1、1高效长效又低成本的新型液固过滤技术及其在冶金生产上的成功应用上海东瓯微孔过滤技术研究所 宋显洪 13501990836 宋志黎 13501615383浙江省温州市东瓯微孔过滤有限公司 宋志骥 13806550520【摘 要】本文简要分析了目前工业生产上广泛使用的几种液固分离技术如重力沉降、循环过滤、多级过滤、真空过滤及错流过滤等在节能减排上的不足，叙述了亚刚性高分子精密微孔过滤技术的突出性能与特点，介绍了该技术在有色冶金生产上的成功应用。【关键词】亚刚性精密微孔过滤；滤饼过滤；澄清过滤在各类工业生产，尤其在化工、冶金、制药与食品等规模较大的工业生产，液固分离是一类非常重要又广泛使用的单元操作
2、，这些操作技术的性能优劣直接影响最终产品的质量、收率、成本、劳动生产率，也关系到节能、减排、劳动保护及企业所处地域的自然环境。一、当前我国工业生产上的固液分离技术的概况：自工业革命后二百多年来，世界工业生产上出现品种繁多，性能各异的固液分离技术与装置，国外有的，我国基本上都有。对于容易过滤的物料，即固体颗粒大于10m，颗粒是刚性，不易变形，无粘性，现有的大多数分离技术与装置基本都可使用；但对于难过滤物料，即固体颗粒小于 10m，颗粒非刚性，易变形，粘性比较大，现有的大多数分离技术与装置均难以有效解决，基本上都收率较低，能耗与物耗高，劳动强度大，劳动保护差，环境污染严重。随着不可再生的资源与能源
3、日渐枯竭，随着新材料工业的发展，工业加工技术不断提高，小于 10m 的微米与亚微米级的难滤物料愈来愈多，即使大于 10m 的易滤物料中，往往也含有一定比例的小于 10m 的微粒。工业生产上已有的分离技术与装置难以解决大量出现的难滤物料的高效分离与回收问题，以致在许多工业部门，落后的液固分离装置已成为高能耗与高物耗的重要根源，成为许多江河湖泊受污染的主要来源。目前，工业生产上液固分离技术与装置中，真正节能又减排的很少，即使有，其应用范围也很窄，能广泛应用的更少。大多既不节能亦不减排。有一些先进的液固分离技术，减排性能很突出，但能耗与成本很高，成为减排不节能，成本又很高的技术。工业生产上的已有的液
4、固分离技术与装备种类繁多，性能各异，从节能与减排的要求对这些技术进行评判，发现现在已被较广泛应用的以下几种技术应引起重视，不能再盲目选用。1、重力沉降分离：这是最古老，最原始，也是最简易的分离技术。尽管重力沉降技术中已进行相当多改进，如絮凝，斜板（或斜管） ，浓密机等等，其核心原理仍是重力沉降，虽简单易行，但小于 1m 的微粒几乎无法分离，即使 15m 的微粒也很难高效分离。分离效率低是这一古老原始技术的致命弱点，如用于处理量不多的液体，选用沉降桶也许是可供选用的方案，因为成本低；但如用于处理规模很大的液2体，建筑大型的占地面积大的沉淀池，其投资成本并不低，再由于分离效率差，该回收没有回收，不
5、该排放都排放，肯定会大量增加环保成本。因此今后新建的工业企业，重力沉降一般不宜大量选用。2、循环过滤：目前绝大部份的液固过滤装置都是选用经纬编制的滤布与滤网。如用于过滤大于 10m 的微粒，分离效率很高，但用于小于 10m 的微粒，分离效果很差，穿漏很严重，只能依靠循环过滤，反复循环，有的甚至长达 2 小时以上，才能使滤液澄清，才达到工艺要求。过滤起动后，如进行 1 至 2 分钟循环，对许多物料是可允许的，这可防止过滤机的滤液出口的管道内可能存在的残留的微粒对滤液的污染，但长达 2 小时的循环，这会显著浪费能耗。如一大型企业，每小时平均滤液量为900m3，过滤压差为 0.2MPa，每天不得已累
