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过滤的基础知识

发布时间:2021-04-20   浏览:277次
过滤的基础知识

  一、过滤的基本类型

  过滤分为筛滤、深层过滤及滤饼过滤等几种基本类型。

  1.筛滤

  过滤介质有大的孔隙,只要固体粒子的尺寸大于该孔隙,它们就会沉淀在过滤介质上,而尺寸小于孔隙的粒子,则随滤液一起通过介质。此种过滤机理在杆筛、平纹编织网及膜上都起着主要作用。由于粒子是沉淀在介质的表面上,所以此种过滤现象也称为表面筛滤。

  如果筛滤机理出现在介质的深处——流道窄小到比固体粒子尺寸还小的地方,那么此种筛滤称为深部筛滤。例如毡子、非织造布及膜等介质,都具有深部筛滤机理。

  2.深层过滤

  其过滤介质具有立体的孔隙结构,能捕集小于孔隙的固体粒子,甚至远小于孔隙(流道)的固体粒子,也能在介质的深部被捕集。

  深层过滤具有复杂的混合机理。固体粒子在惯性力、液压力或布朗运动(分子运动)作用下,首先同孔隙流道壁相接触,然后粒子附在孔隙流道壁上,或者粒子在范德华力或其他表面力作用下彼此附聚在一起。这些力的大小和效果取决于水溶液中离子的浓度和种类及气体的湿度。深层过滤体现在毡子和非织造布中,在高效空气过滤机和深层砂过滤机中尤其重要。

  3.滤饼过滤

  简单地说,随着过滤的进行,介质上形成了滤饼。滤饼本身起着过滤介质的作用,固体粒子被滤饼表面截留,而液体则透过滤饼和介质成为滤液。滤饼逐渐增厚,滤液也逐渐清澈。

  在过滤的初期,由介质截留住大于其孔隙的粒子,而细小的粒子则透过介质随滤液排除。此时的滤液不够清澈,应打循环返回到悬浮液槽中。经过一定时间的循环后,再收集合格的滤液。在大粒子被介质截留的同时,有些小于介质孔隙的细小粒子会在孔隙上“架桥”。架起的桥会拦住细小粒子透过过滤介质,因而被截留住的大粒子和小粒子逐渐累积成薄饼层,乃至厚饼层。此后,过滤便转入了滤饼过滤阶段。显然在过滤的初期,过滤介质起着决定性作用,并且会长久影响滤饼的结构和整个过滤过程。

  4.十字流过滤

  随着过滤应用领域的扩大,难过滤的物质已屡见不鲜(如极小粒子或金属氢氧化物等)。为了提高此类物质的过滤速度,已推出了与传统的滤饼过滤法完全不同的十字流过滤法。

  十字流过滤与传统的滤饼过滤的区别在于:

  滤饼过滤时滤浆是垂直于过滤介质的表面流动,被截留的固体粒子形成滤饼并逐渐增厚,过滤速度也随之逐渐降低,直至滤液停止流出。

  在滤饼过滤过程中,过滤速度之所以逐渐降低,是由于过滤介质的孔隙受到了粒子的堵塞以及增厚的滤饼逐渐密实所致。针对这样的问题,往往要给难过滤的滤浆添加絮凝剂(如聚丙烯酰胺)或助滤剂(如硅藻土)。

  十字流过滤时,滤浆平行于过滤介质的表面快速流动,滤液以低速垂直于介质表面流出。这两个流动的方向互相垂直交错,所以十字流过滤又称错流过滤。

  十字流过滤的速度几近恒值,过滤压力也未随时间的流逝而迅速升高。这种效果好的根本原因,就在于滤浆的快速流动对聚积在介质上的粒子施加了剪切扫流作用,从而抑制了滤饼厚度的随时增加。

  十字流过滤主要用于滤浆的过滤浓缩,不能得到较干滤饼。十字流过滤机有的利用低剪切力,有的利用高剪切力。除过滤机之外,十字流过滤技术还用在离心机上。

  实际的过滤常常不是一种机理在起作用,而是两种或两种以上机理共同起作用的结果。例如,滤饼过滤现象是在筛滤之后出现的,即在过滤的初期先由筛滤截留住大于介质孔隙的粒子,这些较大的粒子是构成滤饼的成分之一。与此同时,小于孔隙的较小粒子在介质的孔隙上方形成“架桥”,因而较小的粒子有可能不透过介质,成为饼层的组成部分。滤饼形成后,就形成了粒状层。当液体从滤饼表面流向介质时,就出现了像原水流过砂层那样的深层过滤现象。

