聚丙烯中空纖維膜氣體除塵性能

黃益平，張春堯，耿洪鑫，徐義明，王娟，趙雅靜，李英棟，李憑力

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聚丙烯中空纖維膜氣體除塵性能

黃益平1，張春堯2,3，耿洪鑫2，徐義明1，王娟2,3，趙雅靜2,3，李英棟2,3，李憑力2,3

（1中建安裝工程有限公司，江蘇南京210046；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；3天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

以氣體除塵為研究背景，采用平均孔徑為0.22 μm的聚丙烯（PP）中空纖維膜為過濾介質(zhì)，考察了粉塵濃度、過濾氣體流速、膜組件裝填率、膜壁厚對膜組件除塵性能的影響。結(jié)果表明，氣體通量隨粉塵濃度變化較小，除塵率隨粉塵濃度增大而提高、隨過濾氣體流速增加而減??；氣體通量和除塵率均隨膜壁厚增大有所增加，并隨裝填率增加而減小。PP中空纖維膜用于氣體除塵其除塵率高達(dá)99.9%以上，其中對0.3 μm以上粉塵的截留率均可達(dá)到100%，對0.3 μm以下粉塵的除塵率可達(dá)99%。

膜；塵埃；氣體；聚丙烯；除塵率；PM2.5

引 言

近年來，我國的空氣污染越來越嚴(yán)重[1-2]，空氣中的可吸入顆粒物特別是細(xì)顆粒物，是其中最為嚴(yán)重的污染物，它所引起的霧霾對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活產(chǎn)生了重大影響，因此空氣質(zhì)量受到了越來越廣泛的關(guān)注。PM2.5是衡量空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含義是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于2.5 μm的可吸入顆粒，其主要成分是大氣氣溶膠、水溶性有機(jī)化合物（WSOC）、揮發(fā)性有機(jī)化合物(SVOC)、顆粒物等物質(zhì)，其中顆粒物含量最高[3-6]。PM2.5及其提取物進(jìn)入人體可引發(fā)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等多種疾病[7-10]。Zhang等[11]的研究顯示PM2.5中含有很多金屬污染物，如鉛、鋅、銅、鎘、鉻等，嚴(yán)重影響人體健康。Happo等[12]的研究結(jié)果也顯示環(huán)境空氣顆粒物（PM）以及室內(nèi)空氣中的微生物污染會(huì)對人體健康產(chǎn)生惡劣的影響，不僅容易引發(fā)炎癥和細(xì)胞毒性，還呈現(xiàn)出季節(jié)性變化的規(guī)律。2012年我國頒布了GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]，根據(jù)這一規(guī)定，PM2.5年平均一級濃度為15 μg·m-3，年平均二級濃度為35 μg·m-3，該標(biāo)準(zhǔn)自2016年1月1日起在全國實(shí)施。因此，需要大力發(fā)展空氣污染防治技術(shù)來降低可吸入顆粒物濃度，改善空氣質(zhì)量，減小有害微粒對人類健康的影響。

目前為止，市場上常見的吸附、過濾、吸收等空氣凈化技術(shù)主要依靠活性纖維、石棉等脫除空氣中的細(xì)微粒子，但這些技術(shù)難以有效去除粒徑為0.1～2.0 μm的顆粒物，而且過濾或吸附材料容易達(dá)到吸附飽和，需要及時(shí)更換，因此成本較高，難以普及[14-16]。生產(chǎn)上常用的旋風(fēng)分離器也存在除塵效率不高且對小粒徑微粒捕集率不高的缺點(diǎn)；靜電除塵器雖然除塵效率相對較高，但是對安裝和管理技術(shù)要求很高，而且除塵效率受氣體溫度和濕度等操作條件影響很大[17-21]。與這些技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有過濾效果好、設(shè)備簡單、壓降小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，使其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其中有機(jī)膜分離可脫出空氣中的氣溶膠、細(xì)菌等固態(tài)顆粒物，還具有良好的微生物穩(wěn)定性，在食品、藥品行業(yè)以及氣體除塵領(lǐng)域顯示出極大的優(yōu)越性[16-17,22-23]。

