编号：FTJS00351

篇名：超细粉体的过滤、洗涤与高分子精密微孔过滤技术

作者： 宋显洪

关键词： 超细粉体，精密滤饼过滤，过滤精度

机构： 上海东瓯微孔过滤研发中心

摘要： 本文叙述超细粉体液体过滤中若干问题，其中主要有关过滤精度、滤速等计算方法，最后简单介绍了可过滤洗涤的两种高分子精密微孔过滤机及气固精密过滤的有关数据。

原文： 超细粉体的制备改性、纯化等工艺过程中，往往要对粉体进行过滤与洗涤，过滤技术与装置的性能优劣，对产品质量、收率、成本等有重大影响。 超细粉体有微米级、亚微米级与纳米级三种超细粉体。微米级范围很广，从1000微米至1微米，究竟微米级中那一粒度范围属于超细粉体，不同领域，不同学者往往有不同理解。作者认为，制备超细粉体的目是利用粉体超“细”所具有的优异的表面特性，粒度超过一定数值，粉体表面的物理、化学等界面的优异性能就不明显。10微米以上至100微米粉体，虽属于微米级粉体，不应看作超细粉体，更严格看，5微米以上就不应看作超细粉体。作者更倾向于将3微米作为超细的分界线。 超细粉体的过滤与洗涤属于滤饼过滤。当粉体粒度小于10微米，尤其小于5微米，属于难滤物料。过滤这些小于5微米的微粒，过滤效率低，穿滤严重是普通存在的难题。带有大量穿滤微粒的滤液如直接排放，不仅资源浪费（穿滤的是最细的，往往也是粉体中最贵重的），还对环境严重污染。如采用长时间的回流过滤或者再串联一个过滤精度更高的过滤机，虽可回收一部份，甚至可绝大部份回收，但造成能源消耗大幅增加，设备投资成本也明显升高，这些状况都是与可持续发展要求相背离的。 作者从提高收率，节约资源与节省能源要求出发，简单叙述超细粉体的过滤中某些基本规律。 一、 超细粉体的外在特性： 欲正确解决超细粉体的过滤与洗涤，必须首先了解有关粉体外在特性的若干事项。 1、 粉体的来源：天然矿产粉碎或人工化学制备，或从天然产品的半成品，再人工化学反应，制备所需粉体。 2、 粉体颗粒的内孔隙：粉体颗粒内有无内孔隙，（可通过测定比表面积了解）。 3、 亲水性：粉体颗粒是亲水或憎水（目测可定性了解，通过接触角测定可定量了解）。 4、 粉体颗粒的形状：通过超倍显微镜了解粉体的形状，是球形、不定形、针形或片形。（有条件测定表面积与体积，计算各种形状系数）。 5、 粉体的粒度分布： 所有超细粉体均是颗粒多分散体系，即使经过分级效率很高的分级处理，仍是多分散体系，只是粒度分布宽度比分级前缩小。 粉体粒度分布是粉体外在特性中的最重要参数。粉体粒度分布的测定技术有多种，对亚微米级为主的超细粉体，激光光散射法是最常用的测量技术，它能快速给出体积、表面积、直径及个数等为基准的粒度分布数据。对同一粉体，四种不同基准的分布参数相差很大。 现简单举一例，假如将1000颗0.2微米的粉体与一颗2微米的粉粒混在一起，1000颗0.2微米有效体积（非堆积体积）与一颗2微米体积相等，以体积为基准的分布数，两者各为50%，因而以重量为基准的粒度分布，0.2微米与2微米，也各为50%；如以表面积为基准，0.2微米的表面积占90.9%，2微米的表面占9.09%；如以个数基准，0.2微米的个数占99.9%，而2微米只占0.1%。 相差很大的三种不同基准的粒度分布值，可作不同用途使用。从体积为基准的分布数可整体上了解该粉体中不同粒度的重量比例；从以表面积为基准的分布数值可了解该粉体的基本价值，因为制备超细粉体的目的是利用粉体超细后所产生的表面特性，粉体愈细，表面积愈大，它比体积为基准的分布更清楚了解该粉体的外在品质。对从事超细粉体气固与液固过滤以及粉体洗涤的有关人员则必须充分了解以个数为基准的粒度分布数据，同时对比该超细粉体的体积分布与表面积分布的数据。