摘 要：簡述液體澄清過濾類型以及目前工業(yè)生產(chǎn)上已使用的幾種液體澄清過濾裝置的特性，并指出這些裝置存在的主要不足之處。從技術(shù)原理、技術(shù)特色和應(yīng)用實(shí)例等方面重點(diǎn)介紹亞剛性高分子精密微孔澄清過濾技術(shù)，并通過工業(yè)碳酸鈉水溶液的過濾試驗(yàn)證明高分子精密微孔濾材優(yōu)異的過濾性能。
關(guān)鍵詞：液體；澄清過濾；過濾類型；過濾裝置；高分子精密微孔過濾
中圖分類號：X 703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-0536（2009）02-00
在各種工業(yè)生產(chǎn)尤其是各類化工生產(chǎn)中，凡有液體參與的工藝過程都離不開液體過濾。按照過濾過程是否形成濾餅層，液體過濾可分為濾餅過濾與澄清過濾兩大類。液體濾餅過濾應(yīng)用領(lǐng)域很廣，而澄清過濾也非常重要。濾液的澄清度常常直接關(guān)系生產(chǎn)企業(yè)的命運(yùn)。對于某些工業(yè)生產(chǎn)，液體澄清過濾的精度往往比液餅過濾更高。
1 液體澄清過濾類型
1.1 按工藝過程中的過濾對象分類
1.1.1 原料液的澄清過濾
有些生產(chǎn)工藝中的原料液往往含有固體物質(zhì)，為確保終端產(chǎn)品的質(zhì)量，這種原料液必須進(jìn)行過濾以除去不需要的機(jī)械雜質(zhì)。
1.1.2 中間液體的澄清過濾
化工生產(chǎn)常由多道工藝過程串聯(lián)起來。工藝過程中許多操作均有液體參與，易產(chǎn)生新的固體雜質(zhì)，必須及時(shí)去除，否則會影響后續(xù)操作工藝的效率及終端產(chǎn)品的質(zhì)量。
1.1.3 成品液的澄清過濾
即使原料液、中間液都過濾了，由于各種原因，終端成品液中仍可能存在機(jī)械微粒雜質(zhì)，出廠前必須過濾，才能成為高品位的產(chǎn)品。
1.1.4 均相分離前的液體澄清過濾
許多化工單元操作屬均相分離，如精鎦、吸收、吸附、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取、干燥等傳統(tǒng)操作，以及離子交換、電滲析、超濾、納濾、反滲透等新型操作。為提高這些均相分離單元裝置的分離效率與使用壽命以及終端產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對操作前的液體進(jìn)行預(yù)過濾，盡量將其中的機(jī)械雜質(zhì)去除。
1.2 按過濾終端要求分類
1.2.1 濾液澄清型（單一要求）
這類過濾只對濾液的澄清度要求很高，對過濾后的濾餅沒有要求；主要應(yīng)用于固含量不多且固體顆粒又非常細(xì)的料液。對這些料液的澄清過濾最終很難得到干濾餅，一般只能得到固體濃漿。
1.2.2 濾液澄清-濾餅壓干型（雙要求）
這類過濾主要針對固體顆粒需要回收的料液，最終的濾餅干度要高以便于運(yùn)輸。當(dāng)然，首要要求還是濾液必須相當(dāng)澄清透明。
1.2.3 濾液澄清-濾餅洗滌-濾餅壓干型（三要求）
這類過濾除了澄清濾液和干濾餅的要求外，還要對固體濾餅在最后壓干前進(jìn)行充分洗滌，盡量洗去濾餅內(nèi)的原有濾液，使其不沾附在固體顆粒表面，則最終得到已洗滌的較干濾餅。
1.3 按濾材截留位置分類
液體過濾技術(shù)按固體顆粒在濾材上被截留的位置可分為深層過濾技術(shù)與表面過濾技術(shù)兩大類。濾餅過濾基本上都采用表面過濾技術(shù)。澄清過濾根據(jù)液體中的固含量及對澄清度的要求多數(shù)采用深層過濾技術(shù)，也有采用表面過濾技術(shù)以及先深層過濾后表面過濾或先表面過濾后深層過濾的情況。深層過濾技術(shù)的類型很多，主要有分散型與固定型（整體型）兩種。
