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固液分离中的过滤介质知识梳理

一,过滤介质的分类:凡是能使滤浆中流体通过,其所含固相颗粒被截留,以达固液分离目的的多孔物都统称为过滤介质。它是过滤机上关键组成部分,它决定了过滤操作的分离精度和效率,也直接影响过滤机的生产强度及动力消耗。工业上应用的过滤介质种类繁多,按其结构分为挠性介质,刚性介质及松散性。介质三大类:1,挠性过滤介质:金属过滤介质、非金属过滤介质:棉织物、毛织物、丝织物、合成纤维织物、玻璃纤维织物、非织造纤维织物:非织造滤布(滤纸、滤毡、过滤衬垫)金属、非金属混合介质;2,刚性过滤介质:烧结金属网、金属纤维烧结毡、粉末烧结材料、多孔陶瓷、烧结多孔塑料、烧结铝氧化物、玻璃过滤介质;3,松散过滤介质:硅藻土、膨胀珍珠岩粉、纤维素,砂,木炭粉、无烟,;过滤介质的作用原理与过滤操作机理相关。用于滤饼过滤的过滤介质技术特性必须满足此种过滤的特殊要求:介质的结构能保证开始过滤时,颗粒能迅速在介质表面"架桥",使细颗粒不致流失(即穿滤);介质的孔道内夹持颗粒的比率低,介质的堵塞小;滤饼能容易地完全地卸除;介质结构便于清洗再生。常用的滤饼过滤介质主要有滤布,滤纸,滤网,侧边式滤芯等,对用作深层过滤的介质,则要求其结构满足指定的截留精度,能阻挡要求阻挡的颗粒;床层要有足够的容量,使其被颗粒堵塞的进程缓慢,以延长操作周期。对各种过滤介质的共同要求是:优良的过滤特性(比阻小,截留精度高等);良好的物理、机械性能(强度高,搞蠕变,刚柔性,耐磨性高等),在一定工艺操作条件及环境下,化学稳定性好(耐腐蚀,耐高温及微生物等),清洗、再生方便,价格便宜,来源可靠。 

二,选择过滤介质的基本要求:过滤介质对固体颗粒的捕集能力,这关系到过滤的分离次序。所谓捕集能力就是能截留的颗粒细小程度的尺寸。捕集能力取决于介质本身的孔隙大小及分布情况。下表为各类过滤介质能捕集的最小颗粒。(1)

介质类型

举例

能够截留的颗粒(微米)

滤布

天然及合成纤维编织的滤布

≥10

滤网

金属丝编织网

>5

非织造纤维介质

纸(纤维素)纸(玻璃纤维材料)毛毡

5210

多孔材料

薄膜

0.005

刚性多孔材料

陶瓷金属陶瓷

13

松散固体介质

硅藻土膨胀珍珠岩

<1<1

(2)渗透率过滤介质的渗透率反映了它对滤液流动的阻力,它影响过滤机的生产强度和过滤推动力---压强过滤介质的渗透率可由达西方程来描述:对由颗粒或纤维填充的过滤床,其渗透率K可用柯兹尼-卡尔曼方程式给出:单丝纺织纤维介质的渗透率可由以下半经验方程给出:由此可见,过滤介质的渗透率与介质本身的孔隙率有关。常用过滤介质的空隙率如下表:

介质

名称

金属丝网平纹

斜纹

陶瓷

特级多孔材料

薄膜

硅藻土

精制

空隙率%

15~25

30~35

30~50

70

80

60~95

80~90

(3)卸渣和清洗再生性能卸渣能力就是指过滤结束后能利用滤饼自身策略或压缩空气吹除,机械刮除等措施把滤饼从介质表面除净的能力,这对于象转鼓,翻盘,带式真空过滤机等连续过滤机来说是维持正常操作的先决条件。过滤过程中总有少量滤渣颗粒堵塞在介质孔隙中,必须在每个操作循环的卸渣工序结束后用冲洗,吹扫等方法把颗粒从介质表面,孔隙中清洗掉,以维持介质的过滤效率和性能。再生性能主要取决于过滤介质的构成材料和纺织、加工方法(制造工艺)

(4)化学稳定性能由于过滤过程所处理的物料多种多样,它们的化学性质各不相同。有酸性,碱性,强氧化性,有机溶剂等,而且都在一定的温度下过滤。这就要求所选用的过滤介质结构材料能在被处理的物料中具有良好的化学稳定性,耐化学腐蚀,耐温度变化,耐微生物作用。一般而言,聚丙烯纤维具有良好的耐酸性。耐碱性和耐氧化剂作用,聚乙稀纤维在室温下对酸,碱溶液具有稳定性,涤纶材料具有良好的耐酸性。