如果过滤与洗涤过程中不能将最细颗粒全部滤住，虽然从重量上，亦即从体积上仍有很高收率，如过滤效率为98%，只损失2%，但穿滤的颗粒数的比例却非常大，粉体的表面积损失比例也就很大，因而粉体的附加值损失就远远超过2%，这样就会造成资源与能源极大浪费。 欲将最细粒度能几乎全部滤住，技术难度非常高，过滤装置的投资费与操作成本明显增加，既要能高效滤住最细粉体，又能节约投资与操作成本，这是粉体过滤技术工作者必须解决的一项难题。 二、 确保过滤精度： 所谓过滤精度是指能被全部滤住的最小的颗粒大小。超细粉体是多分散体混合体，应分析原粉体的体积分布，表面积分布及个数分布等几种不同分布值，以资源与能源最佳利用为原则选定该粉体的过滤精度。 作者认为超细粉体液体过滤的过滤精度ds与许多因素有关，既与过滤介质的平均毛细孔径dm有关，与过滤介质的厚度△S有关，与液体通过过滤介质毛细孔的线速度 ，与滤液粘度μ有关，与被过滤固体颗粒与过滤介质界面相互作用有关。 国外某些学者提出，ds仅与过滤介质平均孔径dm有关。 从球形镍粉与蒙乃尔烧结多孔介质的过滤归纳出： ds=K•dm………………（1） 式中： K——对不同粉体K为1/3～1/8 作者于二十多年前根据实验数据及理论分析，对亚微米微粒为主的固体颗粒的过滤提出如下计算公式： …………………………………………………（2） 上式： —— 过滤精度 （μm） —— 过滤介质平均孔径 （μm） —— 滤液通过过滤介质毛细孔的平均线速度（m/h） —— 过滤介质的平均孔隙率 （—） —— 过滤介质的厚度 (mm) —— 滤液的粘度 （N•S/m2） A、B—— 与粉体颗粒与过滤介质界面相互作用有关的系数 式（2）中A、B通过若干次实验可测得。 由式（2）可见，过滤精度同过滤介质的平均孔径的一次方成正比。对同一孔径的滤材，还同滤液粘度μ，滤液的平均线速度 及过滤介质的厚度△S等有关，由（2）式可知，通过调整 、 与 能确保 。 为了确保所选的ds，超细粉体过滤的过滤方法有两种方案，一种是过滤操作一起动，就要使所需精度的粉体不穿滤，过滤过程依靠滤材表层的毛细孔来截留；另一种是过滤一启动，大量最细颗粒穿滤，滤材表面只积留最粗的粉体，利用该粉体滤饼的平均毛细孔径，继续过滤粒径更细的粉体。利用滤液整体不断循环过滤，从滤饼表面开始连续形成毛细孔径愈来愈小的滤饼层，直至最后达到所需的过滤精度，才停止滤液循环。 第一种方法是理想方法，对粒径很小的超细粉体，该方法技术难度相当大，第二种方法会造成过滤能源大量增加，仅适宜粉体特别细，没有其他技术可有效解决而不得不采用。如果循环量不超过总处理量的5%，第二种方法可勉强采用。 作者研究了几种超细粉体的过滤与洗涤，这些粉体按个数分布的粒度非常细，但只要各种参数选择好，均可作到一次将滤液滤清，不穿滤。表一给出这些粉体颗粒粒度及不穿滤的滤速等基本数据。 表一 几种超细粉体的粒度分布与起动滤速的选择 物 料 名 称 粉体的重量浓度 % 以个数为基准的粒径的累积分布 滤饼层厚度mm 过滤起动时滤速(m/h) D10 μm D25 μm D50 μm D75 μm D98 μm 平 均 粒 径 μm 超细炭 酸钙与 水溶液 10% 0.0543 0.0837 0.1425 0.2428 0.8233 0.2123 29 0.3 超细氧化铝与乙醇 2.5% 0.1152 0.2252 0.3142 0.5104 2.1346 0.5237 8 0.5 钴酸锂与水溶液 20% 0.0496 0.0811 0.2219 0.5952 1.8450 0.4472 75 0.4 二氧化硅微粉与水溶液 20% 0.0472 0.0609 0.1300 0.2290 0.8056 0.1985 65 0.5 膨润土与水溶液 20% 0.050 0.0892 0.1402 0.2326 0.8231 0.2095 42 0.1 三、 超细粉体液体过滤的其他计算： 1、 滤饼层的平均比阻α及同过滤压差△P之间关系： 在确保过滤精度基础上，应测定滤饼层的平均比阻α与过滤压差△P之间的关系，并归纳出α与△P之间的数学模型。