摘要： 液體的精密過濾是化工生產(chǎn)上普遍應用的一種重要化工操作， 本文簡單敘述當前化工生產(chǎn)上液體精密過濾的主要概況， 介紹了最新開發(fā)的液體精密過濾技術及其在液體精密濾餅過濾與液體精密澄清過濾領域的應用， 最后介紹應用最新液體精密過濾的主要計算公式。
關鍵詞： 粗級過濾，亞精密過濾，精密過濾，超精密過濾，澄清過濾，濾餅過濾
在所有化工生產(chǎn)中，如基本化工，精細化工，石油化工，生物化工，制藥化工，食品化工，紡織化工，冶金化工及環(huán)?；さ鹊壬a(chǎn)中， 絕大部分原料，中間體與產(chǎn)品是液體。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，收率，勞動生產(chǎn)率，降低成本，減少環(huán)境污染， 必須對這些液體進行精密過濾。
化工生產(chǎn)上的液體種類繁多，作為非均相分離的液體過濾基本上可分為以下幾類：
粗級過濾：    過濾精度大于100微米；
亞精密過濾：  過濾精度為100—10 微米；
精密過濾：    過濾精度為10—1 微米，精密過濾亦可稱為微米級過濾；
超精密過濾：  過濾精度為1—0.1微米，超精密過濾亦可稱為亞微米級過濾。
過濾精度小于0.1微米的超濾，納濾與反滲透等過濾分離技術已不屬“非均相分離”，應屬于“均相分離”范疇。為了提高質(zhì)量與收率，對某些化工液體，除了進行精密過濾與超精密過濾，還應繼續(xù)進行超濾，納濾或反滲透，但是對大多數(shù)化工液體，只需進行精密過濾已足夠。少數(shù)需要超精密過濾，甚至需進行均相過濾，必須先進行高效精密過濾，才能保證后面串聯(lián)的超精密過濾與均相過濾技術能長時間連續(xù)運行， 減少超精密過濾或均相過濾的污染堵塞，延長使用壽命。
一．  精密過濾的當前基本概況：
液體精密過濾的目的是去除液體中不需要的固體微粒，提高液體的澄明度。固體微粒大部分小于10微米。過濾此類物料，基本有兩類過濾方式，一種是可能形成濾餅層的精密過濾，稱之為“液體精密濾餅過濾”，另一種是不形成濾餅層的，稱之為“液體精密澄清過濾”。
作為液體精密濾餅過濾的過濾介質(zhì)，其介質(zhì)的毛細孔徑小，孔隙率低，介質(zhì)厚度薄，捕捉固體微粒的過程基本發(fā)生在過濾介質(zhì)表面，因此亦稱“精密表面過濾”。目前工業(yè)生產(chǎn)的精密濾餅過濾的過濾介質(zhì)基本上是應用整體型的用作亞精密過濾的濾布，濾網(wǎng)或濾氈。過濾前期，一些小于10微米的微粒會穿漏，只有進行反復循環(huán)，待10微米左右的微粒形成一定厚度的濾餅，過濾精度才逐漸提高至能過濾微米級微粒。由于無更好的技術，以至許多生產(chǎn)目前還只得應用這一方法。
作為精密澄清過濾的過濾介質(zhì)，其毛細孔徑大，孔隙率大，過濾介質(zhì)層的厚度大， 捕捉固體微?；驹谶^濾介質(zhì)層的孔隙內(nèi)部， 因此亦稱之為“精密深層過濾”。精密澄清過濾介質(zhì)有整體型，也有分散型。整體型一般是厚度較厚的燭型濾芯 ( 如繞線式濾芯，粘結纖維濾芯或噴融纖維濾芯等 ) 或濾氈，濾板等；整體型濾芯，濾氈或濾板難以有效再生，當其內(nèi)部孔隙為微粒堵塞無法繼續(xù)過濾時，一般均丟棄。這種應用方法導致每年消耗很大量的濾材，不符合可持續(xù)發(fā)展原則，工業(yè)生產(chǎn)上不宜再大量應用。 分散型濾材有顆粒分散型與長纖維分散型兩種。這兩種深層過濾介質(zhì)均可再生，可長期反復使用。但是分散型過濾介質(zhì)經(jīng)一定時間過濾，孔隙內(nèi)截留了一些粘細微粒后，使顆粒介質(zhì)或纖維介質(zhì)容易產(chǎn)生板結或結塊現(xiàn)象，導致后來的過濾發(fā)生溝流，嚴重破壞過濾效率。由于深層過濾介質(zhì)的孔隙率大，遠大于微米級微粒，使細顆粒很容易穿濾出去，影響過濾精度。此外，分散型深層過濾介質(zhì)再生時要消耗大量反沖洗水，要處理這種反洗水，另需過濾裝置，否則會嚴重污染環(huán)境。雖然有這些缺陷，由于結構簡單，操作簡便，成本低，在沒有更理想的精密澄清過濾可取代之前，這些深層過濾方法還會用于不少化工生產(chǎn)。
