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陶瓷纖維過濾器的應用

2019-07-21

陶瓷纖維過濾技術是近年來發展較快的過濾技術之一。與傳統粒狀濾料相比,纖維過濾材料的比表面積較大,有更大的界面吸附并能截留懸浮物,過濾效果好。相比于泡沫陶瓷,它具有更小的孔徑,更高的過濾精度。相對于有機纖維過濾器,陶瓷纖維具有良好的熱穩定性、化學穩定性和抗熱震性。陶瓷纖維具有的優良性能使得其在空氣淨化、高溫煙氣過濾、化工過濾、柴油機尾氣微粒捕集、金屬液過濾等方面得到了廣泛的應用。
    1 陶瓷纖維過濾器的分類
    陶瓷纖維過濾器可以分為:陶瓷纖維複合膜材料、陶瓷纖維紙、陶瓷纖維網()、陶瓷纖維過濾體。
    1.1 陶瓷纖維複合膜材料
    陶瓷纖維複合膜材料是在多孔陶瓷支撐體表面複合一層含有陶瓷纖維的膜材料。在膜層成形過程中,陶瓷纖維在支撐體表面迅速架橋,使料漿迅速在支撐體表面形成膜層,而不會進入到支撐體内部,從而避免了堵塞支撐體内部孔洞。通過纖維與支撐體表面顆粒接觸,可以使膜層更加穩定。陶瓷纖維複合膜材料兼顧了多孔陶瓷、微孔陶瓷膜、纖維過濾材料的優點,是目前發展較快的一種高性能過濾材料,在許多領域有廣闊的應用前景。薛友祥等[1]以含锆矽酸鋁纖維,耐火骨料及陶瓷粘結劑為原料制備膜材料,選用剛玉和陶瓷高溫結合劑制備支撐體,使用真空抽濾法将膜層材料覆蓋在多孔支撐體表面,制備出性能良好的陶瓷纖維複合膜材料。
    1.2 陶瓷纖維紙
    陶瓷纖維紙是将陶瓷纖維及結合劑、添加劑等,仿照造紙工藝,經過制漿、成形、固化幹燥等自動化、連續化工序而最終制成。産品顔色潔白,質地柔韌,平整度好,機加工性能優良。陶瓷纖維過濾紙是一種高效過濾材料。該濾材具有流阻低、過濾效率高、導熱系數低、耐高溫、抗腐蝕、無毒、化學性能穩定等優點。在大規模集成電路、儀器儀表、醫藥制劑、生物工程、超淨工作室的空氣淨化等方面得到了廣泛的應用。康定學[2]利用超細玻璃纖維和陶瓷纖維為原料,多元無機酸作分散劑,酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、醋酸乙烯酯、乙烯共聚物作增強劑,矽油作防水劑,600 長網特種濾紙機上生産出超細微粒空氣過濾紙。
    1.3 陶瓷纖維網()
    陶瓷纖維網()是一種陶瓷纖維紡織品,采用甩絲棉紗線和增強絲經過紡紗編織而成。陶瓷纖維紡織品的熱傳導率低,耐化學腐蝕,耐高溫,主要用于金屬液體的過濾。從而降低熔渣含量,改善切削性能,提高表面質量和産品合格率。
   1.4 陶瓷纖維過濾體
    陶瓷纖維過濾體主要是利用纖維的紡織特性或纖細形态,相互架構成三維孔洞的一種多孔材料。其成形的方法包括纖維編織、纏繞、真空抽濾成形工藝等。

 

