摘    要：本文敘述了幾種超細粉體物料料漿的精密微孔過濾效果，并測定幾種物料濾餅的平均比阻，平均比阻隨壓差變化的數(shù)學(xué)模型及過濾生產(chǎn)能力的計算方法。

關(guān)鍵詞：微孔精密過濾     比阻     濾餅

超細粉體料漿的過濾已成為當前超細粉體領(lǐng)域的一項重要課題，此任務(wù)如解決得好，對工業(yè)生產(chǎn)具有重大經(jīng)濟效益與社會效益，它可防止資源流失，減少環(huán)境污染，增收財富，節(jié)約能源。

作者曾于二十多年前就開始研究一些超細物料的過濾分離問題，開發(fā)了高分子精密微孔過濾技術(shù)用于一些微米與亞微米級的超細粉體物料的過濾與洗滌 ( 如硫酸鋇，立德粉，氫氧化鉭與氫氧化鈮，氫氧化鋁，某些石油催化劑與鈀炭催化劑等 ) ，這些技術(shù)均在工業(yè)生產(chǎn)上獲得長期成功應(yīng)用。

最近，根據(jù)一些用戶要求，特對一些典型超細物料進行系統(tǒng)精密微孔過濾試驗，以為工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用提供基本設(shè)計參數(shù)。

一．   超細粉體的過濾特點：

(1)  超細粉體屬于微米與亞微米級 ( 甚至納米級 ) ，目前無機或有機超細粉體均小于 10 μ m ，通常只有 1 μ m 左右，有的大部分小于 1 μ m ；

(2)  由于微粒細，鍋爐濾餅的阻力大， ( 為了后面干燥操作能節(jié)省能源，粉體過濾必須形成較干濾餅，盡量不形成含水量很高的濃漿 ) ，因此過濾的難度大；

(3)  由于微粒細，一般的濾布濾網(wǎng)難以完全濾住，過濾效率不太高，需要孔徑相當小的微孔過濾介質(zhì)，方能高效地將所有微粒都截流?。?/span>

(4)  由于微粒細，微粒易進入過濾介質(zhì)的毛細孔，過濾介質(zhì)的堵塞阻力增加較快，如果該過濾介質(zhì)不能用簡易的高壓氣體反吹法進行高效再生，那么過濾介質(zhì)的消耗量太大，操作成本太高，操作也相當麻煩；

(5)  有機超細粉體，多數(shù)是親水性，無機超細粉體，有的屬親性水性，有的屬憎水性。對親水性粉體，由于微粒表面有水化層，具有壓縮性；對憎水性的粉體，由于沒有水化層，細的微粒往往會在濾餅層中進行水力位移，使濾餅層阻力不斷增加 ( 甚至使過濾介質(zhì)的阻力也很快加大 ) ，形成假性可壓縮性濾餅，這種假性可壓縮性在低壓過濾時較明顯，當過濾壓力增加到一定值，就呈現(xiàn)不可壓縮的濾餅特性。

超細粉體的上述特性，使化工生產(chǎn)用的過濾介質(zhì)的選用，過濾介質(zhì)的再生方法選擇，過濾性能參數(shù)的測定，過濾機結(jié)構(gòu)的設(shè)計均有一定的特殊性。作者結(jié)合多年實踐經(jīng)驗特對幾種超細粉體進行精密微孔過濾試驗，本文敘述這些實驗的主要結(jié)果。

二 .  幾種超細粉體的系統(tǒng)精密微孔過濾試驗：

( 一 )  超細輕質(zhì)碳酸鈣：

1.  物料來源：取自廣東 xx 化工公司。該公司采用板框壓濾機過濾，一些細的物料穿漏，本實驗的物料系這些穿漏物料的沉淀物。

2.  物料粒度：原為 40nm ，但物料在水中會自動弱絮凝，形成顆粒為 300 — 500nm 假性絮凝體。

3.  過濾介質(zhì)：選 PE-S1 、 PE-S2 、  PE-S3 過濾介質(zhì)進行試驗。 PE-S1 過濾起動時有穿漏， 10 分鐘后，開始變清， PE-S2 與 PE-S3 起動后濾液澄清透明，濾液濁度不超過 3NTU ，說明過濾效率接近 100% 。特選型作為物料的過濾介質(zhì)。