(5)材料的物理:机械性能材料的物理,机械性能包括吸湿性,耐磨性,机械强度,伸延率等,均影响介质的过滤性能及使用寿命。不同类型结构的过滤机对介质物理、机械性能要求也有差异,如板框过滤机与叶片过滤机、转鼓过滤机相比,对滤布的机械强度要求更高。带式过滤机对滤布的强度要求比倾覆盘式过滤机高,而且要求一定负荷下延伸率尽可能低。

 三,常用过滤介质及其主要性能

滤布:

这是在工业上品种较多,应用较广泛的过滤介质。滤布有纺织滤布与非纺织滤布之分。其构成材料均为天然纤维(,,,)或合成纤维。滤布的过滤性能决定于材质,纤维织法及后处理加工。

(1)纺织滤布:纺织滤布由三种不同类型的纱线织成:单纤(单缕纱),复丝长纤(定长纤维纱)和短纤(多缕纱)。单丝一般是合成纤维拉成直径016-032(某些场合甚至1)的单根长丝,由它织成的滤布具有表面光滑、空隙单纯、比阻小、堵塞性小、易清洗和良好卸渣性能等优点,但它捕集粒子直径圈套,精密过滤时不宜采用。对粒径分布范围较宽的悬浮液分离时,分离效果受到影响。复丝长纤纱是由二股以上原丝捻纺而成,用它织成滤布,抗拉强度好,对颗粒的截留性能较单丝为好,卸渣性能稍差。短纤是用天然棉,毛纤维或合成短纤维多股捻制而成,因其具有绒毛状纤维而呈现良好的颗粒截留性能,密封性也佳,但缺点是孔隙易被粒子堵塞,清洗和卸渣性能较差。滤布的织法也有三种:即平纹、斜纹和缎纹。一般来说,平纹滤布构造致密,孔隙小,故颗粒截留性好,滤液澄清度高,使用寿命长,价格也较便宜。缺点是比阻大,易堵塞,卸渣性能差。缎纹织布的孔隙大,比阻小,不易堵,卸渣性能好。但颗粒截留能力低,穿滤严重,过滤效果差。斜纹滤布的各项性能居中,抗磨擦能力很强,过滤速度也大,寿命长,因而被广泛应用。下面扼要介绍不同材质织成的滤布使用条件,供选择时参考。1)棉布: 普通棉纱织成的滤布只能用在100oC以下的中性滤浆、20oC以下的酸性滤浆和10oC以下的碱性滤浆的分离。在碱性介质中,棉织滤布会产生溶胀。在水和硫酸铝溶液中会产生收缩。故在使用前应先用溶液浸泡,使之预收缩。棉织滤布对霉菌的侵蚀抵抗力较弱,用于易产生微生霉变的场合需经铜氨液预处理,抵抗力才会提高。硝化棉织成的滤布有较硬表面,易于卸渣,对浓硫酸,硝酸及其混合酸以及盐酸溶液,氯化锌溶液具有稳定性,但不耐碱。在还原性物质及有机溶剂中,易遭腐蚀。硝化棉滤布具有很危险的可燃性,这限制了它的使用。2)毛织布:一般用绵羊毛制成,对酸性滤浆的耐蚀性较棉布稍好,在处理5%-6%的浓缩无机酸物料时的使用寿命近于棉布在中性物料中的使用寿命。不耐高温及碱的作用,也不耐钠、钙的次氯酸盐的破坏。用驼毛制成的布,对无机酸具有稳定性。毛织布在强度和对颗粒的截留性能方面均稍逊于棉布,价格也远较棉布高。3)聚氯乙烯布: 对酸,,矿物油,微生物 的作用具有稳定能;但受氧化剂,浓碱作用会遭破坏。有光滑的表面,利于卸渣,但只能在60oC以下使用。4)聚丙烯布: 有很强的耐酸(有机和无机),碱腐蚀能力和弹性。使用温度可高达110oC,价格低,但布的强度较弱,用于纤维型滤浆及粗晶体过滤。聚丙烯布表面光滑,质地柔软,卸渣性能好;密谋密度低,能耐酸、碱及强氧化剂腐蚀和微物作用。但能溶于二甲苯,四氯乙烷溶剂里,吸湿性低,03%以下,安全使用温度在100oC以下,常用在颜料,染料过滤上。5)聚酰胺(尼龙66)布: 在干湿状态下均有很高的强度,寿命长,耐磨性能极好,热稳定性亦好,一般使用温度可在120-150oC。在碱性滤浆中的化学稳定性较好,可使用到100oC,但在酸性介质中,则只有在常温下,对稀酸性物料才具有稳定性。6)涤纶布: 强度高,具有挠性,耐麻性好,寿命长,有优越的颗粒截留性能。化学稳定性方面能耐酸腐蚀。耐碱性方面稍差,但优于丙烯腈纤维。涤纶布对微生物作用也有高的抵抗力,涤纶滤布品种很多,应用广泛。我国目前二水法磷酸工厂从磷酸滤浆中分离二水石膏大多采用涤纶734#滤布。7)奥纶布: 它是由85%的丙烯腈加丙烯酸酯、乙烯基吡啶的共聚体制成的纤维布。具有高的热稳定性和耐磨性,对无机酸具有良好的耐蚀性,在浓度超过80%的浓硫酸中才溶解。对弱碱及室温下的强碱也具有一定的耐蚀性,它不会被常用溶剂、油脂、中性盐及大多数酸性盐所侵蚀。8)交织布: 由聚丙烯腈纤维和涤纶纤维交织而成的滤布,具有很光滑的表面和很高的机械强度,不受污染物的堵塞,便于卸渣。兼有二种纤维的化学特性。特别适用于污水处理和磷酸工厂的酸石膏料浆的过滤。据国外报导,其使用寿命也长,是很有前途的新型滤布。

