【摘 要】本文簡述了液體澄清過濾的種類，介紹了目前工業(yè)生產(chǎn)已使用的幾種液體澄清過濾裝置的特性，指出這些裝置存在的主要不足，最后介紹了剛性高分子精密微孔澄清過濾技術(shù)。表明這是一種過濾精度高，過濾效率高，使用壽命長，性價比相當(dāng)高，既節(jié)能又減排的新型澄清過濾技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】表面過濾；深層過濾；表層過濾；澄清過濾
在各種工業(yè)生產(chǎn)，尤其各類化工生產(chǎn)，都離不開液體過濾。所有的工藝過程，凡有液體參與，液體過濾就成為必不可少的單元操作。
按照過濾過程是否形成濾餅層，液體過濾可分為液體濾餅過濾與液體澄清過濾兩大類。液體濾餅過濾是一種應(yīng)用領(lǐng)域很廣的過濾，液體澄清過濾也是非常重要的過濾操作，對某些工業(yè)生產(chǎn)，往往比液體液餅過濾的要求更高，濾液的澄清度的高低常常直接關(guān)系生產(chǎn)企業(yè)的命運(yùn)。
一、 液體澄清過濾的種類：
按照在生產(chǎn)工藝過程中的過濾對象的地位大致可有以下幾類：
1、 原料液的澄清過濾：幾乎所有液體都可成為生產(chǎn)工藝中的原料液，所有溶解在某一種或某些多種液體混合液中的固體溶液也都可成為原料液。為了確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對原料液進(jìn)行過濾，將原料液中的不需要的機(jī)械雜質(zhì)去除。
2、 中間液體的澄清過濾：許多化工生產(chǎn)，常由多道工藝過程串聯(lián)起來，工藝過程中間許多操作有液體參與，這些液體參與的中間工藝中會產(chǎn)生新生的固體雜質(zhì)，必須及時將這些雜質(zhì)去除，否則會影響后續(xù)操作工藝的效率，影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。
3、 成品液的澄清過濾：即使原料液、中間液都作了過濾，由于各種原因，最終的成品液中仍可能會有不需要的機(jī)械微粒，必須在出廠前進(jìn)行過濾，使成品液成為高品位的液體產(chǎn)品。
4、 均相分離單元操作前的液體澄清過濾：許多化工單元操作屬均相分離。傳統(tǒng)的有精鎦、吸收、吸附、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取、干燥等，比較新型的有離子交換，電滲析、超濾、納濾、反滲透等。為了提高這些均相分離單元裝置的分離效率與使用壽命，提高最終產(chǎn)品質(zhì)量，必須對這些液體進(jìn)行預(yù)過濾，盡量將液體中的機(jī)械雜質(zhì)去除。
按照過濾的最終要求又可分為以下幾類：
1、 濾液澄清型 （單一要求）：只求濾液的澄清度很高，并不計(jì)較過濾后的濾餅是什么形態(tài)。這類過濾主要用于液體中含固量不多，固體顆粒又非常細(xì)的料液。對這些料液的澄清過濾最終得到干濾餅很困難，一般只能得到固體濃漿。
2、 濾液澄清——濾餅壓干型（雙要求）：這類過濾主要針對料液中固體顆粒需要回收，最終的濾餅干度要高，為便于運(yùn)輸。當(dāng)然濾液必須相當(dāng)澄清透明，這是首要要求。
3、 濾液澄清——濾餅洗滌——濾餅壓干型（三要求）：這類過濾除了濾液要澄清，要得干濾餅二要求外，在固體濾餅最后壓干前，必須進(jìn)行充份洗滌，將濾餅內(nèi)原來的濾液盡量洗去，固體顆粒的表面不沾附原來的濾液，最終得到已洗滌的較干濾餅。
二、 工業(yè)生產(chǎn)上已有的液體澄清過濾裝置：
所有的液體過濾技術(shù)按固體顆粒被濾材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。所有的濾餅過濾基本都采用表面過濾技術(shù)，而澄清過濾根據(jù)液體中含固量多少與對澄清度的要求，多數(shù)采用深層過濾技術(shù)，也有的采用表面過濾技術(shù)，還有的先深層過濾，后表面過濾，或先表面過濾，后深層過濾。
