PTFE覆膜滤袋在控制PM2.5中的应用

新材料产业 NO.7201343透视INSIGHTPTFE覆膜滤袋在控制PM2.5中的应用■ 文/侯成成  钟正平   上海金由氟材料有限公司近几年来，发达国家在上百年工业化进程中曾经出现的大气环境问题，现如今已在我国集中涌现。雾霾天气的频频“造访”严重影响了居民的日常生活，引发了市民对空气质量问题的深度担忧。目前，根据数据资料，国家环保部对全国120个空气质量重点监测城市的空气质量日报数据统计分析发现，在过去5年里，除少数几个城市外，影响我国城市空气质量的主要污染物是大气中漂浮的微细颗粒物，尤其是PM2.5的危害最大。空气质量问题已得到了国家的高度重视，2012年颁布的政府工作报告明确指出：2012年在京津冀、长三角、珠三角等重点区域、直辖市和省会城市开展细颗粒物(PM2.5)项目监测，2013年将在113个环境保护重点城市和国家环境保护模范城市开展监测，2015年覆盖所有地级以上城市[1]。可见，PM2.5的控制问题已成为国内急需解决的热点问题之一。一、PM2.5的危害及主要来源PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的固体颗粒物，也称为可入肺颗粒物，它的直径大小还不足人的AdvancedMaterialsIndustry44透视INSIGHT头发细度的1/20。虽然PM2.5的含量在大气成分中所占的比例并不大，但它在对空气质量和大气能见度等方面具有重大的影响。据卫生部门介绍，由PM2.5而造成的阴霾天气对人类健康的危害甚至要比沙尘暴还要大。图1反映了不同粒径颗粒在人呼吸系统中的分布。粒径在10μm以上的固体颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5～10μm之间的颗粒物，能够顺利进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外；而粒径在2.5μm以下的固体颗粒，能很顺利地被吸入人体肺部，进一步进入支气管，从而干扰肺部的气体交换[2]。与其他大粒径的固体颗粒相比，PM2.5具有粒径小、比表面积大、含有大量重金属等有毒物质且在空气中沉积时间长等特点，因此，无论是对人类的身体健康还是环境质量等都有很大的危害性。PM2.5来源非常广泛、成分也相对复杂，其主要来源为人为排放，包括燃煤电厂排放（见表1所示）、工业废气、人类日常生活排放的废气、汽车尾气、垃圾焚烧、化石燃料燃烧等。另外，一些排放出的气体通过发生一系列化学反应也会转化成PM2.5。PM2.5还有自然来源，包括风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌等。PM2.5相比PM10，二者来源基本相同，但PM2.5中二次颗粒物所占比例较大。据统计显示，我国PM2.5约62%来源于燃煤、机动车燃油、工业使用燃料等燃烧过程，22%来源于扬尘，16%来源于溶剂使用及其他。二、PTFE覆膜滤袋在控制PM2.5排放中的优势1.PTFE简介聚四氟乙烯(PTFE)俗称“塑料王”，它是由四氟乙烯经聚合而成的具有特殊性能的含氟高聚物材料，氟原子以有规则、紧密堆积的方式覆盖了整个高分子链的表面，对骨架碳原子起到屏蔽作用，因此PTFE具有优良的耐高温性、耐腐蚀性、电绝缘性能、密封性等，其制品能在-190～250℃的温度下长期工作。除熔融金属钠和液氟外，PTFE能耐其它一切化学药品，甚至在王水中煮沸也不起变化。凭借突出的性能，PTFE已广泛应用于电信电缆、密封、航空航天以及环保等领域。2.PTFE覆膜滤袋的技术参数由于PTFE熔体黏度高达1010～1015Pa·s，是一种典型的非熔流材料，即使达到分解温度后也不能自由流动，所以它不适合常用的高分子纤维的加工方法。