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，控制进样粉尘浓度。接着开启真空泵(VT4.40,Wonder Motors)，含尘气体经过ePTFE膜表面，颗粒物被拦截，渗透侧的气体经质量流量控制器(D07-23F，北京七星华创流量计有限公司)后排空，完成过滤过程。调节质量流量计的阀门改变过滤速度，通过粉尘浓度检测仪(LD-5(H/L)，测量精度 1 g/m310 mg/m3，青岛聚创环保设备有限公司)测量膜出口粉尘浓度。智能差压变送器(EJA110A，重庆横河川仪有限公司)记录膜两端的压力变化。膜再生实验：过滤30 min后，将ePTFE膜用洗耳球吹扫去除膜表面滤饼，每个ePTFE膜测试4个循环。总过滤效率由式(1)进行计算。=(1-CpCf)100%(1)式中，为总过滤效率(%)，Cp为渗透侧粉尘浓度(mg/m3)，Cf为进料侧粉尘浓度(mg/m3)。进料侧的粉尘浓度由式(2)进行计算。Cf=M2-M1Vt(2)式中，M2为过滤前料槽初始粉尘质量(mg)，M1为过滤后料槽粉尘剩余质量(mg)，V为过滤体积流量(m3/s)，t为过滤时间(s)。假设每一层的过滤效率相同，则单层过滤效率16可由式(3)进行计算。i=1-(1-)df/L100%(3)式中，i为单层过滤效率，df为平均纤维直径(m)，L为ePTFE膜厚度(m)。品质因子17由式(4)计算。Qf=-ln(1-)P(4)式中，Qf为品质因子(Pa-1)，为总过滤效率，P为跨膜压差(Pa)。过滤阻力由达西定律18计算。式(5)(8)分别为膜阻力、总阻力、膜孔堵塞阻力和滤饼阻力的计算式。Rm=P0J(5)Rt=PtJ(6)Rp=Px-P0J(7)Rc=Rt-Rm-Rp(8)式中，Rm表示膜阻力(m-1)，P0为初始跨膜压差(Pa)，J为气通量m3/(m2 s)，为气体黏度(Pa s)，Rt表示总阻力(m-1)，Pt为t时刻跨膜压差(Pa)，Rp表示膜孔堵塞阻力(m-1)，Px为去除滤饼后的跨膜压差(Pa)，Rc表示滤饼阻力(m-1)。2.3 分析与表征使用 SEM(Hitachi S-4800，日本日立公司)观察ePTFE膜和PM2.5的表面形貌，工作电压为3 kV，喷金时间为40 ms。使用Nano Messurer 1.2尺寸统计软件，结合膜的SEM图片，对其中200根纤维进行纤维直径分布情况分析。使用白光干涉仪(VK-X1000，日本基恩士公司)测定膜表面粗糙度。使用热重分析仪(STA 209F1，德国耐驰公司)分析膜的热稳定性。使用孔径测试仪PM2.5ePTFE membraneMass flow Controller 2Mass flow Controller 1Dust receiverVacuum pumpAir compressorAerosol generatorAir source processorOutlet concentration detection portDifferential pressure sensorAir flow 图1粉尘过滤装置示意图Fig.1Schematic diagram of dust filtration test apparatus282第 2 期刘峰等：超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理(Ipore-1500A，美国PMI公司)测定膜的平均孔径，润湿液为Galwick，表面张力为15.9 dynes/cm。使用测厚仪(CHY-C2A，济南兰光机电技术有限公司)测定膜的厚度，测量精度为0.1 m，每种薄膜测定5次，取平均值。使用干膜/湿膜称重法测量膜的孔隙率，浸润液为正丁醇。用过滤装置(图1)在1.2 m/min的条件下测定膜的气体渗透性。使用纤维强伸度仪(XQ-1C，上海新纤仪器有限公司)测定ePTFE膜的应力-应变曲线，样品宽为3 mm，长10 mm，拉伸速率5 mm/min。使用激光衍射粒度仪(Mastersizer 3000，英国马尔文仪器有限公司)测定颗粒的粒径分布。3 结果与讨论 3.1 PM2.5和ePTFE薄膜表征SiO2是工业燃煤锅炉尾气PM2.5的主要成分之一，以SiO2为模拟PM2.5粉尘开展实验。其电镜照片和粒径分布如图2所示，颗粒形貌多为球形，颗粒的平均粒径(dp=D50)为2.5 m。通过控制双向拉伸工艺参数，ePTFE膜的孔径(dm)和孔隙率()可以调节，从而表现出不同的过滤性能。如表1所示，选取了dp/dm比值范围在0.864.46的三种不同孔结构的超薄ePTFE膜产品作为考察对象。随着拉伸程度的增加，1#3#膜厚度(L)从1 m降低到0.5 m，孔径(dm)从0.56 m增加到2.9 m，而孔隙率则从84.8%增加到93.1%。纳米纤维膜高孔隙率的特点，使其过滤阻力较低，气体渗透性增加。