(2)非纺织滤布:用加热方法,将各种纤维连同一定的树脂粘接剂和溶剂制成0。2-2厚度的纸片状滤布。这种滤布的纤维组织不是规则的而是杂乱而又紧密排列,故其强度较纺织滤布差,比滤纸强,孔隙率也较滤纸粗,故比阻比滤纸小。非织造滤布已用于压滤机及水平盘式过滤机上,主要用于澄清过滤,净化低浓度悬浮液中的固体颗粒。如饮料,乳浆,清漆,润滑油等和植物树胶的过滤。非纺织滤布的过滤机理,大致是分级过滤,即由这种滤布的表层部分截大颗粒粒子(大于100),其里层截获高分散性的小颗粒

(3)滤布织成的后加工:为了改善滤布过滤特性和物理机械性能,对织成的滤布进行织后精加工。其加工方法有: 1)砑光:将滤布坯布在热的压辊下受碾压,使坯布表面光滑,降低江布纱线间的孔隙率,以改善滤布对颗粒的捕集性能和卸渣能力。砑光后的滤布强度有些降低。2)起绒:即在滤布坯布的一面用微齿钢梳刷使滤布表面纱束的纤维产生细柔的绒毛,提高滤布截留微小细粒子的能力,改善分离效果,提高滤液的澄清度。3)热轧处理:这只限于合成纤维滤布,目的是改善滤布的热稳定性或机械强度,使之更适于较高温度下操作。物别是对于单丝织成的滤布必须进行热轧处理。

B,   网:滤网也是编织过滤介质,其材质主要是金属,凡是可以拉丝的金属和合金,如不锈钢、黄铜、蒙乃尔镍铜合金、镍、银等都可以作为金属丝网的材质。近来也有采用塑料原丝织成的滤网。正由于材质是金属材料,故滤网表面光滑、耐磨、耐腐蚀和耐高温,基本上不产生收缩、伸延现象,不易被颗粒堵塞,易清洗、再生,使用寿命远较纤维滤布为长。只是一次性投资较贵,但操作费用要比滤布低。滤网也有平纹和斜纹织法之分。滤网既可以直接安装在叶滤机或转鼓过滤机上作过滤用(一般只能做粗滤),还可以做为布,滤纸的支持体使用。此时,滤网必须用辊子滚压,使其表面光滑,然后再同滤布等过滤介质一起安装,以免损伤所支持的过滤介质。我国目前工业用金属丝编织筛网有铜、锡、青铜、不锈钢、碳钢等材质。

C,滤  毡:将合成纤维(如聚丙烯腈纤维,尼龙,聚丙烯等)或羊毛纤维作无规则的密集排列,可添加或不添加树脂粘接剂(如热粘接),经过压实耐而制成不同厚度的毡。装在压滤机或转鼓真空过滤机上。当用褶制金属网定型可用作滤芯构件。滤毡过滤机理属于深层过滤。合成纤维滤毡具有防腐,防霉,颗粒截留性能好等优点,用途比毛毡广泛。

D,过滤衬垫:过滤衬垫是以石棉和纤维素制成的抄造型过滤介质,厚度2~5mm, 纤维直径为200~250埃,另用直径为20~30的纤维素纤维为支持体,石棉纤维在其中构成空隙,用于压滤机上,如在其中充填硅藻土颗粒,可提高垫子的孔隙率。由于过滤衬垫的空隙率很细微,主要用作精密过滤,处理含固量低且颗粒细小的悬浮液。