在不同温度下，通过不同的拉伸强力制备成不同孔径的聚四氟乙烯微孔膜，然后通过膜裂法生产工艺，生产出的PTFE纤维具有近似规则的六边形断面，有效增大了比表面积（单位质量表面积），这种纤维在保持PTFE原有的耐高温、耐腐蚀性能外，还具有着非常高的强度[3]，其图1不同粒径颗粒在人呼吸系统中的分布1008060402000.010.11.010100总沉积量撞击沉积扩散沉积鼻腔沉积肺泡沉积支气管沉积粒径/μm沉积率/%粒径范围/μm平均径/μm颗粒数/万个计数分布/%0～10.516153.671～21.59632.002～53.53812.675～107.551.6610～1512.500.0015～2017.500.0020—00.00表1某电厂电除尘器出口颗粒粒径分布新材料产业 NO.7201345透视INSIGHT长短纤维的性能指标分别见表2和表3所示。由长纤维织成的基布作为滤料的“骨架”，提供了针刺毡约70%～80%的强力，大大提高了滤袋的使用寿命，由短纤维通过针刺工艺制备的针刺毡作为滤料的“过滤层”，对粉尘的捕集效率有了很大的提高。我国通过三维立体拉伸技术成功制备出了性能可达到国际先进水平的PTFE微孔薄膜，其制备工艺如图2所示。该薄膜是由PTFE结晶分子聚集的岛状结点和由结晶分子拉伸出的纤维丝构成，微观形貌如图3所示。这些纤维丝立体交叉形成尺寸均匀的微孔，微孔再层层重叠形成立体网状结构，在满足一定透气量的前提下，大大提高了膜的强度和过滤精度。3.PTFE覆膜滤袋的性能PTFE覆膜滤袋是由纯PTFE基布和不同材料的短纤维组成，采用独特的针刺技术和热定型工艺，辅以膨体聚四氟乙烯（ePTFE）覆膜处理后经缝制而成，是目前抗腐蚀性能和过滤精度最高的滤袋之一。煤油成熟过筛混合压坯挤出压延脱脂烧结成膜PTEE树脂图2PTFE微孔薄膜的制备工艺图3PTFE微孔薄膜的场发射扫描电镜图表2PTFE长纤维的性能指标纤维型号JUWY-S200JUWY-S400JUWY-S400JUWY-S500线密度/den200400450500拉伸强力/N8.5161820抗拉强度/（g/den）≥4工作温度/℃-210～260收缩率/%（250℃/30min）2表3PTFE短纤维的性能指标型号细度/den长度/mm抗拉强度/(g/den)工作温度/℃收缩率/%色泽JUSF-W2.5～3.548～722.5-190～2604白色JUSF-B2.5～851～862.5-190～2604黑色AdvancedMaterialsIndustry46透视INSIGHT图4为纯PTFE覆膜滤袋的截面扫描电镜图，从图4可以看到PTFE微孔膜孔径大小均匀，紧密地覆着在由PTFE短纤维制成的针刺毡表面。PTFE基布和短纤维为PTFE微孔薄膜提供了一定的强度和支撑，PTFE微孔薄膜提供了非常高的过滤精度。图4纯PTFE覆膜滤袋的截面扫描电镜图产品名称组成克重/(g/m2)厚度/mm透气量/(L/m2·s)断裂强度/(N/5cm)断裂伸长率/%温度收缩率/%应用领域纤维基布径向纬向径向纬向工作温度/℃瞬时温度/℃新型PPS滤料PPSPTFE5001.822～45800120025451702003燃煤锅炉新型芳纶滤料芳纶PTFE5002.022～45800120020402002103水泥、钢铁新型聚酰亚胺（P84）滤料P84PTFE5002.020～45800100020402002501水泥窑头、窑尾新型玻纤滤料1玻纤PTFE7500.822～402300150056kg/m2（破裂强度）2602801水泥窑头、窑尾新型玻纤滤料2玻纤PTFE6500.822～402300150056kg/m2（破裂强度）2602801垃圾焚烧、化工PTFE(白)滤料PTFEPTFE8001.322～3576076015152502803垃圾焚烧、化工PTFE(褐)滤料PTFEPTFE8001.422～3576076015152502803垃圾焚烧、化工表4不同覆膜滤料的技术参数及应用领域除尘烟气温度是选择滤料种类的决定因素，表4列出了不同短纤维制成的覆膜滤料的技术参数。由表4可以看出，高温段烟气的工作温度可达250℃，瞬间温度可达到280℃，对于高温段烟气，玻璃纤维和PTFE滤料相比其他滤料具有明显优势。