因此，3#膜具有最高的气体渗透性(P)，达2400 m3/(m2 h kPa)。三种膜的电镜照片如图3(a)3(c)所示，其表面形貌是具有众多结点和纤维连接形成的蜘蛛网状的微孔结构。该结构赋予了纳米纤维膜低阻力和高拦截效率的特点7,19。随着拉伸程度增加，结点数相对变少，纤维间空隙逐渐增大。图3(d)3(f)分别对应1#3#膜的平均纤维直径，其中1#和2#膜呈未完全拉伸状态，纤维平均直径(df=dave)相近，均约为200 nm，而3#膜呈完全拉伸状态，纤维平均直径明显下降，达到120 nm。以L/df近似计算膜的纤维层数，三种超薄膜的纤维层数仅为 35层，该特点能够有效降低膜的过滤阻力。膜表面粗糙度分析结果如图4(a)4(c)所示，三种超薄纳米纤维膜的表面粗糙度均小于1 m，与陶瓷膜的表面粗糙度相比20，较为光滑。其中1#膜的表面粗糙度最大，为0.998 m，随着拉伸程度的增大，1#3#膜的表面粗糙度依次减少。PTFE材料本身表面能低21，有利于降低污染物的附着，而光滑的表面可使污染物的附着强度进一步降低，从而使膜的再生性能得到提高。为了考察 ePTFE 膜的耐用性能，对无支撑体的ePTFE膜进行了应力-应变曲线测试，结果如图5(a)所示。在相同的应变下，随着膜厚度的减小，ePTFE膜的拉伸强度逐渐增大。三种膜的屈服伸长率均超过100%，且屈服强度高。2#和3#膜具有较高的屈服强度，均达到44 MPa以上，而3#屈服伸长率比2#膜更优，达216%。结果表明，相对于1#膜，2#和3#膜具有更好的韧性，远高于市售的ePTFE膜屈服强度(4.3 MPa)22，因此不易发生断裂。ePTFE膜的热重分析结果如图5(b)所 5 m(a)SEM 0.11101000246810Particle size/mVolume/%020406080100D50=2.5 mD90=4 mCumulative volume/%(b)图2过滤实验中使用的SiO2粉尘的SEM图和粒径分布图Fig.2SEM image of SiO2 dust used in the filtration experiment and particle size distribution diagram表1ePTFE膜结构参数和气体渗透性Table 1Structural parameters and gas permeability of ePTFE membranesTag1#2#3#L/m10.60.5dm/m0.561.32.9/%84.888.893.1P/m3/(m2h kPa)553.814402400dp/dm4.461.920.86L/df534.2283过 程 工 程 学 报第 23 卷 示，其热分解温度约为480，在约600时完全分解，具有优异的耐温性能。通常，燃煤锅炉排烟温度低于14023，因此ePTFE膜适合用于锅炉尾气的治理。3.2 过滤效率与品质因子对三种不同孔结构的超薄ePTFE膜进行了过滤效率与品质因子的测试。初始过滤压降和过滤效率如图60.00.10.20.30.40.50102030405060Frequency/%Mean fiber diameter/m(d)1#dave=200 nm 0.00.10.20.30.40.501020304050607080(f)3#Frequency/%Mean fiber diameter/mdave=120 nm 0.00.10.20.30.40.50.60.701020304050Frequency/%Mean fiber diameter/m(e)2#dave=200 nm 图3聚四氟乙烯膜SEM图(ac)；纤维直径直方图(df)Fig.3SEM images of ePTFE membranes(ac);fiber diameter histograms(df)图4聚四氟乙烯膜的表面粗糙度Fig.4Surface roughness of ePTFE membranes284第 2 期刘峰等：超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理(a)所示，当dp/dm大于1，过滤机理以表面过滤为主，细颗粒物可以被膜高效拦截，当dp/dm小于1时，过滤机理为深层过滤，细颗粒物会堵塞并穿过膜孔，使过滤效率下降。1#和2#膜的dp/dm大于1，因此，过滤效率很高，均超过99.96%，其中1#膜过滤效率达99.99%，但因孔径和孔隙率最低，阻力相对较大，初始压降达130 Pa。3#膜的dp/dm小于1(0.86)，理论上存在深层过滤，但测试结果表明其过滤效率依然高达99.93%。根据深层过滤理论对单层过滤效率16式(3)的计算可知，3#膜的单层过滤效率高达82.3%，明显高于传统深层过滤材料，实际已接近表面过滤过程。3#膜具有高孔径和孔隙率的优势，压降最低，达30 Pa。