CN106914064B - 一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备方法，从迎尘面依次包括海岛型或裂片型超极细纤维层、超细纤维层、PTFE缝纫线基布层、细旦纤维层、耐高温胶层、催化剂涂覆层。本发明所涉及耐高温过滤材料具有比表面积大、孔隙率高等优异特性，可实现超高过滤精度、超低粉尘排放，过滤效果好；催化剂分布均匀、负载牢固、催化效率高、抗硫效果好、使用寿命长。该耐高温过滤材料制备过程简单、催化剂不易中毒、使用寿命长，易于实现工业化，适用于工况温度高、粉尘含量大、过滤精度要求高等复杂工况烟气过滤，在高精过滤的同时，无须额外升温可实现对烟气中氮氧化物的低温脱硝处理。

Description

一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种烟气过滤材料，尤其涉及一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备方法。属环保除尘过滤技术领域。
背景技术
为了改善我国的大气环境质量，我国在2011年相继颁布了一系列大气污染物排放标准《火电厂大气污染物排放标准》、《炼焦化学工业污染物排放标准》、《炼钢工业大气污染物排放标准》等，将火电厂粉尘排放浓度从2002年的100mg/m3降至30mg/m3，重点地区粉尘排放浓度上限为20 mg/m3，二氧化硫排放浓度对于新建锅炉要求排放限值为100-200mg/m3，现有锅炉排放限值为200-400mg/m3，氮氧化物排放浓度100-200mg/m3，水泥、冶金等行业工业排放标准同样有所提高。我国对烟气中二噁英的排放量也进行了严格的控制，《危险废物焚烧污染控制标准》中规定二噁英的排放限值为0.5ng/Nm3。而对于PM2.5的控制，2012年国家颁布了《GB 3095-2012环境空气质量标准》，新增了环境空气细颗粒物(PM2.5)的浓度限值，年平均一级15μg/m3，二级35μg/m3，24小时平均一级35μg/m3，二级75μg/m3。该标准将于2016年1月1日起全国实施。
工业气体排放目前是我国大气污染物的主要来源，而对于工业性尘源的控制，运行可靠、使用灵活方便、除尘效率高的袋式除尘器是首选，但目前普通袋式除尘器只能处理烟气中的粉尘，对于烟气中氮氧化物的净化则需另外添置脱硝装置。随着民众环保意识的提高，国家排放标准日益严格，普通滤料在复杂工况下，显现出其性能局限性，愈发难以满足对超净、高精度、高效过滤及烟气协同处理的需求。
超极细纤维具有极小线密度，高比表面积，制成的滤料孔隙率高，孔径小，故使用超极细纤维来提高滤料的过滤效率是生产高效滤料的重要手段，目前已经成功应用的主要是熔喷非织造材料和静电纺丝材料。但静电纺丝材料和熔喷非织造材料都存在机械强力低的问题，需要为其提供强力支撑的基布；静电纺丝技术的生产效率低，不能满足商业化对大批量生产的要求。复合超极细纤维则是近代开发的一类高科技新型纤维，具有独特的性能，主要采用裂片剥离法或海岛熔离法工艺生产，通常在纤维加工成织物后，再将其剥离成超极细纤维，但在工业除尘滤料领域还鲜有应用。
工业烟尘成分复杂，各类污染物之间存在相互影响和耦合作用，对滤料表面进行催化剂铺撒或将滤料进行整体浸渍以吸附催化剂粒子的方法均有不足之处，前者催化剂极易脱落，后者包含强酸或强碱的浸渍法对滤料存在一定损伤，另一方面目前普通滤料的过滤机理为深层过滤，迎尘面接触大量粉尘冲刷，且粉尘易进入滤料内部阻塞滤料孔隙，粉饼层的快速形成也使迎尘面中催化剂难以发挥功效，且烟气中通常包含有汞、铅和砷等重金属，易使迎尘面中催化剂中毒失效。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的是提供一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料及其制备方法，以满足国内外工业除尘市场对高精度、高效率烟尘过滤的同时可实现对烟气中氮氧化物低温脱硝处理的材料的需求。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，从迎尘面依次包括海岛型或裂片型超极细纤维层、超细纤维层、PTFE缝纫线基布层、细旦纤维层、耐高温胶层、催化剂涂覆层；所述超极细纤维层克重为0-150g/m2；所述超细纤维层克重为100-300g/m2；所述细旦纤维层克重为200-400g/m2；所述耐高温胶层克重为20-80g/m2；所述催化剂涂覆层克重为20-120g/m2。
