摘 要：以高過濾效率、高過濾精度、能形成較干濾餅，能進(jìn)行高效洗滌，并能方便卸除干濾餅的剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)，對(duì)含有相當(dāng)比例的納米級(jí)細(xì)粒的不溶性鋇鹽的超細(xì)料漿進(jìn)行精密過濾與洗滌試驗(yàn)，證明可以完全截留住最細(xì)的微粒。本文敘述了硫酸鋇、鈦酸鋇、碳酸鋇的精密過濾的試驗(yàn)結(jié)果，也簡單介紹了水可溶性的兩種鋇鹽的高效精密過濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)。硫酸鋇與氯化鋇的高分子精密微孔過濾已在工業(yè)生產(chǎn)上成功應(yīng)用二十多年。
關(guān)鍵詞：高分子精密微孔過濾，濾餅過濾，澄清過濾
欲提高鋇鹽等無機(jī)鹽產(chǎn)品的質(zhì)量、收率，減低生產(chǎn)成本，除了制備工藝先進(jìn)，制造過程的后期單元操作，如固液分離、洗滌、結(jié)晶、干燥等也起著非常重要甚至是關(guān)鍵作用。其中固液分離與洗滌的影響往往尤為顯著。在各種鋇鹽生產(chǎn)中，水溶性鋇鹽的過濾比較容易，只要對(duì)反應(yīng)前的液體原料，反應(yīng)后的液體產(chǎn)品及結(jié)晶前的母液進(jìn)行高效去除不溶性雜質(zhì)的過濾，一般都可獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。目前，最難解決的是顆粒相當(dāng)細(xì)的亞微米級(jí)與納米級(jí)的水不溶性的鋇鹽過濾與洗滌。應(yīng)用濾布或?yàn)V網(wǎng)的各類過濾技術(shù)對(duì)這些超細(xì)物料無法高效過濾，極細(xì)微粒穿漏嚴(yán)重，損失很大。超精密的膜過濾技術(shù)，如高速十字流動(dòng)態(tài)無機(jī)膜過濾器對(duì)亞微米與納米級(jí)微粒有很高的過濾效率，但無法形成干濾餅，得到的是含水率很高的濃漿，使下一道的干燥操作要消耗大量熱能。另外維持高速十字流過濾的動(dòng)能消耗也相當(dāng)可觀。臥式沉降螺旋離心機(jī)是一種生產(chǎn)能力大，洗滌效率較高的連續(xù)高效分離裝置，但如顆粒粒徑小于其極限分離粒徑，仍無法分離，即使分不清的母液循環(huán)回到原料液系統(tǒng)，也只能永遠(yuǎn)處于反復(fù)循環(huán)流中，最終仍難得到這些細(xì)微粒。分離不出來的這些超細(xì)微粒均是比表面最大，表面功能最優(yōu)異的粉體，雖然在整個(gè)粉體中這些流失的粉體只占百分之幾，千分之幾，甚至更少，但是整個(gè)粉體的表面功能的損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其重量損失。
提高過濾精度與過濾收率，解決極細(xì)微粒的截留，此外還要減少分離過程的動(dòng)力消耗，洗滌過程的水耗，減少操作過程的安全隱患，減少對(duì)環(huán)境污染，這些均是當(dāng)前鋇鹽等無機(jī)鹽產(chǎn)品過濾分離中必須解決的課題。科學(xué)發(fā)展觀要求我們，不能再讓一些低效高耗的落后的分離裝置繼續(xù)大量用在無機(jī)鹽生產(chǎn)，應(yīng)盡量改變這種落后的狀態(tài)。
一、 超細(xì)硫酸鋇的精密微孔過濾：
1、硫酸鋇的微粒粒徑的測(cè)定：
化學(xué)沉淀制得的硫酸鋇的粒徑相當(dāng)細(xì)，我們多次用分析純的氯化鋇與硫酸鈉化學(xué)反應(yīng)沉淀制得的硫酸鋇用“JL-1177”型激光粒度測(cè)試儀反復(fù)測(cè)定表明，其粒徑的體積分布曲線，基本是正態(tài)分布曲線；而粒徑的個(gè)數(shù)分布卻是奇形曲線，0.1μm以下分布比較接近，0.1至1μm幾乎直線降至0。表一給出這些硫酸鋇微粒的兩種分布的測(cè)試值。