1、 深層過濾技術(shù)：深層過濾技術(shù)的種類很多，有分散型深層過濾技術(shù)與固定型深層過濾技術(shù)。最古老也是應(yīng)用最普遍的分散型深層過濾是石英砂層過濾與無煙煤層過濾等（這些深層過濾有最簡單的靜止砂層床過濾，可移動與連續(xù)清洗的砂層床過濾及能定時反洗的無閥濾池砂層過濾等）。比較新的分散型深層過濾有輕質(zhì)塑料微球床層過濾，纖維球床層過濾與纖維束床層過濾等。分散型深層過濾的的特點(diǎn)是濾層很厚，多數(shù)為一米左右，濾層內(nèi)孔隙率很大，毛細(xì)孔徑大，過濾時，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。由于濾層厚，濾層內(nèi)容渣量很大。分散型深層過濾最大缺點(diǎn)是濾層再生時需大量反沖洗水（或其他液體）方可將濾層內(nèi)的渣沖出來，造成水資源浪費(fèi)，環(huán)境污染。如果欲將沖洗水回收，使固體渣不污染環(huán)境，那必須另有一套附屬液固過濾裝置專用于反沖洗水的固液分離，這又造成投資增加，操作成本增加，能耗增加。
上述幾種分散型深層過濾技術(shù)還有一個致命傷就是過濾效率不穩(wěn)定。因?yàn)閺竭^相當(dāng)時間的過濾，懸浮雜質(zhì)積留在濾層內(nèi)部時間一長，易引發(fā)細(xì)菌等生物繁殖，死亡的生物會產(chǎn)生粘性粘稠物，使分散顆粒濾材或纖維絲濾材局部粘結(jié)成塊狀，塊狀物之間會形成局部溝流，這些溝流會顯著惡化液固的過濾效率。反洗再生時，如果沒有強(qiáng)力機(jī)械攪拌，這些局部粘塊很難被完全分散，過濾效率惡化現(xiàn)象很難完全消除。
除了上述幾種分散型深層過濾技術(shù)與裝置，還有整體型深層過濾技術(shù)。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。這些濾芯只適宜處理量較小的液體。這些整體型濾芯的孔隙率也相當(dāng)大，每一根濾芯可截留相當(dāng)量的固體雜質(zhì)，但均無法反洗出渣，一旦嚴(yán)重堵塞，就要丟棄，另換新的。這些整體型深層濾芯由于使用壽命短，每年使用量很大，實(shí)質(zhì)是屬浪費(fèi)資源與能源的技術(shù)，不值得推廣使用。
2、 表面過濾技術(shù)：表面過濾的濾材一般是編制的濾布與濾網(wǎng)等薄層濾材。表面過濾基本適用于能形成一定厚度濾餅的濾餅過濾。由于濾布與濾網(wǎng)的孔徑比較粗，不適用于顆粒較細(xì)，含固量又少的液體澄清過濾。由于細(xì)顆粒固體易穿漏，濾液的澄清度不高。一些非編制的又較厚的無紡絨布，已被用于液體澄清過濾。非編制的無紡絨布較編制濾布或?yàn)V網(wǎng)的孔徑小，因而過濾效率比濾布與濾網(wǎng)高，但無紡絨布的孔隙仍比較大，細(xì)顆粒固體雜質(zhì)會深入到無紡布的深層，很難用液體反洗進(jìn)行高效再生，因而無紡絨布的使用壽命也是相當(dāng)短的，操作成本也相當(dāng)高。
國內(nèi)外一些公司將微孔膜技術(shù)用于液體澄清過濾。國內(nèi)許多企業(yè)采用超細(xì)濾紙作液體澄清過濾。大多采用折疊式微孔膜濾芯或紙質(zhì)濾芯。兩種濾芯過濾效率非常高，過濾精度也非常高。目前微孔膜主要用于對濾液澄清度要非常高的注射藥液與某些食品飲料的澄清過濾。雖然這些濾芯無法再生，一遭堵塞，就廢棄換新，使用成本很高，但對事關(guān)人的生命安全的藥液與飲料，這還是值得的。藥品與食品的附加值高，也用得起，另一方面，對每一個企業(yè)，使用規(guī)模也不大，也易于使用。但國內(nèi)個別幾個公司卻將微孔膜大規(guī)模用于液體澄清過濾。由于規(guī)模大，濾膜無法制成折疊式，只得將微孔膜套裝在剛性多孔管外面，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)度很差。又不能得到干度較高的濾餅，只能得到固體濃漿，另需其他壓濾機(jī)進(jìn)行壓干。