超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理_刘峰.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Application of ultra-thin ePTFE nanofibrous membranes in high-efficient removal of PM2.5Feng LIU,Hongmiao WU*,Shengui JU,Zhaoxiang ZHONG,Weihong XINGState Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,Membrane Science and Technology Research Center,Nanjing Tech University,Nanjing,Jiangsu 210009,ChinaAbstract:Recently,expanded polytetrafluoroethylene(ePTFE)nanofibrous membranes have received extensive attention in the treatment of fine particulate matter(PM2.5).But until now,the influence of membrane structure on the PM2.5 filtration process is still under-investigated.And the application of ultra-thin ePTFE nanofibrous membrane in the treatment of PM2.5 of medium-high concentration has received little report yet.Therefore,three kinds of ultra-thin ePTFE nanofibrous membranes with particle/membrane size ratio(dP/dm)ranging from 0.86 to 4.46 and membrane thickness 1 m were chosen to examine the PM2.5 filtration performance at medium to high concentration(2001000 mg/m3).All the three membranes showed high PM2.5 filtration efficiencies(99.5%)and low initial pressure drop(30130 Pa)benefit from the ultra-thin few-layered crosslinked-network-like structures.In addition,the surfaces of ePTFE menbranes were smooth with roughness commonly less than 1 m,which reduced the adhesion of the cake layer and hence made it prone to fall off.As a result,the membrane exhibited good regeneration performance in a 4-cycle regeneration experiment.From the comparison of the three nanofibrous ePTFE membranes,it showed the one with the lowest dP/dm ratio(0.86)provided the lowest filtration pressure drop(30 Pa)as well as excellent filtration efficiency(99.93%)and good regeneration performance.But further increasing the membrane pore size may lead to more serious pore-plugging and lower filtration efficiency which had fatal impacts on the PM2.5 filtration performance.In summary,the ultra-thin ePTFE nanofibrous membrane exhibited superior comprehensive performance in filtration of PM2.5 at medium to high concentration which showed a broad application prospects in air purification.Key words:ePTFE;ultra-thin;nanofibrous membrane;PM2.5 Clean airPM2.5Polluted airPollutantsUltra-thin ePTFE nanofibrous membranes for high-efficient removal of PM2.5 Ultra-thinePTFE nanofibrous membranesLow filtrationresistanceHigh filtration efficiencyExcellent RegenerationAir flow研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222082收稿：2022-03-15，修回：2022-04-12，网络发表：2022-05-24；Received:2022-03-15,Revised:2022-04-12,Published online:2022-05-24基金项目：国家重点研发计划(编号：2018YFE0203500)；国家自然科学基金资助项目(编号：21878148)；江苏省重点研发计划-竞争项目(编号：BE2019117)作者简介：刘峰，硕士研究生，化学工程专业，E-mail:；通讯联系人，吴宏描，讲师，从事新型有机膜的开发与应用的研究，E-mail:引用格式引用格式：刘峰,吴宏描,居沈贵,等.