除尘器滤袋用PPS纤维毡滤料PM2.5及高温过滤特性研究

随着以能源消耗性为主的重工业发展，我国已经成为世界上钢铁、水泥、煤炭、化纤的大生产国，电力、有色金属、化肥的大生产国。与这些耗、高污染行业生产密切相关的各种工业炉窑所排放出来的废气不仅温度高，而且含有大量的粉尘和气体，是近年来造成我国雾霾天气频繁出现的主要因素之一，而作为构成雾霾的污染物之一的PM2.5成为了人们关注的焦点。PM2.5是指空气动力学直径小于等于2.5μm的颗粒物，又称细颗粒物，这种颗粒不仅本身是污染物，同时也是重金属、多环芳烃等物质及气体的载体，严重危害人们的呼吸系统和心血管系统。工业气体排放是PM2.5的主要来源之一，因各地区工业结构、地理环境状况不同而不同，中国的工业烟气粉尘污染集中在燃煤电厂、水泥窑炉、钢铁冶金等几个主要，同时具有实际工况复杂、过滤温度较高等特点。面对日益严重的环境污染问题，我国在2011年11月份提出了对于空气中PM2.5的监测及治理应对措施，并于2012年颁布了GB3095-2012《环境空气质量标准》，对经过过滤净化后排放烟气的指标进行进一步严格规定。除尘器是治理空气污染的举措之一，其中滤袋除尘技术能减少固体颗粒排放，除尘效果较好，可从根本上解决PM2.5的排放问题。目前，关于环保用除尘滤袋的过滤性能测试标准主要有GB/T6719-2009《袋式除尘器技术要求》、ISO11057：2011《空气质量空气过滤器中滤料过滤性能的测试方法》、VDI3926-1：2004《评价可清洁滤料测试方法》，但是上述标准中并未对过滤材料的PM2.5过滤性能测试作出规定，同时试验温度都是常温。因此本实验参考上述方法标准，选用工业上较为常见的聚苯硫醚纤维毡滤料，通过对试验用粉尘的粒径进行分析，并对通过滤料的PM2.5粉尘及其他粉尘进行分离，评价聚苯硫醚纤维毡滤料对PM2.5粉尘的过滤性能。此外模拟滤料应用时的实际工况，提高试验测试温度，考察试验温度变化对滤料过滤特性的影响规律。

1.实验部分

1.1试验样品聚苯硫醚（PPS）纤维纺粘水刺复合非织造过滤材料，由广东斯乐普环保技术股份有限公司提供，测试前样品在标准大气中调湿24h。

1.2基本性能表征

1.2.1单位面积质量测定

根据GB/T24218.1-2009《纺织品非织造布试验方法第1部分：单位面积质量的测定》的规定，裁剪200mm×250mm的试样3块，分别在分度值为0.01g的天平上称重后计算。

1.2.2厚度测定

根据GB/T21418.2-2009《纺织品非织造布试验方法第2部分：厚度的测定》的规定，采用温州方圆仪器有限公司生产的YG141D-Ⅱ织物厚度仪，在压脚2500mm2、压力0.5kPa的条件下分别测量10块试样的厚度。

1.2.3透气性测定

根据GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测定》的规定，采用瑞士TEXTESTAGZurich公司生产的FX3300透气性测试仪Ⅲ，试验面积为20cm2，分别测定压降为100Pa、200Pa、300Pa、500Pa、700Pa、1000Pa时样品的透气率。

1.2.4孔径特征测试采用美国PorousMaterials，Inc.生产的CFP-1100A型PMI毛管流动孔隙仪，夹具直径20mm，润湿油剂为Silwick（表面张力20.1mN/m）。

1.3粉尘粒径分析

根据ISO13320-2009《粒度分析-激光衍射法》的规定，采用德国SympatecGmbH生产的HELOS/BR-OM/RODOS型激光粒度分析仪，分散压力为4.00bar。

