非织造布在液体过滤中的应用进展

2023-08-23栾一鸣李宇城李成才刘国金

产业用纺织品 2023年5期

王瑜栾一鸣赵洋李宇城李成才,3 于斌,4 刘国金

1. 浙江理工大学浙江省纤维材料和加工技术研究重点实验室, 浙江杭州 310018;2. 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室, 浙江杭州 310018;3. 国家先进印染技术创新中心,山东泰安 271000;4. 浙江省现代纺织技术创新中心(鉴湖实验室),浙江绍兴 312000

当前,化工、医药、食品、纺织、电子信息等行业在产品加工或生产时会不可避免地产生大量的含颗粒物废液,这会造成环境污染等问题。过滤是含颗粒物废液回用的重要途径。常用于分离杂质与液体的作用机制有机械拦截、吸附、滞留和重力沉降等。其中,机械拦截是利用滤材的微孔拦截比微孔孔径大的杂质颗粒,从而实现过滤效果的,其过滤前仅需考虑杂质颗粒及微孔的直径大小,具有操作简便、效率高等优势;吸附、滞留和重力沉降则分别利用分子引力、惯性力和重力使杂质颗粒被滤材吸附,从而达到过滤目的,且过滤体系内滤速、颗粒大小及滤液的黏性、压力等均会影响液体过滤的效果[1],因此存在诸多不确定性。近年来,基于机械拦截机制使颗粒物与液体分离的技术受到了研究者们的密切关注。

非织造布,又称无纺布、不织布,是指定向或随机排列的纤维通过摩擦、抱合、黏合或这些方法的组合而相互缠结制成的片状物、纤网或絮垫。与传统的滤纸及机织、针织过滤材料相比,非织造布不仅具有强度高、耐弯曲褶皱、孔隙率高、滤阻低等优点,还具有原料来源广、工艺种类多及生产成本低等特点。近年来,非织造布已广泛应用于各领域,如可用作储能器件的柔性导电基底,建筑工业用吸声隔热材料,口罩的抗菌层,以及液体过滤的过滤层等[2-4]。

非织造布独特的三维立体网状结构及多孔结构,增大了杂质被拦截、吸附的概率,已被广泛应用于废水、海水及血液等液体的过滤中。本文将简要介绍非织造布及其液体过滤机制,综述非织造布在液体粗滤、微滤及超滤等方面的应用现状和前景,以期为非织造布在液体过滤中的应用提供参考。

1 非织造布简介及其液体过滤机制

1.1 非织造布的分类

为了区分湿法工艺生产的非织造布和纸,规定原料成分中长径比大于300的纤维的质量分数在50%以上,或质量分数在30%以上且材料密度小于0.4 g/cm3的产品属非织造布,不符合的则为纸[5]。非织造布主要按照成网方法和加固方式分类。按成网方法可分为干法成网、湿法成网及聚合物挤压成网等;按加固方式可分为机械加固、化学黏合及热黏合等。

不同加工工艺制备的非织造布产品,其结构和性能各不相同。针刺法非织造布具有孔隙小、孔隙率高,以及过滤性能和力学性能优良等特点,主要适用于污水净化、油漆净化、高温含尘气体过滤等。水刺法非织造布具有强度高、手感柔软,以及悬垂性和透气性好等特点,但拉伸强力及弹性模量均较小,力学性能较差。纺黏法非织造布力学性能好、孔隙率高、容污量大,适用于冶金、煤炭、化工等领域的过滤。湿法非织造布蓬松度高且蓬松度易调节,适用于制备过滤纸或过滤袋等产品。静电纺丝法非织造布具有比表面积高及轻质、多孔等特性,主要用于制备空气过滤材料、吸附性过滤材料等产品。因此,实际应用中,应根据不同的要求选择合适的非织造布产品。

1.2 非织造布的液体过滤机制

过滤的目的是将分散相从连续载流相中分离出来,其一般分为深层过滤和表层过滤。深层过滤(图1)靠滤材内部比表面积较大的过滤介质捕集小颗粒实现过滤目的;表层过滤(图2)利用滤材表面捕集比滤材孔隙大的颗粒,并在滤材表面形成颗粒层即“滤饼”,实现表层筛分过滤作用[6]。

