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精密微孔过滤机应用进展状况
日期：2020/6/3浏览：607次
【摘要】刚性高分子精密微孔过滤技术是我们自行开发的新型精密过滤技术，已获得广泛应用，本文简单叙述了该技术的硬件与软件两方面的最新进展概况。
【关键词】精密滤饼过滤 精密澄清过滤 过滤精度
自上世纪六十年代中期开始开发的以高分子聚合物烧结成型的刚性微孔过滤介质为核心技术的刚性高分子精密微孔过滤技术至今已有三十八年历史，经过长期连续的基础研究，技术开发与市场开发，该技术的硬件与软件已愈来愈成熟，技术优势愈来愈明显。该技术是针对传统过滤技术与超精密的薄膜过滤技术这两大过滤领域还难于有效解决，固体颗粒在 1 微米左右，含固量较多，或者粘性较大的粘细物料的过滤难题而开发的。该技术过滤精度较高，过滤效率高，既可用于含固量较多又需较干滤饼的精密滤饼过滤，又可用于含固量很少，对滤液要非常澄清的液体精密澄清过滤；卸除干滤饼与微孔过滤介质的再生等操作都较简便，耐酸、碱与大部份有机溶剂，操作的能耗与物耗很少，微孔管可长期连续使用，符合可持续发展原则。由于有上述优异的综合性能，已在我国许多工业生产领域获得成功应用，产品质量、收率与劳动生产率均明显提高，成本下降，环境保护与劳动保护均获得改善。
一、 技术硬件的最新进展概况：
1 、刚性微孔过滤介质的最新进展：
① 过滤精度从 0.5 微米提高至 0.2 微米：经不断研制，无论用于液固过滤或气固过滤，刚性微孔过滤介质的过滤精度已从上世纪的 0.5 微米逐步提高至 0.3 微米，并已开始达到 0.2 微米，现以过滤细至 0.2 微米的超细粉末活性碳作说明。表一给出这种超细粉末活性碳的颗粒粒径分布数据。采用一种规格的微孔 PA 管过滤该超细活性碳与水的悬浮物（活性碳浓度 10% ），过滤的平均滤速为 0.5 米 3/ 米 2 ·小时，滤后取 1000 毫升滤液，用φ 50mm ， 0.22 微米的微孔膜进行检测过滤，在显微镜下观察滤后的微孔膜，发现膜上无任何黑点。说明滤液中无任何大于 0.22 微米的碳黑点。这表明，该微孔 PE 管的过滤精度已达到 0.2 微米的数量级。现在该技术已在制药与化工生产上广泛应用。
表二、表三、表四给出细度 0.2 至 0.5 微米各种超细粉体的粒度分布数据，表五系过滤空气中尘埃的实验数据。
表一 超细粉末活性碳的颗粒粒径分布
|
粒径（ μm ） |
分布频度（ % ） |
|
<0.188 |
0 |
|
0.188 ～ 0.1906 |
3% |
|
0.1906 ～ 0.206 |
7% |
|
0.206 ～ 0.227 |
21.82% |
|
0.227 ～ 0.249 |
0.157% |
|
0.249 ～ 0.274 |
17.9% |
|
0.274 ～ 0.301 |
2.39% |
|
0.301 ～ 0.331 |
1.32% |
|
0.331 ～ 0.364 |
2.11% |
表二 超细氧化铝粉体的颗粒分布
|
粒径（ μm ） |
分布频度（ % ） |
|
<0.0345 |
3% |
|
0.0345 ～ 0.1149 |
7% |
|
0.1149 ～ 0.188 |
6.37% |
|
0.188 ～ 0.206 |
2.39% |
|
0.206 ～ 0.227 |
6.81% |
|
0.227 ～ 0.249 |
9.26% |
|
0.249 ～ 0.274 |
6.48% |
|
0.274 ～ 0.301 |
4.93% |
|
0.301 ～ 0.331 |
8.54% |
|
0.331 ～ 0.364 |
7.94% |
|
0.364 ～ 0.400 |
2.30% |
|
0.40 ～ 0.44 |
3.64% |
|
0.44 ～ 0.483 |
3.77% |
|
0.483 ～ 0.531 |
3.49% |
|
0.531 ～ 0.584 |
3.06% |
|
0.584 ～ 0.642 |
2.66% |
|
0.642 ～ 0.706 |
2.60% |
|
0.706 ～ 0.776 |
2.18% |
|
0.776 ～ 0.853 |
1.71% |
平均粒径： 0.524 微米
表二所示的超细氧化铝粉体与乙醇的悬浮液（重量体积百分数为 2.5% ）采用微孔 PE 介质过滤，可 100% 将超细粉粒滤住，滤液清彻透明。
表三 钴酸锂超细粉体的颗粒分布
|
粒径（ μm ） |
分布频度（ % ） |
|
<0.173 |
