陶瓷纤维过滤器的应用
陶瓷纤维过滤技术是近年来发展较快的过滤技术之一。与传统粒状滤料相比,纤维过滤材料的比表面积较大,有更大的界面吸附并能截留悬浮物,过滤效果好。相比于泡沫陶瓷,它具有更小的孔径,更高的过滤精度。相对于有机纤维过滤器,陶瓷纤维具有良好的热稳定性、化学稳定性和抗热震性。陶瓷纤维具有的优良性能使得其在空气净化、高温烟气过滤、化工过滤、柴油机尾气微粒捕集、金属液过滤等方面得到了广泛的应用。
1 陶瓷纤维过滤器的分类
陶瓷纤维过滤器可以分为:陶瓷纤维复合膜材料、陶瓷纤维纸、陶瓷纤维网(布)、陶瓷纤维过滤体。
1.1 陶瓷纤维复合膜材料
陶瓷纤维复合膜材料是在多孔陶瓷支撑体表面复合一层含有陶瓷纤维的膜材料。在膜层成形过程中,陶瓷纤维在支撑体表面迅速架桥,使料浆迅速在支撑体表面形成膜层,而不会进入到支撑体内部,从而避免了堵塞支撑体内部孔洞。通过纤维与支撑体表面颗粒接触,可以使膜层更加稳定。陶瓷纤维复合膜材料兼顾了多孔陶瓷、微孔陶瓷膜、纤维过滤材料的优点,是目前发展较快的一种高性能过滤材料,在许多领域有广阔的应用前景。薛友祥等[1]以含锆硅酸铝纤维,耐火骨料及陶瓷粘结剂为原料制备膜材料,选用刚玉和陶瓷高温结合剂制备支撑体,使用真空抽滤法将膜层材料覆盖在多孔支撑体表面,制备出性能良好的陶瓷纤维复合膜材料。
1.2 陶瓷纤维纸
陶瓷纤维纸是将陶瓷纤维及结合剂、添加剂等,仿照造纸工艺,经过制浆、成形、固化干燥等自动化、连续化工序而最终制成。产品颜色洁白,质地柔韧,平整度好,机加工性能优良。陶瓷纤维过滤纸是一种高效过滤材料。该滤材具有流阻低、过滤效率高、导热系数低、耐高温、抗腐蚀、无毒、化学性能稳定等优点。在大规模集成电路、仪器仪表、医药制剂、生物工程、超净工作室的空气净化等方面得到了广泛的应用。康定学[2]利用超细玻璃纤维和陶瓷纤维为原料,多元无机酸作分散剂,酚醛树脂、丙烯酸树脂、醋酸乙烯酯、乙烯共聚物作增强剂,硅油作防水剂,在600 长网特种滤纸机上生产出超细微粒空气过滤纸。
1.3 陶瓷纤维网(布)
陶瓷纤维网(布)是一种陶瓷纤维纺织品,采用甩丝棉纱线和增强丝经过纺纱编织而成。陶瓷纤维纺织品的热传导率低,耐化学腐蚀,耐高温,主要用于金属液体的过滤。从而降低熔渣含量,改善切削性能,提高表面质量和产品合格率。
1.4 陶瓷纤维过滤体
陶瓷纤维过滤体主要是利用纤维的纺织特性或纤细形态,相互架构成三维孔洞的一种多孔材料。其成形的方法包括纤维编织、缠绕、真空抽滤成形工艺等。
1.4.1 编织法
所用原料为长纤维,将纤维织成布,叠成多孔材料,或者直接利用三维编织技术将纤维编织成多孔材料。三维编织技术是国外20世纪80年代初发展起来的新型技术[3],是用来制造复合材料预制件的新兴工艺。用三维编织的多孔材料的气孔率、孔径、气孔排列及形状是高度可控的[4]。这是其他多孔陶瓷成形方法中所不能比拟的优点。三维编织的陶瓷纤维体,具有质轻、不分层、高比强度、高比模量、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能以及耐烧蚀、抗高温等独特的优点。
但它目前受两个条件的限制,一是目前陶瓷长纤维大部分还只是处于研究阶段,成熟的、可纺性能好的产品还很昂贵,这限制了这种方法的应用;二是三维编织机制造技术水平要求很高,价格也很昂贵。
