除塵濾袋用PPS纖維氈濾料PM2.5及高溫過濾特性研究*

鄭錦維，朱銳鈿，周思遠(yuǎn)，倪冰選，張 鵬

（1.廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州511447；2.廣東斯樂普環(huán)保技術(shù)股份有限公司，廣東 佛山528225）

除塵濾袋用PPS纖維氈濾料PM2.5及高溫過濾特性研究*

鄭錦維1，朱銳鈿1，周思遠(yuǎn)2，倪冰選1，張 鵬1

（1.廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州511447；2.廣東斯樂普環(huán)保技術(shù)股份有限公司，廣東 佛山528225）

除塵濾袋用聚苯硫醚 （PPS）纖維氈濾料是高溫?zé)煔膺^濾的重要材料，本研究采用單位面積質(zhì)量、厚度、透氣性、孔徑的參數(shù)對除塵濾袋用聚苯硫醚 （PPS）纖維氈濾料進(jìn)行表征，考察高溫對其動態(tài)濾塵性能的影響，探索性的對該類濾料進(jìn)行PM2.5過濾性能測試，結(jié)果表明：在動態(tài)濾塵測試過程中，聚苯硫醚 （PPS）纖維氈濾料清灰周期、總測試時間隨著試驗(yàn)溫度的升高迅速下降，而試驗(yàn)溫度對除塵效率影響不大；結(jié)合測試用粉塵粒徑分析和PM2.5旋風(fēng)分離器，獲得濾料的PM2.5過濾效率略低于其除塵效率，這與穿透濾料的粉塵中細(xì)顆粒物含量較高的預(yù)期相符，結(jié)果可靠。

纖維濾料； PM2.5；高溫； 過濾特性

隨著以能源消耗性為主的重工業(yè)迅速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上鋼鐵、水泥、煤炭、化纖的第一大生產(chǎn)國，電力、有色金屬、化肥的第二大生產(chǎn)國[1]。與這些高能耗、高污染行業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的各種工業(yè)爐窯所排放出來的廢氣不僅溫度高，而且含有大量的粉塵和有害氣體，是近年來造成我國霧霾天氣頻繁出現(xiàn)的主要因素之一[2]，而作為構(gòu)成霧霾的污染物之一的PM2.5成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，又稱細(xì)顆粒物，這種顆粒不僅本身是污染物，同時也是重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)及有害氣體的載體，嚴(yán)重危害人們的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)[3]。工業(yè)氣體排放是PM2.5的主要來源之一，因各地區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)、地理環(huán)境狀況不同而不同，中國的工業(yè)煙氣粉塵污染集中在燃煤電廠、水泥窯爐、鋼鐵冶金等幾個主要領(lǐng)域，同時具有實(shí)際工況復(fù)雜、過濾溫度較高等特點(diǎn)。

面對日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，我國在2011年11月份提出了對于空氣中PM2.5的監(jiān)測及治理應(yīng)對措施，并于2012年國家頒布了GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4]，對經(jīng)過過濾凈化后排放煙氣的指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)定。

除塵器是治理空氣污染的最重要舉措之一，其中濾袋除塵技術(shù)能有效減少固體顆粒排放，除塵效果較好，可從根本上解決PM2.5的排放問題。目前，關(guān)于環(huán)保用除塵濾袋的過濾性能測試標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 6719-2009《袋式除塵器技術(shù)要求》[5]、ISO 11057：2011 《空氣質(zhì)量空氣過濾器中濾料過濾性能的測試方法》[6]、VDI 3926-1：2004《評價可清潔濾料測試方法》[7]，但是上述標(biāo)準(zhǔn)中并未對過濾材料的PM2.5過濾性能測試作出規(guī)定，同時試驗(yàn)溫度都是常溫。因此本實(shí)驗(yàn)參考上述方法標(biāo)準(zhǔn)，選用工業(yè)上較為常見的耐高溫聚苯硫醚纖維氈濾料，通過對試驗(yàn)用粉塵的粒徑進(jìn)行分析，并對通過濾料的PM2.5粉塵及其他粉塵進(jìn)行分離，評價聚苯硫醚纖維氈濾料對PM2.5粉塵的過濾性能。此外模擬濾料應(yīng)用時的實(shí)際工況，提高試驗(yàn)測試溫度，考察試驗(yàn)溫度變化對濾料過濾特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

聚苯硫醚 （PPS）纖維紡粘水刺復(fù)合非織造過濾材料，由廣東斯樂普環(huán)保技術(shù)股份有限公司提供，測試前樣品在標(biāo)準(zhǔn)大氣中調(diào)濕24 h。

1.2 基本性能表征

1.2.1 單位面積質(zhì)量測定

根據(jù)GB/T 24218.1-2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》[8]的規(guī)定，裁剪200 mm×250 mm的試樣3塊，分別在分度值為0.01 g的天平上稱重后計(jì)算。