图1 深层过滤

图2 表层过滤

现实中,非织造布具有深层过滤和表层过滤的双重过滤效果。当载流体流经非织造布时,载流体所夹带的杂质颗粒会在拦截、惯性、扩散及沉降等因素作用下脱离载流体流线,向滤材表面靠近,并在物体间分子力及化学吸附力的作用下吸附到滤材表面或“滤饼”上,形成表层过滤;且由于滤材与杂质颗粒之间的黏合不牢固,部分被吸附的杂质颗粒会在载流体的冲击作用下剥落,并被带入下一过滤层重新被吸附、截留,形成深层过滤。

1.3 非织造布的制备方法

非织造布独特的三维立体网状结构及多孔结构,增加了杂质颗粒被拦截和吸附的概率,因此已被广泛应用于液体过滤领域。液体过滤用非织造布的成网方法主要有纺熔法、水刺法、针刺法、湿法及静电纺丝法等。

纺熔法是将纺黏法和熔喷法结合在一起的一种复合非织造技术,属熔体直接纺丝成网一步法工艺,其结合并充分利用了纺黏法和熔喷法各自的优势,并弥补了各自的不足。纺熔法非织造布以其成形工艺流程短、生产速度快、材料结构性能优异等特点而广泛应用于过滤领域[7]。

水刺法利用高压水流对纤网进行连续喷射,使纤维在水针的作用下运动、位移,并重新排列、相互缠结,从而使纤网得以加固并获得一定的物理、力学性能。水刺法非织造布手感柔软,并具有吸湿性、透气性及亲肤性好等特点,可与其他材料复合获得更好的过滤效果,用于液体过滤[8]。

针刺法是利用截面为三角形或其他形状且棱边带有钩刺的针,对蓬松的纤网进行反复针刺,使纤网压缩并得以加固的一种技术。随着刺针的刺入与回升,纤维会脱离钩刺并以近乎垂直的状态留在纤网内,犹如许多纤维束“销钉”钉入了纤网,使非织造布具有一定的厚度和强度,且结构稳定、孔隙率高、过滤阻力小、使用寿命长。

湿法以水作为介质。成网抄纸前,先加入大量的水,制成均匀分散的纤维悬浮液;然后,在成网抄纸过程中进行大量的脱水;最后,对所形成的纤维网状物进行物理或化学处理或后加工,制得湿法非织造布[9]。湿法非织造布的蓬松度高且蓬松度易调节,适用于各种液体的表层过滤。

静电纺丝法是利用喷丝头与接收装置之间产生的电场力将纺丝液滴拉伸成锥形,再在牵伸过程中使溶剂挥发,最后得到纳米纤维材料的。由于制备的纤维直径小、比表面积大,且材料具有孔隙率高等特性,因此静电法非织造布也适用于过滤领域[10]。

2 非织造布在液体过滤中的应用

非织造布在液体过滤中的应用已经渗透到工业、农业、国防等各方面,从航空煤油过滤到食品酒水过滤,从药液、血液过滤再到油田注水过滤,其重要性显而易见[11-13]。非织造布用作过滤介质的优势在于可以根据所需的孔径及孔径分布来安排纤维的配置,根据所涉及的过滤机制最大化过滤效率,因此非织造布被广泛应用于粗滤、微滤、超滤和纳滤中。非织造布在液体过滤中的作用归纳于表1。

表1 液体过滤分类及非织造布在液体过滤中的作用

2.1 粗滤

非织造布中细小又丰富的微米级孔隙对粒径大于10.00 μm的颗粒具有良好的截留、阻拦和吸附作用[14],如建筑土工布、过滤器滤芯[15-16]等。Xu等[17]对针刺法非织造土工布过滤粉质黏土进行了长期的渗透试验,发现:非织造土工布孔隙尺寸的影响在渗透初期较为明显,厚度在渗透后期的作用越来越重要。非织造土工布厚度越大、孔隙尺寸越小,则后期土工布中土壤滞留量越大,过滤性能越差。Chung等[18]研究了在水力停留时间为1 h的条件下,电化学氧化(EO)与非织造布过滤器协同减缓一体式膜生物反应器(MBR)中污染的情况,发现:在MBR周围安装非织造布过滤器,能预先过滤掉较大的杂质颗粒,减缓微滤膜上滤饼的形成速度;非织造布过滤器预过滤和EO清洗能减少MBR中的污染。

粗滤时,随着过滤时间的增加,非织造布孔隙不断被颗粒堵住,过滤效果持续下降。普通非织造布仅能过滤粒径在一定范围内的颗粒,不能有效过滤粒径小于10.00 μm或尺寸不一的颗粒,因此普通非织造布在高精密过滤中的应用具有局限性。

