超细粉体的过滤应用

摘    要：本文叙述了几种超细粉体物料料浆的精密微孔过滤效果，并测定几种物料滤饼的平均比阻，平均比阻随压差变化的数学模型及过滤生产能力的计算方法。

关键词：微孔精密过滤     比阻     滤饼

超细粉体料浆的过滤已成为当前超细粉体领域的一项重要课题，此任务如解决得好，对工业生产具有重大经济效益与社会效益，它可防止资源流失，减少环境污染，增收财富，节约能源。

作者曾于二十多年前就开始研究一些超细物料的过滤分离问题，开发了高分子精密微孔过滤技术用于一些微米与亚微米级的超细粉体物料的过滤与洗涤 ( 如硫酸钡，立德粉，氢氧化钽与氢氧化铌，氢氧化铝，某些石油催化剂与钯炭催化剂等 ) ，这些技术均在工业生产上获得长期成功应用。

最近，根据一些用户要求，特对一些典型超细物料进行系统精密微孔过滤试验，以为工业规模的应用提供基本设计参数。

一．   超细粉体的过滤特点：

(1)  超细粉体属于微米与亚微米级 ( 甚至纳米级 ) ，目前无机或有机超细粉体均小于 10 μ m ，通常只有 1 μ m 左右，有的大部分小于 1 μ m ；

(2)  由于微粒细，锅炉滤饼的阻力大， ( 为了后面干燥操作能节省能源，粉体过滤必须形成较干滤饼，尽量不形成含水量很高的浓浆 ) ，因此过滤的难度大；

(3)  由于微粒细，一般的滤布滤网难以完全滤住，过滤效率不太高，需要孔径相当小的微孔过滤介质，方能高效地将所有微粒都截流住；

(4)  由于微粒细，微粒易进入过滤介质的毛细孔，过滤介质的堵塞阻力增加较快，如果该过滤介质不能用简易的高压气体反吹法进行高效再生，那么过滤介质的消耗量太大，操作成本太高，操作也相当麻烦；

(5)  有机超细粉体，多数是亲水性，无机超细粉体，有的属亲性水性，有的属憎水性。对亲水性粉体，由于微粒表面有水化层，具有压缩性；对憎水性的粉体，由于没有水化层，细的微粒往往会在滤饼层中进行水力位移，使滤饼层阻力不断增加 ( 甚至使过滤介质的阻力也很快加大 ) ，形成假性可压缩性滤饼，这种假性可压缩性在低压过滤时较明显，当过滤压力增加到一定值，就呈现不可压缩的滤饼特性。

超细粉体的上述特性，使化工生产用的过滤介质的选用，过滤介质的再生方法选择，过滤性能参数的测定，过滤机结构的设计均有一定的特殊性。作者结合多年实践经验特对几种超细粉体进行精密微孔过滤试验，本文叙述这些实验的主要结果。

二 .  几种超细粉体的系统精密微孔过滤试验：

( 一 )  超细轻质碳酸钙：

1.  物料来源：取自广东 xx 化工公司。该公司采用板框压滤机过滤，一些细的物料穿漏，本实验的物料系这些穿漏物料的沉淀物。

2.  物料粒度：原为 40nm ，但物料在水中会自动弱絮凝，形成颗粒为 300 — 500nm 假性絮凝体。

3.  过滤介质：选 PE-S1 、 PE-S2 、  PE-S3 过滤介质进行试验。 PE-S1 过滤起动时有穿漏， 10 分钟后，开始变清， PE-S2 与 PE-S3 起动后滤液澄清透明，滤液浊度不超过 3NTU ，说明过滤效率接近 100% 。特选型作为物料的过滤介质。

4.  过滤滤饼平均比阻α与滤饼湿含量测定：

过滤面积： 78.5*10-4m2

每批过滤物料总体积： 1 立升

试验物料中固体浓度： 4% （重量）

表 1  超细轻质碳酸钙过滤参数测定数值

过滤压差 Dp(Mpa)	过滤时间 （ s ）	滤饼厚度 (mm)	滤饼平均比阻α (1/m2)	压气脱水时间 (min)	滤饼湿含量 (%)
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与压差之间 Dp 的关系式：由表 1 的平均比阻数据，可归纳出平均比阻α与压差 Dp 之间的数学关系式：

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

由关系式 (1) 可分析出，这物料的滤饼在低压差下有一定的可压缩性，压差愈高，压缩性愈小，最后成为不可压缩性滤饼。最大的滤饼平均比阻为α =1.855*1014(1/m2) 。由此表明压力愈高，过滤速度愈大，因此，在装置允许范围内，可选较高压差进行过滤。

