酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响.pdf

工业高温烟气常含有微量 而呈弱酸性在脱硝处理时氨逃逸会使其呈现波动性的微碱性对袋式除尘滤料形成酸碱交互腐蚀导致滤袋失效.为探究酸碱交互腐蚀作用对滤料过滤性能的影响对不同实验处理方法的芳纶滤料的机械性能、表面形貌、化学组成、过滤性能的测试结果进行了研究.结果表明:经 的 溶液和 的 溶液二次交互腐蚀经、纬向强力保持率分别为 断裂伸长保持率分别为 厚度升高了 面密度降低了 处理后纤维表面变得粗糙、有纵向凹槽和横向裂纹酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能造成破坏的本质原因是滤料中的酰胺基团被破坏使大分子链断裂且破坏程度随溶液中酸碱的质量分数及酸碱腐蚀顺序的改变而变化.关 键 词:滤料酸碱交互腐蚀力学性能红外光谱过滤性能中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):.:袋式除尘是控制工业粉尘尤其是微细颗粒物的有效手段过滤材料作为袋式除尘器的核心其 性能对袋式除尘器的过滤效率、能耗等有直接影响.袋式除尘器在使用过程中常遇到高温、高湿条件包括硫氧化物、氮氧化物、氨气等各种腐蚀性气体.当燃料中含有少量硫时燃烧会形成使烟气呈现弱酸性如果烟气配有脱硝系统喷入氨会有波动性微量逃逸致使烟气呈酸碱交互的氛围.滤袋在此烟气条件下使用时酸碱交互气氛及其过滤的颗粒物成分和表面附着物带有各种腐蚀性的物质使过滤材料在酸碱腐蚀的作用下其理化性能受到破坏.芳纶纤维是由美国杜邦公司于 年发明并首次商品化应用它是一种由芳香族聚酰胺大分子构成的纤维.主要有两大类:间位芳纶和对位芳纶.间位芳纶的突出特点是具有良好的耐热性、化学稳定性、机械性能、尺寸稳定性及较低的成本等优点因此被广泛应用于袋式除尘领域.李岱霖等利用溶液腐蚀法研究间位芳纶的耐酸腐蚀性能发现耐腐蚀性能受温度和酸度影响温度越高耐腐蚀临界酸度越低.唐娜等对 缝纫线进行耐酸碱实验发现纤维大分子链中的酰胺键发生水解反应是造成缝纫线失效的本质原因.目前研究酸碱对过滤材料的影响主要以单纯的酸或单纯的碱来处理滤料测试酸或碱单因素的影响程度.东北大学滤料检测中心多年的现场滤袋检测实践与案例表明现场实际条件下酸性物质和碱性物质可能会作用于同一条滤袋上与单纯的酸碱溶液腐蚀滤料不同酸碱交互腐蚀与现场实际条件更为相近影响因素更复杂除浓度和时间外交互顺序对滤料性能影响也较为明显.本文以某企业生产的芳纶滤料为研究对象进行酸碱交互腐蚀实验来研究其在不同浓度的硫酸、氢氧化钠溶液及不同交替顺序条件下对该滤料的理化性能进行测试分析探究酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响.实验部分 样品与材料制备)实验选取的滤料为芳纶针刺毡基本性能参数如表 所示.按照实验所需尺寸裁剪 组试样并对每组试样进行编号如表 所示.每组试样包括:直径 圆片滤料 片 的经、纬向样品各 条.)溶液配置:分别配置质量分数为 的氢氧化钠溶液和质量分数为 的硫酸溶液置于容器中备用.