2 現(xiàn)有工業(yè)液體澄清過濾裝置的特點(diǎn)
2.1 深層過濾裝置
最古老但應(yīng)用最廣的分散型深層過濾裝置有石英砂層與無煙煤層等，這兩種濾材的砂層床均有最簡單的靜止型、可移動與連續(xù)清洗型及能定時(shí)反洗的無閥濾池型等；較新型的有輕質(zhì)塑料微球床層、纖維球床層與纖維束床層等。分散型深層過濾濾層的特點(diǎn)是很厚，多數(shù)為1 m左右，容渣量很大；內(nèi)部孔隙率很高，毛細(xì)孔徑大；液體通過床層的線速度很大，過濾過程基本都發(fā)生在濾層內(nèi)部。這種濾層的最大缺點(diǎn)是再生時(shí)需大量反沖洗水（或其他液體）方可將其內(nèi)部的渣沖洗出來，易造成水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。而反沖洗水的回收和固體渣的處理都需要額外的附屬液固過濾裝置，造成投資、操作成本以及能耗的增加。
上述幾種分散型深層過濾濾層還有一個致命的弱點(diǎn)，即過濾效率不穩(wěn)定。經(jīng)過相當(dāng)時(shí)間的過濾，懸浮雜質(zhì)長時(shí)間積留在濾層內(nèi)部易引發(fā)細(xì)菌等生物滋生。生物死亡后會產(chǎn)生粘稠物，使分散顆粒濾材或纖維絲濾材局部粘結(jié)成塊狀，而塊狀物之間將形成局部溝流，使過濾效率明顯惡化。這些局部粘塊很難被分散開，反洗再生時(shí)如果沒有強(qiáng)力機(jī)械攪拌，過濾效率無法高效恢復(fù)。
此外，還有整體型深層過濾裝置，如聚丙烯噴熔濾芯、聚丙烯絨線繞線式濾芯及纖維粘結(jié)濾芯等。這些濾芯的孔隙率也相當(dāng)大，每一根濾芯可截留不少固體雜質(zhì)，但處理的液體量較小，且無法反洗再生，一旦嚴(yán)重堵塞就要更換。整體型深層濾芯的使用壽命短，用量很大，易造成資源與能源的浪費(fèi)，故不值得推廣使用。
2.2 表面過濾裝置
表面過濾基本上適用于能形成一定厚度濾餅的過濾，過濾裝置一般是編制的濾布、濾網(wǎng)等薄層濾材。由于濾布與濾網(wǎng)的孔徑均較粗，細(xì)顆粒固體易穿漏而造成濾液的澄清度不高，故不適用于顆粒較細(xì)且含量少的液體澄清過濾。一些非編制的較厚無紡絨布已用于液體澄清過濾，其孔徑較編制的濾布或?yàn)V網(wǎng)小，因而過濾效率更高。但無紡絨布的孔隙仍比較大，細(xì)顆粒固體雜質(zhì)易深入到其深層，很難用液體反洗進(jìn)行高效再生，導(dǎo)致其使用壽命也相當(dāng)短，操作成本也較高。
國內(nèi)外一些公司將微孔膜技術(shù)用于液體澄清過濾。超細(xì)濾紙?jiān)趪鴥?nèi)許多企業(yè)中也有應(yīng)用。這兩種濾材大多采用折疊式濾芯，過濾效率和過濾精度均很高。微孔膜濾芯無法再生，一旦堵塞即廢棄換新，使用成本很高，目前主要用于對濾液澄清度要求非常高的注射藥液與某些食品飲料的澄清過濾。國內(nèi)也有少數(shù)幾個公司將微孔膜大規(guī)模用于液體澄清過濾，但由于規(guī)模大，濾膜無法制成折疊式，只能將微孔膜套裝在剛性多孔管外面而成為管式過濾器。雖然這些管式膜過濾器的過濾精度與效率很高，但微孔膜很薄，抗拉強(qiáng)度差，易損壞；而且濾餅干度低，只能得到固體濃漿，另需其他壓濾機(jī)進(jìn)行壓干。此外，微孔膜的毛細(xì)孔一旦被細(xì)顆粒堵塞，無法用簡單方法再生（除非經(jīng)?；瘜W(xué)再生，而許多雜質(zhì)難以化學(xué)溶解），一遇嚴(yán)重堵塞就必須更換。加上微孔膜價(jià)格昂貴，使用成本很高，故采用微孔膜管式過濾器進(jìn)行大規(guī)模液體澄清過濾并不適用于國內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)。紙質(zhì)濾芯雖比微孔膜便宜，但壽命更短，且纖維易脫落而影響產(chǎn)品質(zhì)量，更不適合用來大規(guī)模澄清過濾液體。