二、新型液體精密過濾技術的基本概況：
二十世紀五十年代至七十年代，相繼誕生的陶瓷類粉末燒結微孔過濾管，金屬類粉末燒結微孔過濾管與高分子類粉末燒結微孔過濾管等三類剛性燒結微孔過濾管均可作為微米級精密過濾介質(zhì)，既可用作精密濾餅過濾，也可用作精密澄清過濾。這幾類過濾管均可反復再生使用，壽命均較長。陶瓷類的最大特點是耐溫高，耐大多數(shù)化學物質(zhì)與各種溶劑，主要缺點是重量重，抗拉強度不高，有的還很脆，安裝與維修不方便，反吹再生效率較低；金屬類的最大特點是耐溫高，機械強度高，主要缺點是價格昂貴，耐無機酸等某些化學物質(zhì)性能不理想；高分子類的化學性能比較理想，價格比較低，機械性能也較好，重量輕，安裝與維護較方便，主要缺點是耐溫不高，一般不超過120度，但是由于許多化工生產(chǎn)上的液體過濾溫度不超過100度，因此高分子類燒結微孔管在化工生產(chǎn)上有很大的應用前景。
目前在化工生產(chǎn)上廣泛應用的是以燒結聚乙烯為主要原料的微孔管，即微孔PE管與微孔PA過濾管為過濾介質(zhì)的新型精密過濾技術。
（一） 型液體精密過濾技術的主要特點：
1. 過濾效率高：水溶液類液體中0.5微米可過濾99.9%以上， (空氣類氣體中0.3微米可過濾99.9%以上)；
2. 卸除濾餅簡便：利用壓縮氣體快速反吹法可很簡單地卸除微孔過濾管外表面所形成的濾餅，不需要繁重人工體力勞動；
3. 再生效率高：利用氣—液(水)混合流快速反吹法可對微孔管進行高效簡單的物理再生，使用壽命長；
4. 化學性能優(yōu)越：由于微孔管的基本原料為聚乙烯，化學性能相當優(yōu)越，能耐絕大部分的酸(95%以上濃硫酸除外)，堿與大部分溶劑。

由剛性的高分子燒結微孔管所組成的液體精密微孔過濾機已有多種結構類型，可滿足許多化工生產(chǎn)上處理量大或小的，含固量多的或少的，可成干濾餅排除的或成濕濾餅排除的，耐腐蝕性大的或無腐蝕性的，常溫，低溫或100度的，有化學溶劑等等要求；既可用于要求特殊的制藥與食品等生產(chǎn)，也可用于處理難度很高的某些廢水過濾。所有上述過濾過程全部為密閉操作。這幾類精密微孔過濾機大部分為立式安裝，占地面積較小，多數(shù)過濾壓差不超過0.25～0.3MPa。動力消耗較省。
所有排干濾餅的微孔精密過濾機的底部均有氣缸操作的大排渣底蓋，卸渣時機械化程度高； 所有的微孔過濾機均易組裝成全自控操作。
這種新型精密過濾技術的主要缺點有：
1.耐溫性不高； 最高不超過100度
2.濾餅干度不高； 由于采用壓縮氣體正吹法對濾餅脫水(液)，濾餅的干度不及皮膜擠壓的板框式壓濾機與三足式離心機。
(三)新型液體精密過濾技術的應用概況：
新型液體精密過濾技術已在基本化工，制藥化工，精細化工，生物化工，食品化工，冶金化工，紡織化工及環(huán)境化工等領域許多產(chǎn)品生產(chǎn)與廢水處理工程中用作液體的精密過濾。
1.液體的精密濾餅過濾：
化工生產(chǎn)上，已較廣泛應用的液體精密濾餅過濾有粉末活性碳脫色液的精密過濾，發(fā)酵液的精密過濾，許多化工液體去除大量固體雜質(zhì)的精密過濾，各種植物油毛油的精密過濾，果汁的精密過濾，天然藥提取液的精密過濾，重金屬廢水的精密過濾，含氟廢水，含硫廢水的精密過濾，煤礦礦井廢水的精密過濾等等。上述這些含雜質(zhì)微粒較多，能很快形成一定厚度的濾餅，精密過濾機底部均具有氣動快開排渣底蓋，當精密過濾機內(nèi)所有微孔過濾管外表鼓手面所形成的濾餅依靠氣體正吹壓氣法將濾餅平均含水（液）量降到所需的數(shù)值，應先氣動打開底蓋，然后利用壓縮氣體快速反吹法，將所有濾餅反吹下來，通過排渣口落到精密過濾機外面。排渣后，利用氣體與液體交叉反吹，將微孔過濾管再生。新型精密濾餅過濾機的排渣與再生等操作均非常簡便。