由表一的數(shù)據(jù)可知，按體積分布，平均粒徑有1.1μm，D50有0.82μm，但按個(gè)數(shù)分布，平均粒徑只有0.17μm，D50只有0.11μm，75%的顆粒徑不超過0.19μm（由體積分布的更詳細(xì)的數(shù)據(jù)可以查出，小于0.19μm微粒的體積百分比只有4.3%）。由這些數(shù)據(jù)可以了解，欲按體積（或重量）達(dá)到99%以上的過濾效率，主要解決0.2μm以下的超細(xì)微粒的過濾。
表一 高純度的硫酸鋇微粒的體積分布與個(gè)數(shù)分布的粒徑測(cè)定值
累積百分比
%
分布
方式 |
0.53% |
3% |
6% |
10% |
16% |
25% |
50% |
75% |
84% |
90% |
98% |
平均粒徑μm |
按體積分布的粒徑值
（μm） |
≤0.1 |
≤0.17 |
≤0.23 |
≤0.29 |
≤0.37 |
≤0.48 |
≤0.82 |
≤1.33 |
≤1.69 |
≤2.09 |
≤3.61 |
1.1 |
按個(gè)數(shù)分布的粒徑值
（μm） |
≤0.02 |
≤0.025 |
≤0.046 |
≤0.049 |
≤0.055 |
≤0.069 |
≤0.11 |
≤0.19 |
≤0.25 |
≤0.32 |
≤0.62 |
0.17 |
1、 精密微孔過濾介質(zhì)的選擇：
能過濾住0.2μm以下的微粒，只有兩種過濾介質(zhì)。一種是以機(jī)械篩濾為過濾原理的無機(jī)微孔膜，其最大毛細(xì)孔徑應(yīng)小于0.2μm。此類膜孔徑非常小，本體毛細(xì)阻力非常大，如要進(jìn)行濾餅過濾，在濾材表面形成較厚濾餅，其所需的過濾壓差更大，其平均濾速非常低，因此這種濾材只能進(jìn)行增稠的無濾層動(dòng)態(tài)過濾（實(shí)際上，總有一層極薄濾餅存在），依靠減少濾餅層阻力達(dá)到較高濾速。此種過濾必須在濾材表面形成很高液體線速度，因而動(dòng)力消耗很大；另外無機(jī)膜的價(jià)格很貴，總投資也很大。另一類過濾介質(zhì)是選用其平均毛細(xì)孔徑大于所過濾的微粒粒徑的剛性高分子微孔過濾介質(zhì)。只要該介質(zhì)的平均孔徑小于固體微粒的波朗擴(kuò)散的平均自由程，只要過濾起動(dòng)階段保持較低壓差與較低速過濾，就能在過濾介質(zhì)表面的毛細(xì)孔孔口很快形成表層吸附與孔口架橋，使介質(zhì)的表層的毛細(xì)孔徑逐漸減少，依靠吸附作用，將最小微粒截留住，于是該過濾介質(zhì)就成為能高效過濾最細(xì)微粒的濾材。雖然孔口與表層的毛細(xì)孔徑變小，但整個(gè)過濾介質(zhì)層大部分仍具有較大毛細(xì)孔徑，因此總毛細(xì)阻力還是不太大。這種過濾方式在起動(dòng)階段可能有部份小于0.1μm的納米級(jí)微粒穿漏，但只要穿漏濾液回流，循環(huán)過濾一次至幾次，依靠小孔徑的吸附、架橋與阻截等作用，就可將所有極細(xì)微粒全部截留，使濾液成為非常澄清的液體。這種表層吸附與孔口架橋的過濾原理使介質(zhì)表層毛細(xì)孔發(fā)生非永久性堵塞，只要用液流或氣流快速反吹，很容易使毛細(xì)孔徑恢復(fù)，不會(huì)發(fā)生永久性堵塞而過早失效。
利用這種過濾介質(zhì)進(jìn)行超細(xì)微粒的濾餅過濾，濾餅層厚度可達(dá)5毫米以上，可對(duì)濾餅進(jìn)行靜止洗滌與脫水壓干，最后得到干度約70～80%的濾餅，利用壓縮氣體快速反吹法可很簡便地將干濾餅自動(dòng)卸下。
如果超細(xì)粉體中極細(xì)的納米級(jí)微粒比例較高，形成一定厚度的干濾餅的比阻就非常大，以致平均濾速相當(dāng)小，選用的過濾面積就偏大，但由于是低壓差過濾，動(dòng)力消耗仍較低；剛性高分子精密微孔過濾的價(jià)格比無機(jī)膜低得多，使用壽命又相當(dāng)長，得到又是較干的濾餅，后期干燥操作能耗比無機(jī)膜小，因此總投資與總成本還是相當(dāng)?shù)偷摹?br />
2、 精密微孔過濾試驗(yàn)：
