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1、当前国内外液固当前国内外液固过滤过滤技技术现术现状及可状及可为为有色冶金生有色冶金生产产的的节节能减排作能减排作贡贡献的献的刚刚性高分子精密微孔性高分子精密微孔过滤过滤技技术术宋显洪 （13501990836） 上海东瓯微孔过滤研究所 （200060）节能减排已成为我国当前的基本国策。为了能在液固过滤领域贯彻这一要求，作者 对当前国内外现有的传统液固过滤技术与最新的膜过滤的基本概况及对节能减排的差距作 一简单叙述。特专门分析了工业生产认为很正常的四种过滤方法（循环过滤，多级过滤，真空 过滤及错流无滤层过滤）等的能耗状况，指出这四种过滤方法会造成能耗大幅度增加。最后 专门介绍能明显提高产品质量，
2、收率，减低成本，能有效节能减耗的刚性高分子精密微孔过 滤技术及其在有色金属生产的成功应用简况。刚性高分子精密微孔过滤，精密滤饼过滤，精密澄清过滤，循环过滤，多级过滤， 错流过滤当前全国各行各业都在贯彻节能减排的基本国策。在各种化工生产，大量能耗与污物排 放都与液体有关，其中，相当大的能耗与污物排放是由液固非均相分离引起的。欲提高节能 减排效果，只要对液固非均相分离系统进行正确技术改造，一般均可收到立竿见影功效。为 了更好进行正确技改，特对目前国内外液固非均相技术作一简单回顾与分析。 、 当前国内外液固非均相分离技术的现状： 液固非均相分离有两大类：一类以比重差为原理的沉降法；另一类以滤材的毛细
3、孔进行 分离的过滤法。沉降法又分重力沉降与离心沉降两类。 离心沉降中， “超速叠片式离心机”的分离效率很高，小于 0.5 微米的亚微米级微粒都能高 效分离出来，处理能力很大，但机械复杂，动力消耗很大，另外这种机械只能得到浓缩液，无 法得到较干的滤饼；另一种离心沉降机械是“卧式螺旋离心机”或“立式螺旋离心机”，可以分 出较干的滤饼，但难分离 0.5 微米以下的微粒，滤液的澄清度较差，动力消耗也较大，转鼓的 磨损较快。 重力沉降是最原始的。二百年来，虽有不少改进，如投加絮凝剂与助滤剂，增放斜板或 斜管，或利用气浮改善分离。动力消耗普遍很省（除了浓密机需少量动力用于慢速刮泥，气浮 需空气动力与刮浮渣
4、的少量动力），其共同缺陷是分离效率很低，细颗粒难高效去除，造成产 品质量与收率下降，间接导致能耗与成本增加。 液固过滤法是工业生产上最主要的分离手段，主要有两大类技术，一是传统的过滤技术， 一类是最新的膜过滤技术。在这两类中间，还有刚性微孔过滤技术。 1、 传统的过滤技术： 所谓传统的过滤技术是指已有一至二百年使用历史的过滤技术。传统过滤技术中，凡属 滤饼过滤的，基本是使用柔性滤布的板框（或厢式）压滤机、管式过滤机，叶片式过滤机，真 空转鼓或叶片式迥转过滤机，水平真空带式过滤机等等。传统过滤技术能长期在工业生产上 广泛使用，说明这些技术与装置都基本适应各工业生产对过滤的基本要求。其中不少过滤装
5、 置还有一些技术突破。如板框（或厢式）过滤机，材质从原来金属的改用为改性聚丙烯，使防 腐性能大为改善。皮膜挤压滤饼技术的诞生使滤饼干度明显提高，压干滤饼的能耗又大幅节 省（皮膜挤压主要适宜中等可压缩滤饼，不适宜不可压缩滤饼，如刚性的颗粒大小均匀的结 晶体，也不适宜高度可压缩滤饼，如蛋白质等胶粘性物料）。上述这些使用柔性滤布（或金属滤网）的各类过滤装置有一共同致命伤，过滤效率不高，小于 10 微米的微粒，极易穿滤。即 使使用 400 目以上的滤布或滤网，过滤起动阶段，会有大量细颗粒滤不住。这是国内所有滤 饼过滤中最明显的弊病，直接后果是收率下降，排放物增加，因而能耗也增加。传统过滤技 术中，凡属
