废旧工业针刺毛毡过滤介质的回收利用研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recycling Research of Spent Industrial Needle-Punched Felt Filter Media

　　

摘要

针刺毡广泛应用于工业烟气净化。然而，连续产生的废旧针刺过滤毡被视为固体废弃物，存在环境污染风险。本研究通过全面性能评估提出了一种分类回收策略。结果表明，由于长期脉冲喷射清洗和颗粒堵塞导致纤维间凝聚力下降，大多数废旧毡的机械强度有所降低，而回收后的纤维仍保持稳定的拉伸性能和化学成分。由于过滤阻力增加和清洗间隔缩短，废旧针刺过滤毡无法重新用于工业除尘。我们开发了一种铁钩剥离方法来回收纤维，超过90%的回收纤维长度超过10毫米。经过彻底清洗后，这些回收纤维可作为新型产品的原材料。在本研究中，废旧PET纤维被溶解并通过静电纺丝制成纳米纤维膜，其对10–200纳米颗粒的过滤效率超过85%。此外，受损的毡可以作为混凝土填充材料使用，以提高混凝土的抗压强度。完整的废旧毡可用于隔音，其隔音系数可达0.82。测试结果显示，一些废旧毡属于不可燃类别，可用作阻燃或隔热填料。另外，高性能聚合物毡（如聚酰亚胺（P84）在摩擦电发电方面具有广阔的应用前景。本研究为废旧针刺毡的资源回收建立了一条可行的技术路线，并验证了其多样化的应用潜力。

引言

基于聚合物纤维的空气过滤材料是控制颗粒污染物的关键消耗品，已广泛应用于室内空气净化和工业除尘[1]。近年来，空气过滤材料的使用量逐年增加。例如，作为最常用的空气过滤材料，无纺布的年累计消耗量超过80万吨，并且仍在增长[2]。过滤材料消耗量的增加不可避免地导致废旧过滤材料产量持续上升。由于使用量巨大，工业针刺过滤毡成为其中主要的废弃物来源之一[3][4]。目前，废旧过滤毡主要通过广泛且不可持续的方法处理，例如大多数直接填埋[5][6]。部分废旧过滤毡通过焚烧处理，但这会排放有害气体，加剧大气污染，并浪费过滤材料中的可回收资源[7]。由于废旧针刺过滤毡已成为重要的危险固体废弃物，探索高效的回收和再利用策略具有重大研究价值。

废旧过滤材料的回收目前分为物理回收和化学回收。物理回收主要用于低成本的聚合物过滤材料，如聚酯、玻璃纤维和聚丙烯。它也适用于不能溶解在常规溶剂中的化学惰性聚合物，例如聚四氟乙烯（PTFE）。通常，废旧过滤材料经过彻底清洗后，会被切碎并使用破碎机处理。破碎后的过滤毡可直接用作建筑工程的低价值填充材料[8]。热塑性聚合物可以进一步熔化并造粒，用于高价值的下游用途[8]。然而，过滤材料通常由多种纤维混合而成，因此通过熔融造粒制成的颗粒纯度不足。化学回收通常适用于高价值的聚合物废旧过滤材料，如聚酰亚胺（PI）和芳纶过滤材料。在先前的研究中，含有25%芳纶的废旧复合针刺过滤材料在110°C和4% LiCl（溶剂）及DMAc（助溶剂）的作用下实现了100%的溶解和回收[9]。Dai等人也对聚酰亚胺/PTFE复合针刺过滤材料进行了化学回收[10]。PTFE基织物被单独分离，而聚酰亚胺被分解为4,4'-氧二苯胺（ODA）和均苯四甲酸酐（PMA）。然而，大量的化学溶剂和复杂的操作步骤限制了废旧过滤材料化学回收的大规模工业化。一些研究人员还使用化学回收方法将废旧聚乙烯转化为有价值的单体化合物[11]。这两种方法都是有效的回收途径。它们未来大规模商业化的主要瓶颈在于再生产品的附加值低以及二次利用的经济回报不佳[12]。因此，对废旧空气过滤材料进行科学分类并持续探索其多样化应用前景至关重要。这种分类不仅应基于原始纤维组成，还应考虑过滤材料性能的退化程度。

空气过滤材料的性能退化主要表现在三个方面。首先是过滤效率下降，表现为颗粒物截留精度降低和过滤效率减弱[13][14]。其次是流阻增加。颗粒物在过滤材料表面和内部孔隙中的积聚会导致过滤饼形成或深层堵塞，从而使空气流动阻力急剧增加[15][16]。三是结构和材料退化。长期的气流冲刷、颗粒物磨损和环境老化会导致过滤材料膜损坏、纤维断裂和结构松弛，最终导致过滤材料破损和粉尘泄漏[17]。这些性能退化机制可分为可逆失效和不可逆失效。可逆失效主要是由于颗粒物的物理堵塞，例如颗粒物在过滤材料表面和孔隙内的机械沉积。在这种情况下，通过维护操作（如脉冲清洗）可以部分恢复过滤性能[18]。不可逆失效则源于过滤材料本身的结构损坏和材料退化，如纤维断裂、永久性电荷衰减和老化引起的损伤。这种类型的失效无法通过常规维护恢复，最终会导致过滤材料报废[19][20]。显然，废旧过滤材料的利用方法取决于具体的性能退化类型。因此，废旧过滤材料的回收和再利用应首先对其性能退化进行详细评估。

本研究聚焦于大规模产生的工业粉尘收集用针刺毡过滤材料的回收。评估了包括损伤状态、过滤性能、机械性能、纤维特性和化学结构变化在内的各项参数。基于这些评估，制定了不同的回收和再利用策略。此外，还验证了废旧过滤材料在纳米纤维膜制造、细颗粒物过滤效率、摩擦电性能、隔音性能、隔热性能和混凝土增强方面的应用潜力。本研究为废旧过滤材料的大规模再利用提供了可行的技术路线。

节选

材料

选择了三种类型的废旧过滤材料：适用于低温环境的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）针刺过滤材料、适用于中高温环境的聚苯硫醚（PPS）针刺过滤材料，以及适用于高温环境的聚酰亚胺（P84）针刺过滤材料。这些废旧过滤材料分别来自冶金工业、水泥厂、化工厂和热电厂。还使用了三氟乙酸（TFA）等物质

基于性能评估和分类的废旧过滤材料利用策略

如果过滤袋未损坏，应优先评估其是否可以清洗后重新用于袋式过滤器。如果过滤袋受损但拉伸强度未下降，并且其面积较大（通常大于1.5平方米），可以考虑将其切割并改用于非工业粉尘收集中的颗粒物过滤。在这种情况下，其过滤性能仍然适用

结论

本研究通过全面性能表征研究了废旧工业针刺过滤材料的分类回收。研究了四种类型的废旧针刺过滤材料（冶金PET、电厂PPS、化工厂PPS和水泥窑P84）。大多数样品的拉伸强度降低了40%-75%，使其在清洗后不适宜直接重新用作过滤袋。除了拉伸性能减弱外，不可逆的压力降增长也是问题

CRediT作者贡献声明

吴文轩：资源获取、调研、数据分析。郭英和：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法论设计、调研、概念化。何卫东：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法论设计、调研、概念化。姚杰：验证、数据分析。钱丁：验证、数据分析。安蓉：资源获取、调研、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢中国辽宁省自然科学基金（2025-BS-0342）和辽宁省教育厅基础科学研究基金（LJ212410144001）的支持。

郭英和 | 吴文轩 | 安蓉 | 钱丁 | 姚杰 | 何卫东沈阳理工大学环境与化学工程学院，中国辽宁沈阳 110159