本工作主要研究常溫下聚丙烯（PP）中空纖維膜的氣體除塵性能，考察其對于空氣中的可吸入顆粒物（主要是PM2.5和PM10顆粒）的去除能力，并以石粉為模擬粉塵考察過濾操作中流速條件以及裝填率、膜絲內(nèi)外徑尺寸等膜組件參數(shù)對膜滲透性能的影響，為PP中空纖維膜在氣體除塵領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的PP中空纖維膜采用本實(shí)驗(yàn)室利用熱致相法制備的PP中空纖維膜[24]，孔隙率和平均孔徑由孔隙度儀(庫爾特氣孔計(jì)Ⅱ)測得。所制作的膜組件參數(shù)見表1。

表1 膜組件參數(shù)

1.2 粉塵性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所選用粉塵為石粉，粉塵的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。利用BT-2003型激光粒度分布儀測定粒度分布，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，粉塵中粒徑為2.412 μm，粉塵中0.3 μm以下顆粒含量為1.8%、2.5 μm以下顆粒含量為50.8%。實(shí)驗(yàn)開始前，將粉塵于100℃干燥箱中干燥12 h，備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，PP中空纖維膜氣固分離裝置采用終端過濾模式。過濾操作開始時(shí)，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣穩(wěn)壓罐?？諝夥€(wěn)壓罐內(nèi)氣體達(dá)到一定壓力后，打開閥門，使空氣通過穩(wěn)壓閥進(jìn)入粉塵罐底部。攜帶粉塵的空氣經(jīng)過粉塵測量儀檢測，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量、U形管壓差計(jì)測量進(jìn)氣壓力后，進(jìn)入PP中空纖維膜組件進(jìn)行過濾。過濾后的滲透側(cè)氣體經(jīng)U形管壓差計(jì)測量出口氣體壓力、轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量后，經(jīng)粉塵測量儀檢測含塵量，最后進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑分布對PP中空纖維膜除塵效果的影響

在28℃、空氣濕度為50.1% RH時(shí)考察了組件對粉塵的過濾效果。本實(shí)驗(yàn)除塵率采用分級除塵率計(jì)算，按粒徑分為3個(gè)級別：0.3 μm以下、0.3～2.5μm和2.5 μm以上。

=(1-2)/1(1)

式中，為過濾效率，1、2分別為過濾器進(jìn)、出口氣流含塵濃度(mg·m-3)。

以各粒徑的分級效率表示

=11+22+…+ηn(2)

式中，1～η代表各粒徑的分級效率，以小數(shù)表示；1～n代表各粒徑微粒含量占全體微粒的比例，以小數(shù)表示。

實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，除塵率在10～30 min之內(nèi)不穩(wěn)定，在40 min之后趨于穩(wěn)定；組件對0.3 μm以上的粉塵全部截流，分級除塵率為100%，0.3 μm以下的微粒仍有很高的過濾效果，這使得總除塵率高達(dá)99.64%以上。這是因?yàn)闊嶂孪喾ㄋ频玫闹锌绽w維膜的孔徑分布比較均勻[24-25]，而且膜性能穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)研究所有組件對0.3 μm以上的粉塵全部截流，所以以下涉及的氣體除塵率均為0.3 μm以下的分級氣體除塵率。

2.2 粉塵濃度對PP中空纖維膜除塵率及氣體通量的影響

在28℃、空氣濕度為35.4% RH時(shí)考察了不同粉塵濃度對膜組件除塵率的影響。流量為200 L·h-1的條件下采用膜組件為組件3，具體參數(shù)見表1，考察了不同粉塵濃度對膜組件除塵率的影響，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯龀龎m率隨時(shí)間變化的關(guān)系與圖4相似，隨粉塵濃度增大除塵效果有明顯上升，而氣體通量隨時(shí)間無明顯變化。這是因?yàn)槟み^濾主要作用屬于表面過濾[26-27]，從電鏡照片（圖6）可以看出粉塵粒子幾乎不能進(jìn)入膜孔而堵塞通道，膜的表面非常光滑、摩擦系數(shù)小、沒有纖維絨毛，當(dāng)形成較厚的粉塵層時(shí)因受質(zhì)量影響而脫落，確保了其透氣量和過濾的效果。而當(dāng)顆粒粒徑小于1 mm時(shí)，顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[28]，此時(shí)黏性力將超過重力成為主導(dǎo)顆粒運(yùn)動(dòng)的主要作用力。顆粒在van der Waals力等力的作用下運(yùn)動(dòng)碰撞，會(huì)發(fā)生凝聚現(xiàn)象，而粉塵濃度的增加會(huì)提高顆粒密度，增大碰撞機(jī)會(huì)，因此除塵率增大。