1.4过滤性能表征

根据ISO11057:2011《空气质量过滤器中滤料过滤性能的测试方法》，采用德国FilTEqGmbH生产的FEMA1-AT-SR型粉尘过滤测试系统对滤料的动态滤尘性能进行测试，穿透过滤料样品的粉尘，在PM2.5旋风分离器作用下，PM2.5粉尘及其他粉尘被分离并分别收集，并分别在20℃、120℃、160℃下进行过滤性能测试。

1.5扫描电镜(SEM)观察

采用日本HITACHI生产的S-3000N型扫描电子显微镜，样品测试前进行喷金处理，电压为20kV、工作距离为22mm。

2结果与讨论

2.1滤料基本性能分析

实验结果显示：该滤料样品单位面积质量为561g/m2、厚度为2.31mm；透气率则随着压降的上升而线性增长，如图1所示。这说明样品的结构稳定，随着压降的增加、内部纤网立体结构没有发生大的变化，纤维间相互位置关系较为稳定。滤料的孔径为34.4μm，平均孔径为9.1μm，孔径呈典型的正态分布，如图所示。

2.2颗粒物粒径分析

根据ISO11057:2011，试验用粉尘为氧化铝粉尘，即商品名为PuralNF的勃姆石，其质量中粒径约为4.5μm，粒径分析结果显示，试验用粉尘粒径呈双峰分布，两个峰值分别在2.0μm和10.0μm左右，同时颗粒物中PM2.5的质量百分数约为40%。

2.3过滤性能分析

根据ISO11057:2011标准，整个动态滤尘性能测试包含4个阶段。从测试过程可观察到，阶段的30个清灰周期，滤料的残余压力随着周期性增加而缓慢上升，而在第四阶段的30个周期，试样的残余压力随着周期的增加上升。从扫描电镜分析可见，测试过程中，部分粉尘附着在纤维表面，并填充滤料中的孔隙，从而导致滤料残余压力的增加。

考察试验温度对纤维滤料阻力的影响，结果如表2所示。从表2可见随着测试温度的上升，洁净滤料的初阻力变化不大，此外纤维滤料的残余阻力随着试验温度的升高，数值接近。这说明在高温状态下，该滤料样品纤网仍保持较为稳定的立体结构。

纤维滤料的清灰周期则随着试验温度的升高有明显的变化，如图5所示，以阶段为例，在常温（20℃）下，第1个清灰周期耗时977s，在120℃时下降到755s、160℃时下降到734s；第30个清灰周期耗时也呈现类似的变化趋势。同样的，30个清灰周期的总时间，从试验温度为20℃时的19331s，下降到120℃时的14896s，160℃时仅为14763s，分别详见图6（a）、6（b）、6（c）。

根据ISO11057:2011及试验用粉尘粒径分析结果，滤料上游粉尘质量浓度为5g/cm3及粉尘中PM2.5的质量分数为40%，获得滤料样品的除尘效率和PM2.5过滤效率：20℃、120℃、160℃试验温度下样品除尘效率分别为99.9636%、99.9536%、99.9658%，差异不大，这说明该PPS纤维滤料性能较好，在较高试验温度下仍保持与常温接近的滤尘性能。而常温时样品PM2.5过滤效率为99.9115%，略小于除尘效率，这说明试验过程中穿透滤料的粉尘中细颗粒物占比较原试验用粉尘大，符合预期。

3.结论

本研究采用的PPS纤维毡滤料单位面积质量为561g/m2、厚度为2.31mm，透气率则随着压降的上升而线性增长，滤料的孔径为34.4μm，平均孔径为9.1μm，孔径呈典型的正态分布。（1）试验温度对纤维滤料样品动态滤尘性能测试过程影响较大，相同条件下，清灰周期随着试验温度的升高下降，同一阶段的测试时间也表现出类似的变化趋势，而除尘效率随着试验温度的升高没有太大变化。（2）通过对试验用粉尘进行粒径分析，粉尘中PM2.5占比约为40%，对动态滤尘性能测试过程中滤料样品下游的粉尘进行PM2.5分离，结合上游的粉尘质量浓度，测得样品PM2.5过滤效率略低于除尘效率，用此方法评价纤维滤料的PM2.5过滤特性可行。