各纤维层搭配及比例选取对滤料的透气量及过滤性能影响甚大，通过合理的纤维层搭配及比例选取，实现纤维间的有效缠结，孔径小、孔隙率高的三维非对称结构。
所述各纤维可选用聚苯硫醚纤维（PPS）、聚酰亚胺纤维（PI或P84）、聚醚酰亚胺纤维（PEI）、芳纶纤维（MX）的一种、两种或其组合混合物。
所述超极细纤维层采用纤度为0.3旦以下的海岛型或裂片型超细纤维所构成。
所述超细纤维层采用纤度为0.3-1.0旦的超细纤维所构成。
所述细旦纤维层采用纤度为1.0-1.5旦的细旦纤维所构成。
所述催化剂涂覆层选用MnFe2O4/ACF、MnFe2O4/CNTs、Y2O3-MnOx/ZrO2的至少一种、两种或多种混合物。
催化剂独特的结构，使其具有优异的吸附性能及表面活性，并且热稳定性优良，在80-200℃显示出良好的催化活性。颗粒尺寸达纳米级别的MnFe2O4表面众多的活性位相比传统催化剂，可吸附更多反应物，从而提高催化效率；ACF和CNTs超高比表面积及均匀的微孔结构，可作为优异的催化剂载体；Y2O3一方面对有害气体起协同处理作用，且提高MnOx低温催化活性，另一方面有效改善催化剂在载体中的分散性及ZrO2的热稳定性。多组分催化剂的使用可提高催化剂的抗硫、抗水蒸气等综合稳定性。
所述耐高温胶层采用多孔性的有机硅胶、改性聚氨酯胶、耐温环氧胶、聚酰亚胺胶、耐温可剥离双面胶的一种、两种或其组合混合物所构成。
多孔性耐高温胶一方面对滤料透气量影响不大，另一方面优异的耐高温性保证其适用于大多数工况环境；其中耐高温胶层可通过特定有机溶剂处理而便于剥离，方便滤料的回收，同时便于催化剂的收集再利用。
所述一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料的制备方法，具体步骤为：
步骤1、将超极细纤维、超细纤维和细旦纤维分别经过开松梳理、成网、铺网形成毛网；
步骤2、将超极细纤维层毛网、超细纤维层毛网、PTFE基布、细旦纤维层毛网复合进行预针刺，针刺密度120-150刺/平方厘米，针刺深度8-10mm，利用三角截面棱边带倒钩的刺针对纤网进行反复穿刺，形成预刺毡；
步骤3、将预刺毡进行预清洗、碱减量开纤、冷水洗、乙酸清洗，然后冷水洗至中性后烘干得到剥离出PET的超净过滤预刺毡；
步骤4、将剥离出PET的超净过滤预刺毡进行水刺开纤缠结工艺，烘干和热定型处理，烧毛压光处理，得到以超极细纤维层作为迎尘面，细旦纤维作为净气面的超净过滤滤料；
步骤5、在超净过滤滤料净气面上以手工或机器施加一层耐高温胶层；
步骤6、在步骤5所述耐高温胶层未干之前，在耐高温胶层上施加催化剂涂覆液作为涂覆层；
步骤7、将制得的滤料晾晒8~12小时，便得到超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料；
所述催化剂涂覆液是将100份催化剂、20-30份动力粘度（25℃）为100-500mPa·s的α，ω－二羟基聚二甲基硅氧烷、5-10份动力粘度（25℃）为100-500mPa·s的苯基硅油加入动力混合机内，在转速400-800rpm条件下搅拌15-30min，然后加入2份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在压强-0.3MPa，转速500-1000rpm条件下搅拌10min，然后依次加入1份苯基三丁酮肟硅烷、0.1-0.3份二月桂酸锡，在压强-0.1MPa，转速800rpm条件下搅拌10min而制得。
采用上述方案后，由于本发明的耐高温过滤材料引入的超极细纤维具有极小线密度，高比表面积，制成的滤料具有比表面积大、孔隙率高、孔径小等优异特性，过滤机理类似覆膜滤料的表面过滤，可有效拦截过滤粉尘，阻碍粉尘进入滤料内部，可实现极高过滤精度、极低粉尘排放，过滤效果好，易清灰；区别于覆膜滤料，本发明的超净过滤滤料在保证过滤精度的同时不存在膜层脱落抑或破膜风险；所用催化剂具有优良的热稳定性且抗硫、水气性强，在80-200℃表现出良好的催化活性，多孔性及高分散度有助于实现对氮氧化物的高效催化，催化剂分布均匀、负载牢固，依托结构设计，催化剂不易中毒、使用寿命长。同时本发明结构设计顾及回收，在经过简易处理，可实现滤料的回收及催化剂的收集再利用。本发明的耐高温过滤材料制备过程简单、使用寿命长，易于实现工业化，适用于工况温度高、粉尘含量大、过滤精度要求高等复杂工况烟气过滤，在过滤的同时可实现对烟气中氮氧化物低温脱硝处理。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、海岛型或裂片型超极细纤维层；2、超细纤维层；3、PTFE缝纫线基布层；4、细旦纤维层；5、耐高温胶层；6、催化剂涂覆层。
