静电微孔集尘材料

李广民，于文峰，李诗韵

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

静电微孔集尘材料

李广民，于文峰，李诗韵

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

在我们每天接触的环境中，灰尘几乎无处不在，无论是建筑工地肆意飞扬的尘土，还是在教室中擦黑板时飘落的粉笔灰，亦或是从窗户或天花板飘落的灰尘，都会对人们的生活造成一定程度的影响。基于此种背景，设计了静电微孔集尘材料，用来收集这些部位的粉尘。静电微孔集尘材料具有纤维来源广、易塑性好、吸附粉尘效果明显等优点，在家居集尘领域有很大的发展空间，将为大众提供一种低成本、高效率、方便易用的集尘产品，给人们的生活提供一片净土。

灰尘；增强纤维；节能减排；静电

1 项目的创新之处

项目的创新之处有以下4个：①选用纤维素作为原料，原材料成本低，来源广泛，易实现大规模生产；②利用高压水蒸汽的膨胀作用实现纤维素多孔疏松结构加工，不会产生额外的污染物，清洁环保；③应用静电增强工艺增强纤维产品的静电保持能力，长时间保持对灰尘的静电吸附效果，减少灰尘散出；④使用后的纤维产品经自然降解可转化为有机肥料，实现无害化处理，变废为宝。

2 项目的研究内容和研究目标

在日常生活中，人们接触最多的灰尘类型主要有以下几种：①以粉笔灰为代表的直径在7～10 μm的颗粒物；②直径在0.5～2.5 μm的可吸入颗粒物（PM2.5）；汽车尾气中的污染物烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾等）。为了能够高效吸收并锁住这些有害的灰尘颗粒，设计了多孔结构的纤维材料，并通过嵌入电极进行静电增强处理，以提高集尘效果。

为了保证纤维产品的集尘吸附效果，将纤维产品加工为多孔疏松结构，参考具有类似结构的活性炭加工工艺，选用物理活化法。先在密闭反应容器中将纤维素加热至熔融态，之后通过反应容器底部的管道向容器通入高温高压的水蒸气，发生以下3个作用过程：①开孔作用。高压气体与堵塞在闭孔中的游离无序碳及杂原子反应使闭孔打开，增大比表面积。②扩孔作用。由于炭表面杂质被清理后微晶结构裸露，活化气体与趋于活性条件下的碳原子发生反应，使孔壁氧化，孔隙加长、扩大。③生成新孔。活化气体与微晶结构中的边角或有缺陷的部分具有活性的碳原子发生反应，形成众多新的微孔，使纤维产品表面积进一步扩大。

因此，纤维产品获得了疏松多孔结构，在此环节中，可通过调节通入反应容器的水蒸气的压力及反应时间，产生开孔尺寸和密度不同的多孔纤维，以适应不同环境中的灰尘尺寸。现有的静电增强纤维除尘技术主要有静电袋式过滤器、棒帷电极电场增强袋滤器、中心电场袋式除尘器、混合式电袋除尘器等。综合上述几种技术的特点，选用混合式电袋除尘器。在含尘烟气通过静电除尘区时，大部分颗粒已经被去除，这种方式减轻了纤维滤材的负荷，延长了其使用寿命。

3 实施方案及技术路线

本纤维产品的加工过程主要包括多孔疏松结构处理和纤维静电增强处理及塑形。

3.1 多孔疏松结构处理

选用物理活化法处理纤维素，以使其形成疏松多孔结构。本设备主要包括作用容器和控制高温水蒸气进入的耐压阀门。反应容器外壁为高导热材料，吸收外部热量使纤维素变为熔融态；将高温高压水蒸气经设备底部耐压阀门通入，水蒸气体积膨胀，并经过开孔作用、扩孔作用和新孔生成作用，纤维产品被加工为多孔疏松结构。水蒸气冷却后凝结为液态水，可再次利用。泄压阀门是纤维素原料进入作用容器和加工成型后的产品取出作用容器的开口，同时，起到了限制作用容器内压强的作用，防止压力过大发生危险；可通过调节通入反应容器的水蒸气的压力及反应时间，产生开孔尺寸和密度不同的多孔纤维，以适应不同环境中的灰尘尺寸。

3.2 纤维静电增强处理及塑形

为了优化纤维产品的集尘效果，提高对细微灰尘的吸附效率，特别是对纤维产品进行静电增强处理。将柔性电极材料与纤维滤材交替排列镶嵌一体，由高压静电发生器产生静电荷并传导至电极材料，电极材料对静电荷具有良好的保持作用，能长期保持静电荷对细小灰尘的吸附作用。此外，疏松多孔的纤维将隔绝静电向外释放，防止静电对人体或其他设备造成危害。

4 项目研究的基础

电场风速和外加电压对除尘效率的影响较为明显。随着电场装置处理气体速度的减慢，其效率逐渐提升。在不同的电场风速下，电场装置的除尘效率随着外加电压的升高而提高。粒子的除尘效率随着电场风速的减慢而提升，与实验相符。效率随电场风速的减慢而提升的原因除了驱进速度的影响外，还存在一个沿气流方向的速度。随着电场风速的降低，使得粒子沿气流方向的分速度减小，延长了粒子通过荷电区和收尘区的时间，从而提升了粒子被捕集的概率。

对于特定的电场装置，虽然降低电场风速可以提高除尘效率，但风速降低会使静电集尘装置处理的风量减小，这会在一定程度上削弱静电集尘装置的整体净化能力。如果要在很低的电场风速下达到一定的风量，则必须加大静电集尘装置的尺寸，这会造成设备成本的提高以及使用上的不便，因此，电场装置的处理风速需要选适宜的取值。

5 项目可行性分析

据估算，可用于提取纤维素的秸秆质量可达1.5×108t，经高压蒸煮法提取到的纤维素估测可达0.45×108t，现已实现万吨级规模生产，纤维素产品价格约为500元/t，参考物理活化法制备活性炭的工艺成本，在千吨级规模生产情况下，设备成本及加工费用约为50元/t，静电增强处理及塑形加工费用约为50元/t，最终集尘纤维产品成本约为600元/t，仅相当于现有PP纤维成本的40%，且集尘效率可达90%以上，远超现有PP纤维50%以下的集尘效率。

实验测得多孔纤维产品密度约0.2～0.48 kg/m3，据此计算，仅由秸秆提取得到的纤维素便可以生产大约1.0×108m3的多孔纤维产品。如果完全发挥吸尘效果，能够吸收灰尘的体积约其自身体积的50%，即5.0×107m3的灰尘。

由于生产出的集尘纤维产品具有较好的耐高温特性，当温度达150℃可隔热数天，当温度达200℃可隔热数十小时，当温度超越220℃也能隔热数小时。因此，可广泛应用于常温环境中的集尘处理，产生良好的减排环保效益。完成集尘的纤维产品可以直接埋入地下，自然降解后融入土壤，其中的纤维素经微生物处理后将转化为有机肥料，也可利用其中的灰尘加工为建筑砖材，实现废物再利用。

〔编辑：张思楠〕

TU834.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.073

2095－6835（2017）23－0073－02