1.4.1 編織法
    所用原料為長纖維,将纖維織成布,疊成多孔材料,或者直接利用三維編織技術将纖維編織成多孔材料。三維編織技術是國外20世紀80年代初發展起來的新型技術[3],是用來制造複合材料預制件的新興工藝。用三維編織的多孔材料的氣孔率、孔徑、氣孔排列及形狀是高度可控的[4]。這是其他多孔陶瓷成形方法中所不能比拟的優點。三維編織的陶瓷纖維體,具有質輕、不分層、高比強度、高比模量、基體損傷不易擴展、高抗沖擊性能以及耐燒蝕、抗高溫等獨特的優點。
    但它目前受兩個條件的限制,一是目前陶瓷長纖維大部分還隻是處于研究階段,成熟的、可紡性能好的産品還很昂貴,這限制了這種方法的應用;二是三維編織機制造技術水平要求很高,價格也很昂貴。
    1.4.2 纏繞法
    美國DLC公司發展了一種型号為PRD-66的燭型陶瓷纖維過濾元件。它是由陶瓷纖維、煅燒氧化鋁和發煙氧化鋁粉等原料制成。其過濾元件的法蘭部分、坯體及膜層均是由預塗有氧化鋁料漿的纖維在預先制成的具有彈性的坯體模型上纏繞而成。坯體形成一定的厚度時,将其自然幹燥,取出母模,1400℃左右燒成。在燒成過程中,纖維表面的氧化鋁等會和纖維組分中SiO2、MgO等反應形成主晶相為莫來石、堇青石和剛玉的陶瓷纖維過濾材料。通過調整纖維的直徑、料漿濃度及粘度、坯體纏繞速度及膜層厚度可以獲得不同性能的陶瓷纖維過濾元件[5]
    日本住友3M公司生産的Ox-CCF型高溫氣體收塵器,裡外兩層采用長纖維纏繞,以加強過濾體的韌性及強度,中間層用短纖維填充作過濾體,制作的收塵器不僅強度高、耐化學腐蝕性好,而且收塵效率高達99.99%以上[6]
    1.4.3 真空抽濾法
    真空抽濾法所用原料一般為短纖維及粘結劑。将纖維以一定的方法堆積或填充同時施以粘結劑,由于纖維的彈性和細長結構,将互相架橋可形成相對均勻、具有一定形狀的氣孔結構以及氣孔率很高的三維網絡結構,高溫燒結固化就得到了氣孔率很高的多孔陶瓷,這種多孔陶瓷的氣孔率可高達90%以上(如圖3所示)。法國GMBH公司采用該成形方法生産的KE85系列纖維質多孔陶瓷材料[7],其開口孔隙率可以達到85%以上,被廣泛用作熱氣體過濾材料。
    2 陶瓷纖維過濾器的應用
    2.1 空氣淨化
    最早作為空氣淨化的過濾材料是第一次世界大戰末作為軍用防毒面具濾煙層過濾介質的含石棉纖維過濾紙。玻璃纖維作為空氣和氣體過濾介質,194010月在美國首次獲得專利權。美國、日本等國家UIPA過濾紙的研制成功和開發利用,對其集成電路、自動化儀表和航天航空等尖端技術的飛躍發展,提供了關鍵的空氣過濾材料。這種材料的特點是:①過濾捕集的塵埃是超細微粒,粒徑小于0.1μ;②過濾效率特别高,800  h風量下,對粒徑0.1μm大小的塵埃過濾效率高達99.9995%以上;③阻力比較低,800  h風量下,空氣流阻力不大于250Pa;④抗水性能好,不僅能過濾常規空氣,也能過濾含濕空氣,抗水性不低于2500Pa;⑤強度較高,挺度也很好。康定學[8]利用陶瓷纖維和玻璃纖維為主要原料制備陶瓷纖維紙,試驗樣品送重慶無線電專用設備廠做成過濾器,其規格是GB-01(484 ×484 ×220 ),用鈉焰法測得的過濾效率已達到99.998%(空氣流阻力205.8Pa,額定風量1000  ,鈉焰噴霧粒徑≤0.5μ)
    2.2 高溫煙氣過濾
    在現代工業生産過程中,高溫氣體淨化技術的應用領域十分廣泛,如高溫煤氣,石化和化工工業的高溫反應氣體,冶金工業高爐與轉爐高溫煙氣,矽酸鹽工業的高溫煙氣,鍋爐、焚燒爐的高溫廢氣等。

 