因为高过滤效率和低阻力的优势，使3#膜具有最高的品质因子，达到0.246 Pa-1 图6(b)。该结果表明3#膜具有潜在的应用优势。3.3 过滤风速对过滤过程的影响过滤风速是ePTFE膜处理气体能力的一项重要技术指标。通常工业应用中，过滤风速约为1 m/min24。较高的过滤风速能减少除尘设备体积、增加处理量，从而减少投资运营成本，但也会使过滤压降增加，并可能对过滤效率产生影响。测试了1.2,2.4,3.6和4.8 m/min的不同风速下三种超薄ePTFE膜的过滤压降、粉尘出口浓度和过滤效率随时间的变化。如图7(a),7(c),7(e)所示，随着过滤风速增大，三种超薄ePTFE膜的初始压降、压降增长速度和稳定压降均增加。其中3#膜因为具有最薄的厚度和最高的孔隙率，初始压降和稳定压降最小，表现出最优的过滤性能。但在1.2和2.4 m/min的低流速下，3#膜的初期(1000 s之前)压降增长速度明显比2#膜更快，表明此阶段膜阻力增加较快。这可能是由于3#膜的dp/dm小于1，在过滤初期颗粒堵塞膜表面孔道的现象更加显著所导致的。在3.6和4.8 m/min的较高流速下，滤饼增长的阻力更为显著，使三种超薄ePTFE膜的压降增长速度趋近。图7(b),7(d),7(f)为不同条件下05010015020025001020304050Stress/MPaStrain/%1#2#3#(a)0100200300400500600700800900020406080100Mass/%Temperature/Original(b)图5ePTFE膜横向应力-应变曲线和热重分析曲线Fig.5Transverse stress-strain curves and TG analysis of ePTFE membranes0204060801001201403#2#Pressure drop/PaTest sample1#(a)99.099.299.499.699.8100.0Filtration efficiency/%0.050.100.150.200.253#2#Quality factor/Pa-1Test sample1#(b)图6不同孔结构ePTFE膜对PM2.5的过滤效率和压降的比较以及品质因子(v=1.2 m/min,inlet:400 mg/m3)Fig.6Comparisons of PM2.5 filtration efficiency and pressure drop of different ePTFE membranes and quality factor(v=1.2 m/min,inlet:400 mg/m3)285过 程 工 程 学 报第 23 卷 出口浓度和过滤效率的变化趋势。三种薄膜的初始PM2.5出口浓度随过滤速度增大而增大，过滤效率均在99.5%以上。随着过滤时间延长，滤饼逐渐形成，使穿透率不断减小并最终趋于零。3.4 粉尘浓度对过滤过程的影响在粉尘浓度200,400,600和1000 mg/m3、1.2 m/min的流速下考察了超薄ePTFE纳米纤维膜的PM2.5过滤性能。如图8(a),8(c),8(e)所示，随着浓度增加，三种超薄ePTFE膜的稳定压降和压降增长速度均增加，其中3#膜依旧表现出最好的过滤性能，稳定压降在约1 kPa。因为超薄ePTFE膜表面孔堵塞的原因，其初期压降增长速度比2#膜更快。如图8(b),8(d),8(f)所示，在此流速下，进口粉尘浓度的变化对出口浓度基本无影响。其中1#膜出口浓度已达检测下限，颗粒几乎完全截留，而3#膜在200 mg/m3的低浓度下，也具有很高的过滤效率，达99.82%。05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.6Filtration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2Total pressure drop/kPaTime/s(a)1#05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.6Time/s(c)2#Total pressure drop/kPaFiltration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2 05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.6(e)3#Filtration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2Time/sTotal pressure drop/kPa 0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000012345Filtration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2(b)1#Outlet