一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法

2023-09-20 00:08:50

一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，包括以下步驟：1)以石墨為原料，通過氧化-還原法製得石墨烯並分散於水或有機溶劑中；2)將過濾纖維濾料採用3-氨丙基三乙氧基矽烷等作為偶聯劑與乙醇1∶3進行混合，均勻的噴於過濾纖維濾料表面；3)採用浸蘸或噴塗的方式將步驟(1)製成的石墨烯溶膠塗覆在步驟(2)所得過濾纖維濾料表面；4)將步驟(3)所得濾料纖維經過24小時的自然放置穩定化後，再利用水或輕溶劑清洗，將過濾纖維濾料在真空乾燥箱中於110℃烘10小時。與現有技術相比，本發明利用石墨烯對袋式除塵器濾料的改性顯著地提高了濾料纖維的性能，具有很好的工業利用價值。
【專利說明】一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及燃煤和有色冶煉等行業中的一種環境保護技術，特別是一種利用石墨 烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，我國在燃煤和有色冶煉等行業有了較快水平的發展，在這些行業發展的 同時，也帶了巨大的環境壓力，尤其是近年來出現的空氣中顆粒物汙染問題受到了人們的 廣泛關注。由顆粒物帶來的霧霾問題，與空氣中酸性氣體以及水分凝結帶來的酸雨等問題 亟待解決。隨著國家對燃煤和有色冶煉等重大汙染行業顆粒物及有毒有害氣體排放控制的 加強，在現有的除塵裝置上，開發出具有強化除塵器除塵效果、協同控制硫氧化物，氮氧化 物、使用壽命長等優勢的新型除塵器顯得尤為重要。
[0003] 目前主要使用的除塵器有靜電除塵器、旋風除塵器、慣性除塵器、溼式除塵器、布 袋除塵器等。慣性除塵器、旋風除塵器等機械式除塵設備由於除塵效率及設備投資等因素 在高效除塵場合已經基本不再使用，溼式除塵器的應用也相對比較少。靜電除塵和袋式除 塵技術由於其除塵效率高而越來越成為主導的除塵技術。其中袋式除塵器又因為具有除塵 效率高、性能穩定可靠、操作簡單的優點獲得了更為廣泛的應用。袋式除塵器結構主要由上 部箱體、中部箱體、下部箱體（灰鬥）、清灰系統和排灰機構等部分組成，其中濾料是組成袋 式除塵器的核心組成部分，其性能對袋式除塵操作有很大的影響。良好的濾料應容塵量大、 效率高、阻力低、吸溼性小、使用壽命長，同時還應該有耐磨耐、高溫、耐腐蝕的特點。濾料的 性質除了與本身的纖維有關外，與濾料的表面結構有很大的關係。隨著化學工業的發展，濾 料的種類也發生了較大的變化，按結構可以分為濾布和毛氈兩類，按濾料材質可以分為天 然纖維、無機纖維和合成纖維等。國內外的很多學者針對現行濾料存在的不足，特別是對濾 料的表面結構改性，進行了大量的工作，但目前濾料仍存在機械強度差、抗氧化性差、容易 吸水以及導電性差等缺陷，對濾料進行改性能夠開發出一種同時解決濾料的物理缺陷和 協同處理汞、N0 2等酸性氣體新型濾料顯得尤為重要。
[0004] 石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，這是一種由碳原子構成的單層片狀 結構的新材料。這是一種由碳原子以sp 2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只 有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯有完美的雜化結構，大的共軛體系使其電子傳輸能 力很強，而且合成石墨烯的原料是石墨，價格低廉；石墨烯具有非凡的物理及電學性質，如 1?比表面積、1?導電性、機械強度1?、易於修飾及大規|旲生廣等。石墨稀的出現引起研究者 們巨大的興趣，其具有非同尋常的導電性能、較高的強度和極好的透光性，在很多領域中， 石墨烯都具有較大的應用前景，如可以替代矽製備電子產品、納米電路的優良材料、優良的 太陽能電池材料等。石墨烯用於改性除塵器濾料的研究還鮮有報導，本發明希望開發出一 種石墨烯改性濾料，克服傳統濾料的物理缺陷，延長濾料使用時間，並能夠協同處理多種汙 染物新型濾料。
[0005] 針對上述問題，我們通過實驗探索，提出了一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料 纖維的方法。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種利用石墨烯改 性袋式除塵器濾料纖維的方法。