對(duì)表一的超純的硫酸鋇進(jìn)行四批試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖菍⒘蠞{中小于0.1μm的納米級(jí)微粒全部截留，使濾液清澈透明，并對(duì)形成一定厚度的濾餅進(jìn)行洗滌，洗出濾液中NaCL（以AgNO3滴定，直到濾液無AgCL沉淀為止）。
表二列出所有實(shí)驗(yàn)測(cè)定值。分析表二數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：
四批試驗(yàn)的硫酸鋇料漿是同一種物料。實(shí)驗(yàn)1與2的料漿中固體的體積濃度比實(shí)驗(yàn)3與4只增加60～70%，實(shí)驗(yàn)測(cè)定出濾餅的平均體積比阻也只增加1～2倍，但1～2的平均濾速只有實(shí)驗(yàn)3～4的1/10～1/20倍，這種現(xiàn)象用傳統(tǒng)的濾餅過濾理論無法解釋，只有依靠表層吸附與孔口架橋?yàn)橹饕^濾原理的過濾介質(zhì)過濾納米等超細(xì)微粒時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。
表二 超純的硫酸鋇的高分子精密微孔過濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)
過濾介質(zhì)的精度規(guī)格：0.3μm
最小可過濾住的微粒粒徑：＜0.1μm
過濾介質(zhì)厚度：9mm
過濾溫度：20℃
過濾面積：70.85cm2 |
每次過濾的總料漿量：1000ml
洗滌水：無離子蒸餾水
洗滌要求：洗至AgNO3滴定，濾液無白色沉淀
洗滌后氣壓壓力：0.2MPa |
序
號(hào) |
料漿
中硫
酸鋇
體積
濃度
(%) |
過濾
壓差
(MPa) |
過濾速度測(cè)定 |
最終濾餅層厚度
(mm) |
洗滌試驗(yàn) |
濾餅壓干 |
濾餅平均體積比阻
(1/m2) |
備注 |
過濾
時(shí)間
(分) |
濾餅層厚度(mm) |
平均過濾濾速(L/m2·h) |
(—) |
總洗滌時(shí)間(分) |
壓干時(shí)間(分) |
濾餅干度(%) |
|
1 |
4.7% |
0.05～0.1 |
40.8 |
1 |
31.1 |
6.0 |
4.5 |
247.3 |
10 |
82.4% |
(5.1～5.3)×1015 |
過濾起動(dòng)后回流過濾量很少 |
|
99.8 |
2 |
25.5 |
|
169.4 |
3 |
22.5 |
|
258.2 |
4 |
19.7 |
|
340.7 |
5 |
18.6 |
|
414.6 |
6 |
18.4 |
|
2 |
4.9% |
0.03～0.05 |
35.3 |
1.05 |
36.0 |
6.0 |
4.5 |
186.1 |
7 |
81.2% |
(2.2～3)×1015 |
過濾起動(dòng)后回流過濾量少 |
|
87.1 |
2.1 |
29.2 |
|
145.4 |
3.2 |
26.2 |
|
202.8 |
4.2 |
25.1 |
|
261.2 |
5.3 |
24.3 |
|
319.5 |
6 |
23.9 |
|
3 |
2.9% |
0.03～0.05 |
5.9 |
0.61 |
257.7 |
3.5 |
4.5 |
120.5 |
5 |
81% |
(1.2～1.6)×1015 |
過濾起動(dòng)后回流過濾量900ml |
|
9.8 |
1.22 |
309.3 |
|
13.8 |
1.83 |
327 |
|
18 |
2.44 |
336 |
|
22.1 |
3.05 |
340.6 |
|
— |
— |
— |
|
4 |
2.8% |
0.05～0.07 |
4.5 |
0.6 |
333.8 |
3.8 |
4.5 |
142.5 |
7 |
82% |
(1.3～1.7)×1015 |
過濾起動(dòng)后回流過濾量3100ml |
|
7.5 |
1.2 |
404.8 |
|
10.7 |
1.8 |
424.1 |
|
14.2 |