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)常化學(xué)再生，而許多雜質(zhì)無法化學(xué)溶解），因此一遇嚴(yán)重堵塞，只得經(jīng)常更換。微孔膜強(qiáng)度差，使用中也易損壞。微孔膜的價格非常貴，使用成本很高，因此，采用這類無法用簡易方法進(jìn)行高效再生，又易損壞，價格又很高的微孔膜管式過濾器進(jìn)行大規(guī)模液體澄清過濾，并不是適宜我國工業(yè)生產(chǎn)的好技術(shù)。紙質(zhì)濾芯雖比微孔膜便宜，但壽命更短，又纖維易脫落，影響產(chǎn)品質(zhì)量，更不是好技術(shù)。
三、 成功用于液體精密澄清過濾的高分子精密微孔過濾技術(shù)：
經(jīng)過十多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，三十多年的開發(fā)與推廣，高分子精密微孔過濾技術(shù)不僅成功用于許多含固量多的液體精密濾餅過濾，（包括濾餅洗滌與壓干），更大量成功用于含固量不多的液體精密澄清過濾。
1、 技術(shù)原理：
精密微孔過濾技術(shù)的核心是亞剛性的高分子燒結(jié)微孔過濾濾材，這類微孔濾材已開發(fā)出多種，目前工業(yè)生產(chǎn)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，毛細(xì)孔縱橫貫通，毛細(xì)孔尺寸很穩(wěn)定，在過濾過程中，毛細(xì)孔尺寸不易變化。毛細(xì)孔尺寸比濾布或?yàn)V網(wǎng)小得多，但比微孔膜大；它的厚度比微孔膜、濾布與濾網(wǎng)等要厚，但比固定型與分散型深層過濾濾材要薄得多。它既不是“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。它的過濾機(jī)理是吸附與架橋?yàn)橹?，機(jī)械篩濾為付，即“表層吸附”，孔口架橋?yàn)橹?，表面機(jī)械篩濾為付。
2、 技術(shù)特色：
（1） 高過濾精度與高過濾效率：由于過濾原理主要依靠吸附，即使較大的毛細(xì)孔徑，也能截濾住比它孔徑小得多的微粒。對于一般水溶液中的微粒，可使溶液中0.3微米的微粒的過濾效率接近100%，因此絕大多數(shù)液體經(jīng)一次過濾就可使濾液清徹透明。
（2） 濾材的物理再生效率高：由于依靠表層吸附過濾，被截留的固體微粒截留在表層之外，而不是截留在深層，采用簡易的物理再生方法，即流體快速反吹法，就可將表層的截留微粒絕大部分吹掃出去。這種簡易物理再生效率很高，一般超過95～98%，借助此再生技術(shù)，可將濾材連續(xù)應(yīng)用二年以上，再輔以有限的化學(xué)再生，濾材至少可用五年以上。
（3） 卸除干濾餅簡單方便:對于絕大部濾材，從其表面卸除粘細(xì)微粒形成的濾餅，都是相當(dāng)困難的操作。因?yàn)檎臣?xì)的濾餅一旦粘壓在濾材上，很難脫落，除非機(jī)械方法進(jìn)行刮渣、推渣、或強(qiáng)烈振動等操作。但有些濾餅，粘性特別大，即使用上述機(jī)械方法卸渣，在濾材表面仍會殘留一層。尤其對柔軟濾布,用機(jī)械方法幾乎無法使之高效卸除，但對于亞剛性的高分子微孔濾材,采用壓縮空氣快速反吹法，空氣從微孔濾材表面的毛細(xì)孔中以聲速與超聲速向外噴射，這些氣速可將絕大部份粘細(xì)濾餅推開，脫落到過濾機(jī)殼體外面。這種卸干濾餅方法，既快速，又簡便，效率相當(dāng)高。
（4） 濾材的化學(xué)性能相當(dāng)優(yōu)越：除了強(qiáng)氧化劑，濾材在100℃之內(nèi)可耐各種有機(jī)酸、無機(jī)酸、堿、鹽及其他溶液，90℃之內(nèi)可耐絕大部份有機(jī)溶劑。
除了上述四大特色之外，這些濾材比重很輕，只有1左右，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。由這些濾材組裝的精密微孔澄清過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單，過濾機(jī)可內(nèi)襯塑料或者說橡膠，防腐性能相當(dāng)好。