6、澄清过滤的，除了少数采用过滤效率较高的非编制的无纺布，大多采用分散的深 层的颗粒层或纤维层过滤，如石英砂，炭或煤颗粒，塑料微球，纤维束，纤维球等等。无纺布 与各种深层过滤，只要规格选择合适，一般可以做到过滤效率很高，过滤速度也可以相当快。 但每次使用后，反冲洗再生会产生数量相当大的“洗清污浊液”，除非有专门的污浊物过滤器， 否则会造成很严重的环境污染。除了上述的澄清过滤技术，如处理规模不大，还有许多企业 使用整体型的烛式滤芯，如喷融滤芯，绕线滤芯，粘结滤芯等，过滤效率一般都相当高，但均 属一次性使用，一遇堵塞，就废弃。这种短寿命的滤芯应属高能耗与高物耗的技术，与当前 节能减排要求背道而驰。 2
7、、 最新的微孔膜技术： 最新的微孔膜技术，国外已有六十多年历史，我国引进与自己开发也已有四十多年。作 为非均相分离的有机与无机微孔膜，其最突出的性能是过滤精度与过滤效率非常高，能大幅 提高产品质量与收率，为节能减排起非常大的作用。用得很广的有机膜，大多制成折叠式滤 芯，无法再生，一次性使用，使用成本非常高。如处理含固量多的料液，有机膜很难适应，只 有无机膜可以运行，但只作错流的固体增稠浓缩。其最大特点可用于过滤固体颗粒极细的料液。 在传统过滤与最新的微孔膜之间还有一类刚性微孔过滤技术。许多学者把这一类也称 之为膜过滤。刚性微孔滤材有烧结，粘结，及垫片等几种。目前应用最多的是刚性烧结微孔 滤材。
8、烧结类又分为金属类，无机类与高分子类。金属类出现至今已有 100 多年。无机类至 今已有 130 多年，高分子类至今只有四十年。所有刚性微孔滤材，无论烧结的、粘结的或垫 片的，其过滤精度，过滤效率介于传统过滤技术与微孔膜之间。既可用于滤饼过滤，也可用 于澄清过滤。所有刚性微孔滤材中，只有烧结类质量最稳定，粘结类与垫片类都没有大规模 应用。三种烧结类刚性微孔滤材各有特点。金属与无机类的耐热性能非常优异。高分子类对 绝大多数化学物质的防腐性能非常突出。这三种烧结滤材，如果微孔孔径很小，其材质又是 是亲水的，利用毛细孔强力吸水性能，对一些憎水的细颗粒滤饼能起到毛细脱水作用，可大 大节省脱水能耗。即使
9、过滤亲水的颗粒，只要固体颗粒不太细，滤饼层的毛细吸力小于滤材 毛细孔的毛细吸力，也有毛细脱水作用。目前国内外使用陶瓷真空盘式过滤机，其滤饼脱水 作用就是利用毛细脱水原理。 国内外曾于八十年代开发过带式毛细过滤机，其能耗相当低，但是由于毛细滤带的制造 技术与应用技术开发不足，滤带的寿命很低，该技术至今还无法推广。 、 几种经典的过滤方法的能耗分析： 为了在液固过滤领域能真正落实“节能减排”的国策，在上面初步浏览了国内外生产上现 有的各种滤材的特点后，再进一步解剖几种经典的过滤方法，了解这几种广泛采用的过滤方 法是否符合“节能减排”精神。 1、 循环过滤：过滤一起动，如滤液不清，往往将滤液再回到原
10、料液储缶内，进行循环过滤。 为了防止滤液出口管道内可能存在的固体异物对滤液的污染，过滤起动后，进行 1 至 2 分钟 时间的循环过滤，这一般是正常操作。但目前国内大部分企业所用的滤材基本都是滤布或滤 网等孔径较大的滤材，过滤起动后，细颗粒大量穿漏，需长时间循环，有的不小于半小时，甚 至超过 1 小时，待滤材表面滤饼层增厚，滤饼层毛细孔径变小，利用厚滤饼层进行过滤，才 将滤液逐渐变清。 除非料液中的细颗粒太细，找不到过滤精度更高的滤材将这些细颗粒完全截滤，才不得 不采取这种循环过滤的无奈之举，对大部分“体积平均粒径”1 微米以上的物料，根本不需要这种循环过滤方式。因为现有的滤材对 1 微米以上的