6、计循环 6 小时，其每年要浪费电量达 12万度。如果全国有一万家这类企业，每天都作无效循环 6 小时的过滤，全国就多耗12 亿度电。3、多级过滤：多级过滤一直用于对产品的质量极为严格的药品、饮料、微电子等产品的生产。逐级增加精度的多级过滤就是增加多道严密防线，可高效防止个别微粒漏网而影响最终产品质量。现在国内许多企业把这一方法推广到含固量很多的料浆的液固滤饼过滤。先把物料中粗的与次粗的逐级过滤出去，剩下很少量极细的微粒，最后用一级精度很高的滤材进行分离。许多人都以为这方法既保证滤液质量与澄明度，又可以用最少的过滤面积处理含固量很多的大体积的料浆，几乎这样的处理很巧妙。但如用滤饼过滤的理论进行分
7、析，这样的处理方法往往适得其反，不仅不会减少过滤面积，反增大过滤面积，增大能耗。现用一事例说明该方法不可取。某一粉体，其“平均体积粒径”为 1.5m，如只用一次过滤，其平均滤速为 0.4m/h，如改为二级过滤，第一级将料液中固体过滤了 99%，剩下 1%另由过滤精度更高的第二级进行过滤，但第二级所过滤的剩余粉体其“平均体积粒径”减至 0.3m，已非常细，虽然要过滤固体重量只有 1%，但其平均滤速只有 0.026m/h，而要过滤的液体量却与第一级的几乎一样，要完成第二级的过滤任务，所需的过滤面积比不分级的一次过滤要大 15.4 倍，能耗与物耗大幅增大。这样的多级过滤完全得不偿失。4、真空过滤：真
8、空过滤是工业生产上应用很普遍的过滤方法，尤其连续式过滤，采用加压过滤很少，绝大多数连续式过滤为真空过滤，因为真空连续机的结构最简单。对大于 10m 的易滤物料，如果不考虑敞口的真空过滤对环境的污染与环境对被过滤的固体产品的污染，绝大多数人喜欢真空连续过滤。但很少有人考虑，真空过滤的能耗比加压过滤大得多。加压过滤只需一项能耗，即液固分离，滤饼洗涤与压干，而真空过滤除了液固分离，滤饼洗涤与压干这一项外还需另外二项。一项是将盛滤液的真空容器从大气状态抽空至真空过滤所需的真空度的能耗，另一项是将与滤液等体积的真空容器内的空气抽吸并压缩至稍大于大气压并排到大气中所需的能耗。由于抽真空时气体压缩比较大，如
9、果真空过滤时的真空度为 0.007MPa，其压缩比要达 15，这样大的压缩比所消耗的功率必然较大。一般第一项能耗只占真空过滤总能耗的 1/4 左右，另二项能耗约占 3/4。如果全国的真空过滤的每年能耗为 10 亿度电，其中只有 2.5 亿度为有效能耗，另外 7.5 亿度电为无效能耗。这就是真空过滤比加压过滤的能耗大得多的原因。5、错流过滤：错流过滤目前在国内外的应用已愈来愈多。该方法原来大量用于无固体颗粒的超滤，纳滤与反渗透等均相分离。现在许多人将其扩大到固体颗粒非常细的非均相物料的增稠过滤。极细颗粒组成的滤饼层的比阻非常大，进行滤饼过滤时，其过滤的平均滤速非常慢。如要提高滤速，唯一的办法是过
10、滤时应无滤饼层，于是均相分离时防止浓差极化的错流方法被借用到过滤极细微粒的非均相过滤。错流方法是在滤材表面产生高速料浆流动，能及时将已形成的滤饼层冲刷掉，减少了滤饼3层厚度，也就减少了过滤阻力，增加了滤速，因而减少了能耗，但料浆的高速流动又明显增加能耗。由于料浆中固体颗粒有一定浓度，两滤材之间的空隙不可能非常小，以致料浆高速流动的能耗相当高。特举一例：一台过滤面积为 50m2 的陶瓷膜管式过滤器，每小时过滤滤液量为 50m3，过滤压差为 0.1MPa，其过滤本身能耗只有 1.7kw。由于采用错流过滤，其保持错流的循环能耗却非常大。该 50m2 的陶瓷膜管式过滤器有二种结构方案。一种方案为：膜管