存在两种数学模型，即： ……………………………………………………………（3） ………………………………………………………………（3`） 作者根据多年测试，（3）比（3`）正确些，因此建议用（3）归纳。 以上两式中： —— 过滤压差 （kg/m2） —— 滤饼的平均体积比阻（1/m2） 、 、 —— 与物料中固体颗粒粒度等因素有关的系数 作者归纳出超细炭酸钙、超细氧化铝的α与△P关系式： 超细炭酸钙： …………………………（4） 超细氧化铝： ……………………………（5） 2、 最佳过滤压差： 对不可压缩滤饼，不存在最佳过滤压差，对大部份粉体物料，都存在或多或少可压缩性，都有一个最佳过滤压差，可根据（3）计算最佳压差△PJ。 ………………………………………（6） 式中： ——过滤介质阻力 （1/m） ——滤饼层最度 （m） 如果 ≤ ，方程（6）可简化为 ……………………（6`） 式（6）中的 不是原始阻力，而是达到 厚度的阻力，在过滤过程中，超细粉体中最细微粒会在滤饼层中迁移，部份微粒会堵在过滤介质的毛细孔内，导致 不断增加，随着过滤进行， 也不断增加，对不同物料 与 增加速率不一样，因此 不可能是常数。 与过滤时间t的关系，后面会提到易于计算。 与t的关系按以下诸式计算： ……………………………………（7） ………………………………………………………（8） ………………………………………………（9） 以上诸式中： t —— 累计过滤时间 (S) F—— 过滤面积 (m2) Rmo—— 过滤介质的原始阻力（1/m） g—— 常数9.81 (m/s2) c—— 滤饼的体积浓度 （—） 3、 平均滤速 ，总过滤时间t及滤饼层厚度 的计算: 确定最佳过滤压力△PJ，平均滤速 ，或过滤时间t及滤饼层厚度 可按以下式计算： ………………………………（10） ……………………………………（11） ……………………………（12） 以上诸式中： W—— 平均滤速 (m2/m2•h) —— 滤饼层厚度 (m) 4、 粉体滤饼的洗涤： 粉体滤饼洗涤可以静止洗涤，也可搅拌洗涤，前者装置简单，但可能会出现局部短路洗涤不均匀，使洗涤效率不高，导致洗涤液量增加；搅拌洗涤的特点与静止洗涤相反，装置复杂，但洗涤均匀，洗涤效率高，洗涤液量小。究竟选择何种，根据具体粉体的性能特性而定。 静止洗涤液用量，搅拌洗涤的洗涤次数，每次洗涤液用量，只能通过试验才能大致确定。静止洗涤的洗涤液的滤速及搅拌洗涤后的过滤速度等规律与滤饼过滤的规律性基本相同，可按照滤饼过滤的规律进行计算。 四、 可进行超细粉体过滤与洗涤的“东瓯微孔”的高分子精密微孔过滤机： 最近五年，东瓯微孔过滤公司成功开发了两种专利产品，专门用于超细粉体的过滤与洗涤的PGP型与PGX型高分子精密微孔过滤机。 东瓯微滤长期从事新型高分子精密微孔过滤技术研发、生产与推广应用。所研发与生产的刚性的分子精密微孔过滤介质（过滤管、板或其他形状），具有过滤精度特别高（可过滤混合粉体中0.1～0.2微米）滤液非常清澈透明，可避免一般滤网、滤布等滤材需长时间循环过滤，可大量节约能源消耗；它可采用简易气体反吹法快速卸除干度较干的滤饼，避免繁重体力劳动；可用简便的“气—水反吹法”对微孔过滤介质进行简单的反冲洗再生，再生效率很高，可使微孔过滤介质长时间使用；微孔过滤介质耐酸（除98%以上硫酸，30%以上硝酸），碱、盐及大部份有机溶剂。除了以上四大特色外，东瓯微滤所生产的精密微孔过滤机结构比较简单，操作机械化程度比较高，过滤机与物料接触部件可用不锈钢、炭钢或炭钢内衬5mm厚的防腐材料，使之可用于各种化学物料。 