耐高溫脫除PM2.5 用磁性玄武巖濾料表征及過濾性能研究

楊炳文， 楊學賓， 刁永發， 周發山， 費建信

（東華大學， 上海 201600）

冶金行業是國民經濟重要的工業生產行業，現階段我國存在技術落后，場內生產冶金工藝結構不合理等問題，從而導致冶金產業的嚴重污染[1]。冶金行業排放煙氣[2]具有粒徑分布范圍廣，且存在超細小顆粒及煙氣溫度高等特點。這對袋式除塵器過濾材料提出了高要求。玄武巖濾料[3-4]具有很好的耐溫性能，工作溫度可達300 ℃，極限溫度達到860 ℃，適用于高溫煙氣的過濾。

本文通過工業常用的浸漬法制備了一種磁性玄武巖濾料并利用SEM、VSM 等表征方法對針刺與水刺兩種磁性玄武巖濾料進行了表征分析，通過濾料過濾試驗臺對針刺玄武巖濾料、水刺玄武巖濾料、磁性針刺玄武巖濾料、磁性水刺玄武巖濾料及玄武巖覆膜濾料對微細顆粒的過濾效率和阻力特性進行研究，為今后捕集微細顆粒物過濾材料的開發和發展提供建議。

1 實驗材料及裝置

1.1 實驗樣品

本文所用實驗樣品有針刺玄武巖濾料、水刺玄武巖濾料覆膜玄武巖濾料，基本參數見表1。

1.2 磁性玄武巖濾料的制備

1.2.1 實驗材料及藥品

納米鐵酸鈷粒子（30～55 nm）；NaOH（分析純）和蒸餾水；氨基甲酸乙酯；鈦酸酯偶聯劑NDZ-201；無水乙醇；鹽酸；針刺玄武巖濾料；水刺玄武巖濾料。

表1 實驗樣品參數特性

1.2.2 制備過程

稱取玄武巖濾料0.5 g，用質量分數為20%的鹽酸溶液浸漬處理30 min，浸漬完成后用去離子水洗滌至中性，烘干備用。在反應槽中放入去離子水和無水乙醇（質量比1∶2）共800 mL，接著加入0.04 mol制備好的鐵酸鈷納米粒子，及預處理后的玄武巖濾料，加入20 mL 鈦酸酯偶聯劑NDZ-201，在300 r/min的速度下振蕩搖勻2 h，將氨基甲酸乙酯（C3H7NO2）1.5 g 和質量分數為75%的乙醇（C2H6O）30 mL 按此比例配成粘結劑，將負載納米鐵酸鈷粒子后的玄武巖濾料放入稀釋黏結劑浸漬20 min，取出濾料放入烘箱60°C 烘干8 h 即得負載納米鐵酸鈷玄武巖濾料。

1.3 實驗裝置

利用AFC-131 濾料測試臺進行濾料過濾性能測試，示意圖如下頁圖1。

2 實驗結果及分析

2.1 SEM 形貌分析

磁性玄武巖濾料的制備：將上述方法制備的玄武巖濾料放入超高電壓充磁電源裝置采用EX 2000 V 對負載納米鐵酸鈷粒子玄武巖濾料進行加磁處理，使濾料表面磁性鐵酸鈷得到磁化。原始覆膜濾料、針刺玄武巖濾料與水刺玄武巖濾料的電鏡掃描圖如圖2 和圖3 所示。

圖1 AFC-131 濾料測試臺原理圖

圖2 各濾料的電鏡掃描圖

圖3 負載納米鐵酸鈷玄武巖濾料

原始覆膜濾料表面附著一層薄膜，纖維之間連接緊密，孔隙??；原始針刺玄武巖濾料纖維互相聚集，相互纏結，出現了很多團狀的纖維集合但也存在許多顯著的三維結構，孔隙較大；原始水刺玄武巖濾料直徑分布均勻，孔隙較低。負載鐵酸鈷納米粒子后，可以明顯看出鐵酸鈷納米顆粒在針刺玄武巖濾料上的分布更加均勻密集。