  由此看来,在滤饼过滤操作中,前接筛滤,后续深层过滤。

  同样,在深层过滤操作中,随着过滤的进行,有小的粒子沉积在介质的大孔隙中。但是随着小粒子不断在大孔隙中的沉积,介质的孔隙流道逐渐地变窄,小粒子在窄处被截留,即可能出现筛滤现象。就是说,在以深层过滤机理为主的同时,伴有其他过滤机理。

  至此,可以给过滤下定义,利用以上三种过滤现象中的一种或两种以上的组合操作,称为过滤。

  二、过滤的预处理和后处理

  1.预处理

  预处理旨在通过改变难过滤的悬浮液的性质,使过滤变得容易。这里介绍几种主要的预处理方法:

  (1)改变液体的特性。温度对降低液体黏度很有效。用低温度热给液体升温后,能明显提高过滤速度;除升温法外,用黏度较低的液体稀释需要过滤的高黏度液体,也能取得同样的效果。

  降低液体的密度也能提高过滤速度。液体密度小的悬浮液,其固体粒子容易沉淀。升温法对降低液体密度效果不明显,而向液体密度高的悬浮液中添加低密度液,却取得了好效果。

  降低液体的表面张力,同样能促进过滤。液体的表面张力虽然受温度的影响,即提高液体的温度后,其表面张力得到降低,但表面张力更易受添加的表面活性剂的影响。

  (2)淘析和分级。细粒子易堵塞孔隙,可用淘析分级法将细粒子与粗粒子分开,移去的细粒子再用絮凝法等增大粒子团的尺寸。

  (3)结晶法旨在使悬浮液中的晶体具有中等粒径,以防小晶粒堵塞介质孔隙和大晶粒堵塞配管。

  (4)冻结和融化处理。由上、下水处理产生的污泥及某些放射性污泥很难处理,这是由于其固体粒子具有特殊的构成。为了改善这类污泥的过滤特性和沉淀特性,可采用先将其缓慢冻结,然后融化的处理方法。

  (5)超声波辐射对改善过滤的效果,取决于悬浮液的特性、声波强度、声波频率及辐射时间等参数。例如一些参数配伍旨在给粒子能量,使粒子之间能战胜絮凝障碍,彼此容易聚集在一起形成絮团。反之,另一些参数配伍旨在将粒子聚集体破碎成小微粒。微粒化的粒子有利于提高产品的纯度、吸附性、分散性及反应性。

  (6)滤浆的预浓缩和稀释。悬浮液所含固体粒子浓度,直接影响着过滤机的能力、滤饼的阻力、粒子向滤布内部的贯入(贯入影响滤液的澄清度和介质的阻力)。

  对不同浓度的悬浮液进行真空过滤时,所得滤饼的结构差别较大。易过滤的悬浮液,其滤饼的组织不致密,常发生裂纹,造成了真空泄漏,动力消耗大。对于这种悬浮液,过滤前要对其进行稀释,以便得到致密的滤饼并利于洗涤。

  与此相反,对于很稀的悬浮液,过滤前要预增稠,以便提高过滤速度,减小过滤机尺寸,减少设备造价。较浓稠悬浮液过滤得到的滤饼的过滤阻力小,因此对稀悬浮液进行预浓缩,有利于提高过滤机的生产能力。

  (7)使用凝结剂、絮凝剂、助滤剂。凝结和絮凝法,是以水中的悬浮粒子、胶体及部分水溶性物质为对象,通过添加凝结剂、絮凝剂来促进过滤。

  凝结剂是多价金属盐,有低分子和高分子之分。低分子凝结剂有氯化铁、硫酸铁、硫酸铝等。高分子凝结剂有聚硫酸铁、聚氯化铝等。

  现在应用较多的是高分子絮凝剂,其分子上有许多亲水性极性基,起着对粒子吸附和粒子之间架桥的作用,导致絮团的形成。

  助滤剂是指有助于过滤的材料,如硅藻土等。助滤剂有两个作用:一是提高过滤速度;二是得到清澈的滤液。

  2.后处理

  后处理是指固—液分离已完成之后继续进行的过程,包括洗涤和脱液。

  (1)洗涤。洗涤旨在用清洁液体将存留在饼内液体中的可溶性固体洗掉,可溶性物质包括结晶体或沉淀物。洗涤后的滤饼所含污物被降低到允许程度,从而得到了比较纯净的固体产品。

