靜電微孔集塵材料

李廣民，于文峰，李詩韻

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

靜電微孔集塵材料

李廣民，于文峰，李詩韻

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

在我們每天接觸的環境中，灰塵幾乎無處不在，無論是建筑工地肆意飛揚的塵土，還是在教室中擦黑板時飄落的粉筆灰，亦或是從窗戶或天花板飄落的灰塵，都會對人們的生活造成一定程度的影響。基于此種背景，設計了靜電微孔集塵材料，用來收集這些部位的粉塵。靜電微孔集塵材料具有纖維來源廣、易塑性好、吸附粉塵效果明顯等優點，在家居集塵領域有很大的發展空間，將為大眾提供一種低成本、高效率、方便易用的集塵產品，給人們的生活提供一片凈土。

灰塵；增強纖維；節能減排；靜電

1 項目的創新之處

項目的創新之處有以下4個：①選用纖維素作為原料，原材料成本低，來源廣泛，易實現大規模生產；②利用高壓水蒸汽的膨脹作用實現纖維素多孔疏松結構加工，不會產生額外的污染物，清潔環保；③應用靜電增強工藝增強纖維產品的靜電保持能力，長時間保持對灰塵的靜電吸附效果，減少灰塵散出；④使用后的纖維產品經自然降解可轉化為有機肥料，實現無害化處理，變廢為寶。

2 項目的研究內容和研究目標

在日常生活中，人們接觸最多的灰塵類型主要有以下幾種：①以粉筆灰為代表的直徑在7～10 μm的顆粒物；②直徑在0.5～2.5 μm的可吸入顆粒物（PM2.5）；汽車尾氣中的污染物煙塵微粒（某些重金屬化合物、鉛化合物、黑煙及油霧等）。為了能夠高效吸收并鎖住這些有害的灰塵顆粒，設計了多孔結構的纖維材料，并通過嵌入電極進行靜電增強處理，以提高集塵效果。

為了保證纖維產品的集塵吸附效果，將纖維產品加工為多孔疏松結構，參考具有類似結構的活性炭加工工藝，選用物理活化法。先在密閉反應容器中將纖維素加熱至熔融態，之后通過反應容器底部的管道向容器通入高溫高壓的水蒸氣，發生以下3個作用過程：①開孔作用。高壓氣體與堵塞在閉孔中的游離無序碳及雜原子反應使閉孔打開，增大比表面積。②擴孔作用。由于炭表面雜質被清理后微晶結構裸露，活化氣體與趨于活性條件下的碳原子發生反應，使孔壁氧化，孔隙加長、擴大。③生成新孔。活化氣體與微晶結構中的邊角或有缺陷的部分具有活性的碳原子發生反應，形成眾多新的微孔，使纖維產品表面積進一步擴大。

因此，纖維產品獲得了疏松多孔結構，在此環節中，可通過調節通入反應容器的水蒸氣的壓力及反應時間，產生開孔尺寸和密度不同的多孔纖維，以適應不同環境中的灰塵尺寸。現有的靜電增強纖維除塵技術主要有靜電袋式過濾器、棒帷電極電場增強袋濾器、中心電場袋式除塵器、混合式電袋除塵器等。綜合上述幾種技術的特點，選用混合式電袋除塵器。在含塵煙氣通過靜電除塵區時，大部分顆粒已經被去除，這種方式減輕了纖維濾材的負荷，延長了其使用壽命。

3 實施方案及技術路線

本纖維產品的加工過程主要包括多孔疏松結構處理和纖維靜電增強處理及塑形。

3.1 多孔疏松結構處理

選用物理活化法處理纖維素，以使其形成疏松多孔結構。本設備主要包括作用容器和控制高溫水蒸氣進入的耐壓閥門。反應容器外壁為高導熱材料，吸收外部熱量使纖維素變為熔融態；將高溫高壓水蒸氣經設備底部耐壓閥門通入，水蒸氣體積膨脹，并經過開孔作用、擴孔作用和新孔生成作用，纖維產品被加工為多孔疏松結構。水蒸氣冷卻后凝結為液態水，可再次利用。泄壓閥門是纖維素原料進入作用容器和加工成型后的產品取出作用容器的開口，同時，起到了限制作用容器內壓強的作用，防止壓力過大發生危險；可通過調節通入反應容器的水蒸氣的壓力及反應時間，產生開孔尺寸和密度不同的多孔纖維，以適應不同環境中的灰塵尺寸。

3.2 纖維靜電增強處理及塑形

為了優化纖維產品的集塵效果，提高對細微灰塵的吸附效率，特別是對纖維產品進行靜電增強處理。將柔性電極材料與纖維濾材交替排列鑲嵌一體，由高壓靜電發生器產生靜電荷并傳導至電極材料，電極材料對靜電荷具有良好的保持作用，能長期保持靜電荷對細小灰塵的吸附作用。此外，疏松多孔的纖維將隔絕靜電向外釋放，防止靜電對人體或其他設備造成危害。

4 項目研究的基礎

電場風速和外加電壓對除塵效率的影響較為明顯。隨著電場裝置處理氣體速度的減慢，其效率逐漸提升。在不同的電場風速下，電場裝置的除塵效率隨著外加電壓的升高而提高。粒子的除塵效率隨著電場風速的減慢而提升，與實驗相符。效率隨電場風速的減慢而提升的原因除了驅進速度的影響外，還存在一個沿氣流方向的速度。隨著電場風速的降低，使得粒子沿氣流方向的分速度減小，延長了粒子通過荷電區和收塵區的時間，從而提升了粒子被捕集的概率。

對于特定的電場裝置，雖然降低電場風速可以提高除塵效率，但風速降低會使靜電集塵裝置處理的風量減小，這會在一定程度上削弱靜電集塵裝置的整體凈化能力。如果要在很低的電場風速下達到一定的風量，則必須加大靜電集塵裝置的尺寸，這會造成設備成本的提高以及使用上的不便，因此，電場裝置的處理風速需要選適宜的取值。

5 項目可行性分析

據估算，可用于提取纖維素的秸稈質量可達1.5×108t，經高壓蒸煮法提取到的纖維素估測可達0.45×108t，現已實現萬噸級規模生產，纖維素產品價格約為500元/t，參考物理活化法制備活性炭的工藝成本，在千噸級規模生產情況下，設備成本及加工費用約為50元/t，靜電增強處理及塑形加工費用約為50元/t，最終集塵纖維產品成本約為600元/t，僅相當于現有PP纖維成本的40%，且集塵效率可達90%以上，遠超現有PP纖維50%以下的集塵效率。

實驗測得多孔纖維產品密度約0.2～0.48 kg/m3，據此計算，僅由秸稈提取得到的纖維素便可以生產大約1.0×108m3的多孔纖維產品。如果完全發揮吸塵效果，能夠吸收灰塵的體積約其自身體積的50%，即5.0×107m3的灰塵。

由于生產出的集塵纖維產品具有較好的耐高溫特性，當溫度達150℃可隔熱數天，當溫度達200℃可隔熱數十小時，當溫度超越220℃也能隔熱數小時。因此，可廣泛應用于常溫環境中的集塵處理，產生良好的減排環保效益。完成集塵的纖維產品可以直接埋入地下，自然降解后融入土壤，其中的纖維素經微生物處理后將轉化為有機肥料，也可利用其中的灰塵加工為建筑磚材，實現廢物再利用。

〔編輯：張思楠〕

TU834.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.073

2095－6835（2017）23－0073－02