纳米材料在高效过滤领域的应用前景与优势

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2018-04-10 环球过滤分离技术网

纳米纤维将成为新一代滤材
用作过滤材料的纺粘非织造布的单丝直径通常在10μm左右，但DuPont（杜邦）公司开发的闪纺技术（flashspun）以及大量投入市场的熔喷非织造布产品的单丝直径可达1μm。进入21世纪后，捷克Elmarco公司完成了静电纺纳米纤维的工业化生产，其单丝细度可控制在50～150nm之间。期间杜邦公司投放市场的混合膜（HMT）过滤介质纤维网的单丝直径约为400nm。另外，美国Donaldson公司在纳米纤维的开发和应用上已有近40年的经验，该公司“Ultra-web”纳米纤维滤材的品质与性能在市场上享有良好的声誉。

Elmarco最新的Nanospider生产设备
近年来，纳米碳纤维及碳纳米管（CNF/CNT）实现了商业性生产，其良好的吸附性能已引起了过滤/分离行业的普遍重视，碳纳米纤维可以有效去除尺寸在0.1μm以下的颗粒物。
目前已有荷兰Ahlstron（奥斯龙）、日本东丽等近20家企业可提供用于环保领域的纳米纤维滤材。在饮用水及工业水净化等方面，纳米纤维材料展现出了十分好的前景。纳米纤维将成为新一代滤材进入如下工业过滤领域：水处理（工业用水、市政用水以及污水处理）、工艺用水（油过滤、液体化学品加工及有色液态物料处理）、微电子工业（超纯水、化学品净化）、食品和饮料工业（乳制品、酒和啤酒制备过程）、生物制药（抗体、蛋白质和疫苗生产）以及生物医学（血液过滤、医疗用水）领域。
纳米纤维过滤介质结构
纳米纤维介质多以复合结构形式使用，先进的设计理念实现了最佳的精密过滤效果，因此也成为了新一代高效率过滤与分离介质材料。滤材通常由 3 个功能层构成，即：其一为介质功能层，该层承接初过滤功能，并具有很高的容垢能力，可防止过滤操作中可能出现的堵塞现象；其二为纳米纤维层，承担精细过滤角色，具备较高的过滤效率和较低的压力降；其三即支撑层，保护纳米纤维层，提供刚性支撑，赋予介质良好的挠性，保证介质的耐折叠性和耐用性。

纳米纤维过滤材料技术优势
纳米材料独特的尺寸效应，为开发新一代纤维基过滤与分离介质提供了可能。一般来说，纳米材料的尺寸效应与其比表面积有关，高的比表面积可赋予纤维高反应性能和吸附性能。纳米纤维的孔隙率、孔隙尺寸、独特的物理机械特性以及通过改性可赋予介质新的化学和物理功能的特征，展现了其在使用性能和成本效率上的优势。
（1）高过滤效率与低压力降
纳米纤维滤材具有很高的初始效率和运行效率，且压力降很低。以杜邦公司克重为10g/m2的HMT纳米纤维过滤介质试样为例，与同类型常规滤材进行比较。前者的过滤效率达99%，流量300～350mL/（min·cm2），容垢能力1.6g，初始压力降0.4psi；而后者的过滤效率仅为91%～92%，流量100mL/（min·cm2），容垢能力1.1g，初始压力降1.6～1.8psi。
（2）使用中的脉冲清洗成本低
纳米纤维介质过滤系统的污垢颗粒物多集中在纳米纤维层的表面，易清洗，能耗低。而常规滤材操作中，污垢颗粒物同时进入基布层，清洗量大，能耗高。
纳米纤维滤材的 1 年生命周期成本（30组过滤器）美元

（2）使用寿命长，成本效益明显
与传统过滤介质相比，纳米纤维滤材由于过滤效率和滤材表面负荷等特点，其使用寿命相对更长。Donaldson公司筒式过滤器的应用试验中，纳米纤维介质的使用寿命比常规滤材要高1倍。
（3）结构多样化
纳米纤维滤材结构的配置可以选用多种基布，可形成结构不同、使用性能各异的滤材。目前使用的基层材料主要包括合成短纤维梳理型非织造布、纺粘非织造布和熔喷非织造布。支撑层基布的改性处理可以赋予滤材新的功能，如抗静电性、耐热性和抗湿热性等。
非织造布被广泛用于过滤/分离操作中，可作为深度过滤介质的表面层。如熔喷非织造网材多使用PP、PET或PA为原料，在粗预过滤操作中，这些介质的孔尺寸控制在1～10μm之间，实际使用时其范围可宽达1～200μm，孔隙率达40%～95%，基重在0.5～300g/m2之间。
滤材用纺粘非织造布多系PET、PP或PA产品，主要充当复合结构过滤介质的支撑层，而与其匹配的纳米纤维网的单丝直径在50～1000nm之间，孔隙尺寸50～300μm。在微细预过滤操作中，纳米纤维网介质的使用性能与膜材料的表面过滤（孔隙＜1μm）相似，具有非常低的水力阻力和良好的结构特性。
常用过滤介质的使用参数对比

为优化滤材纤维网单丝细度的分布，研究人员在纺熔非织造布成形方面也有许多尝试。如微细旦纤维与纳米纤维进行复合，复合结构的滤材可省略后序的粘合处理工序。