  (2)脱液。过滤和洗涤之后,留下了被水饱和的滤饼。含水分多的滤饼,不利于以后的使用、储存以及热干燥。因此当滤饼还在过滤机里时,就应尽量除掉所含水分。可采用的方法有空气吹风、惰性气体吹风以及用过滤机的弹性膜压榨滤饼。

  在许多加压或真空过滤机上都可安装吹风脱液装置,吹风是跟在过滤阶段或洗涤阶段之后进行。

  三、粒子、液体、悬浮液的性质

  1.粒子的性质

  固体粒子的尺寸、形状及密度是体现粒子性质的三要素。它们共同决定着粒子能否被某种过滤介质截留,还决定着沉降速度(据此决定分离方法)及滤液的清洁程度。

  (1)粒径和粒径分布

  用来求粒径的方法有等价径法、统计直径法、比表面积法及筛分法等。通常用等价球直径表示实际粒子的直径。

  尺寸均匀的粒子系统容易过滤。但是实践中,粒子系统是由不同粒径的粒子组成的,即它们有尺寸分布(或称粒度分布)。尺寸分布越宽,说明粒子的大小差别越大,过滤越不容易,因此需用预处理法加以改善。

  (2)粒子的形状

  粒子的形状对其表面积有重要的影响。表达实际粒子形状的简单方法是与球体相比较。就是说,应将等价球概念扩展到粒子的面积和体积的表达上。

  (3)比表面积

  固体表面由于其化学构造和几何学构造的缘故,而具有吸附性、触媒作用、附着性以及润湿性等各种特性。

  固体粒子的表面积与其体积之比称为比表面积。比表面积可用来评价固体表面的上述特性,如硅藻土就是因为比表面积大而成为很好的助滤剂。

  (4)密度

  密度是粒子固有的重要的特性值之一,是测定粒径和空隙用到的不可或缺的物性值,是质量管理用到的特性值(如判断产品纯度等),是固—液分离技术的重要影响因素(如沉降式离心机和水平带式真空过滤机上,常用到固体和液体的密度差)。

  2.液体和悬浮液的性质

  重力过滤和离心沉降等固—液分离操作都是借助固—液两相的密度差实现的。影响液体密度的因素有温度和溶质的溶解量。

  由于固体的密度不可改变,所以常常用降低液体密度来改善固—液分离。液体的黏度对固—液分离过程的影响颇大。通过降低黏度,可以提高过滤速度和降低滤饼的含水率。此法对水等一般液体很有效,将水温从20℃提高到50℃时,水的黏度降低了45%。此外,在石油脱蜡中,常采用掺入可与之混合的低黏度液体来降低黏度。

  液体的表面张力决定着它对固体表面的润湿性。液体是否能润湿过滤介质,取决于液体对固体的表面张力。如果表面张力较大,则会发生润湿。

  液体的挥发性越大,采用真空过滤机的可能性越小。这是由于滤液将挥发成蒸汽进入真空泵,并在泵内受压缩重新液化。这既影响真空度,又会损失有价值的溶剂。

  液体的沸点是液体挥发性的判据,某些溶液的沸点会随着组成或浓度的不同而改变。对于挥发性显著的液体,宜选用加压式过滤机。

  悬浮液的密度取决于液相和固相的密度,悬浮液的黏度除了受温度影响外,还会因固相浓度的提高而增大。

  四、过滤介质

  过滤是从固—液两相混合物(悬浮液)中分离出固体粒子的过程,而过滤介质则是过滤机的重要元件,常常被说成是过滤机的心脏。

  过滤中,固体粒子沉淀在其表面或内部的任何有渗透性的材料,称为过滤介质。

  1.过滤介质的机械特性

  过滤介质的机械特性包括刚度、强度、蠕变抗力和张紧抗力、边缘稳定性、耐磨性、振动稳定性、可供尺寸、可制造性、密封和密封垫功能等性能。

  2.过滤介质的应用特性

  过滤介质的应用特性包括化学稳定性、热稳定性、生物学稳定性、吸附性、吸收性、润湿性、卫生、安全性、静电特性、可处置性、再利用性、成本等性能。

  3.过滤介质的过滤特性

  过滤介质的过滤特性包括能截留的小粒子尺寸、粒子截留效率、流阻、纳污能力、堵塞倾向及滤饼剥离性等性能。


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