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浅谈环境治理领域中金属多孔材料的具体应用

2020-05-12 1375 上传者：管理员

摘要：金属多孔材料内部分布有大量的方向性或随机分布的孔洞，具有一定的孔隙率，既具有金属的固有特性，又具有某些功能特性，是一种新型的结构功能材料，在工业生产的各个领域广泛使用。当前环境问题日益突出，新材料的合理使用对环境治理效果有很大的帮助和影响，金属多孔材料以其优良的特性在环境治理方面发挥了很大的作用，本文从洁净能源利用、高温气体除尘等方面阐述了金属多孔材料的使用，并对其在环境治理领域的发展进行了展望。

关键词：
材料科学发展
环境治理
结构功能材料
金属多孔材料
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金属多孔材料是指用金属粉末、金属纤维或者金属丝网烧结制成的含有贯通孔道的一类金属材料，其内部弥散分布着大量的有方向性或随机分布的孔洞，其孔隙率可以达到98%，孔洞的形态不同特点各异，主要有独立孔洞和连续孔洞，其中连续孔洞除了具有密度小、刚性和比强度好等特点外还具有浸透性、通气性好的特点，另外孔径的大小、分布和孔隙率可以实现准确控制。

这类材料既有金属的固有特性，如导电性、导热性、可塑性等又具有一系列功能特性，如高渗透性、高比表面积、能量吸收、毛细现象、隔音、隔热等，是一种新型的结构功能材料。在工业上可以用于过滤分离、表面燃烧、热交换、催化剂载体、电化学过程、多孔电极、自润滑、生物植入体等方面，广泛应用于航空航天、化工、建材、冶金、原子能、机械、环保等诸多领域。

随着经济的高速发展、资源的过渡开采和不合理利用导致环境问题层出不穷，各种污染严重影响了人们的生产和生活。环境治理方面的问题成为大家关注的焦点，其中新材料的使用成为影响治理水平的关键因素。金属多孔材料因其优良特性，在环境治理领域发挥了不可小觑的作用。

1、金属多孔材料在洁净煤技术的应用

我国的能源结构中以煤炭为主，随之带来了严重的环境污染问题，煤的高效和清洁利用对当前环境问题的改善有很大的影响。洁净煤技术是20世纪80年代中期美国首先提出来的，是指煤炭从开采到利用的全过程中减少污染物排放和提高利用率的加工、转化、燃烧及污染控制等技术的总称，煤气化技术是其中的一项关键技术，被称之为跨世纪能源新技术的煤的洁净燃烧联合循环发电工艺技术（整体煤气化联合循环发电IGCC，增压流化床燃烧联合循环发电PFBC等）就是利用煤气化产生的高温煤气经高温除尘净化后通过燃气透平发电，然后尾气经余热锅炉产生蒸汽以驱动汽轮机发电，形成联合循环发电，比普通燃煤发电效率高5%～10%。

干法除尘（DSR）是干煤粉加压气化工艺的重要环节，王凡等^[1]人以壳牌煤气化装置为例测试Fe3Al金属间化合物粉末滤芯在温度约为300～350℃气氛中的使用情况得出过滤之后固体颗粒物的含量（质量分数）稳定在10-5～2×10-5，飞灰平均粒径（d0.5）为2.714μm，过滤效率和过滤精度很高，且不受低温潮湿的环境的影响。在孔径测试中，经过两次清洗的滤芯的平均孔径比新滤芯略大。在渗透性测试中，经过两次清洗的滤芯的渗透率比经过一次清洗的滤芯的渗透率要高但是比新滤芯的渗透率略低，渗透性接近于新滤芯的水平。

在强度测试中，使用两次的金属滤芯的压溃强度较之新金属滤芯与使用一次的金属滤芯略低，但相对于陶瓷滤芯明显要高，此外经过两次清洗的金属滤芯的焊接试样的最大断裂力比新金属滤芯及清洗一次的金属滤芯略低，但比陶瓷滤芯明显要高，这些测试说明Fe3Al滤芯粉末体两次使用之后清洗再生还可以获得较好的透气性，且依然具有较高的力学性能，焊接强度不会在使用过程中受到明显影响。

