CN104088135A - 一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，包括以下步骤：1)以石墨为原料，通过氧化-还原法制得石墨烯并分散于水或有机溶剂中；2)将过滤纤维滤料采用3-氨丙基三乙氧基硅烷等作为偶联剂与乙醇1∶3进行混合，均匀的喷于过滤纤维滤料表面；3)采用浸蘸或喷涂的方式将步骤(1)制成的石墨烯溶胶涂覆在步骤(2)所得过滤纤维滤料表面；4)将步骤(3)所得滤料纤维经过24小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时。与现有技术相比，本发明利用石墨烯对袋式除尘器滤料的改性显著地提高了滤料纤维的性能，具有很好的工业利用价值。

Description

一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法

技术领域

本发明涉及燃煤和有色冶炼等行业中的一种环境保护技术，特别是一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法。 

背景技术

近年来，我国在燃煤和有色冶炼等行业有了较快水平的发展，在这些行业发展的同时，也带了巨大的环境压力，尤其是近年来出现的空气中颗粒物污染问题受到了人们的广泛关注。由颗粒物带来的雾霾问题，与空气中酸性气体以及水分凝结带来的酸雨等问题亟待解决。随着国家对燃煤和有色冶炼等重大污染行业颗粒物及有毒有害气体排放控制的加强，在现有的除尘装置上，开发出具有强化除尘器除尘效果、协同控制硫氧化物，氮氧化物、使用寿命长等优势的新型除尘器显得尤为重要。 

目前主要使用的除尘器有静电除尘器、旋风除尘器、惯性除尘器、湿式除尘器、布袋除尘器等。惯性除尘器、旋风除尘器等机械式除尘设备由于除尘效率及设备投资等因素在高效除尘场合已经基本不再使用，湿式除尘器的应用也相对比较少。静电除尘和袋式除尘技术由于其除尘效率高而越来越成为主导的除尘技术。其中袋式除尘器又因为具有除尘效率高、性能稳定可靠、操作简单的优点获得了更为广泛的应用。袋式除尘器结构主要由上部箱体、中部箱体、下部箱体(灰斗)、清灰***和排灰机构等部分组成，其中滤料是组成袋式除尘器的核心组成部分，其性能对袋式除尘操作有很大的影响。良好的滤料应容尘量大、效率高、阻力低、吸湿性小、使用寿命长，同时还应该有耐磨耐、高温、耐腐蚀的特点。滤料的性质除了与本身的纤维有关外，与滤料的表面结构有很大的关系。随着化学工业的发展，滤料的种类也发生了较大的变化，按结构可以分为滤布和毛毡两类，按滤料材质可以分为天然纤维、无机纤维和合成纤维等。国内外的很多学者针对现行滤料存在的不足，特别是对滤料的表面结构改性，进行了大量的工作，但目前滤料仍存在机械强度差、抗氧化性差、容易吸水以及导电性差等缺陷，对滤料进行改性能够开发出一种同时 解决滤料的物理缺陷和协同处理汞、NO₂等酸性气体新型滤料显得尤为重要。 

石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，这是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。这是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯有完美的杂化结构，大的共轭体系使其电子传输能力很强，而且合成石墨烯的原料是石墨，价格低廉；石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。石墨烯的出现引起研究者们巨大的兴趣，其具有非同寻常的导电性能、较高的强度和极好的透光性，在很多领域中，石墨烯都具有较大的应用前景，如可以替代硅制备电子产品、纳米电路的优良材料、优良的太阳能电池材料等。石墨烯用于改性除尘器滤料的研究还鲜有报道，本发明希望开发出一种石墨烯改性滤料，克服传统滤料的物理缺陷，延长滤料使用时间，并能够协同处理多种污染物新型滤料。 

针对上述问题，我们通过实验探索，提出了一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)石墨烯分散液的制备：以石墨为原料，通过氧化-还原过程制得所需的石墨烯，并均匀分散于水或乙醇等有机溶剂中； 

