一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法，属于大气污染治理除尘技术领域。针对袋式除尘器中所用过滤介质在高温、强腐蚀性的含尘气体中容易发生热缩、降解、氧化等现象而无法使用的问题，本发明提供了一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法，本发明用聚丙烯腈基碳纤维作为滤材原料，经丙酮萃取，硝酸酸洗除杂后，用碳纳米管静电喷射在碳纤维表面，将碳纳米管植入碳纤维的表面结构缺陷中，提高碳纤维的拉伸强度后，再将碳纤维浸泡于掺杂烧结剂硫酸铜和硼酸的二氧化钛凝胶中，取出，高温烧结，在碳纤维表面形成致密化的二氧化钛抗氧化涂层，制得高温含尘气体过滤用碳纤维。
【专利说明】
一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法，属于大气污染治理除尘技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的高速发展，以能源消耗为主的重工业也迅速发展，我国的火电、 煤炭、化肥、冶金、水泥产量已居世界前列，但以上重工业的发展带来了严重的能源消耗和环境污染。很多重工业过程中涉及到大量的工业高温含尘气体，如燃煤电厂排放高温烟气、煤的气化联合循环发电高温合成气、化学工业中的高温含催化剂气体、冶金工业高炉与转炉高温煤气、玻璃工业的高温尾气、工业窑炉排放的高温废气等。高温含尘气体不仅温度较高而且含有大量的粉尘和有害气体，严重的污染了环境。但高温工业气体同时含有大量的物理显热、化学潜热、动力能以及可利用的物质，过程中煤气化制备得到的粗煤气中含有大量的粉尘，不能直接燃烧推动燃气轮机，而需要将其温度从100tC左右降低至200°(:左右进行除尘后再进入燃气室，整个过程温度经历“升温-降温-升温”过程，损失了大量的热能。因此，高温工业含尘气体的净化过滤已成为困扰我国火电、煤炭、化工等重工业可持续发展亟待解决的能源高效利用的难题。
[0003]目前，用于工业高温含尘气体除尘的技术种类有:旋风除尘、静电除尘、陶瓷过滤除尘和袋式过滤除尘等。旋风除尘是利用离心力作用将粉尘从气流中分离并捕集下来，其结构简单并能耐较高温度，但除尘效率一般只有85%左右，且对于粒径小于ΙΟμπι的颗粒效果较差。静电除尘是利用高压电源和电极产生不均匀电场以分离捕集气流中的粉尘，除尘效率约为90%左右。陶瓷过滤器是利用陶瓷材料的多孔性进行除尘，陶瓷过滤器可耐温至1000 0C左右，但也存在密封困难、过滤膜孔隙永久性堵塞、陶瓷微裂缝蔓延、耐热冲击性能差等问题。袋式过滤除尘是使含尘气体通过过滤材料而将粉尘拦截、分离、捕集，获得纯净的气体。袋式除尘器因高效除尘的特点，成为迄今为止应用最广泛的过滤式除尘器。但是目前袋式除尘器用于工业高温含尘气体过滤时效果不佳，这主要是由于袋式除尘器中所用过滤介质在高温、强腐蚀性的含尘气体中容易发生热缩、降解、氧化等现象而无法使用。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题:针对袋式除尘器中所用过滤介质在高温、强腐蚀性的含尘气体中容易发生热缩、降解、氧化等现象而无法使用的问题，本发明提供了一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法，本发明用聚丙烯腈基碳纤维作为滤材原料，经丙酮萃取，硝酸酸洗除杂后，用碳纳米管静电喷射在碳纤维表面，将碳纳米管植入碳纤维的表面结构缺陷中，提高碳纤维的拉伸强度后，再将碳纤维浸泡于掺杂烧结剂硫酸铜和硼酸的二氧化钛凝胶中，取出，高温烧结，在碳纤维表面形成致密化的二氧化钛抗氧化涂层，制得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0005 ]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是: (1)称取聚丙烯腈基碳纤维10?15g，将其浸泡在50?80mL丙酮溶液中I?2h，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维3~5次，在80?85°C烘箱中干燥I?2h，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中I?2h，用去离子水洗涤3~5次，置入55?60°C烘箱中干燥I?2h，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用；
(2)称取5mg多壁碳纳米管，加入50?60mL二甲基甲酰胺，再向混合液中加入I?2mg十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声4?5h，制得多壁碳纳米管静电喷射液；
(3)将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述步骤(I)接地的金属框架间通电形成28?30kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为5?6cm，喷射速率为8?10mL/h，喷射时间为1.5?2.0h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入60?70°C烘箱干燥I?2h，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维；
(4 )量取1?12mL钛酸四丁酯缓慢滴入I?2mL乙酰丙酮与35?36mL无水乙醇混合液中，搅拌30?40min后，分别加入20?25mL无水乙醇，0.5?0.8mL质量浓度为37%浓盐酸，2?3mL去离子水，0.5?0.Sg五水硫酸铜粉末，1.2?1.5g硼酸粉末，搅拌I?2h后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中I?2h，取出纤维置入80?85°C烘箱中，干燥3~4h，转入500?550 °C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结2?3h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0006]本发明的应用方法是:将本发明制备的高温含尘气体过滤用碳纤维交织成3层滤布，过滤400?700 °C气流速度为2.0m/min高温含尘气体15?20min，进出口温差为70?80 V，除尘效率为98?99%。