主要缺點(diǎn)是耐溫不高，一般不超過100℃，另外耐強(qiáng)氧化劑性能較差，這是高分子材料的致命傷，目前正在進(jìn)行材質(zhì)的改性試驗(yàn)，使抗氧化性能提高。盡管有以上兩大缺點(diǎn)，但在工業(yè)生產(chǎn)上尤其在化工生產(chǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域仍非常廣。
3、 在工業(yè)生產(chǎn)上的成功應(yīng)用：
自本技術(shù)在三十年前誕生以來，已大量用于液體精密澄清過濾，被過濾的液體料漿基本都是原料液（包括水），中間液和成品液，也有許多是用于電滲析、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)等化工單元操作前的液體精密預(yù)過濾。
已在國內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用的有氯堿生產(chǎn)上的飽和鹽水的二次精密過濾。過濾前鹽水中懸浮液的濁度為10～20毫克/升，經(jīng)本技術(shù)一次過濾，鹽水中的濁度不超過1毫克/升，水質(zhì)清徹透明。（過濾前鹽水中的主要懸浮物為CaCO3與Mg(OH)2，甚至還有Fe(OH)3等微粒）。過濾的平均濾速與過濾前懸浮物的濃度有關(guān)，平均可達(dá)0.4～0.6米3/米2·時，每個應(yīng)用廠使用規(guī)模為20～200米3/時，個別廠使用規(guī)模更大。
國內(nèi)另一應(yīng)用規(guī)模很大的澄清過濾是人造絲生產(chǎn)上的凝固酸浴的精密澄清過濾。酸浴的主要成份為50%的硫酸，懸浮物為非常細(xì)的單體硫與不溶性硫化物。過濾前液體的濁度為60～70毫克/升，經(jīng)本技術(shù)一次過濾后不超過1毫克/升，濾液清徹透明，全國幾十家大中型廠幾乎都采用本技術(shù)，每一個廠應(yīng)用規(guī)模均在200～300米3/時以上，個別廠超過400米3/時。
在采用本技術(shù)之前，無論氯堿生產(chǎn)上的二次鹽水過濾或人造絲生產(chǎn)上的酸浴過濾，幾乎都用傳統(tǒng)的石英砂過濾，濾液質(zhì)量無法保證，反洗時需要大量水，不僅原料液損失，耗水量大，每天還產(chǎn)生大量污水。尤其酸浴過濾，每天會排放一千多噸含硫的酸性廢水，對環(huán)境破壞非常嚴(yán)重。采用本技術(shù)之后，無論生產(chǎn)條件如何變化，濾液的質(zhì)量不會變化，總是清徹透明，再生時原料液損失極少，反吹再生時不會消耗大量水。像酸浴過濾，還可排出較干的含硫磺濾餅。
除了上述兩大廣泛應(yīng)用的實(shí)例外，已長期與大量應(yīng)用的還有成品糖液精密澄清過濾（如低聚糖、葡萄糖、果糖等）；液體化工產(chǎn)品過濾（如雙氰胺、山梨醇、乳酸、碳酸氫鈉、檸檬酸、磷酸、磷酸鹽、草酸等）；有色金屬化工溶液過濾（硫酸鎳、硫酸鈷、硝酸鈰、硫酸鋁等）；生產(chǎn)上中間液過濾，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，此類應(yīng)用很多，不一一舉例。用于其他化工單元操作前作精密預(yù)過濾的也非常多，如在離子交換前作液體精密預(yù)過濾，水質(zhì)凈化中作反滲透的精密預(yù)過濾。這些應(yīng)用實(shí)例均已長期連續(xù)應(yīng)用。
下面，本文特舉一個從工業(yè)碳酸鈉水溶液通過本技術(shù)使之成為非常透明液體的一個試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明本技術(shù)的優(yōu)異特性。
試驗(yàn)物料：市場購買來的工業(yè)碳酸鈉，將其溶于自來水中；
物料濃度：（1）每一升自來水溶解300克工業(yè)碳酸鈉；
（2）每一升自來水溶解400克工業(yè)碳酸鈉。