4.  過濾濾餅平均比阻α與濾餅濕含量測定：

過濾面積： 78.5*10-4m2

每批過濾物料總體積： 1 立升

試驗物料中固體濃度： 4% （重量）

表 1  超細輕質(zhì)碳酸鈣過濾參數(shù)測定數(shù)值

過濾壓差 Dp(Mpa)	過濾時間 （ s ）	濾餅厚度 (mm)	濾餅平均比阻α (1/m2)	壓氣脫水時間 (min)	濾餅濕含量 (%)
0.1	5601	11	1.41*1014	7	24.7%
0.2	2938	11	1.81*1014	6	27.2%
0.4	1848	11	1.85*1014	7	25.1%

5.  平均比阻α與壓差之間 Dp 的關(guān)系式：由表 1 的平均比阻數(shù)據(jù)，可歸納出平均比阻α與壓差 Dp 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

α =1.855*1014-3.63*1023*Dp-3.304       (1)

由關(guān)系式 (1) 可分析出，這物料的濾餅在低壓差下有一定的可壓縮性，壓差愈高，壓縮性愈小，最后成為不可壓縮性濾餅。最大的濾餅平均比阻為α =1.855*1014(1/m2) 。由此表明壓力愈高，過濾速度愈大，因此，在裝置允許范圍內(nèi)，可選較高壓差進行過濾。

( 二 )  高嶺土：

1.  物料來源：取自內(nèi)蒙 xx 高嶺土開發(fā)公司。

2.  物料粒度： -10 μ m>90%   d50=3.6 μ m 。

3.  過濾介質(zhì)：經(jīng)選擇 PE-S2 可達到按近 100% 過濾效率，一開始就可得到澄清濾液。

4.  過濾濾餅平均比阻α與濾餅濕含量測定：

過濾面積： 78.5*10-4m2

每批過濾物料總體積： 1 立升

試驗物料中固體濃度： 20% （重量）

表 2 高嶺土過濾參數(shù)測定數(shù)值

過濾壓差 Dp(Mpa)	過濾時間 （ s ）	濾餅厚度 (mm)	濾餅平均比阻α (1/m2)	壓氣脫水時間 (min)	濾餅濕含量 (%)
0.2	2146	27.1	3.57*1014	7	34.8%
0.28	1576	27.1	3.87*1014	5.37	35.1%
0.4	1240	27	3.98*1014	7.1	34%

5 ．   平均比阻α與壓差之間 Dp 的關(guān)系式：

由表 2 的濾餅平均比阻α與壓差 Dp 之間的數(shù)據(jù)，可歸納出α與 Dp 之間的關(guān)系式：

α =4.02*1014-4.92*1027*Dp-3.264       (2)

由關(guān)系式 (2) 也可確定該物料在低壓差下有一定壓縮性，壓差愈高，壓縮性愈小，最后也形成不可壓縮性濾餅，最大的濾餅比阻為α =4.02*1014(1/m2) 。

( 三 )  絹云母：

1.  物料來源：取自安徽揚天粉體有限公司。

2.  物料粒度： 0.4-0.5 μ m  10%       0.5-1 μ m  30%

1-5 μ m     40%        >5 μ m   20%

3.  過濾介質(zhì)： PE-S1 在 Dp=0.02Mpa 起動壓差下有一點穿漏，而 PE-S2 在 Dp 從 0.2-0.4Mpa 不穿漏，濾液濁度不超過 3NTU, 故選 PE-S2 作過濾介質(zhì)。

4.  過濾濾餅平均比阻α與濾餅濕含量測定：

過濾面積： 78.5*10-4m2

每批過濾物料總體積： 1 立升

試驗物料中固體濃度： 20% （重量）

 