2、金属多孔材料在高效洁净能源的应用

—表面燃烧技术表面燃烧技术是全预混燃烧方式的一种新型燃烧技术，具有高效节能，低污染的特点。要想形成表面燃烧，除了空煤气全预混以外，还要有多孔表面，由SiC和Al2O3等陶瓷泡沫或纤维制作的表面燃烧器成本高、易碎、不耐热震、导热率低，难以达到实用化的要求。近年来，因为FeCrAI、NiAl等金属合金纤维具有良好的耐高温抗氧化性能被用来制作表面燃烧器，以弥补陶瓷纤维材料的不足^[2]。这类材料表面气孔分布均匀，透气性好，导热系数和辐射率高，有利于传热和增加燃烧反应区域，提高了燃烧效率。金属纤维表面燃烧技术适用于任何气体和液体燃料（甚至固体颗粒燃料），煤也可经过汽化或液化后采用金属纤维燃烧器燃烧。金属纤维燃烧器还具有高的纳污量，可容纳燃烧粉尘（如煤粉），降低有害气体和粉尘的排放，实现了真正的洁净燃烧。

3、金属多孔材料在高温气体净化中的应用

工业生产过程中，很多领域都会涉及到高温含尘气体，如冶金行业钢铁冶炼过程中的高炉煤气和转炉煤气、玻璃工业的高温尾气等。这些气体中有大量物理显热、化学潜热、动力能以及可利用的物质，它们的净化处理和合理利用蕴含着很大的经济效益。传统高温气体除尘技术一般是先将高温气体进行冷却，然后再进行除尘，这样浪费了大量的热资源，有时还会产生污水、污泥等二次污染，而高温气体的直接净化除尘技术可以不用冷却利用高温过滤材料实现气固分离，使高温气体资源能够综合利用，并能最大程度地利用气体显热和有用能源,而且简化了工艺过程,节省了设备投资以及避免了二次水污染等，因此具有显著的优势。高温过滤材料在高温气体介质过滤除尘技术中很关键，因为特殊的工作环境，要求其在高温、高腐蚀性气体中必须满足过滤特性、使用寿命、价格等多方面的要求^[3]。

金属多孔材料因具有良好的耐热性、抗热震性和良好的机械性能，强度高，不易断裂等优点，另外还有良好的加工性能和焊接性能，更适用于高温气体的过滤除尘材料，尤其是高温抗腐蚀方面的改进更提升了适用性和优越性。金属多孔材料制备的高温过滤介质可以实现对5μm以下的尘粒进行精细除尘，如金属粉末烧结多孔材料FeAl金属间化合物和310S不锈钢材料具有很好的抗高温氧化、耐硫腐蚀性能，用它们制作的烧结金属滤管，最高使用温度可以达到900℃^[4,5]；铜基合金、304不锈钢、316不锈钢、GH3030高镍合金和GH4高温合金等材质的金属纤维制品、Fe-Al烧结粉末和310S烧结金属丝网也在高温除尘领域广泛使用^[6]。

烧结不锈钢纤维毡作为一种新型材料，是采用微米级的不锈钢纤维无纺铺制、叠配和高温烧结而成的多层纤网材料，孔径分布均匀且孔径大小梯度可以控制，具有过滤精度高，纳污容量高等特点。它的孔隙率可以达到70%～85%相对粉末过滤材料具有更好的过滤性能，同样体积下过滤面积比玻璃纤维除尘袋和多孔陶瓷过滤材料也大得多，使用温度可以高达500℃，如316L不锈钢纤维毡，除此之外它还具备良好的导热性可波折易加工等特性。

Ni基金属因为其良好的抗高温性能也被用来研制高温过滤材料，杨坤等^[7]用传统的冷等静压成型工艺制备的Ni基高温合金过滤管,经1240℃烧结后样品的透气系数达到最大为271.7m3·m-2·kPa-1·h-1，且流阻最小，测试得出其耐压强度可以达到86.2MPa，将试样用于5μm以上含尘气体过滤除尘其效率达到99.9%以上，能够满足洁净煤、多晶硅等行业生产过程中产生的含尘气体分离的要求。