[0007] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾 料纖維的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
[0008] 1)石墨烯分散液的製備：以石墨為原料，通過氧化-還原過程製得所需的石墨烯， 並均勻分散於水或乙醇等有機溶劑中；
[0009] 2)過濾纖維濾料表面的預處理：將過濾纖維濾料採用3-氨丙基三乙氧基矽烷等 作為偶聯劑與乙醇按1:3的體積比進行混合，均勻的噴於過濾纖維濾料表面；
[0010] 3)將製成的石墨烯溶膠對濾料纖維的塗覆：採用浸蘸或噴塗的方式將步驟（1)制 成的石墨烯溶膠塗覆在步驟（2)所得過濾纖維濾料表面；
[0011] 4)濾料纖維的乾燥處理：將步驟（3)所得濾料纖維經過24小時的自然放置穩定 化後，再利用水或輕溶劑清洗，將過濾纖維濾料在真空乾燥箱中於110°c烘10小時。
[0012] 所述的石墨烯分散液其具體製備步驟為：石墨烯並分散於水或有機溶劑中形成石 墨烯懸浮液，通過向石墨烯懸浮液的水相加入極性分散劑，經過攪拌後，超聲分散後混合 製成石墨烯分散液，石墨烯的濃度為0. 5-20g/L ;所述的極性分散劑為聚丙烯醯胺或聚乙 烯醇，石墨烯均勻分散於這些極性分散液中。
[0013] 或者，所述的石墨烯分散液是通過以下方法製得：將石墨粉通過氧化-還原的方 法通過石墨-氧化石墨烯-石墨烯的步驟製得氧化石墨烯或還原態石墨烯，使其超聲分散 於水或乙醇等有機溶劑中，即可得到穩定的石墨烯分散液。
[0014] 所述的石墨烯為氧化石墨烯、還原態石墨烯或二者的複合物；其原料來源為氧化 石墨烯或氧化石墨經過分散、還原而製得。
[0015] 所述的過濾纖維濾料是指聚氨酯、聚醯胺纖維、聚丙腈纖維、聚苯硫醚或聚四氟乙 烯纖維中的一種或多種複合，其狀態為織前的纖維束或成型好的濾布。
[0016] 所述的塗覆方法是指將濾料纖維浸漬在石墨烯分散液中浸潤塗覆，或利用噴槍將 石墨烯分散液噴塗在纖維束上或組成濾布的纖維表面。
[0017] 塗覆後的濾料纖維經過24小時的自然放置穩定化後，再利用水或輕溶劑清洗，之 後經過常壓或真空乾燥，即製成所需的石墨烯改性濾料纖維。所述的輕溶劑包括乙醇、丙 醇。
[0018] 所述的氧化-還原的化學方法為：將天然石墨經Hmnmers法通過氧化-還原過程 並經超聲分散製得氧化石墨烯（G0)或還原態石墨烯，氧化過程中採用的氧化劑為濃H 2S04 和ΚΜη04，加入還原劑為水合肼、硼氫化鈉等。
[0019] 所述的過濾纖維濾料是指聚氨酯、聚醯胺纖維、聚丙腈纖維、聚苯硫醚或聚四氟乙 烯纖維中的一種或多種複合，其狀態為織前的纖維束或成型好的濾布。
[0020] 所述的塗覆方法是指將濾料纖維浸漬在石墨烯溶膠中浸潤塗覆，或利用噴槍將石 墨烯溶膠噴塗在纖維束上或組成濾布的纖維表面。
[0021] 塗覆後的濾料纖維經過24小時的自然放置穩定化後，再利用水或輕溶劑清洗，之 後經過常壓或真空乾燥，即製成所需的石墨烯改性濾料纖維。
[0022] 本發明採用的石墨烯改性的袋式除塵器濾料纖維，增強了濾料的纖維強度，極大 降低了破袋率，延長了濾袋的使用壽命。同時，石墨烯塗層將濾料纖維與煙氣中的N0 2、S02 及氧氣等氧化性或腐蝕性氣體有效隔離，從而緩解了濾料因受腐蝕或氧化的纖維斷裂現 象。此外，藉助於石墨烯表面極大的吸附能力，可對煙氣中的汞或N0 2等組分進行有效吸附 捕集。
[0023] 本發明提供的石墨烯改性濾料纖維適用於燃煤和有色金屬冶煉煙氣除塵裝置。與 常規袋式濾料纖維相比，塗覆石墨烯的纖維可望具有以下優勢：
[0024] 1)纖維表面塗覆石墨烯後，由於石墨烯片之間或石墨烯片與纖維表面間的分子間 作用力，相當於使原纖維表面形成一種納米級的堆積膜，而該膜的柔韌性與機械強度非常 好，可明顯增強濾料纖維的機械強度，減少脈衝清灰等外力對濾袋的機械破壞作用，從而明 顯延長濾料的使用壽命；
[0025] 2)由於石墨烯具有非常好的導電性，可迅速將其表面灰層所載帶的電荷轉移釋 放，該特性對電袋複合除塵裝置中的袋式濾料選擇尤為重要。同時，這類濾料也特別適合對 具有防靜電粉塵的過濾處理；
[0026] 3)由於石墨烯塗層的保護作用，可避免所處理氣流中的微量有害組分對濾料纖維 的腐蝕和氧化作用，特別是用於電袋複合除塵裝置中防治〇 3、N02及S03等組分對濾料的直 接侵害作用，延長濾料的使用壽命；
[0027] 4)由於石墨烯類物質具有較大比表面積，對煙氣中的部分汙染物，如汞、勵2劑此1 等具有很好吸附捕集作用，可促進零價汞向其氧化態轉化。增強了汞的捕集作用。
[0028] 5)石墨烯具有較好的疏水性，可抑制濾料在高溫溼煙氣中的結露現象。

【具體實施方式】