2)过滤纤维滤料表面的预处理：将过滤纤维滤料采用3-氨丙基三乙氧基硅烷等作为偶联剂与乙醇按1:3的体积比进行混合，均匀的喷于过滤纤维滤料表面； 

3)将制成的石墨烯溶胶对滤料纤维的涂覆：采用浸蘸或喷涂的方式将步骤(1)制成的石墨烯溶胶涂覆在步骤(2)所得过滤纤维滤料表面； 

4)滤料纤维的干燥处理：将步骤(3)所得滤料纤维经过24小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时。 

所述的石墨烯分散液其具体制备步骤为：石墨烯并分散于水或有机溶剂中形成石墨烯悬浮液，通过向石墨烯悬浮液的水相加入极性分散剂，经过搅拌后，超声分 散后混合制成石墨烯分散液，石墨烯的浓度为0.5-20g/L；所述的极性分散剂为聚丙烯酰胺或聚乙烯醇，石墨烯均匀分散于这些极性分散液中。 

或者，所述的石墨烯分散液是通过以下方法制得：将石墨粉通过氧化-还原的方法通过石墨-氧化石墨烯-石墨烯的步骤制得氧化石墨烯或还原态石墨烯，使其超声分散于水或乙醇等有机溶剂中，即可得到稳定的石墨烯分散液。 

所述的石墨烯为氧化石墨烯、还原态石墨烯或二者的复合物；其原料来源为氧化石墨烯或氧化石墨经过分散、还原而制得。 

所述的过滤纤维滤料是指聚氨酯、聚酰胺纤维、聚丙腈纤维、聚苯硫醚或聚四氟乙烯纤维中的一种或多种复合，其状态为织前的纤维束或成型好的滤布。 

所述的涂覆方法是指将滤料纤维浸渍在石墨烯分散液中浸润涂覆，或利用喷枪将石墨烯分散液喷涂在纤维束上或组成滤布的纤维表面。 

涂覆后的滤料纤维经过24小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，之后经过常压或真空干燥，即制成所需的石墨烯改性滤料纤维。所述的轻溶剂包括乙醇、丙醇。 

所述的氧化-还原的化学方法为：将天然石墨经Hummers法通过氧化-还原过程并经超声分散制得氧化石墨烯(GO)或还原态石墨烯，氧化过程中采用的氧化剂为浓H₂SO₄和KMnO₄，加入还原剂为水合肼、硼氢化钠等。 

所述的过滤纤维滤料是指聚氨酯、聚酰胺纤维、聚丙腈纤维、聚苯硫醚或聚四氟乙烯纤维中的一种或多种复合，其状态为织前的纤维束或成型好的滤布。 

所述的涂覆方法是指将滤料纤维浸渍在石墨烯溶胶中浸润涂覆，或利用喷枪将石墨烯溶胶喷涂在纤维束上或组成滤布的纤维表面。 

涂覆后的滤料纤维经过24小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，之后经过常压或真空干燥，即制成所需的石墨烯改性滤料纤维。 

本发明采用的石墨烯改性的袋式除尘器滤料纤维，增强了滤料的纤维强度，极大降低了破袋率，延长了滤袋的使用寿命。同时，石墨烯涂层将滤料纤维与烟气中的NO₂、SO₂及氧气等氧化性或腐蚀性气体有效隔离，从而缓解了滤料因受腐蚀或氧化的纤维断裂现象。此外，借助于石墨烯表面极大的吸附能力，可对烟气中的汞或NO₂等组分进行有效吸附捕集。 

本发明提供的石墨烯改性滤料纤维适用于燃煤和有色金属冶炼烟气除尘装置。与常规袋式滤料纤维相比，涂覆石墨烯的纤维可望具有以下优势： 

1)纤维表面涂覆石墨烯后，由于石墨烯片之间或石墨烯片与纤维表面间的分子间作用力，相当于使原纤维表面形成一种纳米级的堆积膜，而该膜的柔韧性与机械强度非常好，可明显增强滤料纤维的机械强度，减少脉冲清灰等外力对滤袋的机械破坏作用，从而明显延长滤料的使用寿命； 