3 高分子精密微孔過濾新技術(shù)
3.1 技術(shù)原理
高分子精密微孔過濾新技術(shù)已成功應(yīng)用于許多高固含量液體的精密濾餅過濾（包括濾餅洗滌與壓干），以及低固含量液體的精密澄清過濾。精密微孔過濾技術(shù)的核心是亞剛性的高分子燒結(jié)微孔濾材，目前已開發(fā)出多種，工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用的是微孔PE與微孔PA兩類。
亞剛性的高分子燒結(jié)微孔濾材的本體結(jié)構(gòu)為蜂窩型，其毛細(xì)孔縱橫貫通，在過濾過程中尺寸很穩(wěn)定。這類濾材的毛細(xì)孔尺寸比濾布或?yàn)V網(wǎng)的小得多，但比微孔膜的大；濾材的厚度比微孔膜、濾布或?yàn)V網(wǎng)厚，但比固定型或分散型深層過濾濾材要薄得多。高分子精密微孔過濾技術(shù)既不是“表面過濾”，也不是“深層過濾”，而是“表層過濾”。它的過濾現(xiàn)象是大孔徑毛細(xì)孔過濾小顆粒，而不是小孔徑毛細(xì)孔過濾大顆粒；過濾機(jī)理是表層吸附與孔口架橋?yàn)橹?，表面機(jī)械篩濾為輔。
3.2 技術(shù)特色
3.2.1 高過濾精度與過濾效率
由于高分子精密微孔過濾原理主要依靠吸附，即使尺寸較大的毛細(xì)孔也能截濾住比孔徑小得多的微粒（一般水溶液中0.3 μm微粒的過濾效率可接近100%），因此絕大多數(shù)液體經(jīng)一次過濾就可得到清徹透明的濾液。
3.2.2 濾材的高物理再生效率
由于依靠表層吸附過濾，被截留的固體微粒處于表層之內(nèi)而不是截留在濾材深層，采用簡單的物理再生方法（流體快速反吹法）即可將表層截留的微粒絕大部分吹掃除去，而且再生效率很高，一般超過95%～98%。借助此再生技術(shù)，高分子精密微孔濾材可連續(xù)使用二年以上；若輔以有限的化學(xué)再生，則濾材至少可使用五年以上。
3.2.3 簡單方便的干濾餅卸除
對于絕大部分濾材，從其表面卸除粘細(xì)微粒形成的濾餅都相當(dāng)困難。粘細(xì)的濾餅一旦粘壓在濾材上就很難脫落，必須采用機(jī)械方法進(jìn)行刮渣、推渣或通過強(qiáng)烈振動進(jìn)行卸除。但有些濾餅的粘性特別大，即使采用上述機(jī)械方法卸渣，在濾材表面仍會殘留一層；尤其是柔軟濾布，用機(jī)械方法幾乎無法高效卸除濾餅。而亞剛性的高分子微孔濾材采用壓縮空氣快速反吹法卸渣，空氣從微孔濾材表面的毛細(xì)孔中以聲速或超聲速向外噴射，可將絕大部分粘細(xì)濾餅推開，使其脫落到過濾機(jī)殼體外面。這種卸除干濾餅的方法既快速又簡便，效率相當(dāng)高。
3.2.4 濾材優(yōu)異的化學(xué)性能
除了強(qiáng)氧化劑，濾材在100 ℃以下可耐各種有機(jī)酸、無機(jī)酸、堿、鹽及其他溶液，90 ℃以下可耐絕大部分有機(jī)溶劑。
3.2.5 其他特色