3% |
|
0.173 ～ 0.193 |
7% |
|
0.193 ～ 0.206 |
20.06% |
|
0.206 ～ 0.249 |
24.77% |
|
0.249 ～ 0.274 |
14.68% |
|
0.274 ～ 0.331 |
2.82% |
|
0.331 ～ 0.364 |
3.57% |
|
0.364 ～ 0.400 |
2.36% |
|
0.400 ～ 0.44 |
1.82% |
|
0.44 ～ 0.483 |
2.17% |
|
0.483 ～ 0.531 |
1.54% |
|
0.531 ～ 0.584 |
1.73% |
平均粒径： 0.485 微米
表三所列这种超细钴酸锂粉体，利用微孔 PE 过滤介质与精密微孔过滤机进行过滤与洗涤，一次过滤就 100% 过滤住，滤饼厚度达 65 ～ 105mm ，静止洗涤 3 ～ 4 次，洗涤水总量为原液的 3 ～ 4 倍，总过滤与洗涤时间约 2.5 小时～ 3 小时就可使洗涤水的 PH 从 14 洗至 7 ，最终的滤饼含水率小于 10% 。
表四 超细二氧化硅粉体颗粒分布
|
粒径（ μm ） |
分布频度（ % ） |
|
0.046 |
0% |
|
0.046 ～ 0.0471 |
3% |
|
0.0471 ～ 0.051 |
8.43% |
|
0.051 ～ 0.062 |
0.569% |
|
0.062 ～ 0.068 |
0.587% |
|
0.068 ～ 0.075 |
6.59% |
|
0.075 ～ 0.082 |
3.95% |
|
0.082 ～ 0.091 |
3.44% |
|
0.091 ～ 0.100 |
5.7% |
|
0.100 ～ 0.110 |
6.149% |
|
0.110 ～ 0.121 |
5.69% |
|
0.121 ～ 0.134 |
2.25% |
|
0.134 ～ 0.147 |
5.20% |
|
0.147 ～ 0.162 |
4.86% |
|
0.162 ～ 0.179 |
4.38% |
|
0.179 ～ 0.197 |
3.90% |
|
0.197 ～ 0.217 |
3.55% |
|
0.217 ～ 0.239 |
3.54% |
|
0.239 ～ 0.263 |
3.09% |
|
0.263 ～ 0.289 |
2.94% |
|
0.289 ～ 0.319 |
2.43% |
|
0.319 ～ 0.351 |
2.21% |
|
0.351 ～ 0.387 |
2.03% |
|
0.387 ～ 0.426 |
1.97% |
平均粒径： 0.232 微米
表四所列的二氧化硅粉体是细度更细粉体，平均粒径只有 0.232 微米，利用微孔 PE 过滤介质与 PGP 型精密微孔过滤机进行过滤与洗涤，一次过滤就可 100% 过滤住，无任何粉粒穿滤，滤饼厚度为 60 ～ 70mm ，静止洗涤 3 次，洗涤水量是原液 1.5 ～ 2 倍，总过滤与洗涤时间约 3 小时，就可将洗涤水的 PH 从 1 洗至 7 ，最终的滤饼含水率为 20% 左右。
表五给出微孔 PE 管过滤空气中尘埃的过滤效率的测试数值。
表五 一种规格的微孔 PE 管过滤空气中尘埃的过滤效率测定值
|
测试条件 |
气温 |
40℃ |
每一个测试数据均持续维持 1 小时 |
||
|
湿度 |
23 ～ 32% |
||||
|
气体压力 |
0.2MPa |
||||
|
空气中尘埃浓度 |
每呎 3 最多 16 万颗 |
||||
|
测试数据 |
空气滤速 ( 米 3/ 米 2· 分 ) |
过滤压差 (mm 水柱 ) |
过滤效率 |
||
|
0.3μm |
0.5μm |
1μm |
|||
|
1.38 |
28 |
100 |
100 |
100 |
|
|
2.82 |
81 |
99.89 |
99.90 |
99.84 |
|
|
5.58 |
196 |
99.58 |
99.89 |
99.98 |
|
|
6.96 |
261 |
99.96 |
99.94 |
99.85 |
|
由表五的数据可以看到，微孔 PE 管过滤大气中的尘埃，不仅效率高，滤速快，而且压差也较小，能耗较省。
② 多功能微孔过滤管的研制：已开发出多种既有过滤又有某种特定吸附功能的吸附过滤管；又开发出既能过滤，又能将过滤住的菌体杀灭活性的灭菌过滤管。
③ 多层微孔过滤管：为了既能保持很高的过滤精度与高过滤效率，又能减少过滤操作的能耗与超细微孔过滤管原料单耗，研制与开发了各层微孔孔径不同的多层复合微孔过滤管。目前在国内广泛应用的能过滤 0.2 微米与 0.5 微米的刚性微孔过滤管绝大部份都采用这类多层微孔过滤管。