4、金属多孔材料在汽车尾气净化方面的应用

随着汽车数量的越来越多，汽车尾气造成的污染已经成为环境污染的主要途径之一，治理汽车污染已经成为全球性的问题。汽车尾气污染物主要为碳氢化合物、硫氧化物、氮氧化合物及固体颗粒物等，加装三元催化器对尾气净化是治理汽车尾气的主要手段之一，其关键部件就是催化剂载体。陶瓷多孔材料的催化剂载体强度、抗热震性能及导热性不理想，净化效果较差、使用寿命短。近年来Fe-Cr-AI合金材料制备的多孔载体开始取代多孔陶瓷，加之非尾气加热催化剂的使用能够大大缩短起燃时间、提升起燃温度。西安菲尔特金属过滤材料有限公司的Fe-Cr-Al纤维产品采用电化学还原方法将铂族金属沉积于载体，实现尾气净化，可以用在各类机动车尾气净化器中^[8]。

柴油车的尾气排放也是比较严重的尾气污染，主要是通过柴油机颗粒捕集器处理柴油机排放微粒。Fe-Cr-Al合金纤维也可以用来制作柴油机颗粒捕集器，这种颗粒捕集器升温快、热熔小，能使排气微粒迅速起燃，且抗机械振动，高温冲击性、抗腐蚀性强，所处理的柴油车尾气能够达到排放的标准，满足更高的生产生活需求，未来适用领域将会广泛^[8]。Ni-20Cr和Ni-33Cr-1.8Al合金多孔体也适于柴油机的排气过滤材料且避免了多孔陶瓷的开裂问题,减少环境污染^[9]。

5、金属多孔材料在水处理方面的应用

水污染问题一直是困扰人们的主要环境污染问题。随着人们生产和生活用水量的增加，各种污水排放量大，种类多，成分复杂，处理难度大。在水处理方面，人们不断的研究新方法、新材料，其中各种过滤材料的使用对解决水的污染问题起了很大的作用。多孔金属钛是一种新型的过滤材料，其耐腐蚀、力学性能好，过滤精度高，可适合应用多种再生方法如酸洗、碱洗和其它化学清洗,也可以进行超声波、高压气、水反冲和溶剂清洗、使用寿命长。在水处理领域有所应用，如微孔钛管组成的二级过滤系统在饮用水净化方面效果显著,为砂滤芯的10-15倍，而且费用降低20%-30%，在海水淡化系统中的半透膜支撑体可以用多孔钛制作^[10]。在造纸业,纸浆漂洗和污水处理方面会用到316L不锈钢、镍及镍合金和钛多孔材料。在化工行业，一些酸、碱溶液中的液固过滤和分离也会用到不锈钢、钛等耐蚀多孔金属材料，实现净化或回收的目的^[11]。

6、总结与展望

在环境污染日益严重的今天，环境问题的治理已经成为全球性的问题，其中新材料的有效使用对治理效果有很大的影响。金属多孔材料因其优异金属特性和多孔结构在环境治理领域中洁净高效能源方面、以高温气体除尘、水处理为代表的过滤分离领域、催化剂载体方面有很大的应用，但也存在一些问题如抗高温腐蚀性能方面还有待改进。在未来的开发研究中，具有更好的抗高温腐蚀的金属多孔材料如金属与陶瓷复合多孔材料、耐超高温金属间化合物过滤材料等将更有空间和发展前景。

参考文献：

[1]王凡等.金属过滤材料在高温除尘中的应用与发展[J].粉末冶金技术,2018,36(3):230~238.

[2]奚正平等.金属多孔材料在能源与环保中的应用[J].稀有金属材料与工程,2006,35(2):413~417.

[3]周翔,隋贤栋,黄肖容｡高温气体过滤除尘材料的研究进展[J].材料开发与应用,2008,12:99~102.

[5]杨保军等.高温气固分离用金属多孔材料展望[J].材料保护,2013,46(2):140~141.

[6]刘会雪,刘有智,孟晓丽.气体高温除尘技术研究进展[J].煤气与热力,2008,28(10):18~20.

[7]杨坤等.用于含尘气体分离的Ni基多孔过滤材料的制备及性能研究[J].粉末冶金技术,2014,32(4):263~266.

[8]石丹.Fe-Cr-Al金属纤维毡在环保领域的应用[J].管理及其他,2018,6:142~143.

[10]黄国涛等.多孔金属过滤材料的研究进展[J].材料导报.2010,24(16):448~456.

[11]刘培生等.多孔金属材料的应用[J].功能材料.2001,32(1):12~15.

冯丹.金属多孔材料在环境治理领域的应用[J].天津冶金,2020,(1):41-43.