图2为测试本发明耐高温过滤材料催化效率而搭建的反应装置图；
图中：a、气源；b、减压阀；c、体积流量计；d、气体混合器；e、管式加热器；f、滤料；g、热电偶；h、Testo 350pro烟气分析仪。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
如图1所示，本发明揭示了一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，从迎尘面依次包括海岛型或裂片型超极细纤维层1、超细纤维层2、PTFE缝纫线基布层3、细旦纤维层4、耐高温胶层5、催化剂涂覆层6；所述各纤维选用聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维或芳纶纤维的一种、两种或其组合混合物；所述超极细纤维层1克重为0-150g/m2，可采用纤度为0.3旦以下的海岛型或裂片型超细纤维所构成；所述超细纤维层2克重为100-300g/m2，可采用纤度为0.3-1.0旦的超细纤维所构成；所述细旦纤维层4克重为200-400g/m2，采用纤度为1.0-1.5旦的细旦纤维所构成；所述耐高温胶层5克重为20-80g/m2，可采用多孔性的有机硅胶、改性聚氨酯胶、耐温环氧胶、聚酰亚胺胶、耐温可剥离双面胶的一种、两种或其组合混合物；所述催化剂涂覆层6克重为20-120g/m2；所述催化剂涂覆层选用催化剂MnFe2O4/ACF、MnFe2O4/CNTs、Y2O3-MnOx/ZrO2中的至少一种、两种或多种混合物。
实施例1：
本实施例制备一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，具体步骤为：
事先配制催化剂涂层液，将60份MnFe2O4/ACF、40份MnFe2O4/CNTs混合组成的催化剂、20份动力粘度（25℃）为300mPa·s的α，ω－二羟基聚二甲基硅氧烷、8份动力粘度（25℃）为100mPa·s的苯基硅油加入动力混合机内，在转速600rpm条件下搅拌20min，然后加入2份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在压强-0.3MPa，转速1000rpm条件下搅拌10min，然后依次加入1份苯基三丁酮肟硅烷、0.1份二月桂酸锡，在压强-0.1MPa，转速800rpm条件下搅拌10min，从而制得催化剂涂层液。
步骤1、将纤度为0.3旦的海岛型PPS超极细纤维、纤度为1.0旦的PPS超细纤维和纤度为1.5旦的PPS细旦纤维分别经过开松梳理、成网、铺网形成毛网；
步骤2、将克重100g/m2超极细纤维层毛网、克重150g/m2超细纤维层毛网、PTFE基布、克重200g/m2细旦纤维层毛网复合进行预针刺，针刺密度120刺/平方厘米，针刺深度10mm，形成预刺毡；
步骤3、将预刺毡进行预清洗、碱减量开纤、冷水洗、乙酸清洗，然后冷水洗至中性后烘干得到剥离出PET的超净过滤预刺毡；
步骤4、将剥离出PET的超净过滤预刺毡进行水刺开纤缠结工艺，烘干和热定型处理，烧毛压光处理，得到以超极细纤维层作为迎尘面，细旦纤维作为净气面的超净过滤滤料；
步骤5、在超净过滤滤料净气面上以机器施加一层克重为20g/m2的有机硅胶耐高温胶层；
步骤6、在步骤5所述耐高温胶层未干之前，在耐高温胶层上施加催化剂涂覆液作为涂覆层，克重为50g/m2；
步骤7、将制得的滤料晾晒8~12小时，便得到PPS类超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料。
实施例2：
本实施例制备一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，具体步骤为：