2.液體精密澄清過濾：
在各種化工生產(chǎn)上，有大量液體原料（包括水），液體中間體，液體產(chǎn)品及廢水需要精密過濾，這些液體雜質(zhì)數(shù)量很少，但微粒粒度卻非常細，多數(shù)的微粒粘性很大。對這些料液的精密過濾，難以形成有明顯厚度的濾餅。對于這種物料，采用粗級過濾與亞精密過濾的過濾介質(zhì)（如膜過濾），過濾效率差，過濾精度達不到要求，如采用超精密過濾的過濾介質(zhì)，雖精度可達到要求，但使用壽命短，操作費用太高。只有精密過濾的過濾介質(zhì)才適合這類料液。其中高分子類微孔過濾介質(zhì)比陶瓷類，金屬類具有較多優(yōu)勢，比分散類深層介質(zhì)具有更多優(yōu)勢，因此高分子精密微孔過濾技術已大量用于各種化工液體的精密澄清過濾。如工業(yè)生產(chǎn)用水過濾，工業(yè)冷卻水循環(huán)過濾，氯堿生產(chǎn)上二次鹽水過濾，化肥生產(chǎn)上銅氨液與脫碳液的過濾，多種有機酸與無機酸過濾，多種堿類液體過濾，多種糖類，醇類，酮類，胺類，表面活性劑類等液體過濾，多種精制植物油，酒類（包括藥酒）及多種含懸浮物很少的廢水等等過濾。用這種新型精密過濾技術，濾液的澄清度均很高，液體的透光率有的可達到99.8%以上。其應用范圍與規(guī)模正在不斷擴大?，F(xiàn)在，許多超濾，納濾，反滲透，離子交換，電滲析，精餾，蒸發(fā)，結晶等化工單元操作之前，越來越多采用這一新過濾技術作預處理保護裝置，以提高這些單元操作的效率，質(zhì)量與壽命。
有些化工液體，如含少量蛋白質(zhì)的天然藥提取液，生物發(fā)酵液，藥酒等液體中往往含有小于0.1—0.2 微米的雜質(zhì)，有些雜質(zhì)的粘性還非常大。過濾這些物料，單用精密過濾介質(zhì)，其過濾精度難以達到要求。如采用微孔膜等超精密過濾介質(zhì)作后續(xù)復濾，其過濾阻力也非常大，濾速非常慢，濾材耗量大，成本高。為了提高質(zhì)量與濾速，減少操作成本，在采用新型的精密過濾之前，應對原液進行絮凝處理(物理絮凝或化學絮凝)，使0.1微米左右的微粒絮成大于0.5微米的絮狀體。這樣就可采用剛性精密微孔管進行過濾，由于絮狀體過濾時形成的濾餅往往是可壓縮濾餅，濾速往往比較慢，過濾前應往絮凝液中投加一定量化學惰性的助濾劑，利用助濾劑剛性多孔結構將可壓縮性濾餅轉化為不可壓縮濾餅，以使整個過濾過程中能保持較高的平均濾速。經(jīng)過這樣處理的料液，其過濾方式已不屬精密澄清過濾，而屬于精密濾餅過濾。
某些含蛋白質(zhì)等較多的濾餅過濾物料，形成的濾餅基本是可壓縮性，為了提高平均濾速，也可往物料中加進一定量的助濾劑。
絮凝與助濾是有效的過濾輔助措施。但不能影響產(chǎn)品質(zhì)量與收率。預先應進行試驗，選擇絮凝工藝與助濾劑種類與用量，防止生產(chǎn)上產(chǎn)生負面影響。
(三) 新型液體精密過濾的主要計算：
新型液體精密過濾技術具有高效微米級的過濾精度。卸濾餅與微孔管再生很簡單，微孔管使用壽命可長期使用，而不是易耗品。為了在生產(chǎn)應用中完全體現(xiàn)這些效果，在選用前必須對具體要過濾的物料進行嚴格的過濾性能參數(shù)的測定與平均濾速的計算，按照一系列計算結果，正確選擇精密微孔過濾機的結構型號與規(guī)格，并要進行正確的過濾工程的設計，管理與操作。
(1) 液體精密濾餅過濾的平均濾速及有關參數(shù)的計算：