2.2 微滤

微滤主要指在一定的压力差作用下,基于孔隙直径(0.10～10.00 μm)进行筛分的一种过滤方法,其主要用于过滤悬浮固体、细菌[19]等。非织造布可通过与其他材料复合、改性,或作为微滤膜的支撑物,对液体进行微滤。

Xu等[20]采用湿法成网工艺将低熔点聚醚酯(LPET)纳米纤维均匀填充到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)非织造布中,再通过热压处理使部分纤维熔化,制得高通量、低压降、高截留量的纳米纤维微滤膜(图3)。该微滤膜对聚苯乙烯微球具有良好的截留能力,并具有较好的水渗透性能和抗污染性能,其透水性能优于LPET纳米纤维膜。熊晨[21]采用熔喷工艺将共聚酯类热熔胶成型为超细纤维网后,通过热轧工艺将超细纤维网与玻纤滤材复合,制得复合滤材。研究发现,该复合滤材不仅具有原始玻纤滤材的油水分离性能,还因复合滤材的层级结构获得了较高的保液能力,其在汽油环境中不会轻易脱胶开裂,使用寿命长。Kele等[22]以低密度聚乙烯包装收缩膜和腈纶等工业废弃物为原料,通过静电纺丝工艺,在聚丙烯(PP)非织造布支撑层上制备亲水纳米纤维微滤膜,并将其制作成膜组件,还利用废水进行了渗透和过滤试验,发现微滤膜的污染物去除率超过 95%。Ji等[23]首先将不同孔径的3层聚乙烯醇缩甲醛(PVFA)静电纺纳米纤维膜叠层得到了导水层,然后将疏水性PVFA纳米纤维膜通过热压处理与亲水性非织造布复合,构建了亲/疏水性非对称结构。所得复合膜力学性能得以增强,能在较高的压力下不发生形变和破裂,从而保证了过滤的稳定性和高效性。Song等[24]以聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)(PVDF-co-HFP)静电纺非织造纤维层为基膜,通过共价连接含氟硅烷(PFOCTS)以降低PVDF-co-HFP纤维的表面能,然后向改性的基膜中灌注全氟聚醚,使该膜在稳定的水包油乳液中具有选择性去除油的能力。研究发现,这种经PFOCTS改性的液体注入膜相比未改性的液体注入膜表现出更好的注入液稳定性、渗透选择性和更高的渗透通量,相比无液体注入的裸膜表现出更好的抗污染性能。

图3 纳米纤维微滤膜的制备

对非织造布进行改性或复合可以提高其过滤性能。微滤时,改性非织造布中的纤维发挥过滤作用,颗粒被截留或吸附在非织造布上;由微滤膜与非织造布复合的过滤材料,其中的膜与纤维共同发挥过滤作用,先非织造布截留较大颗粒,然后膜截留较小颗粒。

2.3 超滤

随着应用环境中杂质颗粒尺寸的减小,以及成分复杂程度的增加,普通、单一孔径的非织造布无法高效地完成较为精细的过滤。超滤是指在一定的压力差条件下,过滤直径为0.10～0.01 μm的杂质的一种分离技术,主要用于过滤大分子有机物[25]如蛋白质[26-27]、多肽[28]等。以非织造布为支撑体,通过涂层、自组装技术制得的复合超滤膜,在超滤领域的应用有望得到扩大。

Xie等[29]采用新型绿色溶剂制备了高性能聚氯乙烯(PVC)超滤膜(图4),并使用PET非织造布作为支撑层。研究发现,该膜具有膜孔小且孔径分布窄,表面孔隙率高,表面光滑,纯水渗透系数高等特点,其对海藻酸钠(SA)颗粒的截留率接近98%,通量恢复率达57%。Yuan等[30]采用层层自组装技术将芳纶纳米纤维(ANFs)自组装到非织造布上制备复合超滤膜。研究发现,表面沉积ANFs的表面组装非织造布,其亲水性和力学性能得以提高。且过滤试验表明,复合超滤膜能有效去除水体系中的纳米颗粒,其中当ANFs层数达到12时,粒径为10 nm的Au纳米颗粒可从原料液中去除,截留率超过90%。Saadat等[31]首次成功地利用市售的F127嵌段共聚物作为表面活性剂,通过诱导溶致液晶(LLC)聚合,制备了具有片层结构的两步温度响应超滤膜。试验结果表明,由于F127中聚乙烯氧化物结晶结构的熔融,超滤膜在35 ℃和50 ℃时表现出两步热响应性。此外,截留相对分子质量测试结果表明,当温度从常温升高到35 ℃和50 ℃时,超滤膜的孔径分别从34.6 nm变为45.7 nm和59.6 nm,孔径在温度的刺激下发生变化,这使得可通过高温条件提高膜的清洗效率,延长膜的使用寿命。Ding等[32]通过静电纺丝法制备了嵌入大量纳米颗粒的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维非织造布,其可作为纳米纤维复合薄膜的亲和基底,用于血液透析以去除肌酐。该亲和基底除了发挥支撑作用外,还能通过吸附作用将透析后的毒素过滤截留到透析液中,实现血液中毒素的过滤和清除,以及透析液中毒素的吸附。模拟透析结果显示,62.8%的肌酐、98%以上的牛血清白蛋白可被滤除。