早在二十多年前，高分子精密微孔过滤技术已成功用于亚微米级的超细硫酸钡、氢氧化钽、氢氧化铌的过滤与洗涤；十五年前，东瓯微滤公司的精密过滤机已成功用于氢氧化铝，铝硅酸镁催化剂，氢氧化铁，磁粉等超细粉体的过滤与洗涤。 PGP型精密微孔过滤机可用于超细粉体的过滤与静止洗涤，最大过滤面积为20m2，PGX型精密微孔过滤机的机体内部装有搅拌浆，可用于超细粉体的过滤与机内搅拌洗涤（最大过滤面积为100m2）。 这两种型号过滤机已成功用于超细氢氧化亚镍、氢氧化钛、超细硅胶、超细锌粉及一些超细晶体的过滤与洗涤。目前正在开发推广用于无机粉体，金属盐类粉体及金属粉体等超细粉体的过滤与洗涤。 五、 可用于气体高效除尘的精密微孔过滤： 刚性高分子精密微孔过滤介质也是高效气固过滤介质，表二给出过滤空气中尘埃的过滤效率的测定值： 表二 高分子微孔过滤介质过滤空气尘埃的测定值 测定条件 气温：40℃； 每个测定数据维持时间：1小时 湿度：23～32%； 空气中尘埃浓度：每1m3最多432万颗 进气压力：0.2MPa； 最少1.62万颗 微孔过滤管型号 气体滤速 （米/分） 压降 （mm水柱） 过滤效率 0.3μm 0.5μm 1.0μm PES1 1.74 106 100 100 100 3.42 192 99.78 99.69 99.69 6.84 467 99.93 99.90 99.92 8.58 550 99.99 99.98 100 PES0 1.74 61 99.97 99.98 100 3.42 124 99.07 99.34 99.33 6.84 264 99.11 99.15 98.48 8.58 419 99.97 99.94 99.39 PES0T 1.38 77 100 100 100 2.82 166 99.94 99.92 99.38 5.58 360 99.88 99.83 99.31 6.96 479 99.95 99.91 99.14 PSE1T 1.38 124 100 100 100 2.82 264 99.99 99.99 100 5.58 453 99.96 99.98 99.89 6.96 575 99.97 99.95 99.86 PAS0T 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 由表二的数据可见，过滤效率大部份都超过99%，压降随气速变化，一般在500mm水柱之内。连续过滤400小时，过滤效率不下降，压差增加很小。 早在20多年前高分子精密微孔过滤成功用于三聚氰胺生产上的氨气除油、水与灰尘过滤，水洗装饮料和药汁的玻璃容器后需空气吹干的空气预除尘过滤；用于仪表上的气体过滤。五年前成功用于淀粉厂的干燥尾气的回收淀粉的过滤。在超细粉体生产，可以用以用于粉体粉碎后或干燥后的尾气回收超细粉末的精密过滤。 参考文献 （1） 宋显洪： “过滤机用多孔聚乙烯烧结过滤管的性能研究”《化工机械》1984 No4 3-11 （2） 宋显洪等：“微米与亚微米级液固与气固混合物的一种新型分离技术”《化工进展》 1993 25-28 （3） Song XianHong：”Microporous precision Filtration Technique For Cake Filtration of Micron and Submicron Particles”《Proceedings of 2nd China_Japan joint International conference on Filtration and separation》Sughon China 1994 290-294 （4） 宋显洪：“微米级滤渣过滤用的微孔精密过滤”《化学工程》1996 24卷（增刊）192-196