1.2.2 厚度測定

根據(jù)GB/T 21418.2-2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測定》[9]的規(guī)定，采用溫州方圓儀器有限公司生產(chǎn)的YG141D-Ⅱ織物厚度儀，在壓腳2 500 mm2、 壓力0.5 kPa的條件下分別測量10塊試樣的厚度。

1.2.3 透氣性測定

根據(jù)GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性的測定》[10]的規(guī)定，采用瑞士TEXTEST AG Zurich公司生產(chǎn)的FX3300透氣性測試儀Ⅲ，試驗(yàn)面積為 20 cm2，分別測定壓降為 100 Pa、200 Pa、300 Pa、500 Pa、700 Pa、1 000 Pa時樣品的透氣率。

1.2.4 孔徑特征測試

采用美國Porous Materials，Inc.生產(chǎn)的CFP-1100A型 PMI毛管流動孔隙儀，夾具有效直徑20 mm，潤濕油劑為Silwick（表面張力20.1 mN/m）。

1.3 粉塵粒徑分析

根據(jù)ISO 13320-2009《粒度分析 -激光衍射法》[11]的規(guī)定，采用德國Sympatec GmbH生產(chǎn)的HELOS/BR-OM/RODOS型激光粒度分析儀，分散壓力為4.00 bar。

1.4 過濾性能表征

根據(jù)ISO 11057:2011《空氣質(zhì)量過濾器中濾料過濾性能的測試方法》[6]，采用德國Fil T Eq GmbH生產(chǎn)的FEMA 1-AT-SR型粉塵過濾測試系統(tǒng)對濾料的動態(tài)濾塵性能進(jìn)行測試，穿透過濾料樣品的粉塵，在PM2.5旋風(fēng)分離器作用下，PM2.5粉塵及其他粉塵被分離并分別收集，并分別在20℃、120℃、160℃下進(jìn)行過濾性能測試。

1.5 掃描電鏡 (SEM)觀察

采用日本HITACHI生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，樣品測試前進(jìn)行噴金處理，電壓為20 kV、工作距離為22 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾料基本性能分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該濾料樣品單位面積質(zhì)量為561 g/m2、厚度為2.31 mm；透氣率則隨著壓降的上升而線性增長，如圖1所示。這說明樣品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，隨著壓降的增加、內(nèi)部纖網(wǎng)立體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的變化，纖維間相互位置關(guān)系較為穩(wěn)定。濾料的最大孔徑為34.4 μm，平均孔徑為9.1 μm，孔徑呈典型的正態(tài)分布，如圖2所示。

圖1 濾料透氣率隨壓降的變化

圖2 濾料孔徑分布圖

2.2 顆粒物粒徑分析

根據(jù)ISO 11057:2011，試驗(yàn)用粉塵為氧化鋁粉塵，即商品名為Pural NF的勃姆石，其質(zhì)量中粒徑約為4.5 μm，粒徑分析結(jié)果顯示，試驗(yàn)用粉塵粒徑呈雙峰分布，兩個峰值分別在2.0 μm和10.0 μm左右，同時顆粒物中PM2.5的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為40%，詳見圖3。

圖3 試驗(yàn)用粉塵粒徑分布圖

2.3 過濾性能分析

根據(jù)ISO 11057:2011標(biāo)準(zhǔn)，整個動態(tài)濾塵性能測試包含4個階段，詳見表1。從測試過程可觀察到，第一階段的30個清灰周期，濾料的殘余壓力隨著周期性增加而緩慢上升，而在第四階段的30個周期，試樣的殘余壓力隨著周期的增加快速上升。從掃描電鏡分析可見，測試過程中，部分粉塵附著在纖維表面，并填充濾料中的孔隙，從而導(dǎo)致濾料殘余壓力的迅速增加 （見圖 4）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)測試階段的順序

圖4 過濾測試前后濾料表面微觀形貌

考察試驗(yàn)溫度對纖維濾料阻力的影響，結(jié)果如表2所示。從表2可見隨著測試溫度的上升，潔凈濾料的初阻力變化不大，此外纖維濾料的殘余阻力隨著試驗(yàn)溫度的升高，數(shù)值接近。這說明在高溫狀態(tài)下，該濾料樣品纖網(wǎng)仍保持較為穩(wěn)定的立體結(jié)構(gòu)。

表2 測試過程中樣品阻力隨溫度的變化

圖5 樣品清灰周期隨試驗(yàn)溫度的變化

纖維濾料的清灰周期則隨著試驗(yàn)溫度的升高有明顯的變化，如圖5所示，以第一階段為例，在常溫 （20℃）下，第1個清灰周期耗時977 s，在120℃時迅速下降到755 s、160℃時下降到734 s；第30個清灰周期耗時也呈現(xiàn)類似的變化趨勢。同樣的，30個清灰周期的總時間，從試驗(yàn)溫度為20℃時的19 331 s，下降到120℃時的14 896 s，160℃時僅為14 763 s，分別詳見圖6 （a）、 6 （b）、 6 （c）。

