CN110013726A - 一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法 - Google Patents

一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法，所述依次包括纤维覆膜层、磁性P84纤维过滤材料层和PTFE无纺基布层。将磁性P84纤维与短PTFE纤维分别制成过滤材料层和无纺基布，磁性材料层及无纺基布层经针刺复合后在磁性滤料迎风面进行纤维热压覆膜得到复合滤料，接着经过烘干、热定型、表面轧光、卷取、充磁即得。本发明的磁性无纺复合滤袋中P84纤维耐高温、阻燃性好，功能纤维覆膜使滤袋耐酸碱性强、通气性高，滤袋表面磁感应强度高，对PM2.5磁性微细颗粒物脱除作用非常显著；制备方法简单实用，成本低，适合于工业化生产。

Description

一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法
技术领域
本发明属于滤袋及其制备领域，特别涉及一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法。
背景技术
目前的静电除尘和布袋除尘技术，对粒径为0.1～2.5μm的磁性细颗粒物清除效率很低，大量细颗粒物的排放对环境造成很大负担，且细颗粒物粒径小、比表面积大，挥发性的痕量重金属元素也易富集在其表面，对人体造成危害。PM2.5磁性细颗粒物主要是由铁硅铝质物质组成的高温复合化合物,具有较高的磁化率，结合磁性细颗粒物本身的铁磁性特征，利用磁聚并技术是一种具有应用前景的磁性细颗粒物脱除方法。所谓磁聚并技术是指利用磁性或弱磁性颗粒物在磁场中受力,使颗粒之间(磁性与非磁性颗粒,铁磁性颗粒与弱磁性颗粒等)产生相对运动,从而发生碰撞,对于微米级的颗粒而言,碰撞的结果更趋向聚并长大,颗粒尺度增大,即磁聚并。
东北大学赵亮课题组发表的《Experimental study on bag filtrationenhanced by magnetic aggregation of fine particles from hot metal castingprocess》，通过在滤袋外侧放置通电线圈形成外磁场提高了微细颗粒物的脱除效率。东南大学赵长遂课题组申请的专利名称为：燃煤可吸入颗粒物的脱除方法(申请号：CN200710020631.X，公开号：CN101069872，公开日：2007年11月14日)创造性地利用硫化床气溶胶发生器将具有软磁特性的磁种气溶胶化，并加入燃煤含尘烟气中。将添加磁种的含尘烟气引入高梯度磁种聚并捕集装置，飞灰等可吸入颗粒物与磁种粒子在高梯度磁场作用下发生碰撞聚并，碰撞长大后被磁介质捕捉并脱除。美国国立橡树岭研究所Bart L.Murphy等人发表的《On the use of high-gradient magnetic force field in capturingairborne particles》，设计了一种新型气溶胶收集器，通过在收集器中放置永磁体产生高梯度磁场来捕集环境中具有铁磁性性质的微细颗粒物，以上几种方法均利用磁聚并技术通过外加磁场来脱除气体中的磁性细颗粒物，但由于方法上的限制，无法与实际工业中袋式除尘器进行有机结合，且工艺方法设备结构复杂，工艺繁多，占地较大，成本较高，均限制了其工业化应用。安徽元琛环保科技股份有限公司申请的专利名称为：一种用于过滤回收有色金属粉尘的滤袋及其制备方法(申请号：201711326304.7，公开号：CN108071020A，公开日：2018年5月25日)，创造性利用磁性纳米氧化铁、聚四氟乙烯分散乳液、分散剂乳液制成吸附层，并结合微孔复合滤料制备复合滤袋来捕集有色金属粉尘，但所用的磁性纳米氧化铁粒子具有超顺磁性，其矫顽力及剩余磁化强度都很低，无法提供感应磁场，难以起到微细颗粒磁聚并的效果，且聚四氟乙烯纤维表面羰基官能团较少，纳米粒子负载能力较低。基于这些背景，课题组提出通过P84纤维负载磁性铁酸钴纳米颗粒制成磁性复合功能滤袋，利用磁性滤袋表面感应磁场提高磁性细颗粒物捕集效率的新方法。
相对于专利CN101069872，本发明的优势在于将磁聚并技术与传统滤袋除尘技术进行有机结合，不添加额外装置及设备，成本低，便于工业化利用。
