%的被攔截下來，具有極高的除塵效率[5]。覆膜濾布的孔徑(通常情況下是指平均孔徑)有0.5um、1um、3um，目的是適應(yīng)各種粒徑的粉塵等，粉塵的分離性能優(yōu)異，且能在高溫下運(yùn)行。

其中，聚四氟乙烯微孔膜，其原料是聚四氟乙烯樹脂，經(jīng)過特殊工藝雙向拉伸形成的，孔隙率可超過85% 高可達(dá)1.5μm。如圖1為聚四氟乙烯膜的微孔結(jié)構(gòu)。為此，收集了兩種PTFE濾膜，一種為耐強(qiáng)酸堿型，一種為耐高溫型，它們直徑均為150mm，耐強(qiáng)酸堿型孔徑為0.22μm，耐高溫型孔徑為1μm。分別如圖2：PTFE耐強(qiáng)酸堿型微孔濾膜；圖3：PTFE耐高溫型微孔濾膜。

圖1 PTFE膜的微孔結(jié)構(gòu)

圖2 PTFE耐強(qiáng)酸堿型微孔濾膜

圖3 PTFE耐高溫型微孔濾膜

(4)駐極熔噴非織造濾料：其優(yōu)點(diǎn)主要包括：較高的過濾效率、較大的容塵量、較小的空氣阻力、價(jià)格低廉、穩(wěn)定的過濾效率及化學(xué)穩(wěn)定性高。此外，低吸濕性的熔噴過濾材料主要是聚丙烯生產(chǎn)出的。熔噴非織造布的纖維細(xì)度細(xì)、較大的比表面積、較高的孔隙率及優(yōu)異的深層過濾性能，這些特點(diǎn)在需要深層過濾的條件下被認(rèn)為是具有美好發(fā)展前景的濾料。

2.1.5 超高溫濾料

目前適合制備高溫過濾材料的有玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯、碳纖維等[10]。這種過濾材料適合工業(yè)中產(chǎn)生的各種高溫?zé)煔?，但是價(jià)格不菲，主要應(yīng)用的場(chǎng)合環(huán)境相當(dāng)艱苦且用的量較少。

(1)金屬纖維針刺氈：可用于高溫300℃～600℃，通常情況下使用溫度為450℃，產(chǎn)品包括不銹鋼針氈等[11]。

(2)高硅氧濾料：這類過濾材料以一種特別的玻纖為原料，能于600℃的高溫環(huán)境中持續(xù)使用，最高可達(dá)到800℃。

(3)陶瓷纖維濾料：這類過濾材料能于760℃下連續(xù)使用，溫度最高可達(dá)到1000℃[12]。

2.1.6 觸媒涂層濾料

觸媒涂層濾料是在濾布表面涂覆脫氮觸媒，使濾料具有除塵與脫氮功能，若與堿性吸收劑并用，還可除去酸性氣體，如二氧化硫、氮氧化物等[13]。

2.2 空氣過濾材料的應(yīng)用領(lǐng)域

2.2.1 鋼鐵工業(yè)

中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量極大，擁有鋼鐵企業(yè)眾多，鋼鐵產(chǎn)業(yè)有四大高溫?zé)煔夥蹓m的污染源頭，分別是高爐、電爐、轉(zhuǎn)爐、燒結(jié)爐。粉塵排放量大，使得它成為使用過濾材料的第一大用戶[14]。機(jī)織或無紡的耐高溫袋式除塵器在鋼鐵工業(yè)中大約占到七成之上。

2.2.2 水泥工業(yè)

中國(guó)是世界上最大的水泥生產(chǎn)國(guó)，也是濾材的第二大用戶[15]。水泥工業(yè)排放的氣體因工藝而異，種類繁多，粉塵既有常溫的，也有高溫的，還有高濕、高濃度、易燃、易爆的，所以盡管水泥產(chǎn)業(yè)對(duì)袋式除塵器的用量很大，但對(duì)于過濾材料不能混為一談，玻纖、玻纖膨體紗、覆膜濾材、滌綸針刺氈等均是常用原料。