表 3    絹云母過濾參數(shù)測定數(shù)值

過濾壓差 Dp(Mpa)	過濾時間 （ s ）	濾餅厚度 (mm)	濾餅平均比阻α (1/m2)	壓氣脫水時間 (min)	濾餅濕含量 (%)
0.2	942	25	1.41*1014	14	21.1%
0.28	982	25	1.76*1014	22	22.7%
0.4	643	26	1.81*1014	8.5	29.2%

5 ．   平均比阻α與壓差之間 Dp 的關(guān)系式：

由表 3 數(shù)據(jù)可歸納出：

α =1.818*1014-2.65*1038*Dp-5.77       (3)

由式 (3) 也可看出，絹云母濾餅在低壓差下有一定壓縮性，在高壓差下趨向不可壓縮性。最大的平均比阻為α =1.818*1014(1/m2) 。

三 . 幾種超細粉體部分精密微孔過濾試驗：

有幾種超細粉體，由于客戶提供的物料數(shù)量較少，我們無法進行系統(tǒng)的精密微孔過濾試驗，僅作了局部比阻測定與精密微孔過濾管的選型實驗。

( 一 )  硅酸鋯精密微孔過濾試驗。

1.  物料來源：取自唐山 xx 公司的硅酸鋯的粉體。

2.  粒徑分布

粒徑               累積值

≤ 0.1 μ m            11%

≤ 0.2 μ m            21%

≤ 0.3 μ m            30%

≤ 0.4 μ m            36.2%

≤ 0.5 μ m            42.05%

≤ 1 μ m              63.26%

≤ 3 μ m              95.05%

≤ 6 μ m              100%

3.  過濾介質(zhì)： PE-S1 PE-S2 在過濾起動時（ Dp<0.02Mpa 均有穿漏；對濾餅正壓吹氣脫水時，相當多細顆粒被氣體穿漏出來，而 PE-S3 無論過濾起動或正壓吹氣脫水均不穿漏。）

4.  平均比阻α測定值：

A ．硅酸鋯粉與無離子水混合料漿，固體濃度 16%( 重量 ) ，鋯粉在無離子水中無任何絮凝現(xiàn)象。 Dp=0.02Mpa      濾餅厚： 2.5 毫米       α =1.1*1016(1/m2)

B ．硅酸鋯粉與自來水混合料漿，固體濃度 16% （重量），部分非常細的鋯粉在自來水中會有局部絮凝現(xiàn)象。

當 Dp=0.05Mpa       α =2.1*1014(1/m2)

當 Dp=0.1Mpa        α =2.56*1015(1/m2)

( 二 )  超細 Al2O3 微粉：

1.  物料來源：取自上海 xx 石化公司催化劑分公司

2.  粒徑分布

0.3-0.5 μ m            30%

0.5-1 μ m              40%

1-5 μ m               20%

>5 μ m                5%

3.  過濾介質(zhì)：起動時有穿漏現(xiàn)象，而無穿漏，濾液非常清。

4.  平均比阻α測定：

Dp=0.02Mpa      濾餅層厚度： 7 毫米       α =5.1*1015(1/m2)

5.  濾餅濕含量： 58.8% 。

四 .  工程放大的過濾面積 F 的計算。

( 一 )  最佳過濾壓力計算：

最佳過濾壓差按下式計算：

 

式 Rm —過濾介質(zhì)阻力      (1/m)

DS —濾餅層平均厚度     （ m ）

如 α >Rm/DS ，則 (4) 可簡化為

 

如 S<0 ，表明濾餅屬假性可壓濾濾餅，即低壓下呈現(xiàn)可壓縮性，壓力高到一定程度，就顯示出不可壓縮性。

( 二 )  等壓濾渣過濾的過濾面積 F 的計算：所需過濾面積 F 按下式計算：

 

式中： F —所需的精密微孔過濾面積     m2

V —過濾濾液總體積             m3

Dp —過濾壓差                  kg/m2

α—過濾壓差下的平均比阻       1/m2

c —濾餅體積除以濾液體積值      （ - ）

t —過濾時間                     （ S ）

μ—濾液粘度                   kgs/ m2

微孔過濾機

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