基本信息
- 项目名称：
- 高效催化/除尘双功能环保滤料的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究针对世界范围内采用活性炭吸附垃圾焚烧尾气中二恶英的技术缺陷，将二恶英分解催化剂与聚四氟乙烯（PTFE）多微孔纤维有机结合，并将纤维加工成具有催化/除尘双功能的环保滤料。发明了负载催化剂的PTFE纤维加工技术（发明专利申请号200910097793.2）；设计了四层滤料结构，采用多重复合技术加工成具有催化/除尘双功能的环保滤料（发明专利申请号200910095413.1）；在西安某垃圾焚烧厂进行了挂袋试验，检测表明，二恶英分解效率达78.1％，除尘效率达99.99％。
- 详细介绍：
- 垃圾焚烧过程中产生大量的颗粒物和毒性气体——二恶英。为防止尾气污染环境，颗粒物脱除采用耐高温袋式除尘器；二恶英则采用活性炭吸附，实际上这种方法只是将空气中的污染转移到地下。另外，二恶英催化剂分解技术取得了长足的发展，已发展出多个催化剂体系，但目前大多采用蜂窝状形式使用，存在设备投资高、使用过程中能耗大、改变垃圾焚烧工况等缺陷。 本研究则是将催化剂粉体与多微孔PTFE纤维结合，再加工成滤料，最后制备具有催化/除尘双功能的过滤袋；为研究滤料催化和除尘效率，在西安某垃圾焚烧厂进行了挂袋试验。 （1）负载催化剂的多微孔PTFE纤维 目前垃圾焚烧的高温尾气基本上是以1m/min的速度通过过滤袋，因此催化剂必须与纤维牢固结合；同时为确保催化剂的分解效率，必须保证催化剂与空气充分接触。 基于此，①本研究选择了多微孔PTFE纤维为催化剂载体，并采用PTFE乳液表面改性催化剂粉体，并控制纤维成型温度（327-348℃，327℃为PTFE乳液的熔点，348℃为PTFE纤维的熔点），促使PTFE乳液熔融形成交联作用，解决牢固结合问题。②为制备多微孔纤维，研究中采用拉伸制膜，然后再裂膜成纤维的加工技术。形成如下加工路线： 首先制备催化剂/PTFE微孔膜：表面修饰的催化剂粒子→PTFE树脂+润滑剂→混和→过筛→成熟→压坯→挤出棒状物→压延成片材→纵向拉伸→固化→催化剂/PTFE微孔膜。 在此基础上，催化剂/PTFE微孔膜→裂膜→催化剂/PTFE纤维。 采用该专利技术（发明专利申请号200910097793.2），2008年9月在浙江格尔泰斯环保特材科技有限公司进行了试生产。 （2）具有催化/除尘双功能的滤料 根据二恶英多以吸附在颗粒物上、少量为气溶胶的存在状态，设计了迎尘层、缓冲层、催化分解层、增强层四层结构，并采用多重复合方式加工二恶英分解/除尘双效功能的环保滤料。 采用该专利技术（发明专利申请号200910095413.1），2008年10月在南京际华三五二一特种装备有限公司进行试生产。 （3）滤料性能检测 2008年12月在西安某垃圾焚烧厂进行了挂袋试验。经国家权威部门检测，环保滤料除尘效率达99.99％，二恶英分解效率达78.1％。进一步的试验仍在进行中。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：研制具有催化/除尘双功能的环保滤料，提出一种垃圾焚烧尾气处理用新型材料的加工方法，为环境的改善和大气的净化增砖添瓦。 基本思路：针对世界范围内垃圾焚烧过程中排放的二恶英废气无经济、可行的处理技术，以及二恶英分解催化剂取得长足发展等现状，将催化剂与聚四氟乙烯（PTFE）多微孔纤维有机结合，并将纤维加工成具有催化/除尘双功能的环保滤料。 创新点：（1）采用PTFE乳液表面改性催化剂粉体，并控制纤维成型温度促使PTFE乳液熔融形成交联作用，以防止催化剂的流失；（2）根据二恶英存在状态和除尘要求，设计四层滤料结构，并采用多重复合技术将含有催化剂粒子的PTFE多微孔纤维加工成具有催化/除尘双功能的环保滤料。 关键技术：（1）催化剂粉体的表面改性技术；（2）滤料的多重复合加工技术。 主要技术指标：环保滤料的除尘效率达99.99％，二恶英分解效率达78.1％。
科学性、先进性