dust concentration/(mg/m3)Time/s99.099.299.499.699.8100.0Filtration efficiency/%0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000012345Filtration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2Time/sOutlet dust concentration/(mg/m3)99.099.299.499.699.8100.0Filtration efficiency/%(d)2#0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000012345Time/s(f)3#Outlet dust concentration/(mg/m3)99.099.299.499.699.8100.0Filtration velocity/(m/min)4.8 3.6 2.4 1.2Filtration efficiency/%图7不同过滤速度下ePTFE膜过滤压降、粉尘出口浓度和过滤效率随时间的变化(入口粉尘浓度400 mg/m3)Fig.7Variations of pressure drop of ePTFE membranes,outlet dust concentration and filtration efficiency with time at different filtration velocities(inlet dust concentration is 400 mg/m3)286第 2 期刘峰等：超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理3.5 过滤阻力分析在粉尘浓度600 mg/m3，流速1.2 m/min的过滤条件下，取过滤1 h后的膜进行阻力分析，结果如图9所示。随着膜孔径和孔隙率逐渐增大，以及膜厚度的降低，相应膜阻力也逐渐降低。与1#膜相比，3#膜总阻力Rt仅为0.081109 m-1，不到前者的1/4。在相同操作条件下，1#3#膜表面形成的滤饼阻力Rc相差不大，分别为2.45109,2.39109和2.25109 m-1，总体成略微下降趋势，这可能是由于更小的跨膜压差使滤饼层结构更加疏松所导致的。钟璟等25发现，在陶瓷膜固液分离体系中，当dp/dm小于等于2.4时，会发生膜孔堵塞。Tang等14发现，在ePTFE纳米纤维膜(膜厚度5 m)的PM2.5过滤体系中，这一比值有所降低，当dp/dm小于1.76时，观察到膜孔堵塞。本实验结果表明，因1#和2#膜的dp/dm大于1.92，没有发生膜孔堵塞，此时，1#和2#膜的孔堵塞阻力Rp为0，与Tang等14的研究结果相符。而3#膜的dp/dm为0.86，此时存在膜孔堵塞阻力，但其阻力仅占膜阻力的1/3，占05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0Inlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200 Total pressure drop/kPaTime/s(a)1#05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0Inlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200(c)2#Time/sTotal pressure drop/kPa 05001000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0Inlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200(e)3#Time/sTotal pressure drop/kPa 0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40008.08.59.09.510.010.511.011.512.0Time/sInlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200(b)1#Outlet dust concentration/(g/m3)99.9899.99100.00Filtration