高分子精密微孔濾材的其他優(yōu)點(diǎn)有：材料很輕，比重接近1；安裝與檢修較輕便；機(jī)械性能中等，如微孔PE與PA；抗沖擊性能相當(dāng)好，不易損壞；所組裝的精密微孔澄清過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)較簡單，可內(nèi)襯塑料或橡膠，防腐性能相當(dāng)好。主要缺點(diǎn)是耐高溫性能較差，一般不能超過100 ℃；耐強(qiáng)氧化劑性能較差，這是高分子材料的致命弱點(diǎn)，目前材質(zhì)的抗氧化性能改善試驗(yàn)正在進(jìn)行中。盡管有以上兩大缺點(diǎn)，但高分子精密微孔濾材在工業(yè)生產(chǎn)上尤其是化工生產(chǎn)上的應(yīng)用仍非常廣。
3.3 在工業(yè)生產(chǎn)上的成功應(yīng)用
高分子精密微孔過濾技術(shù)誕生三十年以來，已大量用于液體的精密澄清過濾，主要是原料液（包括水）、中間液和成品液的過濾，也有許多是電滲析、離子交換、超濾、納濾、反滲透、電解、吸附、吸收、精餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等化工單元操作前液體的精密預(yù)過濾。
高分子精密微孔過濾技術(shù)用于氯堿生產(chǎn)上飽和鹽水的二次精密過濾已在國內(nèi)廣泛推廣。二次精密過濾前鹽水懸浮物濃度為10～20 mg/L，經(jīng)高分子精密微孔過濾，降至1 mg/L以下，鹽水溶液清徹透明（過濾前鹽水中不僅有CaCO 3與Mg(OH)2等主要懸浮物，甚至還有Fe(OH) 3等微粒）。二次精密過濾的平均濾速與過濾前懸浮物的濃度有關(guān)，一般可達(dá)0.4～0.6 m 3/(m2·h)；在大多生產(chǎn)企業(yè)中的處理規(guī)模一般為20～200 m 3/h，有些廠家的使用規(guī)模更大。國內(nèi)另一應(yīng)用規(guī)模很大的高分子精密微孔澄清過濾是人造絲生產(chǎn)過程中凝固酸浴的精密過濾，該酸浴的主要成分為50%硫酸，所含懸浮物為極細(xì)單體硫與不溶性硫化物。過濾前液體懸浮物濃度為60～70 mg/L，過濾后則不超過1 mg/L，濾液清徹透明。全國有幾十家大中型企業(yè)幾乎都采用此技術(shù)，應(yīng)用規(guī)模均在200～300 m 3/h，有的廠家甚至超過400 m 3/h。
在高分子精密微孔過濾技術(shù)誕生之前，無論是氯堿生產(chǎn)上的飽和鹽水還是人造絲生產(chǎn)上的酸浴，幾乎都采用傳統(tǒng)的石英砂過濾，濾液質(zhì)量無法保證，且需大量反洗用水，不僅造成原料液損失和耗水量大，還產(chǎn)生大量污水，尤其是酸浴過濾往往排放1000 t/d以上的含硫酸性廢水，對環(huán)境破壞極其嚴(yán)重。采用高分子精密微孔過濾技術(shù)則濾液的質(zhì)量不會隨生產(chǎn)條件的變化而變化，始終清徹透明，且濾材再生時(shí)原料液損失極少，反吹再生也無須消耗大量水；如用于酸浴過濾，還可排出較干的含硫磺濾餅。
除了上述兩大應(yīng)用實(shí)例，已長期大量應(yīng)用高分子精密微孔過濾技術(shù)的還有成品糖液（如低聚糖、葡萄糖、果糖等），液體化工產(chǎn)品（如雙氰胺、山梨醇、乳酸、碳酸氫鈉、檸檬酸、磷酸、磷酸鹽、草酸等），有色金屬化工溶液（硫酸鎳、硫酸鈷、硝酸鈰、硫酸鋁等），以及生產(chǎn)上的中間液（如化肥生產(chǎn)上的銅氨液、脫炭液、脫硫液、腈綸生產(chǎn)上的硫腈酸鈉液等）。其他化工單元操作前的精密預(yù)過濾也經(jīng)常采用高分子精密微孔過濾技術(shù)，如離子交換和用于水質(zhì)凈化的反滲透均已長期連續(xù)應(yīng)用高分子精密微孔過濾技術(shù)進(jìn)行液體的預(yù)過濾。
3.4 過濾性能試驗(yàn)