- （1）与现行二恶英处理技术比较：二恶英的脱除主要是采用活性炭吸附。活性炭吸附饱和后多采用填埋方法处理，但填埋的二恶英难以分解，极易对土壤和地下水造成二次污染。实际上这种方法只是将空气中的污染转移到地下。 （2）形成的含有催化剂的PTFE纤维的加工方法，比先前研究（发明专利200810060356.9、200610155052.1）更具科学先进性。先前方法均是采用催化剂和聚四氟乙烯共混加工而成，二者之间缺少可连接的成分，结合牢度较差。本技术采用PTFE乳液表面改性催化剂粉体，并控制纤维成型温度促使PTFE乳液熔融形成交联作用，以防止催化剂的流失；PTFE乳液熔融后收缩，使催化剂粉体表面大部分裸露出来，同时确保了催化效率。 （3）滤料加工技术：作品设计了迎尘层、缓冲层、催化分解层、增强层等四层滤料结构，并采用多重复合技术加工成具有催化/除尘双功能的环保滤料。比单层滤料加工方法（发明专利200610155052.1、200810124334.4、200810124335.9）有显著进步。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，在浙江金华市浙江师范大学举办的第十一届浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖。 获得浙江省创新科技项目的资助。
作品所处阶段
- 作品中涉及到的纤维和滤料加工技术，已在相关企业进行批量试验，表明工艺运行平稳，处于中试阶段。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该产品具有如下优势：（1）同时具有除尘和二恶英分解功能；（2）不需增加额外设备；（3）不改变现有设备运行工况。 本项目产品可用于垃圾焚烧、燃煤电厂、钢铁工业等高温尾气的处理上，控制烟尘中悬浮颗粒和二恶英的排放。 我国目前有2000多台垃圾焚烧炉（包括医疗、生活和固体废弃物等），国家强制性使用袋式除尘器。以每台焚烧炉使用1500平方米，按滤料2年使用寿命计算，每年所需滤料将有150万平方米。我国正大力提倡垃圾处理采用焚烧法，预计到2015年比例将由现在的7-9％提高到l5－25％。预计到2010年，我国钢铁行业，如果50％用袋式除尘器，总计需要滤料3600万平方米，若按滤料2年使用寿命计算，每年更换所需滤料将有1030万平方米（计算）。钢铁工业袋式除尘需要2100万平方米（计算），折算后每年需更换滤料600万平方米（计算）。还有我国共计560条干法水泥生产线，需使用滤袋除尘设备。我国对袋式除尘器需求巨大，因此，具有催化功能的袋式除尘器有广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 焚烧处理目前已成为各国处理废弃物最主要的和最有效的方法之一。但垃圾在焚烧过程中产生大量污染物，如颗粒物、酸性气体、重金属及二恶英等。这些污染物对人体健康存在极大危害，而尤以二恶英的毒害最大，去除难度也最高。在垃圾焚烧行业，飞灰（颗粒物）脱除均采用耐高温袋式除尘器。部分二恶英在飞灰上，因此，目前二恶英的脱除主要是提高袋式除尘器的过滤精度以有效截留颗粒物，同时采用活性炭注射吸附。吸附二恶英的活性炭和飞灰被作为有害废物来处置（如再次高温焚烧），大大增加了垃圾焚烧厂的运行费用，为降低成本，多数企业采用填埋方法，虽操作费用低，但填埋的二恶英难以分解，极易对土壤和地下水造成二次污染。实际上这种方法只是将空气中的污染转移到地下。 经济、高效是二恶英脱除技术的发展方向。目前，二恶英催化剂分解技术取得了长足的发展，它是在一定的温度下（150-250℃）将二恶英分解为CO2、H2O和微量HCl气体等（Environ. Sci. Technol，2003，37：4254-4260）。将催化剂和袋式除尘器有机结合是目前高温尾气处理的发展方向。 美国Gore公司发展了REMEDIA催化过滤器系统，它是将催化剂粉体植入PTFE多孔纤维内部，之后加工成过滤器。催化剂和PTFE微孔纤维的结合具有如下优势：（1）温度匹配：PTFE可长期耐受200℃左右高温，催化剂有效分解温度为180-220℃，垃圾焚烧炉中的除尘系统空气温度为180℃左右，因此三者在温度上比较匹配。将该纤维制成过滤袋后可直接使用，不改变垃圾焚烧设备和运行参数；（2）PTFE纤维上富含微孔，有利于催化剂粒子和二恶英有效接触。该过滤器能有效地将高效除尘和催化氧化去除二恶英的功能集于一身。使用过程中，烟气中吸附在固体颗粒物上的二恶英将与其它微小颗粒物如重金属一起被过滤去除，而气态的二恶英则通过滤料纤维中的催化剂发生氧化分解反应。 在国内，本项目组所在研究室对该技术进行了长期的研究，并申请或获得国家发明专利多项（200810060356.9、200810124334.4、200810124335.9）。本研究即是在先前的基础上，发明了催化剂牢固附着和负载催化剂的多微孔PTFE纤维加工技术以及具有催化/除尘双功能的环保滤料的多重复合加工技术，并取得了二恶英分解效率78.1%、除尘效率99.99%的结果。