11、颗粒能一次截滤。循环过滤所耗的能源 完全可以说是多余的能耗。 循环过滤的能耗究竟是多少，以下作一个大概计算。 假如采用能耗最低的离心泵加压过滤，其能耗按以下公式计算：N= （KW）（1） 102 H Q P 上式中： 料液密度 （Kg/m3）H液体循环过滤时泵压 （m）Q循环过滤的滤液流量 （m3/s）离心泵效率，对大型离心泵 =0.8 如果对一个企业某一个过滤岗位，去计算其循环过滤的多余能耗，可能数值不大。如果 把一个大型企业内所有过滤岗位，或把一个行业内所有过滤岗位的循环过滤都积累起来，则就相当大。例如，如一个大型企业，其累计循环量为 1 m3/s（即每小时有 3600m3）。每天累计循环
12、时间为 6 小时，过滤压差为 20m（0.2Mpa），按式（1）计算，其全年多耗电 48 万多千瓦。如果全 国有一千家这样企业，全国每年就多耗四亿八千五百多万度电。这是一笔相当大的多余能耗。我国大型化工，冶金与矿山，这样大型企业何止一千家。 为了节省这些多耗的能耗，应尽量选用最佳滤材与最合适的操作工艺，把循环过滤取消 或减少至 1 分钟之内，以节省大批量的能耗。 2、 多级过滤： 对某些滤液质量要求很高的部门，如药品，食品，微电子等，为了确保产品质量万无一失， 需要多道防线，因此，就设多级过滤。现在问题是国内许多企业把这种多级过滤扩大到含固 量多的滤饼过滤。出发点是先用一级粗级过滤，将绝大部分
13、粗固体先滤掉，剩下极少量细小 固体再复滤一下，既可确保滤液质量与过滤效率，又能以较小的过滤面积处理更大量的固体。 殊不知，这种不了解液固过滤基本性能的作法，不仅不能达到原先设想的效果，往往适得其 反，弄巧成拙。作者已遇到相当多的案例，本来一台过滤机过滤一种物料，其过滤精度与处 理量都能满足，只是由于原料液中含固量多，每天卸滤饼次数也多些。为了减少卸滤饼的次 数，就想在该过滤机前增加一台预处理机，有的用沉降，有的用离心机，有的用板框压滤机 或带式真空过滤机。这些预处理机可以做到将 95%甚至 99%固体先去掉，剩下含固量 5%甚 至 1%的料液再用原来先进的过滤机，既确保滤液质量，又大大减少卸滤
14、饼的次数。但结果 往往不是改善操作，反而使整个过滤操作恶化。原来一台滤速满意的过滤机，其滤速会大幅 下降，甚至无法过滤。为什么造成这种局面，以过滤理论分析，就容易明白。 过滤的平均滤速可按下式计算：W=3600 （2）219. 62 R mPR m c tc tc t 式中：W：平均滤速 （m3/m2h）Rm：滤材阻力 （1/m）P：过滤压差 （Kg/m2）：滤液粘度 （Ns/m2）t：过滤时间 （s）：滤饼层平均比阻 （1/m2）c：料液中固体滤饼的体积浓度 （） 当 Rm，P，t 不变时，W 仅与“ c”有关。如果有预处理机，c 可大幅减少，如 不变，g 则 W 当然会增加。现在问题，当 c 减少时， 会不会增加？当 c 减少后，粗颗粒都被去除了， 剩下都是最细的微粒，由细微粒组成的滤饼，其比阻会大幅增加。这可从以下理论可知。 根据过滤理论体系中的 KozenyCarman 方程，各种粉粒堆积层的比阻按下式计算：= （3）02231JS式中： J与颗粒层中固体颗粒的形状有关的系数S0颗粒层的比表面积 （m2/m3）颗粒层的孔隙率 （）作者早在三十多年前将式（3）用以下式（4）、式（5）与式（6）作了数学修改= 1 （4）B r式中：r颗粒层中固体颗粒的真密度 （g/cm3）B颗粒层中固体颗粒的堆积密度 （g/cm3）S0=