11、内径为 4mm，膜管长为 1m，总管数为 3979 根，料浆在管内高速流动的能耗为 37kw，每年电耗达 29 万 kw。另一方案：膜管内径为 2mm，膜管长为 0.5m，总管数为 7958 根，料浆高速循环的电耗达40kw，每年电耗达 32 万 kw。这两方案的错流过滤的循环电耗超出过滤本身电耗20 倍以上。陶瓷膜是一种过滤效率极高的最新型过滤技术，其减排效果极为优越，但用错流方法其能耗实在太大，是典型的减排不节能的技术。二、高效长效的亚刚性高分子精密微孔过滤技术的特点：为了解决小于 10m 的微米与亚微米级超细微粒的液固过滤，作者于四十三年前开始进行这一难题的技术开发，推广应用也已三十多年
12、。现在该技术的硬件与软件已相当成熟，综合性能相当突出，应用领域相当广泛，经济效益与社会效益相当明显。该技术完全是自主创新的新型液固过滤技术。1、突出性能：这是三高，一低，二方便（高过滤精度，高过滤效率，高寿命；低成本，卸除干滤饼方便，滤材再生方便）的技术。 高过滤精度与高过滤效率：对于一般溶液类液体，可 100%滤住的最小颗粒径为0.3m；对于不同粒度的混合粉体如其“个数 d10”为 45200 纳米， （即按颗粒个数计数，有 10%颗粒的粒径不超过 45200 纳米） 。 “体积 d10”为 0.61m（即按重量或体积计，有 10%的颗粒小于 0.61m） ，这些超细混合粉体也可 100%滤
13、住。对绝大多物料，一次过滤就可使滤液清彻透明，不需循环过滤。 过滤机与滤材的寿命长：只要不是强氧化剂，温度不超过 100，在其他任何条件下，滤材的寿命都超过 26 年（一般滤布的寿命不超过三个月） ，有的已超过十年；过滤机的寿命更长，钢制过滤机都可用十五年，不锈钢的都超过三十年。 低成本：由于寿命长，性价比相当高，占地面积小，动力消耗省（过滤压差不超过 0.20.25MPa） ，操作又较简单，无繁重体力劳动，能耗、物耗、人工费及维护费低，因而总成本相当低。 操作简便：滤材为亚刚性，抗拉强度不低，对于管式滤材，可用 0.6MPa 的压缩气体进行冲击式反吹，可将较干的滤饼从亚刚性过滤管外表面快速吹
14、脱，又可将堵在微孔管的毛细孔内的堵塞微粒强制反吹出来，达到高效，快速与简便的卸除干滤饼与再生目的。对于其他大多数过滤装置，遇到难滤的超细微粒，都无法解决高效快速卸除干滤饼与高效再生这两大难题。2、其他特点： 既可用于含固量多的需得到干滤饼的高效精密滤饼过滤，也可用于含固量很少的，但处理量很大的液体精密澄清过滤。 除了 98%以上的浓硫酸与 40%的浓硝酸等强氧化剂，可耐各种不超过 100的有机酸、无机酸、各种碱与盐，温度不超过 90的绝大多数有机溶剂。 所有精密微孔过滤机均是密闭过滤，气味不外逸，外来尘埃不污染过滤物料； 对于含固量多的精密滤饼过滤，均可在机内进行密闭高效洗涤，洗涤液消耗很省，
15、又可在机内进行滤饼压干，使含水率相当低。所有滤饼过滤机均配有气动的大4直径排干滤饼的底盖。用气缸打开底盖后，采用 0.6MPa 压缩空气可将大体积干滤饼快速自动卸下。这些过滤机均可机械化与自动化操作，不需繁重体力劳动。三、高效长效的亚刚性高分子精密微孔过滤技术在冶金化工生产上的应用：经过十年的理论研究，基础研究与应用研究，于 1975 年开始在国内工业生产逐步进行推广应用，同时，根据应用中反馈的问题将该技术向深度与广度继续研发。三十多年来，已在国内至少五千多家企业成功应用，应用规模最大的一个企业内仅一种料液每小时过滤滤液量达 400 多 m3，有的一个企业内，大型过滤机的台数达 40 台。1、