這兩種水溶解液均相當(dāng)混濁，溶液中固體懸浮物經(jīng)激光粒度儀測定，結(jié)果如下見表1。
表1 溶液中固體微粒的粒徑分布
累計(jì)的 平均粒徑 分布方式 | D3 | D6 | D10 | D25 | D50 | D75 | D90 | 平均粒徑 μm |
按體積分布的累計(jì)平均粒徑μm | 0.19 | 0.25 | 0.32 | 0.55 | 0.93 | 1.55 | 2.52 | 1.26 |
按個數(shù)分布的累計(jì)平均粒徑μm | 0.037 | 0.049 | 0.054 | 0.075 | 0.12 | 0.20 | 0.34 | 0.18 |
由表1的數(shù)據(jù)可以看出，這些溶液中固體微粒非常細(xì)，表2給出這兩種溶液過濾前基本物理參數(shù)（為了更精確顯示溶液的澄清度，本試驗(yàn)決定以分光光度測量液體的透光率，而不用誤差較大的濁度測定儀。）
表2 兩種溶液的物理性能參數(shù)
溶液中工業(yè)碳酸鈉濃度 | 溶液的粘度 （厘泊） | 溶液中固體顆粒的體積濃度（%） | 過濾前原液的透光率%（700nμ光） |
300克/1升水 | 1.95 | 0.18% | 40.3% |
400克/1升水 | 2.5 | 0.25% | 26.4% |
由表2數(shù)據(jù)可知，這兩溶液中原液的固體濃度不小，都超過0.1%,已達(dá)0.18%與0.25%，原液的透光率相當(dāng)?shù)汀?/span>
表3 兩種溶液采用三種不同精度規(guī)格濾材的過濾效果
工業(yè)碳酸鈉溶液的濃度克/1升水 | 濾材精度2微米 | 濾材精度1微米 | 濾材清度0.5微米 | |||||||||
過濾 壓差 (MPa) | 平均 濾速 (米/時) | 總過濾時間 (小時) | 濾液的透光率 (700nμ光)% | 過濾壓差 (MPa) | 平均 濾速 (米/時) | 總過濾時間 (小時) | 濾液的透光率 (700nμ光)% | 過濾 壓差 (MPa) | 平均 濾速 (米/時) | 總過濾時間 (小時) | 濾液的透光率 (700nμ光)% | |
300 | 0.01～ 0.2 | 0.17～ 1.2 | 18.7 | 93.5% | 0.01～ 0.2 | 0.97～ 1.43 | 15.7 | 98.7% | 0.02～ 0.2 | 0.085～ 0.33 | 15 | 99.8% |
400 | 0.01～ 0.2 | 0.17～ 1.2 | 18.7 | 92.7% | 0.01～ 0.2 | 0.97～ 1.43 | 15.7 | 98.6% | 0.02～ 0.2 | 0.085～ 0.33 | 15 | 99.3% |
表3給出兩種溶液分別用三種不同精度規(guī)格的微孔濾材進(jìn)行過濾的過濾效果，三種濾材每次均進(jìn)行連續(xù)15小時以上的連續(xù)過濾，濾液的透光率系長時間過濾后總的混合溶液的測定值。由表3數(shù)據(jù)可以看出，2微米規(guī)格的濾液透光率只有92～93，1微米規(guī)格就可將透光率提高至98%以上，而0.5微米規(guī)格就可提高至99%以上，2微米與1微米規(guī)格的平均濾速均比較快，而同樣壓差下，0.5微米的平均濾速卻明顯降低，這說明0.5微米規(guī)格可將溶液中最細(xì)的微粒全部濾住。（15小時后，濾餅厚度達(dá)到4mm），由于微粒非常細(xì)，故平均濾速相當(dāng)慢。
四、 結(jié)束語：經(jīng)過十多年的研究，三十多年的開發(fā)與推廣，本技術(shù)已在國內(nèi)液體澄清過濾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，證明這是一種過濾效率高，濾材可長期使用，再生非常簡單方便，動力消耗省，可使工業(yè)產(chǎn)品、質(zhì)量、收率顯著提高，成本顯著下降的高效長效、低耗、節(jié)能、減排的過濾技術(shù)。
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