图4 PVC超滤膜过滤过程示意

超滤时,非织造布主要作为支撑体,膜主要作为过滤介质,各自发挥作用。超滤膜单独使用时存在力学性能差、使用寿命短,以及难以循环使用等问题,而与非织造布复合后,超滤膜的力学性能得到有效提升,使用寿命得以延长,而非织造布也会发挥部分截留和吸附作用。

2.4 纳滤

可根据需要将非织造布与其他材料结合,利用不同材料的过滤性能形成优势互补,制备非织造复合材料,用于过滤精度更高的纳滤领域。纳滤主要用于过滤尺寸较小的如小分子有机物、染料[33]、重金属离子[34-35]等颗粒。

Shao等[36]采用纤维素制备了环境友好型纤维素基阳离子交换生物吸附剂,其对染料废水中的亚甲基蓝(MB)具有高吸附性。该吸附剂与玻璃纤维复合制成的非织造滤料可有效吸附废水中的MB,表现出优异的固液分离特性,较高的滤水速率及MB去除率。Li等[37]以亲水性聚乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)纳米纤维膜为中间支撑层,制备了纳滤用薄膜复合(TFC)膜。研究发现:非织造布支撑层数和纳米纤维的面密度影响TFC膜的交联度、形貌、亲水性和粗糙度;对于NaCl、Na2SO4、CaCl2、CuCl2、CuSO4和甲基橙溶液,TFC膜的截留率分别达87.9%、93.4%、92.0%、93.1%、95.8%和100.0%,该膜对大部分金属离子具有较好的截留率。

Xu等[38]采用牛血清白蛋白(BSA)、羧甲基壳聚糖(CMCS)及银纳米颗粒(AgNPs)改进海藻酸钙(CaAlg)膜。研究发现:与原CaAlg膜相比,BSA/CMCS/AgNPs/CaAlg复合膜的过滤通量有所提高,对染料分子的去除率高达99.5%,对盐离子的去除率低至8.9%,其选择性达到182.2,是原CaAlg膜的2.2倍。再引入黏胶纤维/聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(VF-PET)非织造布作为支撑层,进一步提高复合膜的过滤通量和力学性能,发现VF-PET/BSA/CMCS/AgNPs/CaAlg复合膜对染料分子和盐离子的去除率均表现出色。Li等[39]在界面聚合的过程中,通过在聚酰胺层中引入羧基化氧化石墨烯(cGO),对聚哌嗪酰胺复合纳滤膜进行改性。研究发现:与原始纳滤膜相比,添加cGO后纳滤膜的表面亲水性、水渗透性、盐截留率和抗污染性能等均有所提升;当cGO质量分数为0.01%时,改性纳滤膜对MgSO4的截留率高达99.2%,同时改性纳滤膜在0.7 MPa压力下的水通量达81.6 L/(m2·h),提高明显。张丽[40]采用邻苯二酚/聚乙烯亚胺共沉积对聚丙烯非织造布进行亲水改性,制备了微米孔道亲水改性聚丙烯微滤膜,再以该微滤膜为基膜,在水相中添加表面活性剂十二烷基硫酸钠,制备具有典型纳滤膜结构和特征的聚酰胺复合纳滤膜。研究发现:加入表面活性剂后,在低的单体浓度下制备的复合膜表面聚酰胺层覆盖度增加,复合膜对牛血清白蛋白的截留率超过95%;增大单体浓度,复合膜表面聚酰胺功能层变得更加完整,且超薄、致密,复合膜的通量降低,截留率提高。

在高精密过滤中,非织造布几乎不单独使用。在纳滤中,非织造布主要作为支撑体,膜作为过滤介质。非织造布的存在使膜的力学性能、截留率、通量等均有所提升,但其不作为过滤材料的主体,膜起主要的过滤作用。这种复合膜材料现已广泛应用于海水净化、血液透析等精密过滤中。