2)由于石墨烯具有非常好的导电性，可迅速将其表面灰层所载带的电荷转移释放，该特性对电袋复合除尘装置中的袋式滤料选择尤为重要。同时，这类滤料也特别适合对具有防静电粉尘的过滤处理； 

3)由于石墨烯涂层的保护作用，可避免所处理气流中的微量有害组分对滤料纤维的腐蚀和氧化作用，特别是用于电袋复合除尘装置中防治O₃、NO₂及SO₃等组分对滤料的直接侵害作用，延长滤料的使用寿命； 

4)由于石墨烯类物质具有较大比表面积，对烟气中的部分污染物，如汞、NO₂剂HCl等具有很好吸附捕集作用，可促进零价汞向其氧化态转化。增强了汞的捕集作用。 

5)石墨烯具有较好的疏水性，可抑制滤料在高温湿烟气中的结露现象。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 

实施例1 

以氧化石墨烯对滤料纤维改性：石墨粉经过Hummers方法氧化制成的氧化石墨，干燥后溶解于去离子水水中制成2mg/mL的氧化石墨溶液；之后加入0.1％的聚丙烯酰胺并在50w功率下超声处理30分钟，得到浓度为2mg/mL的稳定的氧化石墨烯分散液备用； 

取面积为100cm²的PPS(聚苯硫醚)滤料(由直径为2-5μm的纤维织成)，用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂与乙醇按1:3质量比进行混合制成前处理液2-3mL，均匀的喷于过滤纤维滤料表面； 

将制成的石墨烯悬浮液用浸蘸的方式均匀的涂覆在滤料纤维表面，经过5小时的自然放置稳定化后，再利用去离子水或70％的乙醇溶液清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时，即可制得用氧化石墨烯改性的PPS滤料纤维。 

实施例2 

以氧化石墨烯对滤料纤维改性：石墨粉经过Hummers方法氧化制成的氧化石 墨，干燥后溶解于去离子水水中制成2mg/mL的氧化石墨溶液；加入2mL浓度10％的醋酸与聚乙烯醇混合液作为还原剂和乳化剂，之后加入0.1％的聚丙烯酰胺并在50w功率下超声处理60分钟，得到浓度为2mg/mL的稳定的氧化石墨烯分散液备用； 

将10g直径5-10μm的聚氨酯纤维丝团；用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂与乙醇按1:3的体积比进行混合，然后将纤维丝团浸入其中，浸泡4-5小时后捞出晾干； 

之后，再将丝团浸入上述所制备的石墨烯悬浮液中浸泡2-3，捞出后经过5小时的自然放置，石墨烯片逐渐沉积在纤维表面稳定化后，再利用水或轻溶剂乙醇清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时，即可制得用氧化石墨烯改性的PPS滤料纤维。 

实施例3 

石墨粉经过Hummers方法氧化制成的氧化石墨，干燥后溶解于去离子水水中制成2mg/mL的氧化石墨溶液；加入2mL浓度10％的醋酸与聚乙烯醇混合液作为还原剂和乳化剂，之后加入0.1％的聚丙烯酰胺并在50w功率下超声处理60分钟，得到浓度为2mg/mL的稳定的氧化石墨烯分散液备用 

将0.3m²的PPS滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时，用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂与乙醇1:3进行混合，均匀的喷于过滤纤维滤料表面，并晾干； 

将制成的石墨烯悬浮液用浸蘸的方式均匀的涂覆在滤料纤维表面，经过5小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于90℃烘10小时，即可制得用氧化石墨烯改性的PPS滤料纤维。 

将上述改性滤料与未改性的滤料进行对比，结果发现，改性后的滤料导电性提高10倍左右，拉伸机械性能提高50％以上；再将上述改性滤料制成滤袋，并与未改性的滤料所制成的滤袋进行比较，结果发现改性后对PM2.5细粒子的除尘效率可提高5-10％，对重金属汞的最好去除效率可达70％以上，并对烟气中的NO2也有明显的吸附去除效果。 

