技術分享 | 納米材料在高效過濾領域的應用前景與優勢

2020-12-05 紡織導報

技術分享 | 納米材料在高效過濾領域的應用前景與優勢

發表時間：2017/2/21

納米纖維將成為新一代濾材

用作過濾材料的紡粘非織造布的單絲直徑通常在10μm左右，但DuPont（杜邦）公司開發的閃紡技術（flashspun）以及大量投入市場的熔噴非織造布產品的單絲直徑可達1μm。進入21世紀後，捷克Elmarco公司完成了靜電紡納米纖維的工業化生產，其單絲細度可控制在50～150nm之間。期間杜邦公司投放市場的混合膜（HMT）過濾介質纖維網的單絲直徑約為400nm。另外，美國Donaldson公司在納米纖維的開發和應用上已有近40年的經驗，該公司「Ultra-web」納米纖維濾材的品質與性能在市場上享有良好的聲譽。

 

Elmarco最新的Nanospider生產設備

近年來，納米碳纖維及碳納米管（CNF/CNT）實現了商業性生產，其良好的吸附性能已引起了過濾/分離行業的普遍重視，碳納米纖維可以有效去除尺寸在0.1μm以下的顆粒物。

目前已有荷蘭Ahlstron（奧斯龍）、日本東麗等近20家企業可提供用於環保領域的納米纖維濾材。在飲用水及工業水淨化等方面，納米纖維材料展現出了十分好的前景。納米纖維將成為新一代濾材進入如下工業過濾領域：水處理（工業用水、市政用水以及汙水處理）、工藝用水（油過濾、液體化學品加工及有色液態物料處理）、微電子工業（超純水、化學品淨化）、食品和飲料工業（乳製品、酒和啤酒製備過程）、生物製藥（抗體、蛋白質和疫苗生產）以及生物醫學（血液過濾、醫療用水）領域。

納米纖維過濾介質結構

納米纖維介質多以複合結構形式使用，先進的設計理念實現了最佳的精密過濾效果，因此也成為了新一代高效率過濾與分離介質材料。濾材通常由 3 個功能層構成，即：其一為介質功能層，該層承接初過濾功能，並具有很高的容垢能力，可防止過濾操作中可能出現的堵塞現象；其二為納米纖維層，承擔精細過濾角色，具備較高的過濾效率和較低的壓力降；其三即支撐層，保護納米纖維層，提供剛性支撐，賦予介質良好的撓性，保證介質的耐摺疊性和耐用性。

納米纖維過濾材料技術優勢

納米材料獨特的尺寸效應，為開發新一代纖維基過濾與分離介質提供了可能。一般來說，納米材料的尺寸效應與其比表面積有關，高的比表面積可賦予纖維高反應性能和吸附性能。納米纖維的孔隙率、孔隙尺寸、獨特的物理機械特性以及通過改性可賦予介質新的化學和物理功能的特徵，展現了其在使用性能和成本效率上的優勢。

（1）高過濾效率與低壓力降

納米纖維濾材具有很高的初始效率和運行效率，且壓力降很低。以杜邦公司克重為10g/m2的HMT納米纖維過濾介質試樣為例，與同類型常規濾材進行比較。前者的過濾效率達99%，流量300～350mL/（min·cm2），容垢能力1.6g，初始壓力降0.4psi；而後者的過濾效率僅為91%～92%，流量100mL/（min·cm2），容垢能力1.1g，初始壓力降1.6～1.8psi。

（2）使用中的脈衝清洗成本低

納米纖維介質過濾系統的汙垢顆粒物多集中在納米纖維層的表面，易清洗，能耗低。而常規濾材操作中，汙垢顆粒物同時進入基布層，清洗量大，能耗高。

納米纖維濾材的 1 年生命周期成本（30組過濾器）美元

（2）使用壽命長，成本效益明顯

與傳統過濾介質相比，納米纖維濾材由於過濾效率和濾材表面負荷等特點，其使用壽命相對更長。Donaldson公司筒式過濾器的應用試驗中，納米纖維介質的使用壽命比常規濾材要高1倍。

（3）結構多樣化

納米纖維濾材結構的配置可以選用多種基布，可形成結構不同、使用性能各異的濾材。目前使用的基層材料主要包括合成短纖維梳理型非織造布、紡粘非織造布和熔噴非織造布。支撐層基布的改性處理可以賦予濾材新的功能，如抗靜電性、耐熱性和抗溼熱性等。

非織造布被廣泛用於過濾/分離操作中，可作為深度過濾介質的表面層。如熔噴非織造網材多使用PP、PET或PA為原料，在粗預過濾操作中，這些介質的孔尺寸控制在1～10μm之間，實際使用時其範圍可寬達1～200μm，孔隙率達40%～95%，基重在0.5～300g/m2之間。

濾材用紡粘非織造布多系PET、PP或PA產品，主要充當複合結構過濾介質的支撐層，而與其匹配的納米纖維網的單絲直徑在50～1000nm之間，孔隙尺寸50～300μm。在微細預過濾操作中，納米纖維網介質的使用性能與膜材料的表面過濾（孔隙＜1μm）相似，具有非常低的水力阻力和良好的結構特性。

常用過濾介質的使用參數對比

為優化濾材纖維網單絲細度的分布，研究人員在紡熔非織造布成形方面也有許多嘗試。如微細旦纖維與納米纖維進行複合，複合結構的濾材可省略後序的粘合處理工序。

新型微米-納米纖維濾材成形裝置

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