表 过滤材料基本性能参数 面密度 厚度透气率 经向断裂强力/纬向断裂强力/表 酸碱交互腐蚀处理过程 试样一次交互二次交互 不经任何处理作为对照组 实验装置与滤料处理过程 滤料性能测试实验装置酸碱腐蚀机理对芳纶滤料分子造成破坏进而使其理化性质衰变实验主要是从芳纶滤料的机械性能、化学键变化、微观形貌、过滤效率和过滤阻力几个参量来探究酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响.)机械性能测试:以拉伸断裂强力、拉伸断裂伸长率、断裂强力保持率、断裂伸长率保持率作为评价机械性能的指标断裂强力保持率和断裂伸长率保持率的计算方法如式()、式()所示.使用防护滤料强力仪对 组试样经向和纬向进行拉伸强力测试.断裂强力保持率 酸碱交互处理后滤料拉伸断裂强力未经酸碱交互处理的滤料拉伸断裂强力()断裂伸长率保持率 酸碱交互处理后滤料拉伸断裂伸长率未经酸碱交互处理的滤料拉伸断裂伸长率.()红外光谱分析:红外光谱是研究高聚物的结构及其化学性质最常用的方法之一使用傅里叶红外光谱仪对滤料内部基团的变化进行测试并分析.第 期 柳静献等:酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响)表面形貌分析:为了研究酸碱交互腐蚀对芳纶滤料表面形貌的影响采用 型场发射扫描电镜对处理前后芳纶滤料表面形貌进行观察.)过滤性能测试:图 为实验所用测试装置示意图以滤料对空气中颗粒物的过滤效率和不同风 速 下 的 阻 力 为 测 试 指 标 过 滤 面 积 为 采集颗粒物阈值尺寸为 通过流量计调节风量使用 压差仪在风速为 /时测量试样阻力使用 台 手持式激光粒子计数器在风速为/时测量进入、排出过滤器的不同粒径颗粒物在单位体积内的数量通过式()计算滤料的过滤效率:.()式中:为过滤效率为进入、排出过滤器的不 同 粒 径 颗 粒 物 在 单 位 体 积 内 的 数 量个/.压差仪 滤料固定夹具 过滤管路 手持式空气激光尘埃粒子计数器 气体转子流量计 真空泵 塑料软管.图 芳纶滤料过滤性能测试装置 酸碱交互腐蚀实验处理过程 组试样的酸碱交互处理过程见表.交互次数按芳纶滤料受到一次酸和一次碱腐蚀在 水浴温度下用酸溶液或碱溶液对芳纶滤料浸泡 处理后的试样经清水漂洗晾干后进行下一次处理并在最后一次处理后经清水漂洗晾干后进行测量.结果与分析 酸碱交互腐蚀对芳纶滤料机械性能的影响机械性能降低是滤料失效的主要因素 经 的 溶液和 的 溶液二次交 互 腐 蚀 经、纬 向 强 力 保 持 率 分 别 为 断裂伸长率、保持率分别为 .实验中 组试样的拉伸断裂强力和断裂强力保持率分别如图、图 所示.滤料两层纤维网层结构之间的加强基布的排列结构如图 所示.拉伸断裂伸长率和断裂伸长率保持率分别如图、图 所示.由图、图 可知随酸碱浓度的增加以及由先酸浸再碱浸变成先碱浸再酸浸芳纶滤料的拉伸断裂强力和断裂强力保持率总体呈下降趋势且滤料经向断裂强力保持率大于纬向.这是因为芳纶纤维大分子链中的酰胺键断裂降低了分子链的聚合度导致芳纶滤料的拉伸强度下降.图 芳纶滤料拉伸断裂强力 图 芳纶滤料断裂强力保持率 由图 可知滤料经向强力主要由加强基布提供纬向强力主要由两层纤维网层结构提供.基布经向纱线多于纬向纱线是导致经向断裂强力保持率大于纬向的主要原因.