多尘工况下气体采样系统前置过滤膜的制备及性能研究

作     者：赵波 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭丽

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 07[理学] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0706[理学-大气科学] 

主      题：气体空气污染物 静电纺丝 颗粒物过滤 压降 气体采样 

摘      要：广泛存在的粉尘扬起逸散环境中的含尘气体成分非常复杂,主要包括大气颗粒物和有毒气体,影响着空气质量、人类健康、区域和全球气候。而气体检测作为提高生存质量、保障人类健康的手段,在食品安全、缉毒防爆、疾病诊断、环境监测等领域广泛应用。随着工业技术的快速发展,基于电子鼻等技术的气体传感器研究迅速发展,极端环境下气体的检测技术越来越受到重视。目前在极端环境下的气体检测存在的主要问题是产生的扬尘和飞尘对仪器设备检测性能干扰极大,长时间的气体检测精度会大大降低。针对井下煤矿开采过程中气体检测设备受颗粒物影响的问题,本研究利用静电纺丝技术制备了具有黏结结构的纯PCL纤维膜(P-10-1.5、P-10-2、P-10-3、P-10-4、P-10-5、P-12-1.5、P-12-2、P-12-3、P-12-4和P-12-5)和多层空腔结构PCLGO复合膜(PCLGO-1、PCLGO-3、PCLGO-5、PCLGO-8和PCLGO-10),与两类商用膜(玻璃纤维滤膜和PTFE滤膜)进行对比,分析了滤膜对香烟烟雾和井下颗粒物模拟源的过滤性能和机理,以此为井下气体检测前置过滤装置的优化设计提供参考信息。通过滤膜前后颗粒物和气体浓度对比,以及扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线能谱仪(EDS)及气相色谱-质谱联用法表征分析,得到以下结论。1.两类商用膜的过滤效率在98%以上,但阻力压降较高(300 Pa以上),面密度为5.41 g/m的纯PCL纤维膜(P-10-1.5)相较于其他面密度的纯PCL纤维膜的过滤性能好,在所有滤膜中,PCLGO-3复合膜具有最佳的过滤性能,主要是因为其阻力压降最小为75 Pa,纤维与复合膜中的颗粒保持了最大的空腔结构,对于气流通过是最优的,品质因子最高为0.0763。滤膜对颗粒物主要是通过纤维直径(或筛孔边缘)和孔径(或筛孔)进行拦截的,EDS元素分析表明所有滤膜表面都有香烟烟雾元素和井下颗粒物元素。2.通过静电纺丝技术制备了纯PCL纤维膜具有粘结结构,溶液浓度越大,纤维直径及离散度也越大,其直径分布也由窄变宽。所制备的PCLGO复合纤维膜具有多层空腔结构,GO的掺入使PCL纤维膜的平均直径从微米级降到了纳米级,直径分布均匀,其中PCLGO-3复合纤维膜具有最小的平均纤维直径为79.8 nm。***的掺入也增强了PCLGO复合膜的力学性能,PCLGO-5复合膜具有最佳的力学性能,这归因于GO在PCL聚合物基体中的均匀分散,有机PCL相和无机PCL相的相互作用的结果。本研究制备的PCLGO-3复合膜具有优良的过滤性能,可用于多尘工况下气体采样系统的前置过滤膜。