E,过滤膜(多孔塑料薄膜):以纤维素酯,聚氯乙烯,聚乙烯或聚四氟乙烯等高分子材质,通过特定的工艺加工成厚度为0。2~150um,孔径0。3~10um的薄膜,安装于专门的设备上。这种多孔过滤膜的过滤精度可达0。1um。主要用于医药工业及生物化学带菌污水处理等超群同精密过滤场合。

F,硬质(刚性)多孔介质:刚性多孔过滤介质包括多孔陶瓷,金属陶瓷,多孔烧结塑料、金属纤维烧结毡、多层金属烧结网等。它们是通过陶瓷,金属及塑料的细粉在高温下烧结成型。通过对细粉粒度,烧结温度,压力,时间及粘结剂品种,配方的控制来制得孔隙均匀,渗透性,孔隙率和形状各异的过滤介质成品。厚度一般在20mm以上(烧结金属的厚度一般为1。6mm)。做成圆筒状(包括管式)适于加压过滤,板状则多用于真空过滤式重力过滤。多孔过滤介质的过滤机理一般适于深层过滤,但也可以用于表面过滤。由于它们的不挠性,使得过滤中的压力波动对滤饼的影响很少,其孔隙可以从几千到1个,故大多用作精密过滤。多孔陶瓷包括普通多孔陶瓷和刚玉陶瓷两种,前者主要原料是耐火粘土,后者是氧化铝粉,它将它们分别与热固性树脂以及溶剂混合成所需要的形状,在1400oC的窑内煅烧而成。具有耐高温和腐蚀性,基础刚玉对浓无机酸很稳定,但对弱碱性及碱性盐的水溶液不稳定。普通陶瓷则能耐稀、浓的无机酸及它们的盐类水溶液的腐蚀。但对碱性液体作用不够稳定。多孔陶瓷广泛用于气体净化过滤(如硝本生产中空气过滤),也用于无机酸及酸性盐水溶液的澄清过滤。金属纤维烧结毡:是新型的过滤材料,产品过滤精度3-100微米,广泛用于石油、化工、化纤、航空、航天领域,是不可取代的高科技材料

四,如何选用合适的过滤系统

1.滤材的选用:首先按照所要过滤的流体化学名称,依化学配合禁忌找出可用的滤材,再针对其操作温度,操作压力,酸碱值,操作条件(如,是否须要耐受蒸汽,热水或化学品杀菌等),逐一评估,并剔除不适用之滤材。用途也是一个重要的考虑因素,比方药品、食品或化妆品用之滤材必须是FDA准许的材质;超纯水则须挑选纯净、不含有释出物会影响比阻抗的滤材;过滤气体则须挑选疏水性材质以及是否需要"卫生级过滤"设计等等。
2.
过滤精度:这是一个令人困扰的问题。比方,要除去肉眼可见的颗粒,要选用25微米过滤器;要除去液体中云状物,要选用15微米过滤器;要滤除很小的细菌则需0.2微米的过滤器。问题在于有两种过滤精度单位:绝对精度/公称精度。绝对精度是指能100%滤除所标示精度之颗粒。对任何一种过滤器而言,这几乎是一个不可能达到,而且不实际的标准,因为100%是一个无穷大的值。市面上通称的绝对过滤器如薄膜等,严格地说,只能称"趋近于绝对"的过滤器,而其它则皆属于公称精度,公称精度,这才是主要的困扰所在:"公称精度并没有一个业者共同认定并遵行的标准"。也就是说甲公司可以把公称精度订在85-95%,而乙公司却宁可订在50-70%。换句话说,甲公司的25微米过滤精度可能等于乙公司的5微米,或者更细。对此问题,有经验的专业过滤器供应商会有助于过滤精度之选择,而根本解决之道是"试用"

3.依照过滤温度时的粘度:专业过滤设备供应商可以计算出需要多大的过滤器,装多少支滤芯,每支滤芯承担多大的流速以及预测其初期压降若干。若能提供流体中杂质含量,甚至可以预估其过滤寿命。
4.
过滤系统的设计:这个标题牵涉范围较广,比方应该选用那一种压力来源,需要多大的压力才能将滤芯寿命完全运用,是否需要装两套过滤器并联,以适合连续性操作之系统,对粒径分布宽广的场合应如何搭配粗滤与精滤,系统中是否须要装逆止阀或其他装置等等。这些都需要使用单位与过滤器供应商密切配合,共同找出恰当的设计。



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