图 芳纶滤料加强基布(箭头方向为经向)由图、图 可知滤料纬向拉伸断裂伸长率东北大学学报(自然科学版)第 卷 大于经向这是因为经向纱线数量多于纬向导致经向最大断裂载荷对应的位移点小于纬向.随溶液中硫酸和氢氧化钠的质量分数增加及由先酸浸再碱浸变成先碱浸再酸浸滤料纬向的拉伸断裂伸长率和断裂伸长率保持率整体呈降低趋势说明滤料的脆性增加且滤料纬向的断裂伸长率保持率大于经向这是因为在硫酸和氢氧化钠溶液的交互腐蚀下改变了芳纶纤维内部理化性质降低了芳纶滤料抵抗拉伸形变的能力.图 芳纶滤料拉伸断裂伸长率.图 芳纶滤料断裂伸长率保持率 根据 组试样拉伸断裂强力的测量结果从硫酸、氢氧化钠的质量分数和腐蚀顺序 个因素对机械性能的影响进行分析.酸碱腐蚀顺序对滤料机械性能的影响图 为 的水浴条件下试样与只改变酸碱浸泡顺序的另一组对比经分析可知先碱浸后酸浸的试样比先酸浸后碱浸试样的拉伸断裂强力更小随硫酸、氢氧化钠的质量分数增加及腐蚀次数的增加腐蚀顺序不同对芳纶滤料机械性能影响越明显.图 不同酸碱浸泡顺序的拉伸断裂强力 ()经向()纬向.由于芳纶耐碱性比耐酸弱因此先碱浸比先酸浸对其断裂强力的影响更大.不同质量分数的硫酸和氢氧化钠溶液交互腐蚀对滤料机械性能的影响图 分别为 的水浴条件下试样与只改变溶液中硫酸和氢氧化钠的质量分数的另一组对比经分析可知随溶液中硫酸和氢氧化钠的质量分数增加芳纶滤料的拉伸断裂强力减小随交互次数的增加及由先酸浸变为先碱浸溶液中硫酸和氢氧化钠的质量分数对芳纶滤料机械性能的影响变大.第 期 柳静献等:酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响 图 不同酸碱质量分数的拉伸断裂强力 ()经向()纬向.酸碱交互腐蚀对芳纶滤料化学性能的影响图 分别为芳纶结构示意图和芳纶滤料在酸碱溶液中分子链断裂示意图.芳纶纤维是一种由芳香族聚酰胺大分子构成的纤维超过 的酰胺键直接附在两个芳基环上其分子结构式如图 所示.从硫酸、氢氧化钠的质量分数及腐蚀顺序分析酸碱交互腐蚀对滤料化学性能的影响滤料在氢氧化钠溶液和硫酸溶液中分子链被破坏的示意图如图 图 所示.由示意图可知芳纶滤料在酸碱溶液中反应分子链的聚合度降低.由反应式可知滤料在硫酸溶液中的反应产物在氢氧化钠溶液中还可以进一步反应生成 聚合物在碱性物质中生成的易溶于碱性溶液中聚合物在酸性物质的产物 较稳定与纤维黏附在一起从而与一部分碱反应这也使得先受到碱腐蚀比先受到酸腐蚀对滤料的破坏严重从而酸碱交互对滤料的腐蚀有一定促进作用.图 芳纶滤料在氢氧化钠和硫酸溶液中分子链断裂示意图 ()芳纶结构式()芳纶与氢氧化钠溶液的反应方程式()芳纶与硫酸溶液的反应方程式.图 为 组试样面层和基布的红外光谱图从硫酸、氢氧化钠的质量分数和腐蚀顺序 个因素对化学组成的影响进行分析.不同质量分数的硫酸与氢氧化钠溶液交互腐蚀对滤料化学组成的影响对图 中 的面层和基布的红外光谱进行分析可知随硫酸和氢氧化钠质量分数的增加 附近的 键的伸缩振动峰的强度增强 之间的 伸缩振动峰减弱 和 附近苯环的的伸缩振动峰减弱说明芳纶滤料内部被破坏且破坏程度随硫酸和氢氧化钠质量分数的增加而变大.由图 和图 可知芳纶滤料在硫酸和氢氧化钠溶液中酰胺基中 键在反应中被破坏 键增加.