1.4.2 缠绕法
美国ＤＬＣ公司发展了一种型号为ＰＲＤ-66的烛型陶瓷纤维过滤元件。它是由陶瓷纤维、煅烧氧化铝和发烟氧化铝粉等原料制成。其过滤元件的法兰部分、坯体及膜层均是由预涂有氧化铝料浆的纤维在预先制成的具有弹性的坯体模型上缠绕而成。坯体形成一定的厚度时,将其自然干燥,取出母模,在1400℃左右烧成。在烧成过程中,纤维表面的氧化铝等会和纤维组分中ＳｉＯ2、ＭｇＯ等反应形成主晶相为莫来石、堇青石和刚玉的陶瓷纤维过滤材料。通过调整纤维的直径、料浆浓度及粘度、坯体缠绕速度及膜层厚度可以获得不同性能的陶瓷纤维过滤元件[5]。
日本住友3Ｍ公司生产的Ｏｘ-ＣＣＦ型高温气体收尘器,里外两层采用长纤维缠绕,以加强过滤体的韧性及强度,中间层用短纤维填充作过滤体,制作的收尘器不仅强度高、耐化学腐蚀性好,而且收尘效率高达99.99%以上[6]。
1.4.3 真空抽滤法
真空抽滤法所用原料一般为短纤维及粘结剂。将纤维以一定的方法堆积或填充同时施以粘结剂,由于纤维的弹性和细长结构,将互相架桥可形成相对均匀、具有一定形状的气孔结构以及气孔率很高的三维网络结构,高温烧结固化就得到了气孔率很高的多孔陶瓷,这种多孔陶瓷的气孔率可高达90%以上(如图3所示)。法国ＧＭＢＨ公司采用该成形方法生产的ＫＥ85系列纤维质多孔陶瓷材料[7],其开口孔隙率可以达到85%以上,被广泛用作热气体过滤材料。
2 陶瓷纤维过滤器的应用
2.1 空气净化
最早作为空气净化的过滤材料是第一次世界大战末作为军用防毒面具滤烟层过滤介质的含石棉纤维过滤纸。玻璃纤维作为空气和气体过滤介质,于1940年10月在美国首次获得ZL权。美国、日本等国家ＵＩＰＡ过滤纸的研制成功和开发利用,对其集成电路、自动化仪表和航天航空等尖端技术的飞跃发展,提供了关键的空气过滤材料。这种材料的特点是:①过滤捕集的尘埃是超细微粒,粒径小于0.1μｍ;②过滤效率特别高,在800 ｈ风量下,对粒径0.1μｍ大小的尘埃过滤效率高达99.9995%以上;③阻力比较低,在800 ｈ风量下,空气流阻力不大于250Ｐａ;④抗水性能好,不仅能过滤常规空气,也能过滤含湿空气,抗水性不低于2500Ｐａ;⑤强度较高,挺度也很好。康定学[8]利用陶瓷纤维和玻璃纤维为主要原料制备陶瓷纤维纸,试验样品送重庆无线电专用设备厂做成过滤器,其规格是ＧＢ-01型(484 ×484 ×220 ),用钠焰法测得的过滤效率已达到99.998%(空气流阻力205.8Ｐａ,额定风量1000 ｈ,钠焰喷雾粒径≤0.5μｍ)。
2.2 高温烟气过滤
在现代工业生产过程中,高温气体净化技术的应用领域十分广泛,如高温煤气,石化和化工工业的高温反应气体,冶金工业高炉与转炉高温烟气,硅酸盐工业的高温烟气,锅炉、焚烧炉的高温废气等。