( 二 )  高岭土：

1.  物料来源：取自内蒙 xx 高岭土开发公司。

2.  物料粒度： -10 μ m>90%   d50=3.6 μ m 。

3.  过滤介质：经选择 PE-S2 可达到按近 100% 过滤效率，一开始就可得到澄清滤液。

4.  过滤滤饼平均比阻α与滤饼湿含量测定：

过滤面积： 78.5*10-4m2

每批过滤物料总体积： 1 立升

试验物料中固体浓度： 20% （重量）

表 2 高岭土过滤参数测定数值

过滤压差 Dp(Mpa)	过滤时间 （ s ）	滤饼厚度 (mm)	滤饼平均比阻α (1/m2)	压气脱水时间 (min)	滤饼湿含量 (%)
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与压差之间 Dp 的关系式：

由表 2 的滤饼平均比阻α与压差 Dp 之间的数据，可归纳出α与 Dp 之间的关系式：

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

由关系式 (2) 也可确定该物料在低压差下有一定压缩性，压差愈高，压缩性愈小，最后也形成不可压缩性滤饼，最大的滤饼比阻为α =4.02*1014(1/m2) 。

( 三 )  绢云母：

1.  物料来源：取自安徽扬天粉体有限公司。

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.  过滤介质： PE-S1 在 Dp=0.02Mpa 起动压差下有一点穿漏，而 PE-S2 在 Dp 从 0.2-0.4Mpa 不穿漏，滤液浊度不超过 3NTU, 故选 PE-S2 作过滤介质。

4.  过滤滤饼平均比阻α与滤饼湿含量测定：

过滤面积： 78.5*10-4m2

每批过滤物料总体积： 1 立升

试验物料中固体浓度： 20% （重量）

 

表 3    绢云母过滤参数测定数值

过滤压差 Dp(Mpa)	过滤时间 （ s ）	滤饼厚度 (mm)	滤饼平均比阻α (1/m2)	压气脱水时间 (min)	滤饼湿含量 (%)
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与压差之间 Dp 的关系式：

由表 3 数据可归纳出：

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

由式 (3) 也可看出，绢云母滤饼在低压差下有一定压缩性，在高压差下趋向不可压缩性。最大的平均比阻为α =1.818*1014(1/m2) 。

三 . 几种超细粉体部分精密微孔过滤试验：

有几种超细粉体，由于客户提供的物料数量较少，我们无法进行系统的精密微孔过滤试验，仅作了局部比阻测定与精密微孔过滤管的选型实验。

( 一 )  硅酸锆精密微孔过滤试验。

1.  物料来源：取自唐山 xx 公司的硅酸锆的粉体。

2.  粒径分布

粒径               累积值

≤ 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.  过滤介质： PE-S1 PE-S2 在过滤起动时（ Dp<0.02Mpa 均有穿漏；对滤饼正压吹气脱水时，相当多细颗粒被气体穿漏出来，而 PE-S3 无论过滤起动或正压吹气脱水均不穿漏。）

4.  平均比阻α测定值：

A ．硅酸锆粉与无离子水混合料浆，固体浓度 16%( 重量 ) ，锆粉在无离子水中无任何絮凝现象。 Dp=0.02Mpa      滤饼厚： 2.5 毫米       α =1.1*1016(1/m2)

B ．硅酸锆粉与自来水混合料浆，固体浓度 16% （重量），部分非常细的锆粉在自来水中会有局部絮凝现象。

当 Dp=0.05Mpa       α =2.1*1014(1/m2)

当 Dp=0.1Mpa        α =2.56*1015(1/m2)

( 二 )  超细 Al2O3 微粉：

1.  物料来源：取自上海 xx 石化公司催化剂分公司

2.  粒径分布

0.3-0.5 μ m            30%

0.5-1 μ m              40%

1-5 μ m               20%

>5 μ m                5%

3.  过滤介质：起动时有穿漏现象，而无穿漏，滤液非常清。

4.  平均比阻α测定：

Dp=0.02Mpa      滤饼层厚度： 7 毫米       α =5.1*1015(1/m2)

5.  滤饼湿含量： 58.8% 。

四 .  工程放大的过滤面积 F 的计算。

( 一 )  最佳过滤压力计算：

最佳过滤压差按下式计算：

 

式 Rm —过滤介质阻力      (1/m)

DS —滤饼层平均厚度     （ m ）

如 α >Rm/DS ，则 (4) 可简化为

 

如 S<0 ，表明滤饼属假性可压滤滤饼，即低压下呈现可压缩性，压力高到一定程度，就显示出不可压缩性。

( 二 )  等压滤渣过滤的过滤面积 F 的计算：所需过滤面积 F 按下式计算：

 

式中： F —所需的精密微孔过滤面积     m2

V —过滤滤液总体积             m3

Dp —过滤压差                  kg/m2

α—过滤压差下的平均比阻       1/m2

c —滤饼体积除以滤液体积值      （ - ）

t —过滤时间                     （ S ）

μ—滤液粘度                   kgs/ m2

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