[0007]本发明的有益技术效果是:
(1)本发明制备的高温含尘气体过滤用碳纤维表面有致密的抗氧化层，在高温、强腐蚀性的含尘气体中不容易发生热缩、降解、氧化等现象；
(2)本发明制备工艺简单，绿色，节能，环保。
【具体实施方式】
[0008]称取聚丙烯腈基碳纤维10?15g，将其浸泡在50?80mL丙酮溶液中I?2h，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维3~5次，在80?85°C烘箱中干燥I?2h，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中I?2h，用去离子水洗涤3~5次，置入55?60°C烘箱中干燥I?2h，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用;称取5mg多壁碳纳米管，加入50?60mL 二甲基甲酰胺，再向混合液中加入I?2mg十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声4?5h，制得多壁碳纳米管静电喷射液;将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述接地的金属框架间通电形成28?30kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为5?6cm，喷射速率为8?10mL/h，喷射时间为1.5-2.0h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入60?70°C烘箱干燥I?2h，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维;量取10?12mL钛酸四丁酯缓慢滴入I?2mL乙酰丙酮与35?36mL无水乙醇混合液中，搅拌30?40min后，分别加入20?25mL无水乙醇，0.5~0.8mL质量浓度为37%浓盐酸，2?3mL去离子水，0.5?0.8g五水硫酸铜粉末，1.2?1.5g硼酸粉末，搅拌I?2h后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中I?2h，取出纤维置入80?85°C烘箱中，干燥3?4h，转入500?550 °C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结2?3h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0009]实例I
称取聚丙烯腈基碳纤维10g，将其浸泡在50mL丙酮溶液中lh，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维3次，在80 0C烘箱中干燥Ih，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中Ih，用去离子水洗涤3次，置入55°C烘箱中干燥lh，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用;称取5mg多壁碳纳米管，加入50mL 二甲基甲酰胺，再向混合液中加入Img十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声4h，制得多壁碳纳米管静电喷射液;将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述接地的金属框架间通电形成28kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为5cm，喷射速率为8mL/h，喷射时间为1.5h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入60°C烘箱干燥lh，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维;量取1mL钛酸四丁酯缓慢滴入ImL乙酰丙酮与35mL无水乙醇混合液中，搅拌30min后，分别加入20mL无水乙醇，0.5mL质量浓度为37%浓盐酸，2mL去离子水，0.5g五水硫酸铜粉末，1.2g硼酸粉末，搅拌Ih后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中lh，取出纤维置入80°C烘箱中，干燥3h，转入500°C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结2h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0010]本发明的应用方法是:将本发明制备的高温含尘气体过滤用碳纤维交织成3层滤布，过滤400°C气流速度为2.0m/min高温含尘气体15min，进出口温差为70°C，除尘效率为98%。
[0011]实例2