2.2 磁性針刺玄武巖濾料與磁性水刺玄武巖濾料磁滯回線分析

如圖4，對磁性玄武巖濾料進行充磁處理后，稱取磁性水刺玄武巖濾料上樣量為61 mg，磁性針刺玄武巖濾料上樣量為45 mg，分析其剩余磁化強度及矯頑力等磁學性能。

圖4 磁性玄武巖濾料的磁滯回線圖譜

根據VSM 測試表征結果，磁性水刺玄武巖濾料的矯頑力為±1889 Oe，剩磁為1.19 emu/g；磁性針刺玄武巖濾料矯頑力為±1997 Oe，剩磁為2.01 emu/g。磁性針刺玄武巖濾料表現出更加優異的磁性能。原因是針刺玄武巖濾料負載納米鐵酸鈷粒子較多，這是由于針刺玄武巖濾料針刺過程對玄武巖纖維產生了更多切割而為納米鐵酸鈷粒子產生了更多的附著點，可以附著大量鐵酸鈷粒子；而水刺玄武巖濾料直徑均勻，附著點較少。

2.3 磁性玄武巖及覆膜濾料捕集細顆粒物過濾性能對比

為驗證磁性玄武巖在過濾除塵方面的功能性，分別對磁性針刺玄武巖濾料、磁性水刺玄武巖濾料、覆膜玄武巖濾料、無處理針刺玄武巖濾料及無處理水刺玄武巖濾料五種濾料測試分級過濾效率和過濾阻力特性。過濾風速為1m/min、粉塵初始濃度為60mg/m3的條件下進行靜態除塵分級過濾效率測試。在流量為1.5 m3/h、1.8 m3/h、2.2 m3/h、2.5 m3/h 四種不同流量，300 g/m2的粉塵濃度下進行阻力實驗。

由圖5 可知，隨著氣溶膠粒子的增大，每種濾料過濾效率增大。覆膜玄武巖濾料過濾效率最高，對PM0.5 過濾效率約為49.7%，PM2.5 過濾效率約為99.3%；磁性玄武巖濾料過濾效率高于無磁性玄武巖濾料，此外，磁性針刺玄武巖濾料對粒徑范圍小于2 μm 的微細粒子中過濾效率相較于磁性水刺玄武巖濾料更高。磁性針刺玄武巖濾料在粒徑范圍為0.5～2.5 μm 的氣溶膠粒子的過濾效率從24.6%上升到95.2%，相同條件下磁性水刺的過濾效率從20.6%上升到91.2%。水刺玄武巖濾料與針刺玄武巖濾料對粒徑小于2 μm 的微細粒子過濾效率較低，水刺玄武巖濾料對PM2.5 的過濾效率為82%，針刺玄武巖濾料對PM2.5 過濾效率為76%。

圖5 不同濾料除塵效果

圖6 濾料在不同風速下阻力

由圖6 可知，各濾料阻力隨著流量增大而增大。其中，各濾料阻力呈現覆膜玄武巖濾料＞磁性水刺玄武巖濾料＞磁性針刺玄武巖濾料＞水刺玄武巖濾料＞針刺玄武巖濾料的情況。在流量為2.5 m3/h 的情況下，磁性針刺玄武巖濾料對比于普通針刺玄武巖濾料的52Pa 增長至82Pa；普通水刺玄武巖濾料的83Pa，磁性水刺玄武巖濾料為164 Pa；覆膜濾料為250 Pa。

3 結論

1）磁性針刺玄武巖濾料磁性能優于磁性水刺玄武巖濾料。

2）在過濾風速為1 m/min、粉塵初始質量濃度為60 mg/m3的條件下，覆膜玄武巖濾料對氣溶膠粒子過濾效率最高，對PM0.5 過濾效率約為49.7%，PM2.5 過濾效率約為99.3%；磁性針刺玄武巖濾料在粒徑范圍為0.5～2.5 μm 的氣溶膠粒子的過濾效率從24.6%上升到95.2%，相同條件下磁性水刺的過濾效率從20.6%上升到91.2%；水刺玄武巖濾料與針刺玄武巖濾料對粒徑小于2 μm 的微細粒子過濾效率較低，水刺玄武巖濾料對PM2.5 的過濾效率為82%，針刺玄武巖濾料對PM2.5 過濾效率為76%。

3）過濾阻力方面，各濾料的阻力覆膜玄武巖濾料＞磁性水刺玄武巖濾料＞磁性針刺玄武巖濾料＞水刺玄武巖濾料＞針刺玄武巖濾料，但磁性針刺玄武巖濾料的增長率相對較低，在流量為2.5 m3/h 的情況下，其阻力為82 Pa，低于水刺玄武巖濾料的83 Pa。