相对于专利CN108071020A，本发明的优势在于选择磁性铁酸钴纳米粒子进行负载，利用其高矫顽力及剩余磁化强度，通过充磁后提供感应磁场；选择P84纤维作为载体，因其纤维表面羰基官能团较多，相较于聚四氟乙烯具有更高的纳米颗粒负载能力，再结合纤维覆膜制成耐高温、耐酸碱的磁性复合滤袋，能适应多种复杂的烟气工况，应用更加广泛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种脱除磁性细颗粒用磁性复合无纺滤袋及制备方法，克服现有除尘滤袋细颗粒物捕集效率低的缺陷，本发明基于磁聚并技术，在滤袋制作工艺基础上引入磁性纤维，通过制备得到磁性滤袋，从而使细颗粒物能在滤袋表面磁聚成团被纤维捕集，能极大提高细颗粒物脱除效果。
本发明的一种磁性复合无纺滤袋，所述依次包括纤维覆膜层、磁性P84纤维过滤材料层和PTFE无纺基布层。
所述复合滤袋用覆膜功能纤维应根据实际烟气工况选择合适纤维进行覆膜，包括但不限于PTFE纤维、亚克力纤维、PPS纤维等。
所述覆膜层所用纤维为PTFE纤维、亚克力纤维、PPS纤维中的一种或几种；磁性P84纤维为负载磁性铁酸钴纳米粒子的磁性P84纤维，具体为通过共沉淀法将磁性铁酸钴纳米粒子引入到P84纤维表面结合成磁性纤维。
所述滤袋中纤维覆膜层、磁性纤维过滤层和PTFE无纺基布的重量百分比为10％-15％：65％-70％:15％-25％。
本发明的一种磁性复合无纺滤袋的制备方法，包括：
(1)将水和无水乙醇混合后，调节pH＝1～2，加入铁酸钴纳米粒子和预处理的P84纤维，再加入偶联剂，进行超声，振荡，经过滤、洗涤、烘干，得到负载磁性铁酸钴纳米粒子的磁性P84纤维；
(2)将上述磁性P84纤维制成过滤材料层；PTFE纤维制成无纺基布层；
(3)将上述过滤材料层和无纺基布层依次通过针刺复合、烘干、纤维覆膜、热定型、表面轧光、充磁，即得磁性复合无纺滤袋。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中水和无水乙醇的摩尔比为2:1；调节pH＝1～2为采用盐酸进行调节。
所述步骤(1)中铁酸钴纳米粒子的粒径为50-100nm；偶联剂为钛酸酯偶联剂。
进一步地，所述钛酸酯偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ-201。
所述步骤(1)中P84纤维为短P84纤维。
所述步骤(1)中P84纤维、铁酸钴粒子、偶联剂与无水乙醇的比例关系应为1g-3g:0.1g-0.15g:0.02g-0.05g:3ml-5ml。
所述步骤(1)中预处理的P84纤维具体为：经浓度为5％的HCL溶液浸渍处理5～10小时，经去离子水洗涤、烘干。
所述步骤(1)中超声，振荡，经过滤、洗涤、烘干具体为：超声分散时间为30min；在700r/min的速度下振荡摇匀12h，随后经过滤、去离子水及无水乙醇反复洗涤3次，50℃烘干12h。所述步骤(2)中PTFE纤维为短PTFE纤维。
步骤(2)中磁性P84纤维制成过滤材料层具体为：磁性P84纤维经预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取制成过滤材料层。
所述步骤(2)中过滤材料层和无纺基布层至少需要两套开清系统、梳理系统和针刺成网系统。所述步骤(3)中不同滤料层的烘干温度为100～180℃。
所述步骤(3)中充磁为经充磁机充磁后，滤袋表面的剩磁强度应控制在0.01T-0.08T。
本发明的一种所述磁性复合无纺滤袋在磁性细颗粒物的脱除中的应用。
有益效果
(1)本发明结构设计合理，由于覆膜纤维和短PTFE纤维均具有通气性好、抗酸碱硫等特性，P84纤维耐高温且阻燃性强，再加上磁性P84纤维对烟气中的微细颗粒物吸附效果显著，弹性模量高，密度小，抗拉强度大，尺寸稳定性好。
(2)该无纺滤袋耐高温、强度高、通气性好；
(3)本发明的一种磁性复合无纺滤袋能通过滤袋表面感应磁场使微细颗粒物团聚长大，能极大提高PM2.5磁性细颗粒物的脱除效果；
(4)本发明制备方法简单实用，成本低，适合于工业化生产。
附图说明
图1为P84纤维负载磁性铁酸钴纳米粒子示意图；
图2为本发明滤袋的结构示意图，1为PTFE无纺基布层，2为磁性过滤层，3为纤维覆膜层；
图3为磁性P84滤料制备工艺流程图；
图4为磁性复合滤袋制备工艺流程图；
