自潔式高效膜式過濾器的研究

摘 要: 樣氣處理系統技術是在線氣體分析系統的核心和關鍵技術,膜式過濾器是樣氣處理系統的核心基礎樣氣處理部件之一。本文論述分析了一種具有“油水雙疏”。納米特性聚合薄膜的自清潔、高效過濾機理,進而深入介紹，高效自吹洗綜合過濾器的專利技術產品,為樣氣處理的高效“除塵”、“除水”提供了一種新的產品和解決方案。

關鍵詞: 油水雙疏 微/納雙重結構 納米特性過濾薄膜 自吹洗、過濾　膜式過濾器 樣氣處理系統技術

1 自然界中的疏水表面

　　自然界中存在許多無污染、自清潔的動植物表面，以荷葉最為典型和人所共知，其它還有芋頭葉、水稻葉，蝴蝶和水鳥羽毛表面等，它們的共同特點就是具有超疏水表面。進一步的顯微研究表明，這種超疏水表面具有微米尺度的細胞和納米尺度臘狀晶體的雙層微觀結構組成（1），呈現出超疏水特性和自清潔特性，這才有荷葉和荷花的出污泥而不染，水珠在荷葉上的自由滾動。特別是水鳥羽毛，不但超疏水，還有很好的透氣性，膜式過濾器的過濾薄膜正需要這樣類似的技術特性。

2 微孔過濾技術的基本原理

　　 微孔過濾技術基于微孔過濾薄膜，微孔過濾膜是由孔徑在0.1-10um的特種纖維或高分子聚合物及無機材料構成。

　　微孔過濾的微濾（MF）可濾除≥50nm的顆粒，公認微濾的公稱孔徑是0.2um。超濾（UF）可濾除1-100nm的顆粒（2）。技術概念上的“納米”尺度是指1-100nm的尺度范圍，由此可認為優于100nm，即0.1um的微孔過濾都屬于廣義的納米級別的過濾。

　　微孔過濾膜的微孔過濾截留機理分為機械截留，物理作用或吸附截留，架橋截留和網絡型膜的內部截留（2）。微孔過濾膜過濾干燥的粉塵顆粒大多屬于機械截留過濾，過濾截留微細液霧，更像是液體分子群（分子團或分子鏈）的架橋截留過濾。不過，最好還是用后述納米特性聚合膜的疏水特性來解釋更有說服力。

3 樣氣“除塵”、“除水”的苛刻要求

　　在線分析器以在線分析系統形式投放市場和工程應用已成為國內外不可逆轉的技術主流，“樣氣處理系統技術是在線分析系統的核心和關鍵技術”（3）是本專業正在發生轉變的核心觀念之一。樣氣處理的其中兩項極為苛刻和困難的任務就是“除塵”和“除水”。

　　樣氣“除塵”就是樣氣的粉塵過濾，樣氣的“除水”應該是指除水和除濕。樣氣經過“除塵”、“除水”之后，理論上應該是潔凈的和干燥的，達到接近標準氣般的高品質。如果樣氣處理能夠達到如此協調運行的高境界，那么在線分析系統就不致于發生管路或部件堵塞，氣室或接收器污染或腐蝕嚴重等故障現象，就可在一定程度上避免分析器漂移增大、性能衰變，甚至引起分析器失效，進而使在線分析系統應用中斷等嚴重故障。現在工程界對在線分析系統提出了非常高的要求：兩三年內只維護不維修，要有15年的使用壽命周期。實行這一工程設計新理念，就必須有效甚至是徹底解決樣氣處理的“除塵”、“除水”關鍵基礎技術。

　　某國外公司的高端紅外分析器明確規定樣氣條件的粉塵濃度為≤0.3um、≤10ug/m3。聯合國世界衛生組織的空氣污染控制標準是（≤0.3-0.5um）、≤20ug/m3。所以樣氣處理“除塵”的合格標準應推定為≤0.3um、≤10ug/m3。至于“除水”，當然是越干燥越好，經典的除水是氣水分離，經典的除濕是壓縮機式樣氣冷凝器再加上蠕動泵自動排放冷凝液。冷凝器設定溫度大多為+2.5℃，樣氣出口溫度可能要高于設定溫度，特別負壓力運行的冷凝器更是如此。

　　有一個微觀的技術事實必須指出：樣氣冷凝器的冷凝分離只分離了液相水，并不能完全分離“氣相水”，也就是說微細液霧并沒有從出口樣氣中分離掉，此時樣氣出口處的樣氣露點肯定更要高于冷凝器的設定溫度，這就不難解釋寒冷冬季其后的流量計處偶然出現液態水使樣氣處理失效的故障原因了。所以樣氣處理的“除水”必須再深層地推進到除去冷凝器出口樣氣中的微細液霧（廣義概念應包括煙霧、水霧、酸霧和油霧），這是國內業界長期忽視的一個技術難題。