efficiency/%0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400002004006008001000Inlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200(d)2#Outlet dust concentration/(g/m3)Time/s99.8099.8499.8899.9299.96100.00Filtration efficiency/%0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400001002003004005006007008009001000(f)3#Outlet dust concentration/(g/m3)Time/s99.299.399.499.599.699.799.899.9100.0Filtration efficiency/%Inlet dust concentration/(mg/m3)1000 600 400 200 图8不同粉尘浓度下ePTFE膜过滤压降、粉尘出口浓度和过滤效率随时间的变化(v=1.2 m/min)Fig.8Variations of pressure drop of ePTFE membranes,outlet dust concentration and filtration efficiency with time under different inlet dust concentrations(v=1.2 m/min)287过 程 工 程 学 报第 23 卷 总阻力的1.2%，基本可忽略不计，3#膜的膜阻力和堵塞阻力之和比2#膜的膜阻力略低，说明随孔径增大膜孔堵塞越严重。因此，使用更大孔径的ePTFE膜处理PM2.5可能不是一个良好的选择。3.6 超薄ePTFE膜的再生性能阻力分析结果显示，三种超薄ePTFE膜对PM2.5的过滤机理以表面过滤为主，滤饼阻力是总阻力的主要组成部分，因此超薄ePTFE膜的再生性能决定膜的实际应用过程，从而影响膜的使用寿命。实验中发现，超薄纳米纤维膜的过滤效率高，滤饼形成速度快，这主要归因于纳米纤维网状结构具有高效的颗粒捕集能力；同时过滤后的滤饼可以通过简单的表面吹扫脱落，实现膜的再生，这是由于ePTFE膜表面能低，且表面光滑程度高，从而造成滤饼难以锚定在膜表面，易于脱落。为了验证超薄ePTFE膜的表面过滤机理，对清洁后ePTFE膜表面进行电镜表征。1#和2#膜清洁后图10(a),10(b)膜表面和孔道内基本无细颗粒物残留，而3#膜孔道内，在纤维交织处，有极少量粒径小于2.5 m的残留颗粒。为了进一步证明超薄ePTFE膜表面滤饼能够完全从膜面脱除，对原始和清洁后的膜进行热重分析(图11)，原始ePTFE膜约在600完全分解，清洁后的1#和2#膜在600分解后分别残余0.6%和0.7%的质量，基本完全分解，说明清洁后的1#和2#膜表面或孔道内基本无PM2.5残留。3#膜在600分解后残余1.9%的质量，可能是膜孔道内残留的极少量氧化硅颗粒导致的。热重和清洁后的电镜照片证实了上述判断：超薄ePTFE膜的过滤机理为表面过滤，当dp/dm为0.86时，存在较小的膜孔堵塞阻力。从过滤2 min后的SEM照片图10(d),10(e),10(f)可知，PM2.5基本被拦截在膜的表面，这是由于三种ePTFE膜纵横交错的网状结构所导致的。由图10(f)可知，PM2.5颗粒以团聚体的形式被纤维或者纤维与纤维之间的孔隙捕捉，从而证明了具有纳米纤维结构的超薄ePTFE膜能够实现PM2.5的高效拦截。1#2#3#0123RmRpRcRmRp03.4%1.2%5.5%12.5%87.5%95.4%Resistance/109 m-1Test samples Rc Rp Rm94.5%0RcRpRmRc 图9阻力随膜孔结构的变化Fig.9Variation of filtration resistance with membrane pore structure 5 m 5 m 5 m 5 m 5 m 5 m(a)1#(b)2#(c)3#(e)2#(f)3#(d)1#图10不同ePTFE膜过滤PM2.5清洁后(a,b,c)和过滤2 min后(d,e,f)的膜表面扫描电镜图Fig.10SEM images of PM2.5 filtered by different ePTFE membranes after cleaning(a,b,c)and after filtration for 2 min(d,e,f)288第 2 期刘峰等：超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理三种超薄ePTFE膜的再生实验结果如图12所示。在四次循环实验中，1#和2#膜的残余压降和压降增长趋势基本没有变化，残余压降分别稳定在130和50 Pa。而3#膜的初始压降和压降增长速度略有上升，3#膜在首次再生之后，后续再生时残