16、早期的成功应用：1975 年开始，除了在制药与化工等进行推广外，还专门进行有色金属行业的推广。 超细金属盐粉体的过滤、洗涤与压干：1975 年首先成功用于上海跃龙化工厂的氢氧化钽与氢氧化铌超细粉体的过滤、洗涤与压干。一台过滤面积为 10m2的新型精密微孔过滤机取代原来落后的“三足式离心机+搅拌打浆罐”工艺，每批处理 90kg 超细干粉体，代替了老工艺的 4 台 SS-800 离心机，二台 800 升的搅拌打浆罐，二台 W-7 离心泵，二台 1.2 米真空吸滤盘，6 只 1000 升的沉淀桶。氢氧化钽与氢氧化铌很细，0.52m 占 90%以上，需氨水洗涤粉体中的氟离子。采用新过滤技术后呈现以下几
17、大优越性：a. 完全解决超细粉体在过滤过程中大量穿漏这一致命伤（原工艺虽有沉淀桶与真空吸滤盘等回收装置，由于受外来尘埃等污染，回收的粉体只能重新加工或作次品处理） ；b. 原来工艺，需四次洗涤，固体滤饼在搅拌打浆罐与离心机之间来回四次，不仅麻烦劳累，产品还易受外界污染，现在新工艺的过滤洗涤与压干均在一台过滤机内，完全密闭操作，直至出料，不需反复来回倒腾；c. 该产品需用氨水洗涤，老工艺全是敞口操作，车间氨气弥漫，严重影响工人健康，生产环境极为恶劣，现完全密闭，澈底解决了劳动保护问题；d. 老工艺设备多，占地面积大，新技术的设备少，节省厂房面积 60%，每年节电12.2 万 kw。上海跃龙化工厂
18、的超细粉体的过滤、洗涤与压干操作成功应用三年后，该应用技术推广到上海感光胶片厂，成功用于硫酸钡的超细粉体的过滤与洗涤。硫酸钡更细，小于 0.50.6m 的微粒的重量超过 60%。该厂每天需生产 1500kg 硫酸钡浆，原工艺采用二台 20m2 的板框压滤机进行过滤与机内洗涤（洗去硫酸钡中的氯离子） 。每天三班 24 小时生产，才能满足生产需要。经采用二台与上海跃龙化工厂同样结构的 10m2 高分子精密微孔过滤机取代二台 20m2 的板框压滤机后，立即产生以下明显效益：a. 原板框压滤机过滤与洗涤时，滤液浑如牛奶，大量细硫酸钡穿漏，每年损失 60多吨；采用新的精密微孔过滤机后，一开始过滤，滤液就
19、清如水，每年不再损失；b. 板框压滤机的洗涤效果很差，时间长，洗涤水用量大，二台 20m2 的板框压滤机三班 24 小时生产，还满足不了生产要求；新的精密微孔过滤机的洗涤效果好，时间短，两台 10m2 的过滤机，只需二班 16 小时生产，产量就满足要求。此两台微孔精密过滤机由于洗涤效率提高，产量增加 33%，每年节省无离子水 7250吨；c. 新的过滤机完全机械化操作，不需板框压滤机那样繁重体力劳动，节省劳动力5 人，劳动生产率提高 50%。5上海跃龙化工厂连续应用十年，直到该产品无原料来源才停产；上海感光胶片厂从 1979 年连续应用整整二十年，直至工厂转产才停止使用。可见这种新的微孔精密过