2.2.3 有色冶金工業(yè)

有色冶金行業(yè)是第三大用戶的過濾材料。將耐高溫、耐腐蝕的玻纖濾料廣泛應(yīng)用在冶煉有色金屬的冶煉爐、 貴鋁爐、 陽極爐、 閃爍爐、 礦熱爐、 沸騰爐中，不僅起到了凈化煙氣的作用，還能夠回收貴金屬。

2.2.4 化學(xué)工業(yè)

很多化工產(chǎn)業(yè)運(yùn)用氣凝膠制造粉狀產(chǎn)品是在高溫條件下進(jìn)行的，大都使用袋式除塵器搜集像炭黑等物質(zhì)。炭黑企業(yè)回收炭黑基本上是使用玻纖針刺氈和Nomex耐高溫針刺氈過濾器，有接近百分百的過濾效率[16]。

2.2.5 室內(nèi)空氣凈化

家庭所用的空調(diào)用量一年比一年普及，其所用的濾材絕大部分是普通塑料機(jī)織濾網(wǎng)，有較大的孔徑，只能過濾的塵粒較大，因此空氣濾材的一大潛在的市場(chǎng)是室內(nèi)空氣凈化器?？諝鈨艋鞯倪^濾材料一般是超細(xì)玻璃纖維[17]。空氣凈化器在國(guó)際上由較為迅速的發(fā)展，而中國(guó)的普及率較低，僅處于起步狀態(tài)[18]。

2.3 空氣過濾材料的發(fā)展現(xiàn)狀

2.3.1 空氣過濾材料的國(guó)內(nèi)開發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，在濾料市場(chǎng)上，空氣濾料的比例達(dá)到了1/3左右[19]。當(dāng)前，中國(guó)高效過濾纖維的研發(fā)仍在初始階段，極大部分依靠進(jìn)口。當(dāng)前耐高溫過濾材料種類極少，纖維種類主要是玻璃纖維及間位芳綸；P84纖維應(yīng)用領(lǐng)域很多，但是原材料以進(jìn)口為主，并且價(jià)格貴；PPS纖維(聚苯硫醚)在中國(guó)已經(jīng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)；聚四氟乙烯當(dāng)前國(guó)內(nèi)早已進(jìn)行投資生產(chǎn)。雖然這樣，高端市場(chǎng)主要是為美國(guó)和一些歐洲國(guó)家和地區(qū)的過濾材料公司壟斷。

中國(guó)濾材在過濾效率及機(jī)械強(qiáng)度等方面上和國(guó)際上領(lǐng)先的高效濾材作比較，雖然已經(jīng)到達(dá)乃至領(lǐng)先他們的水準(zhǔn)，但是整體上還是有所差距，主要是材料均勻度差，抗變形能力差，防水，防火，霉菌等特殊的研究還不夠深[20]。

2.3.2 空氣過濾材料的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著西方工業(yè)的發(fā)展，尤其是合纖的產(chǎn)生，過濾煙塵的纖維過濾材料性能的抬高再也不僅僅依靠紡織工藝的改善，通過物理化學(xué)處理及加工，使過濾材料的強(qiáng)度、耐熱性、耐腐蝕性、透氣性、阻燃性等性能均得到明顯改善，且價(jià)格較低，品種多[21]。如今，纖維濾料過濾效率無限接近100%，并且對(duì)高溫乃至粘性或濕度較大的煙塵也具有較好的過濾效率。國(guó)際上濾材的開發(fā)、出產(chǎn)、測(cè)試和使用已經(jīng)夠形成較完備的體系[22]。高效空氣濾材的專研開發(fā)已涉及到高性能纖維(像PTFE、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等)，向無紡布濾材、復(fù)合膜技術(shù)濾材及高功能濾材的方向前進(jìn)。