图5为磁性P84滤料磁性细颗粒物捕集装置图，其中1-测试通道；2-发尘装置；3-测试样；4-后备过滤器；5-压差计；6-温湿度；7-流量测量；8-真空泵；9-PC；10-光学粒子计数器；11-电磁控制阀；12-压力罐；13-脉冲控制阀；14-喷吹管；15-防尘罩；16-清洗旁通；17-过滤器；18-频率转换器；19-调节器；20-压力调节器；21-大气压力传感器；22-粒子浓度；23-数据采集器；24-过滤器；
图6为烟气循环净化系统装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将42.2g直径为15μm的P84纤维经浓度为5％的HCL溶液浸渍处理5小时，然后经去离子水洗涤3次后50℃烘干6h后备用。接着在恒温反应槽(HH-4)中放入去离子水和无水乙醇(摩尔比为2:1)共2000ml，用盐酸调节溶液PH为1～2，接着放入22.5g铁酸钴纳米粒子(粒径为50nm)及4.5g钛酸酯偶联剂NDZ-201，溶液进行超声分散30min后放入预处理后的P84纤维，接着在700r/min的速度下振荡摇匀12h，随后经过过滤、去离子水及无水乙醇反复洗涤3次，50℃烘干12h后得到负载磁性铁酸钴纳米粒子的磁性P84纤维，接着经过预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取、充磁制成磁性P84滤料，充磁过程中充磁机充磁强度为20000高斯，通过磁力计(WT10A Teslameter)检测磁性滤料表面磁感应强度约为0.015T。
将原始针刺P84滤料及磁性P84滤料进行力学性能对比测试，按参考标准GB/T3923.1-2013剪取大小为5×20cm的经、纬向滤料样品各1条。在相对湿度60％、20℃的环境中利用电子强力机(YG065CT)测定滤料经、纬向断裂强力和断裂伸长率；
将原始针刺P84滤料和磁性P84滤料进行耐温性能对比测试，按参考标准GB/T3923.1-2013剪取大小为5×20cm的经、纬向滤料样品各5条，分别置于170℃、180℃、190℃、200℃、210℃的恒温干燥箱内加热24h，将加热后的滤料取出后置于相对湿度60％、20℃的环境中，待其冷却至常温后测定经、纬向断裂强力，并计算其断裂强力保持率；
将原始针刺P84滤料进行磁性细颗粒物脱除对比测试：利用德国Topas开发的AFC-131滤料测试台根据国际标准对过滤滤料进行测试，采用DEHS模拟气溶胶进行发尘，分别对原始P84滤料、盐酸改性P84滤料、负载磁性纳米粒子P84滤料(未充磁)、磁性P84滤料四种滤料进行测试其静态除尘分级过滤效率。
1、力学性能方面，与原始P84滤料相比，磁性P84滤料经向强度保持率为95.2％，纬向强度保持率为104.6％。总体来说，磁性聚酰亚胺滤料相较于原始聚酰亚胺滤料的经纬向强度上下变化幅度不超过5％，说明磁性P84滤料强度能够满足一般性工业除尘中粉尘的撞击磨损消耗。
2、耐温性能方面，磁性P84滤料的耐温强度平均保持率相较于原始滤料变化幅度不超过3％；甚至在170℃、180℃时磁性P84滤料的经纬向断裂强度保持率要高于原始P84滤料，说明磁性聚酰亚胺滤料的耐温性能在制备过程中影响并不大，满足一般性工业除尘应用。
3、粉尘捕集方面，在粉尘粒径为1μm时，磁性P84滤料、原始P84滤料、盐酸改性P84滤料及负载磁性纳米粒子P84滤料的磁性细颗粒物捕集效率分别为65％、31％、36％和37％。说明利用粉尘磁聚并效应，磁性P84滤料较其他滤料颗粒物捕集性能大为提高。
注：原始P84滤料为：直接将15μm的P84纤维经过预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取制备得到原始P84滤料。
盐酸改性P84滤料：直径为15μm的P84纤维经浓度为5％的HCL溶液浸渍处理5小时，然后经去离子水洗涤3次后50℃烘干6h后备用，然后经过预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取制备得到盐酸改性P84滤料。
负载磁性纳米粒子P84滤料，未充磁的负载铁酸钴纳米粒子的P84滤料，未充磁外，其他制备工艺同磁性P84滤料均相同。
实施例2