圖6 不同試驗(yàn)溫度對樣品清灰周期的影響

根據(jù)ISO 11057:2011及試驗(yàn)用粉塵粒徑分析結(jié)果，濾料上游粉塵質(zhì)量濃度為5 g/cm3及粉塵中PM2.5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，獲得濾料樣品的除塵效率和PM2.5過濾效率：20℃、120℃、160℃試驗(yàn)溫度下樣品除塵效率分別為99.9636%、99.9536%、99.9658%，差異不大，這說明該P(yáng)PS纖維濾料耐高溫性能較好，在較高試驗(yàn)溫度下仍保持與常溫接近的濾塵性能。而常溫時樣品PM2.5過濾效率為99.9115%，略小于除塵效率，這說明試驗(yàn)過程中穿透濾料的粉塵中細(xì)顆粒物占比較原試驗(yàn)用粉塵大，符合預(yù)期。

3 結(jié)論

本研究采用的PPS纖維氈濾料單位面積質(zhì)量為561 g/m2、厚度為2.31 mm，透氣率則隨著壓降的上升而線性增長，濾料的最大孔徑為34.4 μm，平均孔徑為9.1 μm，孔徑呈典型的正態(tài)分布。

（1）試驗(yàn)溫度對纖維濾料樣品動態(tài)濾塵性能測試過程影響較大，相同條件下，清灰周期隨著試驗(yàn)溫度的升高迅速下降，同一階段的測試時間也表現(xiàn)出類似的變化趨勢，而除塵效率隨著試驗(yàn)溫度的升高沒有太大變化。

（2）通過對試驗(yàn)用粉塵進(jìn)行粒徑分析，粉塵中PM2.5占比約為40%，對動態(tài)濾塵性能測試過程中濾料樣品下游的粉塵進(jìn)行PM2.5分離，結(jié)合上游的粉塵質(zhì)量濃度，測得樣品PM2.5過濾效率略低于除塵效率，用此方法評價纖維濾料的PM2.5過濾特性可行。

[1] 李培君.金屬絲網(wǎng)增強(qiáng)聚苯硫醚耐高溫水刺濾料的研究 [D].上海:東華大學(xué)，2014.

[2] 馮勝山，許順紅，劉慶豐，等.高溫工業(yè)廢氣過濾除塵技術(shù)研究進(jìn)展 [J].中國鑄造裝備與技術(shù)， 2009 （1） :1-7.

[3] 付晶.徐州市城區(qū)路面塵中PAHs污染特征、來源及磁學(xué)響應(yīng) [D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3095-2012[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[5] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.袋式除塵器技術(shù)要求:GB/T 6719-2009[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6] ISO/TC 146空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.空氣質(zhì)量空氣過濾器中濾料過濾性能的測試方法:ISO 11057:2011[S].瑞士:國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2011.

[7] VDI預(yù)防空氣污染委員會.評價可清潔濾料測試方法:VDI 3926-1:2004[S].德國:德國工程師協(xié)會，2004.

[8] 中國紡織工業(yè)協(xié)會.紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定:GB/T 24218.1-2009[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[9] 中國紡織工業(yè)協(xié)會.紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測定:GB/T 21418.2-2009[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[10] 中國紡織總會科技發(fā)展部.紡織品 織物透氣性的測定:GB/T 5453-1997[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[11] ISO/TC 24顆粒物表征標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.粒度分析-激光衍射法:ISO 13320-2009[S].瑞士:國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,2009.

Abstract:After characterizing mass per unit area,thickness,air permeability and pore size of polyphenylene sulfite(PPS)filter for dust removing bag，the filtration property of PM2.5and high temperature of filter was investigated.Results showed that,during the dynamic filtration testing,the cleaning cycle time and the total testing time dropped rapidly with the increasing of testing temperature which had little effects on dust removal efficiency.Combined with particle size analysis of test dust and PM2.5cyclone separator,PM2.5filtration efficiency of filter obtained was a bit smaller than dust removal efficiency,which indicated that PM2.5take a great proportion of the dust through the sample.

Keywords:fiber filter，PM2.5， high temperature，filtration property

RESEARCH ON FILTRATION PROPERTY OF PM2.5AND HIGH TEMPERATURE OF FIBRE FILTER FOR DUST REMOVING BAG

ZHENG Jin-wei1， ZHU Rui-tian1*， ZHOU Si-yuan2， NI Bing-xuan1， ZHANG Peng1
(1.Guangzhou Fibre Product Testing and Research Institute,Guangzhou 511447,China;2.Guangdong S.L.P.Environmental Protection Technology (Group)Co.,Ltd.,Foshan Guangdong 528225,China)

TS176.5

B

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.03.005

1672-500X(2017)03-0023-06

2017–05–24

鄭錦維 （1988-），男，廣東人，助理工程師，主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品檢測技術(shù)研究。

廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目，2015kj16