高温过滤材料是高温气体过滤除尘技术的核心由于工作温度高、气体腐蚀性强等特点,对高温气体除尘用过滤材料有很高的要求。过滤材料必须满足:①耐高温,耐化学腐蚀;②高的过滤精度和低的气流阻力;③过滤效率高,可再生性好;④抗热震性好,使用寿命长等要求。陶瓷纤维具有优良的热稳定性和化学稳定性,它的工作温度可高达1000℃以上,并且在氧化还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性。因此,陶瓷纤维在高温气体过滤方面具有独特的优势。德国Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ公司采用真空抽滤法,以ＳｉＣ和硅酸铝纤维为主要原料生产的Ｃｅｒａｆｉｌｌ2Ｈ10陶瓷纤维过滤材料,其孔隙率达90%,可在950℃下长期使用,其气流阻力仅为一般陶瓷过滤器的30%～50%。美国3Ｍ公司采用化学气相沉积法生产的ＣＶＩ-ＳｉＣ组合式陶瓷过滤元件,由ＳｉＣ层、碳纤维层及硅酸铝纤维组成[9～10],具有良好的过滤性能。
2.3 化工过滤
由于陶瓷纤维过滤器具有耐高温、耐有机溶剂和强酸碱腐蚀等特点,在化工生产中能充分发挥其特性,有着广泛的应用领域。其应用包括:①化工生产中在高温情况下溶液的过滤;②化工行业中各种强酸、强碱液体的过滤,如各种电解液处理、纯碱过滤、硫酸过滤等;③石油工业中含油废水的处理,柴油、汽油、航空煤油过滤等;④制药行业中各种药品的过滤和分离,如青霉素等过滤,以及医药中间体的过滤;⑤饮料、食品、酿造行业中的过滤除菌,如啤酒的酿造、纯净水的生产。李金成[11]报道了一种高耐酸陶瓷纸,主要成分为占总重量45%～95%的硅酸铝陶瓷纤维和5%～15%的有机结合剂,可以作为酸性溶液的过滤材料。
2.4 柴油机尾气微粒捕集
柴油发动机因热效率高,燃油消耗率低而广泛应用于国民生活中。然而柴油机微粒的排放量一般要比汽油机大几十倍,从而限制了柴油机的应用。如何有效控制柴油机的有害气体排放,一直是人们普遍关心的问题。陶瓷纤维过滤器具有高的使用温度,可以用于捕集柴油机尾气微粒。
陶瓷纤维毡比表面积大,过滤效率可高达95%。但是其强度低,容易损坏。ＮＨＫＳｐｒｉｎｇ公司发明了一种新型过滤材料,这种过滤体的单元由叠层金属纤维毡和氧化铝纤维毡组成。从进气口到出气口,叠层纤维毡的孔径越来越细,保证了微粒的均匀捕获,过滤效率可达80%～90%,同时还能起到消声器的作用[12]。
文献[13]报道了一种柴油机微粒捕集器。用特殊的缠绕技术将陶瓷纤维在一个有电阻的金属加热管上缠绕出菱形结构,加热管的一端开放,另一端封闭以阻止尾气流出,这样就可强制尾气穿过加热器进入陶瓷纤维,微粒被捕集在陶瓷纤维中,净化过的尾气可从陶瓷纤维中逸出。采用12Ｖ的直流电源10ｍｉｎ就可以再生完毕,过滤效率可达到65%～95%。
2.5 金属液过滤
在冶金工业中,铸件里的非金属夹杂物一直是铸造产品中遇到的最普遍的铸造缺陷之一。采用过滤器净化金属液可以降低60%～80%熔渣或夹杂物引起的废品率,改善成品的切削性能,提高其力学性能和表面质量。陶瓷纤维网使用方便,装配灵活,价格相对较低,但强度低,受热容易下垂,使用中需要多孔陶瓷作为支撑体[14]。
3 结语 陶瓷纤维最初是作为耐火保温材料而发展起来的。由于其纤细的形状,逐渐作为过滤材料而得到新的应用,陶瓷纤维过滤器依赖于陶瓷纤维的发展和应用。陶瓷纤维作为过滤器普遍强度较低,发展低成本高强度的连续纤维增强陶瓷纤维过滤器是今后的发展方向。陶瓷纤维过滤器由于其优良的特性将会在高温烟气过滤等方面发挥越来越重要的作用,具有脱硫、脱硝、烟气催化转化等功能的陶瓷纤维过滤材料将是热气体净化材料的发展方向。