4 納米特性聚合過濾薄膜

　　4.1　納米特性

　　根據納米技術的專業概念，所謂納米尺度是指1-100nm，所謂納米特性的很典型的專業術語是“油水雙疏”或“油水雙親”，很容易識別。

　　本文介紹的納米特性聚合膜就有“疏水和一定疏油特性”的納米特性。可作如下演示性試驗：

　　將6000mL礦泉水細水長流地淋在傾斜45°的膜片上，膜片不被浸濕，完好無損。

　　4.2　技術特性

　　0.4mm厚，抗張強度高，不易破損;

　　透氣性好，氣流阻力小：如∮50mm膜片在60L/h流量下的氣流阻力≤7mmH2O;

　　粉塵過濾精度：≥0.05um　99%　（≥0.3um時，最高可達99.999%以上）;

　　液霧過濾精度：有阻止或攔截液霧通過的能力（透過率優于0.001%）;

　　最高使用溫度：200℃（樣氣溫度）;

　　自潔式、不易污染特性;疏水特性是自潔式的必備條件;

　　高效綜合過濾功能：指既能高精度過濾粉塵，又能阻止微細液霧通過，而且不影響良好的透氣性。

　　4.3 正確使用與維護

　　納米特性聚合膜的高效過濾功能和良好的透氣性是基于先進過濾膜元件材料的疏水納米特性，這性能來源于材料的疏水表面，這表面具有微細的表面粗糙度和微/納雙重結構，“微”指微米尺度、“納”指納米尺度。

　　本納米特性聚合膜有網格紋的一面為正面，應正對樣氣過濾的入口側。膜片在保管、施工使用過程中，其表面不得受到任何污染、損傷，不允許有折痕和壓痕，也就是膜材料表面的特殊微/納雙重結構不能受到損傷。只要樣氣阻力沒有增大到樣氣流量調節不到規定流量的程度，即使膜片觀察起來有污染（指變色）和積污現象，也可以不必急于更換默片。

5 膜式過濾器技術的現狀

　　膜式過濾器是樣氣處理系統技術的核心基礎樣氣處理部件之一，普及到每套系統都必備。

　　國內分析儀器專業公司此前的最好水平早已達到0.3um，但不少公司仍停留在1um左右的保守水平不思改進。更大的潛在問題是，對樣氣中的殘留液，即懸浮狀態的微細液霧無能為力，如果偶遇樣氣“逃液”現象，過濾薄膜被水浸濕就立即擴散到整片薄膜（呈現某種程度的“親水”特性），不但阻力增大不透氣，還很容易因膜片破損失效，造成工程應用中斷的嚴重故障。技術上不得以的選擇，是設計帶濕度報警（實際上是水分報警）功能的膜式過濾器。

　　國外有不少專業生產樣氣處理產品的公司，膜式過濾器技術水平都很高，最關鍵的是采用了疏水特性的高精度過濾薄膜。其中Balston/Parker過濾系統公司的39系列薄膜過濾器，采用疏水的PTFE薄膜，過濾粒經最小0.01um（即10nm）（4），殘留液可以從旁流端排出。

　　美國A+（愛杰克）公司200系列Genis分離器，干脆叫分離器而不叫過濾器，足見非常強調凝結分離樣氣中懸浮微細液霧的功能,過濾精度是0.02um。

　　德國的M&C公司CLF系列氣溶膠筒式過濾器過濾精度也是0.02um，所謂氣溶膠（aeosol）是指粒徑<1um的懸浮液體微粒，如煙霧、揮發性有機構（WOCS）、水霧和油霧等，被過濾元件攔截后并凝結成液滴，在重力作用下滴落。

　　采用“溶膠-凝膠”工藝方法所獲得的微/納雙重結構材料（1）：有大量的納米級精微氣孔，其上表層微米尺度的平均尺寸是0.2um,下表層納米尺度的平均直徑為13nm（0.013um）,所以能過濾≥0.02um的顆粒粉塵，又能疏水除去懸浮液霧。

6 新型高效自潔式膜式過濾器

　　6.1　LKP303型高效自吹洗綜合過濾器

　　LKP303型高效自吹洗綜合過濾器是重慶凌卡分析儀器有限公司2008年推出的專利技術產品，其外形結構及安裝尺寸圖如下圖所示。

　　

　　過濾器采用序4節所述的納米特性聚合過膜薄膜，規格是∮50mm,0.4mm厚，有效過濾面積為17cm2,死體積（總內容積）≤7cm3,60L/h樣氣流量下的氣流阻力≤7mmH2O。