20、滤机不仅性能优越，而且非常稳定，可以连续应用十年至二十年。含超细微粒的液体溶液的大规模精密澄清过滤：1975 年，上海一大学开发一项“中性水溶液电解法清除钢板铁锈”的新技术，以取代严重污染环境的“盐酸法钢板除铁锈”的传统技术。新技术遇到一大瓶颈是电解液中氢氧化铁超细微粒的浓度不断增加，使电压不断上升，因而电耗亦不断增加。氢氧化铁都小于 0.5m，接近胶体，用其他方法很难高效、方便又较经济地去除。经采用我们的微孔精密过滤机就相当迅速的解决了这一问题。当时专门设计了一台过滤面积为 30m2 精密微孔过滤机，首先在上海第四冷轧厂成功应用，每小时过滤溶液量可达 45 米 3,过滤后溶液清彻透明。该技术
21、又推广到上海第十钢铁厂，应用规模比第四冷轧厂大几倍。后由于上海市区改造与企业调整等原因，该应用没有继续。重金属废水的精密微孔过滤：上世纪七十年后期至八十年代，我国开始重视废水治理，首先重点解决重金属废水。国内外治理此类废水最早采用吸附法（从活性炭吸咐到离子交换） ，至七十年代中期，吸咐法逐渐让位于化学沉淀法。我国的化学沉淀法基本上采用氢氧化钠中和法，因为成本最低，但却遇到过滤难题，因为中和后形成的各种重金属氢氧化物沉淀都是又细又很粘的微粒，分离极为困难，如沉降，石英砂过滤，板框压滤机过滤等，由于分离效率低，细颗粒难以完全截留住，以致废水很难达到国家规定的排放标准。1976 年，上海江南造船厂在
22、“电镀液循环净化过滤”与“电镀废水化学中和法处理”二个项目中都采用高分子精密微孔过滤机。在电镀废水处理这一项目中又有“含铬废水”与“含锌废水”两种。1979 年， “电镀液循环净化过滤”与“含铬废水中和法处理”二项目都通过鉴定。从此以后，此两应用项目开始在国内推广。尤其电镀废水处理，由于过滤效率高，无论铬、铜、镍、锌、铅、镉等重金属离子废水经化学中和后，通过高分子精密微孔过滤机，流出的都是清彻如自来水的滤液，水中的有害的重金属离子残留浓度远低于国家规定值。如铜、镍等离子，国家规定为 1mg/L，只要化学处理合格，经本过滤技术过滤，一般水中的这些离子浓度均不超过 0.1mg/L。不仅过滤效率高，
23、而且操作简便，占地面积小，动力消耗省。从本过滤机上部流出的是合格的排放清水，从本过滤机底部定期排出较干的重金属氢氧化物滤饼（滤饼可继续处理，提取其中重金属，因为这些滤饼中重金属的浓度都很高） 。该处理技术在国内获得广泛推广，当时，在上海就有六十多家电镀，无线电与金属制品等行业中的中型以上工厂选用近 200 多台精密微孔过滤机过滤重金属废水。在国内其他地区，也在大规模推广。如广东中山小榄镇，一港资线路版厂，每台为 100m2的大型精密微孔过滤机有四十多台，从上世纪九十年代初一直用到现在，每天处理含铜与含氟水近一万吨。电镀废水处理的第一家用户上海江南造船厂从 1976 年一直用到现在，已连续应用
24、33 年。可见精密微孔过滤技术既高效长效，又很可靠稳定。2、最近十多年的成功应用：上世纪八十年代末至九十年代末，本技术向国内基本化工，精细化工，生物化工，制药化工与食品化工等行业进行全面推广。无论含固量多的超细粉体的精密滤饼过滤（如超细粉末活性炭，超细固体催化剂与超细结晶体等） ，或含固量少的但液体量较大的液体精密澄清过滤（如氯碱生产饱和盐水的精密澄清过滤，化纤生产的硫酸凝固酸浴精密澄清过滤，食用油的精密过滤，许多化工生产的原料液，中间液及成品液的精密澄清过滤等，制备食品级磷酸与磷酸盐，就有多道中间液过滤与成品液过滤） ，都已6大规模推广应用。如超细粉末活性炭过滤，超细催化剂过滤，饱和盐水过滤