[0029] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0030] 實施例1
[0031] 以氧化石墨烯對濾料纖維改性：石墨粉經過Hummers方法氧化製成的氧化石墨， 乾燥後溶解於去離子水水中製成2mg/mL的氧化石墨溶液；之後加入0. 1 %的聚丙烯醯胺並 在50w功率下超聲處理30分鐘，得到濃度為2mg/mL的穩定的氧化石墨烯分散液備用；
[0032] 取面積為100cm2的PPS (聚苯硫醚）濾料（由直徑為2-5 μ m的纖維織成），用3-氨 丙基三乙氧基矽烷作為偶聯劑與乙醇按1:3質量比進行混合製成前處理液2-3mL，均勻的 噴於過濾纖維濾料表面；
[0033] 將製成的石墨烯懸浮液用浸蘸的方式均勻的塗覆在濾料纖維表面，經過5小時的 自然放置穩定化後，再利用去離子水或70%的乙醇溶液清洗，將過濾纖維濾料在真空乾燥 箱中於110°C烘10小時，即可製得用氧化石墨烯改性的PPS濾料纖維。
[0034] 實施例2
[0035] 以氧化石墨烯對濾料纖維改性：石墨粉經過Hummers方法氧化製成的氧化石墨， 乾燥後溶解於去離子水水中製成2mg/mL的氧化石墨溶液；加入2mL濃度10%的醋酸與聚 乙烯醇混合液作為還原劑和乳化劑，之後加入〇. 1 %的聚丙烯醯胺並在50w功率下超聲處 理60分鐘，得到濃度為2mg/mL的穩定的氧化石墨烯分散液備用；
【權利要求】
1. 一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵在於，包括以下步驟： 1) 石墨烯分散液的製備：以石墨為原料，通過氧化-還原法製得石墨烯並分散於水或 有機溶劑中； 2) 過濾纖維濾料表面的預處理：將過濾纖維濾料採用3-氨丙基三乙氧基矽烷作為偶 聯劑與乙醇按1 : 3的體積比進行混合，均勻的噴於過濾纖維濾料表面； 3) 將製成的石墨烯分散液對濾料纖維的塗覆：採用浸蘸或噴塗的方式將步驟（1)製成 的石墨烯分散液塗覆在步驟（2)所得過濾纖維濾料表面； 4) 濾料纖維的乾燥處理：將步驟（3)所得濾料纖維經過24小時的自然放置穩定化後， 再利用水或輕溶劑清洗，將過濾纖維濾料在真空乾燥箱中於ll〇°C烘10小時。
2. 根據權利要求1所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵在 於，所述的石墨烯分散液製備的具體步驟為：石墨烯並分散於水或有機溶劑中形成石墨烯 懸浮液，通過向石墨烯懸浮液的水相加入極性分散劑，經過攪拌後，超聲分散後混合製成石 墨烯分散液，石墨烯的濃度為〇. 5-20g/L ;所述的極性分散劑為聚丙烯醯胺或聚乙烯醇，石 墨烯均勻分散於這些極性分散液中。
3. 根據權利要求1所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵 在於，所述的石墨烯分散液是通過以下方法製得：將石墨粉通過氧化-還原的方法通過石 墨-氧化石墨烯-石墨烯的步驟製得氧化石墨烯或還原態石墨烯，使其超聲分散於水或有 機溶劑中，即可得到穩定的石墨烯分散液，所述的有機溶劑包括乙醇。
4. 根據權利要求1或2或3所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法， 其特徵在於，所述的石墨烯為氧化石墨烯、還原態石墨烯或二者的複合物；其原料來源為氧 化石墨烯或氧化石墨經過分散、還原而製得。
5. 根據權利要求1所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵在 於，所述的過濾纖維濾料是指聚氨酯、聚醯胺纖維、聚丙腈纖維、聚苯硫醚或聚四氟乙烯纖 維中的一種或多種複合，其狀態為織前的纖維束或成型好的濾布。
6. 根據權利要求1所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵在 於，所述的塗覆方法是指將濾料纖維浸漬在石墨烯分散液中浸潤塗覆，或利用噴槍將石墨 烯分散液噴塗在纖維束上或組成濾布的纖維表面。
7. 根據權利要求1所述的一種利用石墨烯改性袋式除塵器濾料纖維的方法，其特徵在 於，塗覆後的濾料纖維經過2-20小時的自然放置穩定化後，再利用水或輕溶劑清洗，之後 經過常壓或真空乾燥，即製成所需的石墨烯改性濾料纖維。
【文檔編號】D06M13/513GK104088135SQ201410242277
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】晏乃強, 黃煒, 瞿贊, 張原 , 徐浩淼, 修海明, 王建春, 鄭奎照 申請人:上海交通大學, 福建龍淨環保股份有限公司