酸碱腐蚀顺序对芳纶滤料化学组成的影响对图 中 的面层和基布的红外光谱进行分析可知当溶液中硫酸和氢氧化钠的质量分数不变时先碱浸后酸浸的试样与处理顺序相反的试样相比 附近的 键的伸缩振动峰的强度增强.由图 面层和基布红外光谱可知酸碱腐蚀顺序不同对面层影响更大.酸碱交互腐蚀对芳纶纤维表面形貌的影响酸碱交互腐蚀对芳纶滤料表面形貌影响如图 所示.未处理试样表面形貌如图 所示酸碱交互腐蚀后滤料表面形貌如图 所示.处理前滤料纤维表面非常圆整光滑经不同程度腐蚀后纤维表面形貌均发生显著变化.经过 和 一次交互腐蚀后纤维表面部分表皮脱落有浅窄凹槽出现(图)当改变酸碱腐蚀顺序后纤维表面比较粗糙且本体结构部分被破坏说明纤维损伤较大(图)和 二次交互腐蚀后纤维纵向出现一些清晰可见的凹槽且部分凹槽较大(图)改变酸碱腐蚀顺序后纤维表面结构大部分被破坏且纤维出现大量横向裂纹说明纤维损伤严重(图).由图 可知酸碱交互腐蚀对纤维腐蚀的程度随交互次数及腐蚀时间的增加而增加东北大学学报(自然科学版)第 卷 且先碱浸后酸浸对试样表面形貌的影响大于先酸浸后碱浸.图 腐蚀前、后芳纶滤料的红外光谱 ()面层()基布.图 酸碱交互腐蚀对芳纶滤料表面形貌影响 ()()()()().酸碱交互腐蚀对滤料过滤性能和过滤阻力的影响 图 为 组试样的过滤效率通过对试样 进行比较可知随硫酸和氢氧化钠质量分数的增加滤料对空气中颗粒物的过滤效率逐渐降低通过对试样 进行比较可知先在氢氧化钠溶液中浸泡后再在硫酸溶液中浸泡的试样比处理顺序相反试样的过滤效率下降更多.图 为 组试样的过滤阻力曲线.结果表明随风速升高过滤阻力呈递增趋势通过对试样 进行比较可知随硫酸、氢氧化钠质量分数的增加在同风速下过滤阻力降低通过对试样 进行比较可知先碱浸后酸浸图 处理后芳纶滤料对不同粒径颗粒物的过滤效率 试样的过滤阻力小于处理顺序相反的试样.图 第 期 柳静献等:酸碱交互腐蚀对芳纶滤料性能的影响 为滤料厚度和面密度变化率可知经酸碱交互腐蚀后的滤料厚度有不同程度的增大且面密度有不同程度的减少这使得滤料面密度降低材料结构变得稀疏从而导致滤料过滤效率的降低和过滤阻力的降低.图 芳纶滤料经不同处理后的过滤阻力曲线 图 芳纶滤料经处理后厚度和面密度的变化.结 论)酸碱交互腐蚀时酸碱腐蚀的顺序改变对滤料的过滤性能和机械强度有较大影响芳纶先受到碱腐蚀比先受到酸腐蚀对其机械性能、过滤性能影响更大.)随硫酸或氢氧化钠质量分数的增加、交互次数增多机械性能和过滤性能下降幅度增大.)酸碱交互腐蚀比单独的酸碱腐蚀对滤料性能影响更明显用户应尽量防止氨逃逸避免酸碱交互腐蚀情况产生并尽量降低烟气中腐蚀性气体的量.参考文献:柳静献毛宁孙熙等.我国袋式除尘技术历史、现状与发展趋势综述.中国环保产业():.(.():.).():.():.张立芳王飞俞李斌等.基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究.光谱学与光谱分析():.(.():.).:.:.李岱霖陈家旺刘洋等.间位芳纶耐酸腐蚀性能及表面改性研究.上海纺织科技():.(.():.)唐娜陈建勇张华鹏.缝纫线耐酸碱性能研究.浙江理工大学学报():.(.():.).():.():.:.():.():.():.():.陆赵情苏治平张美云等.磷酸改性对芳纶纤维力学性能的影响和破坏机理.材料研究学报():.(.():.)东北大学学报(自然科学版)第 卷