2.3 氣體流速對PP中空纖維膜除塵率的影響

在28℃、空氣濕度為34.7% RH時(shí)考察了相同組件在氣體流速不同情況下對膜組件除塵率的影響，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯龀龎m率隨時(shí)間變化的關(guān)系與圖4相似，而且3個(gè)組件在組件相同的情況下流速增大過濾效果下降。這主要是由于，流速增大，顆粒的撞擊力度增大，更容易發(fā)生彈性碰撞。相反，流速小，發(fā)生非彈性碰撞的概率大，顆粒更容易團(tuán)聚，當(dāng)顆粒因團(tuán)聚形成大顆粒物時(shí)更易去除，因此氣體流速的增加降低了組件的除塵效果。

2.4 膜壁厚對PP中空纖維膜除塵率及氣體通量的影響

在28℃、空氣濕度為34.4% RH時(shí)考察了不同內(nèi)外徑尺寸的PP中空纖維膜膜絲在相同裝填率下對膜組件除塵率及氣體通量的影響，結(jié)果如圖8所示。由圖可知除塵率和氣體通量與時(shí)間的關(guān)系與圖5相似，在200、300、400 L·h-1時(shí)組件1的除塵率以及氣體通量均低于組件3，由此可以看出內(nèi)徑相同、外徑不同、膜壁越厚的膜絲過濾效果更好且氣體通量更大。這主要是因?yàn)?，膜壁越厚，支撐作用越大，抗壓力越?qiáng)，在相同流速下顆粒被攔截的可能性更高。

膜壁厚增加，在相同流速下改變了膜組件的壓力降，利用Hagen-Poiseuille方程[29]描述通過這些孔的體積通量，假設(shè)所有孔徑相同，則

由圖9可以看出，隨著流量的增加，阻力降Δ明顯增大，而且壁厚不同的組件1與組件3之間的壓力降差別較大，根據(jù)Hagen-Poiseuille方程計(jì)算結(jié)果可知膜壁較厚的組件3的氣體通量大于組件1的氣體通量，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

2.5 裝填率對除塵率及氣體通量的影響

在28℃、空氣濕度為34.4% RH時(shí)考察了膜絲內(nèi)外徑相同、組件裝填率不同對除塵效率以及氣體通量的影響，結(jié)果如圖10所示，圖中除塵率和氣體通量與時(shí)間的關(guān)系與圖5相似。由圖可知，在200、300、400 L·h-1時(shí)裝填率高的組件其除塵效率以及氣體通量反而低。這是由于，裝填率增大，膜的比表面積和有效膜面積都增大，粉塵顆?？蛇x擇膜孔通道增多，最大孔的孔徑通道增多，更易通過膜孔進(jìn)入組件殼層。而由于膜絲根數(shù)的增加，氣體通過膜絲的阻力增大，有效膜面積增大，所以氣體通量減小。

2.6 過濾壓力降與時(shí)間的關(guān)系

在28℃、空氣濕度為44.2% RH時(shí)，在進(jìn)氣流量為400 L·h-1的條件下考察組件2的壓力降與時(shí)間的關(guān)系，如圖11所示?？梢钥闯鰤毫惦S時(shí)間的變化較小。壓力降主要是因?yàn)槟?nèi)阻力產(chǎn)生，由圖可以看出壓力降隨過濾時(shí)間延長緩慢上升，這說明過濾時(shí)進(jìn)入膜孔內(nèi)通道的微粒較少。