然而，布袋在使用过程中由于粉尘的积累而需要定期地做喷吹清灰处理，因此对滤料的耐折性能要求很高，而PTFE滤料与玻璃纤维相比在使用寿命方面有很大的提升。4.PTFE覆膜滤袋的主要优势近几年来，随着人类社会的进步，人们对空气质量也越来越关注，国家环保部门对大气污染物排放实行了越来越严格的标准。自2012年1月起，新出台的GB13223-2011规定，新建火力发电锅炉及燃气轮机组烟尘的最高排放浓度标准为30mg/m3，重点地区的火力发电锅炉及燃气轮机组烟尘的特别排放标准为20mg/m3。对于这一标准，常规除尘设备无论是静电除尘还是传统的布袋除尘都很难达到。静电除尘对于粒径大于10μm的粉尘收集效率很高，可以达到99.9%以上；然而，对于粒径小于2.0μm的粉尘颗粒捕集效率非常低，收尘效率往往会低于85%，甚至会更低。传统新材料产业 NO.7201347透视INSIGHT外由于表面过滤，清灰次数多，磨损也会适当减少，大大提高了滤袋使用寿命。⑤运行费用低，运行能耗少[4]。5.PTFE覆膜滤料的过滤原理滤料的过滤方式主要有深层过滤和表面过滤2种方式[5]，如图6所示。传统滤料的深层过滤主要依靠一次粉尘层的作用，为保证滤料持续工作，应定期对滤料进行清灰，清灰时应尽量做到不破坏“一次粉尘层”。在过滤过程中，一次粉尘层只是在一段时间内效率比较高，而且深层过滤对细小颗粒的捕集效率非常低。一次粉尘层处于形成→稳定→清灰破坏→形成的反复状态。而覆膜滤料则属于表面过滤，在覆膜滤料利用其微孔结构改变了普通滤料的过滤机理，由普通滤料的深层过滤机理转变成为表面过滤机理。在覆膜滤料的过滤过程中，基布和针刺毡只起到了支撑的作用，不像传统滤料那样需要依靠滤料表面形成的粉尘初层进行过滤，PTFE膜层本身就能够起到一次粉尘层的作用。这样一来覆膜滤料从一开始效率就很高，不需要一次粉尘层来提高效率。薄膜滤料除尘主要利用微孔薄膜的微滤作用，这是新型薄膜滤料与传统滤料除尘机理的区别所在。三、PTFE覆膜滤袋的主要应用领域1.垃圾焚烧领域垃圾焚烧是目前PTFE覆膜滤袋最重要的应用领域之一。垃圾焚烧过程不可避免地会产生大量的污染物，这些污染物具有以下特点：①烟气中存在颗粒物、酸性气体、重金属和有机剧毒性污染物；②烟气含湿量高、露点温度高、过滤器易结露；③高低温烟气交互存在；④脱酸处理产生的颗粒物易吸潮导致清灰困难和管道堵塞；⑤烟气腐蚀性强[6]。以PTFE为基布、P84为面层的针刺毡滤料经PTFE微孔膜覆膜后的滤袋，在垃圾焚烧发电厂的烟气净化中可以取得良好的效果。滤料对于1μm以下，特别是0.2～0.4μm之间的粉尘颗粒去除效率较低，因此1μm以下粉尘颗粒的排放浓度仍然很高，整体排放浓度范围在40～80mg/m3左右[6]。采用PTFE覆膜滤料可以将排放浓度控制在10mg/m3，甚至更低，可以很好地控制大气污染物的排放，满足最新的排放要求。PTFE覆膜滤料应用在对PM2.5的控制上主要具有以下几点优势：①过滤效率高。美国ETS公司的检测结果表明，PTFE覆膜滤料对PM2.5的排放浓度为0，可以真正意义上实现对PM2.5的零排放。②表面过滤易于清灰，除尘效果好且稳定性高。由于PTFE覆膜滤料实现表面过滤且表面能极低，所以与粉尘剥离性较好，与传统滤料相比，阻力损失较小。③透气性能好。PTFE微孔膜的孔隙率高达85%以上，很好地解决了透气量的问题。④使用寿命较长，由于PTEE耐酸碱及耐高温性能优异，比其他材料具有更高的使用寿命，另传统滤料薄膜滤料图6滤料的2种过滤方式净化后的气流净化后的气流含尘气流含尘气流AdvancedMaterialsIndustry48透视INSIGHT参考文献[1] 丁宁宁.PM2.5引发的思考[J].中国教育技术装备，2012（24）:63-64.[2] 吴军平.PM2.5与水泥工业除尘[J].水泥工程，2012（3）:74-76.[3] 朱小云，杨斌，王爱兵，等.高性能聚四氟乙烯膜裂纤维的制造方法及其应用[J].合成纤维，2010（11）:45-47.