高溫過濾材料是高溫氣體過濾除塵技術的核心由于工作溫度高、氣體腐蝕性強等特點,對高溫氣體除塵用過濾材料有很高的要求。過濾材料必須滿足:①耐高溫,耐化學腐蝕;②高的過濾精度和低的氣流阻力;③過濾效率高,可再生性好;④抗熱震性好,使用壽命長等要求。陶瓷纖維具有優良的熱穩定性和化學穩定性,它的工作溫度可高達1000℃以上,并且在氧化還原等高溫環境下具有很好的抗腐蝕性。因此,陶瓷纖維在高溫氣體過濾方面具有獨特的優勢。德國Schumacher公司采用真空抽濾法,以SiC和矽酸鋁纖維為主要原料生産的Cerafill210陶瓷纖維過濾材料,其孔隙率達90%,可在950℃下長期使用,其氣流阻力僅為一般陶瓷過濾器的30%50%。美國3M公司采用化學氣相沉積法生産的CVI-SiC組合式陶瓷過濾元件,由SiC層、碳纖維層及矽酸鋁纖維組成[910],具有良好的過濾性能。
    2.3 化工過濾
    由于陶瓷纖維過濾器具有耐高溫、耐有機溶劑和強酸堿腐蝕等特點,在化工生産中能充分發揮其特性,有着廣泛的應用領域。其應用包括:①化工生産中在高溫情況下溶液的過濾;②化工行業中各種強酸、強堿液體的過濾,如各種電解液處理、純堿過濾、硫酸過濾等;③石油工業中含油廢水的處理,柴油、汽油、航空煤油過濾等;④制藥行業中各種藥品的過濾和分離,如青黴素等過濾,以及醫藥中間體的過濾;⑤飲料、食品、釀造行業中的過濾除菌,如啤酒的釀造、純淨水的生産。李金成[11]報道了一種高耐酸陶瓷紙,主要成分為占總重量45%95%的矽酸鋁陶瓷纖維和5%15%的有機結合劑,可以作為酸性溶液的過濾材料。
    2.4 柴油機尾氣微粒捕集
    柴油發動機因熱效率高,燃油消耗率低而廣泛應用于國民生活中。然而柴油機微粒的排放量一般要比汽油機大幾十倍,從而限制了柴油機的應用。如何有效控制柴油機的有害氣體排放,一直是人們普遍關心的問題。陶瓷纖維過濾器具有高的使用溫度,可以用于捕集柴油機尾氣微粒。
    陶瓷纖維氈比表面積大,過濾效率可高達95%。但是其強度低,容易損壞。NHKSpring公司發明了一種新型過濾材料,這種過濾體的單元由疊層金屬纖維氈和氧化鋁纖維氈組成。從進氣口到出氣口,疊層纖維氈的孔徑越來越細,保證了微粒的均勻捕獲,過濾效率可達80%90%,同時還能起到消聲器的作用[12]
    文獻[13]報道了一種柴油機微粒捕集器。用特殊的纏繞技術将陶瓷纖維在一個有電阻的金屬加熱管上纏繞出菱形結構,加熱管的一端開放,另一端封閉以阻止尾氣流出,這樣就可強制尾氣穿過加熱器進入陶瓷纖維,微粒被捕集在陶瓷纖維中,淨化過的尾氣可從陶瓷纖維中逸出。采用12V的直流電源10min就可以再生完畢,過濾效率可達到65%95%
    2.5 金屬液過濾
    在冶金工業中,鑄件裡的非金屬夾雜物一直是鑄造産品中遇到的最普遍的鑄造缺陷之一。采用過濾器淨化金屬液可以降低60%80%熔渣或夾雜物引起的廢品率,改善成品的切削性能,提高其力學性能和表面質量。陶瓷纖維網使用方便,裝配靈活,價格相對較低,但強度低,受熱容易下垂,使用中需要多孔陶瓷作為支撐體[14]
    3 結語  陶瓷纖維最初是作為耐火保溫材料而發展起來的。由于其纖細的形狀,逐漸作為過濾材料而得到新的應用,陶瓷纖維過濾器依賴于陶瓷纖維的發展和應用。陶瓷纖維作為過濾器普遍強度較低,發展低成本高強度的連續纖維增強陶瓷纖維過濾器是今後的發展方向。陶瓷纖維過濾器由于其優良的特性将會在高溫煙氣過濾等方面發揮越來越重要的作用,具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉化等功能的陶瓷纖維過濾材料将是熱氣體淨化材料的發展方向。

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