2.7 氣體的進(jìn)氣速度與壓力降的關(guān)系

含塵氣體膜過濾時(shí)，過濾的氣速越高，膜兩側(cè)所需要的工作壓力越大，因此考察工作壓力與流量的關(guān)系可以預(yù)測不同過濾氣速所需的工作壓力。利用組件3進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，工作壓力與過濾氣速的關(guān)系如圖12（a）所示，壓力降與過濾氣速之間的關(guān)系如圖12（b）所示。工作壓力與氣速之間的回歸公式為：=176.46+176.46，=0.99。壓力降與氣速之間的回歸公式為：D=149.5+52.29，=0.98。由此可以看出，膜過濾裝置運(yùn)行時(shí)工作壓力與過濾氣速的關(guān)系滿足達(dá)西定律，即線性滲透定律。隨著膜過濾時(shí)工作壓力的增加，氣體通過膜體時(shí)的流量呈直線上升。

3 結(jié) 論

（1）膜組件對0.3 μm以上的粉塵全部截流，除塵率為100%，對0.3 μm以下的微粒仍有很高的過濾效果，這使得初始總氣體除塵率高達(dá)99.64%以上。

（2）氣體通量隨粉塵濃度增大無明顯變化；隨著膜壁厚度的增加，氣體通量增大；隨著裝填率的增大，氣體通量反而降低。

（3）除塵效果隨粉塵濃度增大而明顯上升；在組件相同的情況下，流速增大，除塵效果下降；隨著膜壁厚度的增加，除塵效率增大；裝填率高的組件，其除塵效率反而低。

（4）進(jìn)氣流量為400 L·h-1的條件下，阻力降隨時(shí)間的變化較小，隨過濾時(shí)間延長而緩慢上升；膜過濾裝置運(yùn)行時(shí)，工作壓力與過濾氣速的關(guān)系滿足達(dá)西定律，即線性滲透定律。隨著膜過濾時(shí)工作壓力的增加，氣體通過膜體時(shí)的流量呈直線上升。

符 號(hào) 說 明

J——?dú)怏w通量，m3·m-2·h-1 JM1, JM2, JM3——分別為膜組件1、2、3的氣體通量，m3·m-2·h-1 N1, N2——分別為過濾器進(jìn)、出口氣流含塵濃度，mg·m-3 n1, n2,…, nn——各粒徑微粒含量占全體微粒的比例 p——工作壓力，Pa Dp——壓力降，Pa U——?dú)怏w流速，m·s-1或L·h-1 η——?dú)怏w除塵率，% ηM1, ηM2, ηM3——分別為膜組件1、2、3的氣體除塵率，% η1, η2,…,ηn——各粒徑分級效率

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Performance of polypropylene hollow fiber membrane module for dust removal

HUANG Yiping1, ZHANG Chunyao2,3, GENG Hongxin2, XU Yiming1, WANG Juan2,3, ZHAO Yajing2,3, LI Yingdong2,3, LI Pingli2,3

(1Building Installation Engineering Co., Ltd. Technology Center, Nanjing 210046, Jiangsu, China;2School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Seawater Desalination Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Poly propylene (PP) hollow fiber membrane with an average pore size of 0.22 μm was used to purify the dusty gas. Effects of operating conditions such as dust concentration, gas flow rate, the filling ratio of membrane module, membrane thickness on the performances ofmembrane module dust removal were investigated systematically. The results showed that membrane permeability had no obvious change with the concentration of dust in the gas, while rejection coefficient of dust removal increased with an increase in dust concentration, and decreased with an increase in gas flow rate. Both the membrane permeability and rejection coefficient increased with increase in membrane thickness, and decreased with the increase in filling ratio. The rejection coefficient of PP membrane could reach up to 99.9%. When the size of dust is above 0.3 μm, the rejection coefficient could reach 100%, and when it is below 0.3 μm, the rejection coefficient could also reach 99%.

membranes; dust; gas; polypropylene; particle rejection efficiency; PM2.5

2016-03-01.

10.11949/j.issn.0438-1157.20160225

TQ 028.8

A

0438—1157（2016）10—4231—09

2016-03-01收到初稿，2016-06-21收到修改稿。

聯(lián)系人：李英棟。第一作者：黃益平（1985—），男，博士。

LI Yingdong, yingdong.li@tju.edu.cn