超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理.过程工程学报,2023,23(2):280290.Liu F,Wu H M,Ju S G,et al.Application of ultra-thin ePTFE nanofibrous membranes in high-efficient removal of PM2.5(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):280290,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222082.第 2 期刘峰等：超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理刘 峰，吴宏描*，居沈贵，仲兆祥，邢卫红南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，膜科学技术研究所，江苏 南京 210009摘要：针对中高浓度PM2.5的高效过滤问题，选取颗粒粒径与膜孔径比值(dP/dm)范围为0.864.46，厚度小于等于1 m的三种不同结构的超薄ePTFE纳米纤维膜展开应用性能研究。考察了过滤速度、PM2.5浓度和膜结构对过滤性能的影响以及膜的再生性能。得益于纳米纤维堆叠的网状结构，在过滤速度为1.24.8 m/min，进口浓度为2001000 mg/m3的范围内，三种超薄ePTFE纳米纤维膜均能实现PM2.5的高效截留(99.5%)，其稳定压降和压降增长速度均随过滤风速和进口PM2.5浓度增加而增加，但初始压降和出口浓度仅随过滤风速增加而增加，与进口浓度关系不大。超薄ePTFE纳米纤维膜层数少、过滤阻力低(130 Pa)且膜表面光滑(表面粗糙度小于1 m)，降低了滤饼与膜表面附着力，使滤饼易于脱落，在4次循环实验中展现出良好的再生性能。横向对比结果显示，dP/dm为0.86，膜厚度为0.5 m的超薄ePTFE纳米纤维膜兼具最低的过滤压降(30 Pa)、良好的过滤效率(99.93%)及再生性能好的优势，在中高浓度PM2.5空气净化领域表现出较好的应用前景。关键词：ePTFE；超薄；纳米纤维膜；PM2.5中图分类号：TB383.1；TQ051.893；X513 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020280111 前 言 以雾霾为表现特征的颗粒物污染是我国大气环境的一个主要问题。细颗粒物PM2.5是其主要污染源之一，成分复杂，对人类健康危害性大1-3。由于其粒径小、不易沉降且穿透性强，治理难度较大。在各种治理手段中，过滤技术因其能耗低、操作方便、应用范围广等优势受到人们的关注4,5。过滤材料的结构和性能是决定过滤效果的关键。聚四氟乙烯(PTFE)具有稳定性好、耐腐蚀、耐高温及表面能低的特点，是一种理想的过滤材料，近年来被广泛用于大气除尘领域6。PTFE经过挤出拉伸工艺可以制备出不同结构和性能的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)过滤器或ePTFE膜7。在低浓度含尘气体的治理方面，纳米纤维结构的ePTFE过滤材料具有低阻力和高捕集能力的特性，可以替代传统玻璃纤维作为高效空气过滤器(HEPA)8的介质。Zhang等9系统对比了ePTFE介质与玻璃纤维介质的HEPA过滤器的除尘性能，发现ePTFE介质具有更低的初始压降和更高的过滤效率，但随着粉尘负荷增加，性能衰减较快。Shim等10使用ePTFE膜和熔喷布作为复合介质制备了新型HEPA过滤器，与传统玻璃纤维介质相比使用寿命得到显著提升。另一方面，ePTFE膜因其良好的耐温耐腐蚀及耐磨特性，可以通过清灰操作去除滤饼，使滤材性能得到恢复，从而在高浓度工业尾气的除尘领域中也有良好的应用前景11。Park等12使用PTFE改性玻璃纤维布袋进行高浓度细粉尘的过滤，有效降低了过滤压降且在清灰重复使用测试中保持了较低的残余压降。Lin等13成功制备了ePTFE滤袋，机械性能和耐温性能良好，满足工业使用要求。Tang等14使用膜厚度为5 m的ePTFE复合膜材料对不同粒径颗粒物进行过滤实验，分析了过滤过程中的关键影响因素并提出了一种预测压降的经验模型。目前，虽然ePTFE膜在室内空气净化和工业除尘领域已经实现应用，但关于ePTFE纳米纤维膜结构对细颗粒物体系过滤过程的影响研究相对滞后。超薄ePTFE膜材料因具有孔隙率高、厚度薄的优势，可应用于口罩膜的制备，实现低浓度PM2.5的高效过滤15。但针对超薄ePTFE纳米纤维膜在中高浓度PM2.5过滤的应用研究报道较少。本工作选取了膜厚度小于PM2.5粒径的不同孔结构的超薄ePTFE膜，研究了不同过滤条件下其对PM2.5的过滤压降和过滤效率，分析了过滤过程的污染机理，考察了膜的再生性能，可为超薄ePTFE纳米纤维膜应用于PM2.5的治理提供理论基础和选型依据。2 实 验 2.1 材料与试剂ePTFE纳米纤维膜，支撑体为无纺布(无热压覆膜，江苏久朗高科技股份有限公司)，粉体二氧化硅(工业级，上海卜微应用材料技术有限公司)。2.2 装置与方法图1为粉尘过滤装置示意图，采用终端过滤方式。281过 程 工 程 学 报第 23 卷 使用固态气溶胶发生器(SAG-410/U，德国 TOPAS 公司)，经无油空压机(SLWY-300W/0.8，中国寿力)产生的压缩空气将粉尘不断分散在混合罐内部，调节气溶胶发生器进样转速，控制进样粉