先将直径为15μm的P84纤维经浓度为5％的HCL溶液浸渍处理5小时，经去离子水洗涤、烘干，接着在反应槽(HH-4)中放入去离子水和无水乙醇(摩尔比为2:1)，用盐酸调节溶液PH为2，接着加入定量铁酸钴纳米粒子(粒径为50nm)及预处理后的P84纤维，向混合液中加入适量钛酸酯偶联剂NDZ-201，其中P84纤维、铁酸钴粒子、偶联剂与无水乙醇的比例关系：1g:0.1g:0.03g:5ml。接着将溶液进行超声分散30min后在700r/min的速度下振荡摇匀12h，随后经过滤、去离子水及无水乙醇反复洗涤3次，50℃烘干12h后得负载磁性铁酸钴纳米粒子的磁性P84纤维。接着将覆膜纤维、磁性P84纤维与短PTFE纤维以重量百分比为15％:70％:15％，分别经预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取制成覆膜材料层、磁性过滤材料层和无纺基布层，接着经过烘干系统、覆膜系统、热定型系统、表面轧光系统、充磁系统得到磁性复合滤袋，其中充磁机充磁强度为20000高斯，通过磁力计检测，发现滤袋表面磁感应强度能达到0.02T，接着利用实验室烟气循环净化系统进行原始复合滤袋与磁性复合滤袋的磁性细颗粒物脱除对比实验及容尘阻力实验，装置示意图如图6所示。
实验中粉尘选自钢铁厂的磁性细颗粒物，粒径范围在0.5-10μm，通过RS485就袋式除尘器前后颗粒物浓度进行分析，并最终计算出滤袋粉尘分级过滤效率。结果显示随着磁性粉尘粒径越小，磁性滤袋较原始滤袋的粉尘净化优势越明显，特别是当粉尘颗粒粒径为0.5μm时，磁性无纺复合滤袋的过滤效率能达到78％，原始滤袋的过滤效率仅为24％；选择1m/min、1.5m/min、2m/min、2.5m/min五种不同过滤风速进行阻力对比试验研究，结果发现随着过滤风速由1m/min提高到2.5m/min，阻力增长率从40％降至29％，即在过滤风速越大的情况下，磁性粒子负载对滤袋阻力的影响越小。从以上结果可以看出，磁性复合无纺滤袋相较于原始覆膜滤袋脱除磁性细颗粒效率更高，且阻力增长不明显，具有良好应用前景。

Claims (10)

1.一种磁性复合无纺滤袋，其特征在于，所述依次包括纤维覆膜层、磁性P84纤维过滤材料层和PTFE无纺基布层。
2.根据权利要求1所述滤袋，其特征在于，所述覆膜层所用纤维为PTFE纤维、亚克力纤维、PPS纤维中的一种或几种；磁性P84纤维为负载磁性铁酸钴纳米粒子的磁性P84纤维。
3.根据权利要求1所述滤袋，其特征在于，所述滤袋中纤维覆膜层、磁性纤维过滤层和PTFE无纺基布的重量百分比为10％-15％：65％-70％:15％-25％。
4.一种磁性复合无纺滤袋的制备方法，包括：
(1)将水和无水乙醇混合后，调节pH＝1～2，加入铁酸钴纳米粒子和预处理的P84纤维，再加入偶联剂，进行超声，振荡，经过滤、洗涤、烘干，得到磁性P84纤维；
(2)将上述磁性P84纤维制成过滤材料层；PTFE纤维制成无纺基布层；
(3)将上述过滤材料层和无纺基布层依次通过针刺复合、烘干、纤维覆膜、热定型、表面轧光、充磁，即得磁性复合无纺滤袋。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中铁酸钴纳米粒子的粒径为50-100nm；偶联剂为钛酸酯偶联剂。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中P84纤维、铁酸钴粒子、偶联剂与无水乙醇的比例关系应为1g-3g:0.1g-0.15g:0.02g-0.05g:3ml-5ml。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理的P84纤维具体为：经浓度为5％的HCL溶液浸渍处理5～10小时，经去离子水洗涤、烘干。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中磁性P84纤维制成过滤材料层具体为：磁性P84纤维经预开松、精开松、混合、预喂料、梳理、铺网、牵引、针刺、喷胶系统、热定型、分切、卷取制成过滤材料层。
9.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中充磁为经充磁机充磁后，滤袋表面的剩磁强度应控制在0.01T-0.08T。
10.一种权利要求1所述磁性复合无纺滤袋在磁性细颗粒物的脱除中的应用。
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