3 結(jié)論

近幾年來，國(guó)家針對(duì)環(huán)境方面的保護(hù)力度逐漸重視，高新科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模逐漸加大，具有超高效率特征的空氣過濾設(shè)備其應(yīng)用范圍正在逐步拓廣，濾材作為其核心，它的研發(fā)更是得到了極大看重。其未來發(fā)展總體可以概括為：織布類濾料向纖維珊類濾料發(fā)展；二維濾料向三維濾料發(fā)展；機(jī)織濾料向非織造濾料發(fā)展；短纖濾料向長(zhǎng)纖濾料發(fā)展；復(fù)合加捻纖維濾料向單絲濾料發(fā)展；合纖濾料向覆膜濾料發(fā)展。

[1] 邵敬黨.針刺非織造布空氣過濾材料的研究探討[J].丹東紡專學(xué)報(bào), 2003, 10(1): 14-6.

[2] 薛帆帆,周蓉.非織造布濾料性能及過濾過程的研究進(jìn)展[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)2016,33(1): 32-36.

[3] 劉玉軍,司徒元舜.我國(guó)熔噴非織造布的生產(chǎn)現(xiàn)狀及新進(jìn)展[J].紡織導(dǎo)報(bào),2008(12):101-103.

[4] 劉書平.我國(guó)用于袋式除塵器的過濾材料[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007,25(1):1-4.

[5] 付海明.纖維過濾介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)過濾壓力損失的研究[J].紡織學(xué)報(bào),2009,30(4):15～18.

[6] 黃繼紅.微孔薄膜復(fù)合濾料運(yùn)行阻力的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2001(1):1-4

[7] 黃翔,顧群,狄育慧.功能性空氣過濾材料及其應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2003,11(1):13-15.

[8] 黃翔.納米材料與技術(shù)在功能性空氣過濾材料中的應(yīng)用[A].全國(guó)袋式過濾技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2003.3.

[9] 劉來紅,朱玲英.高效空氣過濾材料的發(fā)展與特點(diǎn)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2005,23(1):6-8.

[10]李熙,靳雙休.我國(guó)針刺過濾氈的現(xiàn)狀及展望[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品.2008,26(6):6-8.

[11]張建偉,張瑩,趙帆,賈哲昆.幾種可用于高溫過濾纖維的對(duì)比分析[J]:成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)2016,33(1):119-121.

[12]宋景郊.高溫除塵技術(shù)發(fā)展和耐高溫濾材的市場(chǎng)前景[J].化工裝備技術(shù),2002,23(5):19-21.

[13]王冬梅,鄧宏,吳純,等.高溫過濾材料的研制與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2009(6):24-29.

[14]羅瑞林.織物涂層[M].北京,紡織工業(yè)出版社,1992.

[15]婁可賓,沈恒根,杜柳柳.燃煤鍋爐用高溫濾料研究與應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2007:16-19.

[16]付海明,沈恒根.空氣過濾理論研究與進(jìn)展[J],過濾與分離,2003,13(3):20-24.

[17]李冶,王偉民.21世紀(jì)非織造過濾材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].非織造布.2003(3):13- 15.

[18]張威.舒適性空調(diào)用袋式過濾器過濾性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2006(3):78-81.

[19]劉來紅,王世宏.空氣過濾器的發(fā)展與應(yīng)用[J].過濾與分離,2000,10(4):8-9.

[20]Chatterjee K N.Polyester needle punched nonwoven dust filter for controlling air pollution[J].Man-Made Text India,1991:35.

[21]王延熹.國(guó)外非織造濾料發(fā)展與前景[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品.2000,18(2):1-5.

[22]朱暉.環(huán)境空氣中微粒過濾材料性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].上海:東華大學(xué),2005.

2017-05-17

TS102

A

1008-5580(2017)03-0200-04

作者：彭孟娜(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)。