论文部分内容阅读
纳米纤维膜具有高比表面积、高孔隙率和较小的孔径结构,在液体和气体过滤领域具有相较于传统纤维滤材更为突出的性能优势,吸引了学术界和产业界的广泛关注。目前,纳米纤维膜的研发遍及全球各个国家和地区,已形成一定的市场规模,据行业分析报告显示,全球纳米纤维在2017年的市场达12.636亿美元,并预计在未来几年内以25.0%的复合年增长率(CAGR)持续扩张。随着工业化静电纺丝纳米纤维设备的商品化开发,纳米纤维膜在过滤分离领域将进一步扩展全球纤维过滤市场的发展并有望逐渐占领更高的市场份额。本论文研究课题以在液体和气体两种不同媒介中过滤分离为应用实例,分别研究了两种纳米纤维膜的制备及其在燃油中微量水份的去除,在高温工业空气污染源头PM2.5过滤的性能优势,为提高内燃机工作效率和全球空气污染灾害治理提供了有效的解决策略,具有实际的市场应用前景。燃料系统中通常因储存,运输等原因存在一些微量水份,导致燃油的燃烧性能降低、内燃机车辆的主要金属部件腐蚀和微生物滋生等一系列问题。本论文第一部分研究了采用聚丙烯酸/聚乙烯醇水溶液在高压静电场下纺丝铺网成膜,通过优化聚合物配比,物理热交联的温度与时长,获得了能够一次性去除燃油中微量水份的纳米纤维干凝胶膜。经过分析测试表明,160℃交联30min的PAA/PVA纳米纤维干凝胶膜能够吸收自身重量百倍(124.8g/g)以上的去离子水,且在30min内即可达到溶胀平衡,吸水后该水凝胶膜仍具有足够的机械强度。该纳米纤维干凝胶膜具有523.2nm的平均孔径,79.6%的孔隙率和8.1MPa的断裂强度。此外,将含水量为1wt%的油包水乳液,一次性过滤通过所制备的PAA/PVA纳米纤维膜后,原本浑浊的乳液变为澄清透明状且过滤后油中的水含量仅为130ppm。不同于传统的油水分离机理,过滤后油中的微量水份被牢牢的锁定在纳米纤维水凝胶的三维网络结构中,无需进行额外的二次分离处理。该研究为一次性去除燃油中微量水份提供了有效的解决方法,有利于提高内燃机机械的工作性能并减少机械故障的发生频率。为了解决高温工业废气污染源头的PM2.5排放物对人体健康和环境治理的危害,本论文第二部分研究制备了聚砜酰胺/聚丙烯腈-无机勃母石纳米颗粒驻极增强(PSA/PAN-B)的纳米纤维膜以实现在高温源头的气相过滤应用。通过加入少量的聚丙烯腈(PAN)作为辅助聚合物,改善了聚砜酰胺(PSA)纤维的可纺性。无机勃母石纳米颗粒的加入既增强了纤维膜的机械强度,同时也提高了纤维膜的比表面积和热稳定性。通过调控无机勃母石纳米颗粒的含量和纤维膜的克重获得了高效低阻的PSA/PAN-0.5B纳米纤维过滤膜。经测试分析表明,1g/m2的PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜过滤效率为99.52±0.32%,阻力压降仅为45.16±1.39Pa,表现出最高的质量因数(QF值为0.119±0.008)。且该纤维膜在不同的测试风速,高温处理,酸碱溶液浸泡后仍能够保持其过滤性能的高效稳定性。进一步,通过檀香燃烧生成的烟雾模拟了该纳米纤维膜在真实PM2.5过滤中的应用前景,并结合不同过滤时长下的电镜图片提出了纳米纤维膜对油性污染颗粒物的过滤捕捉机理。本研究为高温工业污染源头PM2.5的过滤去除提供了行之有效的解决方案,有利于缓解空气污染对人体健康的损害,进一步拓宽了 PSA纳米纤维的应用范围。