2.4 |
424.2 |
|
17.6 |
3.0 |
427.9 |
|
21.2 |
3.6 |
426.4 |
實(shí)驗(yàn)1與2的料漿中固體微粒濃度高，過濾起動(dòng)后，過濾介質(zhì)孔口表層內(nèi)的淺層很快發(fā)生表層吸附與孔口架橋，使孔口的毛細(xì)孔徑很快變細(xì)，濾液很快就達(dá)到清澈透明，小于0.1μm的納米級(jí)微粒全部被截濾下來，由于孔口毛細(xì)孔徑約減少至原來1/3～1/4，因而總過濾阻力與總過濾時(shí)間也成10多倍增加。
實(shí)驗(yàn)3與4的料漿濃度小，過濾起動(dòng)后，由于濾液濾速比較快，表層吸附與孔口架橋的縱向距離比實(shí)驗(yàn)1與2深，也由于起動(dòng)濾速較快，表層的毛細(xì)孔徑不可能很快變得很小，因而穿漏與循環(huán)量大量增加，直到孔口的平均孔徑小于微粒的平均自由程之值，使這些最細(xì)微粒全部被吸附或阻截住，才使濾液變得清澈透明；由于表層吸附與孔口架橋的深度較深，截濾全部最細(xì)納米級(jí)微粒的毛細(xì)孔徑不必特別小，其架橋?qū)拥钠骄讖饺匀槐容^大；雖然起動(dòng)后穿漏總量與循環(huán)次數(shù)比實(shí)驗(yàn)1與2增加幾倍到10幾倍，但總過濾時(shí)間仍然只有前者十分之一左右。
一、 納米級(jí)鈦酸鋇的精密微孔過濾：
國內(nèi)一試制納米鈦酸鋇的企業(yè)將其產(chǎn)品委托我們進(jìn)行精密微孔過濾試驗(yàn)，該廠原用板框壓濾機(jī)，過濾介質(zhì)是工業(yè)濾布，過濾效率很低，大量細(xì)微粒都濾不住。當(dāng)時(shí)我們尚無激光粒度儀，只有1600倍顯微鏡子進(jìn)行觀察，該產(chǎn)品絕大部分小于1μm，約75%小于0.3μm。
測(cè)試了二種產(chǎn)品過濾性能。表三系1號(hào)產(chǎn)品的過濾數(shù)據(jù)，表四系2號(hào)產(chǎn)品的過濾與洗滌試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2號(hào)的微粒粒徑比1號(hào)細(xì)，故2號(hào)的微孔過濾介質(zhì)的精度規(guī)格比1號(hào)小。這些納米級(jí)微粒完全依靠表層吸附與孔口架橋原理進(jìn)行過濾，最終所得的濾液均為清澈透明，表明料漿中最細(xì)的微粒已被全部截留住，沒有任何穿漏。（只對(duì)2號(hào)產(chǎn)品的濾餅層進(jìn)行部分洗滌，以測(cè)定靜止洗滌時(shí)的平均濾速。表明靜止濾餅層還是容易洗滌的）。最后都形成干濾餅，通過簡單的氣體反吹法就可將過濾介質(zhì)上的干濾餅取出。
表三 1號(hào)納米級(jí)鈦酸鋇成品的精密微孔過濾試驗(yàn)
過濾介質(zhì)精度規(guī)格：0.5μm
最小可過濾住的微粒粒徑：0.2μm
過濾介質(zhì)厚度：9mm |
過濾面積：63.5cm2
過濾溫度：15℃
|
|
序號(hào) |
料漿中固體顆粒的體積濃度
(%) |
過濾壓差(MPa) |
過濾濾速測(cè)定 |
總濾液量
(ml) |
最終濾餅層厚度
(mm) |
最終濾餅干度
(%) |
濾餅平均體積比阻
(1/m2) |
備 注 |
過濾時(shí)間
(分) |
平均濾餅層厚度
(mm) |
平均
濾速
(L/m2·h) |
|
1 |
6.4% |
0.05 |
7.9 |
1.01 |
119.9 |
475 |
4.8 |
83% |
1.9×1014 |
起動(dòng)壓差從0.005逐漸增加至0.05MPa |
|
16.8 |
2.13 |
112.8 |
|
21 |
2.53 |
112.3 |
|
26.4 |
3.03 |
107.4 |
|
32.1 |
3.54 |
103.1 |
|
2 |
5.94% |
0.1 |
3.9 |
0.94 |
241.2 |
480 |
4.5 |
83.1% |
1.35×1015 |
起動(dòng)壓差從0.005逐漸增加至0.1MPa |