采用三種不同精度規(guī)格的微孔濾材分別對兩種工業(yè)碳酸鈉水溶液（將300 g或400 g市購工業(yè)碳酸鈉溶于1 L自來水中）進(jìn)行過濾試驗(yàn)，連續(xù)過濾時(shí)間達(dá)15小時(shí)以上，液體透光率由高精度的分光光度計(jì)測量（吸收光波長為700 nm）。所配制的兩種不同濃度碳酸鈉水溶液均相當(dāng)混濁，基本物理參數(shù)見表1；所含固體懸浮微粒非常細(xì)，經(jīng)激光粒度儀測定，其粒徑分布見表2。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表1 兩種碳酸鈉溶液的物理性能參數(shù)
碳酸鈉濃度 g·(1 L水)－1 | 粘度 cP | 顆粒體積濃度 % | 原液透光率 % |
300 | 1.95 | 0.18 | 40.3 |
400 | 2.5 | 0.25 | 26.4 |
表2 碳酸鈉溶液中固體微粒的粒徑分布 μm
分布方式 | 粒徑分布 | 平均粒徑 | ||||||
D3 | D6 | D10 | D25 | D50 | D75 | D90 | ||
按體積 | 0.19 | 0.25 | 0.32 | 0.55 | 0.93 | 1.55 | 2.52 | 1.26 |
按數(shù)量 | 0.037 | 0.049 | 0.054 | 0.075 | 0.12 | 0.20 | 0.34 | 0.18 |
表3 兩種工業(yè)碳酸鈉水溶液采用三種不同精度規(guī)格濾材的過濾效果
碳酸鈉濃度/[g·(1 L水)－1] | 濾材精度/μm | 過濾壓差/MPa | 平均濾速/(m·h－1) | 總過濾時(shí)間/h | 濾液透光率*/% |
300 | 2 | 0.01～0.2 | 0.97～1.43 | 18.7 | 93.5% |
1 | 0.01～0.2 | 0.17～1.20 | 15.7 | 98.7% | |
0.5 | 0.02～0.2 | 0.085～0.330 | 15.0 | 99.8% | |
400 | 2 | 0.01～0.2 | 0.97～1.43 | 18.7 | 92.7% |
1 | 0.01～0.2 | 0.17～1.20 | 15.7 | 98.6% | |
0.5 | 0.02～0.2 | 0.085～0.330 | 15.0 | 99.3% |
（*長時(shí)間過濾后全部濾液混合后的透光率測定值）
表3中，經(jīng)2 μm規(guī)格的高分子微孔濾材過濾得到的濾液透光率只有92%～93%，而采用1 μm規(guī)格的濾材即可將濾液透光率提高至98%以上，采用0.5 μm規(guī)格的則可提高至99%以上。2 μm與1 μm規(guī)格的濾材平均濾速均較快，而同樣壓差下0.5 μm規(guī)格的濾材平均濾速卻明顯降低。0.5 μm規(guī)格的濾材可將溶液中最細(xì)的微粒全部截留，由于微粒非常細(xì)，故平均濾速相當(dāng)慢；過濾15小時(shí)，濾餅厚度可達(dá)到4 mm。經(jīng)高分子微孔濾材過濾后濾液的澄清度很高，可見此過濾技術(shù)的優(yōu)異性。
4 結(jié) 語
經(jīng)過多年的開發(fā)研究和推廣，高分子精密微孔過濾技術(shù)已在國內(nèi)液體澄清過濾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，高分子精密微孔過濾技術(shù)是一種節(jié)能減排的過濾技術(shù)，過濾效率高，濾材可長期使用，且再生簡單方便，可使工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和收率顯著提高，成本大幅降低。
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