平均濾速W按下式：
                    (1)
上式： W  — 平均濾速       (m/S)
Rm -- 微孔管的阻力   (1/m)
α –  濾餅的平均比阻  (1/m2)
C  -- 濾餅體積/濾液體積
ΔP –  過濾壓差        (N/m2)
t  -- 每一周期的過濾時間   (S)
µ -- 濾液粘度            (N*S/m2)
需要測定在不同壓差下的濾餅平均比阻，然后歸納出比阻α與ΔP之間的關系式
                 (2)
式中，  αo入 ，S -- 與濾餅性能有關的參數(shù)，
在化學工程教科書上都有比阻α的測定方法，本文不詳細介紹。
過濾管阻力Rm應由微孔過濾管制造商提供。
在濾餅過濾中，往往存有一個最佳過濾壓差△Popt，尤其微米級的精密過濾，比較普遍存在最佳壓差，其值按下式計算：
              （3）
式中△S——濾餅層的厚度（m）
如α0>>Rm/△S式（3）可近似寫為：
               （3`）
對粗級過濾，完全可用（3`），但對精密過濾，微孔過濾管的平均孔徑小，Rm值較大，而濾餅厚度一般不大，其Rm/△S值相當大，計算中不能忽略。
當計算出△Popt，按式（2）算出最佳壓差下的α值，將△P與α值代進式（1），根據(jù)生產(chǎn)上所需要的過濾時間，就可算出t時間內(nèi)的平均濾速W，再根據(jù)t時間內(nèi)所需得到的濾液體積，就可算出所需的過濾面積，最大濾餅厚度，以及時間t內(nèi)所得濾液體積，然后就可選出精密微孔過濾機的型號、規(guī)格、排渣口直徑及其他有關尺寸。
（2）液體精密澄清過濾的計算：
由于基本不形成濾餅或只形成極薄濾餅，不能按濾餅計算方式計算。
精密澄清過濾的平均濾速按下式：
                     （4）
式中t——每一周期內(nèi)的過濾時間（s）
a、b——與物料內(nèi)微粒性能及濃度有關的參數(shù)。
a、b要通過小型試驗測定，a、b與t值密切相關，因此應測定不同t值下的a、b值。
三、后語：
各種化工生產(chǎn)上有大量液體需進行精密過濾，精密過濾的技術是否先進與可靠，對化工生產(chǎn)上起著舉足輕重的作用。但是在各種生產(chǎn)上，以往只重視采用微孔膜等粗級過濾與亞精密過濾，只重視超精密過濾，忽略了精密過濾在化工生產(chǎn)上的地位。以致至今在許多化工生產(chǎn)上發(fā)現(xiàn)所用的粗級過濾與亞精密過濾的效率低，精度差，影響產(chǎn)品質(zhì)量與收率，造成寶貴化工資源成為污染環(huán)境毒害人畜的有害物質(zhì)，也造成許多超精密過濾的過濾介質(zhì)，如各種過濾膜，使用壽命短，成本高。許多人不了介精密過濾可以起到承上啟下的作用，它既可提高亞精密過濾的濾液質(zhì)量與收率，又可減少超精密過濾的耗用量與成本。
本文敘述的一種新型液體精密過濾技術——剛性高分子精密微孔過濾技術既可用作高效液體精密濾餅過濾，也可用作高效液體精密澄清過濾，由于過濾效率高，卸除干濾餅與過濾管再生效率高，操作簡單，耐化學性能好，使用壽命長，在各種化工生產(chǎn)與環(huán)境保護具有很大應用前景，并已獲廣泛應用，取得顯著經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。
為了使該技術能成功，長期與可靠地在各生產(chǎn)上運行，必須重視該技術的軟件（過濾物料的過濾性能測試、計算、過濾工程的設計，操作管理與維護管理等）與硬件（微孔過濾管及精密微孔過濾機的結構，制造，輔助裝置的選型及過濾工程的安裝等）。
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