2 、刚性高分子精密微孔过滤机的最新进展概况：
经过三十多年反复研制，经过工业生产上长期试验。过滤面积最大已达 300 米 2 。这些不同结构的过滤机具有不同的功能。有的适宜于含固量较多，能形成相当厚度较干滤饼的过滤，这类微孔过滤机的底部均有气缸操作的能顺利排出大体积干滤饼的大口径底盖，目前最大直径达φ 1400 毫米；有的结构过滤机适用于含固量很少，基本不形成滤饼，但对滤液澄清度要求非常高的精密澄清过滤；有的可将过滤机内的所有物料全部滤完，无剩料留到下一批，可避免批号混批的物料过滤，这种精密微孔过滤机特别适宜制药工业与食品工业；有的过滤机可将机内的滤饼进行静止洗涤与干燥；有的过滤机可将机内的滤饼进行搅拌洗涤。上述几种结构的刚性精密微孔过滤机均在工业生产上获得多年连续应用，有的应用十年以上。最近我们还开发成功连续薄层增稠过滤机。并于今年获得鉴定。
刚性高分子精密微孔过滤技术不仅大量用于液体精密澄清过滤与液体精密滤饼过滤，还成功用于气固精密过滤，成功用于某一淀粉厂的气体回收淀粉的气固过滤，已连续应用二年多。
二、 技术软件的最新进展概况：
本技术在硬件开发的同时，投入相当力量进行工程设计计算的软件开发，根据用户物料的物性测试数据，可以比较正确归纳出微孔过滤管的毛细孔径与过滤精度及滤速之间关系，平均滤速的变化规律及微孔过滤管阻力增加规律等，利用这些关系式可计算出微孔管所需的毛细孔径与所需的过滤面积。
限于篇幅，下面仅简单提及作者研究出其中几个主要关系式。
1 、 过滤精度 ds ，微孔过滤介质的平均毛细孔径 dm ，微孔过滤介质的厚度△ S ，滤液粘度μ，滤液平均滤速 w ，微孔过滤介质的平均孔隙率ε之间的关系：
……………………………………（
1
）
2 、 平均滤速 W 随过滤时间 t 的变化规律：
① 精密滤饼过滤过程中 W 与 t 的关系：
…………（
2
）
② 基本不形成滤饼的液体精密澄清过滤的 W 与 t 的关系：
……………………………………………………（
3
）
3 、 刚性微孔过滤介质本体阻力 Rm 随过滤次数 N 的变化规律：
由于被过滤物料本身的性能、操作条件及物理再生工艺等不同， Rm 与 N 之间的关系呈现不同规律，作者通过系统研究，已归纳出四种典型变化规律：
① 直线型：
………………………………………………（
4
）
② 指数曲线型：
…………………………………………………（
5
）
③ 抛物线型：
………………………………………（
6
）
④ 双曲线型：
……………………………………（
7
）
以上诸式：
dm —— 刚性微孔过滤介质的平均毛细孔径 ( μ m)
ds —— 过滤精度，即所需过滤住的最小固体微粒的粒径 ( μ m)
△ S —— 刚性微孔过滤介质的厚度 (mm)
μ—— 滤液粘度 (Pa · s)
w —— 过滤起动时，或未形成滤饼时，滤液通过微孔过滤介质表面的平均线速度 (m/s)
ε—— 微孔过滤介质的平均孔隙率 ( — )
A 、 B —— 系数，取决于被过滤颗粒与微孔过滤介质之间的相互作用，通过有限几组实验就测计算出。
W ——平均过滤速率 ( m3/ m2 · s)
t ——累计过滤时间 (s)
α——滤饼的平均比阻 (1/ m2)
Rm0 ——微孔过滤介质的原始阻力 (1/m)
Rm ——微孔过滤介质的阻力 (1/m)
C ——每单位滤液体积所具有的滤饼体积 ( — )
△ P ——过滤压差 (Pa)
n ——与滤饼压缩性有关的指数，对不可压缩滤饼， n=2 ；对可压缩滤饼， n>2 （在测定计算α时，必先测定与计算出 n 值）
a 、 b ——系数，取决于滤饼的可压缩性，在测定滤饼的平均比阻α的等压缩试验后只要计算出α、 n 及小试验的 c 等参数，就可计算 a 与 b 数值，对不可压缩滤饼，当 n=2,a=1,b=1 。
H 、 K 、 G —— 系数，由等压精密澄清过滤的小试验就可测出 H 、 K 、 G 等系数。
N ——过滤次数、 Y —— 系数，与过滤介质的毛细孔被堵塞的操作条件有关，通过系统小试验就可计算出。
相关资料：
微孔过滤机 ---PEPA 管系列操作使用说明书及尺寸选型 ;
技术支持：
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过滤的种类及模式 ；
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