事先配制催化剂涂层液，将30份MnFe2O4/ACF、40份MnFe2O4/CNTs、30份Y2O3-MnOx/ZrO2混合组成的催化剂、30份动力粘度（25℃）为500mPa·s的α，ω－二羟基聚二甲基硅氧烷、10份动力粘度（25℃）为100mPa·s的苯基硅油加入动力混合机内，在转速800rpm条件下搅拌30min，然后加入2份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在压强-0.3MPa，转速1000rpm条件下搅拌10min，然后依次加入1份苯基三丁酮肟硅烷、0.3份二月桂酸锡，在压强-0.1MPa，转速800rpm条件下搅拌10min，从而制得催化剂涂层液。
步骤1、将纤度为0.3旦的裂片型PEI超极细纤维、纤度为1.0旦的PEI超细纤维和纤度为1.5旦的PEI细旦纤维分别经过开松梳理、成网、铺网形成毛网；
步骤2、将克重50g/m2超极细纤维层毛网、克重100g/m2超细纤维层毛网、PTFE基布、克重200g/m2细旦纤维层毛网复合进行预针刺，针刺密度150刺/平方厘米，针刺深度8mm，形成预刺毡；
步骤3、将预刺毡进行预清洗、碱减量开纤、冷水洗、乙酸清洗，然后冷水洗至中性后烘干得到剥离出PET的超净过滤预刺毡；
步骤4、将剥离出PET的超净过滤预刺毡进行水刺开纤缠结工艺，烘干和热定型处理，烧毛压光处理，得到以超极细纤维层作为迎尘面，细旦纤维作为净气面的超净过滤滤料；
步骤5、在超净过滤滤料净气面上以手工施加一层耐高温可剥双面胶，并在其上施加一层改性聚氨酯胶，耐高温胶层总计克重为40g/m2；
步骤6、在步骤5所述耐高温胶层未干之前，在耐高温胶层上施加催化剂涂覆液作为涂覆层，克重为80g/m2；
步骤7、将制得的滤料晾晒8~12小时，便得到PEI类超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料；
实施例3：
本实施例制备一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，具体步骤为：
事先配制催化剂涂层液，将50份MnFe2O4/ACF、50份Y2O3-MnOx/ZrO2混合组成的催化剂、20份动力粘度（25℃）为100mPa·s的α，ω－二羟基聚二甲基硅氧烷、5份动力粘度（25℃）为500mPa·s的苯基硅油加入动力混合机内，在转速400rpm条件下搅拌20min，然后加入2份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在压强-0.3MPa，转速500rpm条件下搅拌10min，然后依次加入1份苯基三丁酮肟硅烷、0.2份二月桂酸锡，在压强-0.1MPa，转速800rpm条件下搅拌10min，从而制得催化剂涂层液。
步骤1、将纤度为0.3旦的裂片型P84超极细纤维、纤度为1.0旦的P84超细纤维和纤度为1.5旦的P84细旦纤维分别经过开松梳理、成网、铺网形成毛网；
步骤2、将克重150g/m2超极细纤维层毛网、克重300g/m2超细纤维层毛网、PTFE基布、克重300g/m2细旦纤维层毛网复合进行预针刺，针刺密度150刺/平方厘米，针刺深度8mm，形成预刺毡；
步骤3、将预刺毡进行预清洗、碱减量开纤、冷水洗、乙酸清洗，然后冷水洗至中性后烘干得到剥离出PET的超净过滤预刺毡；
步骤4、将剥离出PET的超净过滤预刺毡进行水刺开纤缠结工艺，烘干和热定型处理，烧毛压光处理，得到以超极细纤维层作为迎尘面，细旦纤维作为净气面的超净过滤滤料；
步骤5、在超净过滤滤料净气面上以机器施加一层克重为80g/m2的有机硅耐高温胶层；
步骤6、在步骤5所述耐高温胶层未干之前，在耐高温胶层上施加催化剂涂覆液作为涂覆层，克重为120g/m2；
步骤7、将制得的滤料晾晒8~12小时，便得到P84类超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料；
实施例4：
本实施例制备一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，具体步骤为：
事先配制催化剂涂层液，将20份MnFe2O4/ACF、80份Y2O3-MnOx/ZrO2混合组成的催化剂、30份动力粘度（25℃）为300mPa·s的α，ω－二羟基聚二甲基硅氧烷、8份动力粘度（25℃）为300mPa·s的苯基硅油加入动力混合机内，在转速600rpm条件下搅拌25min，然后加入2份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在压强-0.3MPa，转速1000rpm条件下搅拌10min，然后依次加入1份苯基三丁酮肟硅烷、0.3份二月桂酸锡，在压强-0.1MPa，转速800rpm条件下搅拌10min，从而制得催化剂涂层液。