|
5.7 |
1.88 |
333.5 |
|
7.7 |
2.34 |
306.1 |
|
9.7 |
2.81 |
292.2 |
|
11.6 |
3.75 |
326.8 |
|
3 |
5.9% |
0.2 |
3.2 |
0.93 |
295.3 |
515 |
4.8 |
83.3% |
3.6×1015 |
起動(dòng)壓差從0.005逐漸增加至0.2MPa |
|
6.3 |
1.86 |
298.4 |
|
8 |
2.33 |
295.3 |
|
8.5 |
2.80 |
332.8 |
|
9.0 |
3.73 |
418.4 |
微孔過濾機(jī)
相關(guān)資料：
PE微孔管過濾機(jī)理及反沖洗的微觀動(dòng)態(tài)特性研究;
工業(yè)生產(chǎn)上水處理用微孔精密過濾機(jī);
精密微孔過濾機(jī)在超細(xì)粉末過濾與洗滌應(yīng)用;
精密微孔過濾機(jī)在氫氧化鈷生產(chǎn)中的應(yīng)用;
微孔精密過濾器在不同工況中的過濾應(yīng)用;
聚乙烯微孔管過濾機(jī)簡介;
半導(dǎo)體生產(chǎn)中的廢水過濾;
超純氣體的過濾應(yīng)用;
超純水制備的過濾應(yīng)用;
催化劑回收中的過濾過程;
微孔過濾機(jī)---PEPA管系列操作使用說明書及尺寸選型;
超細(xì)粉體的外在過濾特性;
幾種過濾方式介紹;
流體中超細(xì)粉體的過濾、洗滌;
有色金屬工業(yè)生產(chǎn)上的顆粒雜質(zhì)過濾;
針劑藥液的過濾應(yīng)用;
關(guān)于發(fā)酵液的過濾應(yīng)用；
精密微孔過濾機(jī)在二次鹽水中的過濾應(yīng)用；
當(dāng)前我國工業(yè)生產(chǎn)上的固液分離技術(shù)的概況；
粉末活性炭脫色液的微孔過濾;
粉末活性炭與炭基粉末催化劑與液體的精密過濾；
剛性高分子精密微孔過濾機(jī)及其在制藥工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用；
剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)優(yōu)異特色的形成原因；
剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用；
剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)的最新進(jìn)展概況；
剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)；
微孔過濾機(jī)在脫硫工藝中的過濾應(yīng)用；
微孔過濾機(jī)在油脂食品中的過濾應(yīng)用；
微孔過濾機(jī)在工業(yè)中的過濾應(yīng)用；
PE/PA/PTFE管高分子精密微孔過濾技術(shù)在有色金屬工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用前景;
PE/PA/PTFE管高分子燒結(jié)微孔過濾技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)用水與工業(yè)廢水處理上的主要用途;
技術(shù)支持：
如何選擇過濾設(shè)備—工況調(diào)查表
常見流體的粘度；
常見顆粒物的大小及設(shè)備選型參考；
常見流體化學(xué)適應(yīng)性表；
選擇過濾精度時(shí)微米和目數(shù)的關(guān)系；
常見管道尺寸對(duì)照表；
如何挑選合適的過濾袋-過濾芯；
過濾機(jī)理和形式；
過濾行業(yè)中的常用術(shù)語；
過濾行業(yè)常見的單位換算；
過濾的種類及模式；
過濾行業(yè)中的一些名詞定義；
常見顆粒物粒徑大小；
常用壓濾機(jī)濾布分類；
過濾機(jī)理；
幾種過濾方法能耗分析；
幾種金屬顆粒和化合物粒徑分布；
顆粒尺寸和對(duì)應(yīng)的過濾分離方式;