称取聚丙烯腈基碳纤维12g，将其浸泡在70mL丙酮溶液中1.5h，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维4次，在82°C烘箱中干燥1.5h，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中1.5h，用去离子水洗涤4次，置入58°C烘箱中干燥1.5h，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用；称取5mg多壁碳纳米管，加入55mL二甲基甲酰胺，再向混合液中加入1.5mg十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声4.5h，制得多壁碳纳米管静电喷射液;将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述接地的金属框架间通电形成29kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为5.5cm，喷射速率为9mL/h，喷射时间为1.8h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入65°C烘箱干燥1.5h，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维;量取I ImL钛酸四丁酯缓慢滴入1.5mL乙酰丙酮与35mL无水乙醇混合液中，搅拌35min后，分别加入22mL无水乙醇，0.7mL质量浓度为37%浓盐酸，2.5mL去离子水，0.7g五水硫酸铜粉末，1.3g硼酸粉末，搅拌1.5h后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中1.5h，取出纤维置入820C烘箱中，干燥3.5h，转入520°C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结2.5h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0012]本发明的应用方法是:将本发明制备的高温含尘气体过滤用碳纤维交织成3层滤布，过滤500°C气流速度为2.0m/min高温含尘气体18min，进出口温差为75°C，除尘效率为98%。
[0013]实例3 称取聚丙烯腈基碳纤维15g，将其浸泡在SOmL丙酮溶液中2h，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维5次，在85 0C烘箱中干燥2h，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中2h，用去离子水洗涤5次，置入60°C烘箱中干燥2h，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用;称取5mg多壁碳纳米管，加入60mL 二甲基甲酰胺，再向混合液中加入2mg十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声5h，制得多壁碳纳米管静电喷射液;将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述接地的金属框架间通电形成30kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为6cm，喷射速率为10mL/h，喷射时间为2.0h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入70°C烘箱干燥2h，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维;量取12mL钛酸四丁酯缓慢滴入2mL乙酰丙酮与36mL无水乙醇混合液中，搅拌40min后，分别加入25mL无水乙醇，0.8mL质量浓度为37%浓盐酸，3mL去离子水，0.8g五水硫酸铜粉末，1.5g硼酸粉末，搅拌2h后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中2h，取出纤维置入85°C烘箱中，干燥4h，转入550°C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结3h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
[0014]本发明的应用方法是:将本发明制备的高温含尘气体过滤用碳纤维交织成3层滤布，过滤700°C气流速度为2.0m/min高温含尘气体20min，进出口温差为80°C，除尘效率为99%。
【主权项】
1.一种高温含尘气体过滤用碳纤维的制备方法，其特征在于具体制备步骤为: (1)称取聚丙烯腈基碳纤维10?15g，将其浸泡在50?80mL丙酮溶液中I?2h，用去离子水洗涤聚丙烯腈基碳纤维3~5次，在80?85°C烘箱中干燥I?2h，取出，浸泡于质量浓度为10%硝酸溶液中I?2h，用去离子水洗涤3~5次，置入55?60°C烘箱中干燥I?2h，得预处理聚丙烯腈基碳纤维，平铺在金属框架上，备用； (2)称取5mg多壁碳纳米管，加入50?60mL二甲基甲酰胺，再向混合液中加入I?2mg十二烷基苯磺酸钠，在频率为60 kHz的超声波作用下超声4?5h，制得多壁碳纳米管静电喷射液； (3)将上述制备的多壁碳纳米管静电喷射液注入注射器中，在喷射头与上述步骤(I)接地的金属框架间通电形成28?30kV高压静电场，将多壁碳纳米管静电喷射液在高压静电场作用下射向聚丙烯腈基碳纤维表面，控制喷射距离为5?6cm，喷射速率为8?10mL/h，喷射时间为1.5?2.0h，再将喷射多壁碳纳米管聚丙烯腈基碳纤维置入60?70°C烘箱干燥I?2h，得经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维； (4)量取10?12mL钛酸四丁酯缓慢滴入I?2mL乙酰丙酮与35?36mL无水乙醇混合液中，搅拌30?40min后，分别加入20?25mL无水乙醇，0.5?0.8mL质量浓度为37%浓盐酸，2?3mL去离子水，0.5?0.Sg五水硫酸铜粉末，1.2?1.5g硼酸粉末，搅拌I?2h后，将上述制备的经碳纳米管增强聚丙烯腈基碳纤维浸泡在混合液中I?2h，取出纤维置入80?85°C烘箱中，干燥3~4h，转入500?550 °C马弗炉中，在高纯氩气保护下，高温烧结2?3h，得高温含尘气体过滤用碳纤维。
【文档编号】D06M11/46GK105926273SQ201610483974
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】郭舒洋, 王龙
【申请人】郭舒洋