步骤1、将纤度为1.0旦的PI超细纤维和纤度为1.5旦的MX细旦纤维分别经过开松梳理、成网、铺网形成毛网；
步骤2、将克重300g/m2超细纤维层毛网、PTFE基布、克重400g/m2细旦纤维层毛网复合进行预针刺，针刺密度150刺/平方厘米，针刺深度10mm，形成预刺毡；
步骤3、将预刺毡进行预清洗、碱减量开纤、冷水洗、乙酸清洗，然后冷水洗至中性后烘干得到剥离出PET的超净过滤预刺毡；
步骤4、将剥离出PET的超净过滤预刺毡进行水刺开纤缠结工艺，烘干和热定型处理，烧毛压光处理，得到以超细纤维层作为迎尘面，细旦纤维作为净气面的超净过滤滤料；
步骤5、在超净过滤滤料净气面上以手工或机器施加一层克重为80g/m2的有机硅耐高温胶层；
步骤6、在步骤5所述耐高温胶层未干之前，在耐高温胶层上施加催化剂涂覆液作为涂覆层，克重为120g/m2；
步骤7、将制得的滤料晾晒8~12小时，便得到PI-MX类超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料；
性能测试：依托VDI滤料试验装置，采用GB/T6719-2009测试滤料 过滤性能；采用图2的装置进行催化效率测试。测试结果如下表所示。
表1 各实施例过滤性能测试结果
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 备注
透气量L/dm<sup>2</sup>*min 86.57 86.57 48.93 92.77 洁净滤料
除尘效率% 99.9998 99.9993 100 99.9992 实验最终状态
清灰周期s 646 678 557 624 实验最终状态
排放浓度mg/m<sup>3</sup> 0.02 0.034 0.000 0.039 实验最终状态
表2 各实施例催化效率测试结果
实验样品 实验温度/℃ 脱硝效率/%
实施例1 150 69
实施例2 120 76
实施例3 180 97
实施例4 80 77
以上通过对所列实施方式的介绍，阐述了本发明的基本构思和基本原理。但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其迎尘面包括海岛型超极细纤维层；其特征在于：从迎尘面还依次包括超细纤维层、PTFE缝纫线基布层、细旦纤维层、耐高温胶层、催化剂涂覆层；所述超极细纤维层克重为0-150g/m2；所述超细纤维层克重为100-300g/m2；所述细旦纤维层克重为200-400g/m2；所述耐高温胶层克重为20-80g/m2；所述催化剂涂覆层克重为20-120g/m2；所述催化剂涂覆层选用催化剂MnFe2O4/ACF、MnFe2O4/CNTs、Y2O3-MnOx/ZrO2中的至少一种或多种混合物。
2.如权利要求1所述的一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其特征在于：所述各纤维选用聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维或芳纶纤维的一种或其组合混合物。
3.如权利要求1所述的一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其特征在于：所述超极细纤维层采用纤度为0.3旦以下的海岛型超细纤维所构成。
4.如权利要求1所述的一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其特征在于：所述超细纤维层采用纤度为0.3-1.0旦的超细纤维所构成。
5.如权利要求1所述的一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其特征在于：所述细旦纤维层采用纤度为1.0-1.5旦的细旦纤维所构成。
6.如权利要求1所述的一种超净过滤兼具低温催化脱硝的耐高温过滤材料，其特征在于：所述耐高温胶层采用多孔性的有机硅胶、改性聚氨酯胶、耐温环氧胶、聚酰亚胺胶、耐温可剥离双面胶的一种或其组合混合物。
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