实施例4 

一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，包括以下步骤： 

1)石墨烯分散液的制备： 

a.石墨烯经由Hummers法通过氧化-还原过程制得：石墨粉经过Hummers方法 氧化制成的氧化石墨，在水合肼的作用下经过90度冷凝回流12h，并超声分散后制得2mg/mL的石墨烯溶液。 

b.通过向石墨烯溶液中加入极性分散剂，经过高速搅拌并且超声分散后制得稳定的石墨烯分散液，所述的极性分散剂为聚丙烯酰胺或聚乙烯醇。 

2)过滤纤维滤料表面的预处理：将过滤纤维滤料用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂与乙醇按1:3的体积比进行混合，均匀的喷于过滤纤维滤料表面；所述的过滤纤维滤料是指聚氨酯、聚酰胺纤维、聚丙腈纤维、聚苯硫醚或聚四氟乙烯纤维中的一种或多种复合，其状态为织前的纤维束或成型好的滤布。 

3)将制成的石墨烯溶胶对滤料纤维的涂覆：采用浸蘸或喷涂的方式将步骤(1)制成的石墨烯溶胶涂覆在步骤(2)所得过滤纤维滤料表面；所述的涂覆方法是指将滤料纤维浸渍在石墨烯分散液中浸润涂覆，或利用喷枪将石墨烯分散液喷涂在纤维束上或组成滤布的纤维表面。 

4)滤料纤维的干燥处理：将步骤(3)所得滤料纤维经过2小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂丙醇清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时。 

Claims (7)

1.一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)石墨烯分散液的制备：以石墨为原料，通过氧化-还原法制得石墨烯并分散于水或有机溶剂中；

2)过滤纤维滤料表面的预处理：将过滤纤维滤料采用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂与乙醇按1∶3的体积比进行混合，均匀的喷于过滤纤维滤料表面；

3)将制成的石墨烯分散液对滤料纤维的涂覆：采用浸蘸或喷涂的方式将步骤(1)制成的石墨烯分散液涂覆在步骤(2)所得过滤纤维滤料表面；

4)滤料纤维的干燥处理：将步骤(3)所得滤料纤维经过24小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，将过滤纤维滤料在真空干燥箱中于110℃烘10小时。

2.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，所述的石墨烯分散液制备的具体步骤为：石墨烯并分散于水或有机溶剂中形成石墨烯悬浮液，通过向石墨烯悬浮液的水相加入极性分散剂，经过搅拌后，超声分散后混合制成石墨烯分散液，石墨烯的浓度为0.5-20g/L；所述的极性分散剂为聚丙烯酰胺或聚乙烯醇，石墨烯均匀分散于这些极性分散液中。

3.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，所述的石墨烯分散液是通过以下方法制得：将石墨粉通过氧化-还原的方法通过石墨-氧化石墨烯-石墨烯的步骤制得氧化石墨烯或还原态石墨烯，使其超声分散于水或有机溶剂中，即可得到稳定的石墨烯分散液，所述的有机溶剂包括乙醇。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，所述的石墨烯为氧化石墨烯、还原态石墨烯或二者的复合物；其原料来源为氧化石墨烯或氧化石墨经过分散、还原而制得。

5.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，所述的过滤纤维滤料是指聚氨酯、聚酰胺纤维、聚丙腈纤维、聚苯硫醚或聚四氟乙烯纤维中的一种或多种复合，其状态为织前的纤维束或成型好的滤布。

6.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，所述的涂覆方法是指将滤料纤维浸渍在石墨烯分散液中浸润涂覆，或利用喷枪将石墨烯分散液喷涂在纤维束上或组成滤布的纤维表面。

7.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯改性袋式除尘器滤料纤维的方法，其特征在于，涂覆后的滤料纤维经过2-20小时的自然放置稳定化后，再利用水或轻溶剂清洗，之后经过常压或真空干燥，即制成所需的石墨烯改性滤料纤维。