　　該過濾器用于樣氣處理系統的后級，對粉塵的過濾精度是0.05um 99%，也能有效阻止和攔截偶然“逃液”的液態水和液霧通過液霧，透過率優于0.001%，能有效保護其后流量計和分析器，是分析器進而是在線分析系統可靠性和長壽命的可靠保證。

　　過濾器為有機玻璃材質濾體結構，可清晰觀察過濾膜片是否污染。過濾器壁式安裝，有三個∮6mm的不銹鋼雙卡套接頭：上端是樣氣入口，左側是樣氣出口，下端是“旁路流”出口。

　　該過濾器與國外先進過濾器相比有個技術亮點，就是可以在線更換過濾膜片，即在不拆下其它部件和管路接頭的條件下，只要旋開右側旋蓋，就可以很方便快速地更換過濾膜片，1分鐘就可搞定。序5節的兩種國外膜式過濾器都不能在線維護，更換過濾膜片時，需要擰下6個螺釘才能打開過濾器外蓋，這一操作需要5分鐘，拆開連接管道次數多了，還有可能造成氣路密封不可靠。

　　如果樣氣含水分或液霧的危險很小，可以改用沒有旁路結構的LKP301型過濾器。

　　6.2 詮釋過濾器的自清潔功能

　　納米特性聚合過濾薄膜具有自清潔、不易污染的技術特性。膜片在過濾器腔體中垂直設置，過濾腔的左側為過濾室，右側為樣氣室，過濾室上端有樣氣入口，下端有旁路流出口，樣氣室與樣氣出口相通，但樣氣出口以巧妙的氣路結構設在左側過濾腔體上，更換膜片時，就可以不必拆下管道接頭而只旋開右側旋蓋即可。樣氣經樣氣入口從過濾室上方進入過濾室，穿透過濾膜片的那部分樣氣經過有效的“除塵”和“除水”，以高品質的潔凈形態，從樣氣出口以60L/h的流量輸送至分析器檢測。進入過濾室又沒有穿過膜片的大部分樣氣，大約是出口樣氣的2-4倍，稱為“旁路流”，從旁路流出口排放。入口樣氣如有“逃液”，這些少量的水，會在旁路流中落下隨旁路流排放掉，膜片因疏水特性不會對液態水的排放產生任何不利影響。入口樣氣必然不同程度含有“氣相水”，以懸浮的微細液霧形態存在，粒度大多≤1um。氣體分子和水蒸氣分子（氣態水）很容意穿過任何精微孔的薄膜，因為水分子的直徑只有幾個A（<1nm）。但是即使最小的液體分子群，疏水薄膜都不會允許其通過，因為液體的表面張力將液體分子緊緊約束在一起形成的分子群可能是講不清形狀的分子團或很長的分子鏈，他們一起運動，無法通過薄膜微孔。入口樣氣中再微細的液霧，一旦碰上疏水的薄膜，因為凝結作用，這種凝結作用因液體分子的表面張力，本來就存在，加之膜片疏水特性，使凝結作用加劇，看不見的微細液霧逐漸凝結成較大粒度的液霧，再增大成小液滴，這種聚集成的小液滴在垂直膜片上根本“粘”不住，不是因為其重量太重，而是膜片的疏水特性使然。膜片上逐漸聚集的粉塵和細小液滴，因旁路流自傷而下的持續自吹洗從而實現了自清潔功能，殘留液會隨旁路流排出。不用擔心分析器的可靠性、穩定性、以及靈敏度會受到樣氣濕度和含有殘留粉塵的影響。

7 總束語

　　樣氣經過電子冷凝器之后再“過濾”微細液霧，是樣氣處理系統技術進步的客觀需要。LKP303型高效自吹洗綜合過濾器突破傳統，將“除塵”、“除水”有效結合起來。要保證在線分析系統15年的使用壽命周期，現在不必再擔心傳輸給分析器樣氣中的粉塵和濕度的影響因素了。

　　高效的樣氣處理部件是樣氣處理系統技術、進而是在線析系統最急需的基礎技術，腳踏實地地加強基礎技術，是在線分析工程技術應用及發展的方向之一。

參考文獻

　　1　李小兵、劉瑩、材料工程，2008（4）， 74-81

　　2 　楊鐵主編，分析樣品預處理及分離技術，北京，化學工業出版社，2007

　　3　金義忠、曹以剛，在線分析工程技術導論，分析儀器，2008（5）

　　4 ｛美｝羅伯特·E·謝示曼著，馮泉耕\高長春譯，過程分析儀樣品處理系統技術，北京工業出版社,2004