25、，硫酸凝固酸浴过滤等，全国至少有 6000 多台在使用。至二十一世纪初，本技术又向有色金属生产开始大规模推广应用。 超细金属粉末的精密滤饼过滤、洗涤与压干：已成功应用的有白钨细粉体，氢氧化锆超细粉体，球形氢氧化亚镍超细粉体，氢氧化钛超细粉体，氢氧化铝超细粉体，碳酸镍超细粉体，草酸镍超细粉体，草酸钴超细粉体，超细银粉，超细钛酸钾晶须等超细金属粉体的精密微孔过滤、洗涤与压干。上述应用均是工业规模，每天处理的粉体都在 1 吨以上，有的每天有几吨。上述的超细粉体的精密微孔过滤机的结构比二十多年前早期的过滤机结构有很大改进。按照超细粉体的特性不同，有几种不同的内部结构与不同的滤饼洗涤方法。这些不同结构都
26、已获得国家专利，有的已连续应用六年以上。 金属盐溶液的精密澄清过滤：已大规模地成功应用于硫酸镍、硫酸铜、氯化镍与氯化钴等有色金属生产上的金属盐溶液的精密澄清过滤。对一些液体量很大，被过滤的颗粒既细又粘的物料，我们研发的精密微孔澄清过滤机的过滤面积均相当大，并采用自动薄层过滤技术，既保持过滤能力较大，又投资成本相对较低。如在我国一个镍钴生产基地，每台过滤面积为 150m2的 PGRF-150C 的精密微孔过滤机有 16 台，每台过滤面积为 300m2的PGRF-300B 的精密微孔过滤机有二台。这些全自控的大型精密微孔过滤机都已长期应用，滤液非常清，过滤机内的高分子微孔管可用压缩空气与纯水定时进
27、行反吹清洗，定期进行密闭化学再生，可使其完全恢复过滤性能。这些精密澄清过滤机与使用滤布的板框压滤机或管式过滤机相比，滤液质量高，精密微孔过滤机一开机，就不需长期循环。有的用户曾用过陶瓷膜管过滤器，采用错流过滤，由于陶瓷膜的微孔的刚性太大微孔无法弹性张缩，即使再生时用高压气体反吹，也很难将堵塞物高效排除，以致化学再生很频繁。陶瓷膜脆性大，高压反吹时破损率很高；更大的问题是错流过滤的能耗非常大。同样的过滤能力，陶瓷膜的能耗比本技术高 7-10 倍，陶瓷膜的价格又很贵。与本技术相比，陶瓷膜过滤效率更高，但都是减排不节能，投资成本与运行成本很高的技术。有色金属生产上难滤物料主要是微米级与亚微米级，而不
28、是纳米级，对这类物料本过滤技术更适合。 在有色金属的选矿生产上的应用：由于有色金属矿石资源日益贫泛，矿石中有用矿物的结晶粒度变细，传统的精矿粉分离浓缩的浓密机很难完全回收极细的精矿微粒。现在国内许多有色金属选矿厂都已建成浓密机，以致每天有大量有色精矿微粒被排到江湖中，贵重的资源成为危害环境，最后损害人畜的污染源。为了提高现有浓密机的回收率，我们与国内有关企业合作，将浓密机的溢流液直接泵送至高分子精密微孔过滤机进行回收净化过滤。已在镍精矿、铜精矿与锡精矿等生产上进行长期试验，都取得明显效果。于2008 年，云南锡业集团特地安装了二台每台过滤面积为 35m2的 PGF-35C 精密微孔过滤机，用于
29、铜精矿浓密机溢流液的回收净化过滤。至今已连续运行十个月，每天过滤液体约 800m3，过滤前溢流液中铜精矿的浓度约 250300mg/L，过滤后液体中测不出铜精矿粉体微粒。每四天从二台过滤机底部排一次铜精矿的滤饼，可得约1m3铜精矿粉，干度为 75%。可见采用高分子精密微孔过滤机用于现有浓密机的溢流复滤，可回收很细的精矿粉，还可使溢流液全部回用，具有显著经济效益。即使过滤后的液体排放，也是清彻透明的清水，不会污染环境，也有显著的社会效益。四、结束语7亚刚性的高分子精密微孔过滤技术是有自主知识产权的完全自主创新的新型液固过滤技术，具有高效、长效与低成本的特点，只要温度不超过 100，不是强氧化剂，在工业生产上均可选用，都可在节能减排方面产生显著效果。在冶金生产，尤其有色冶金生产，已在不少企业获得成功应用。
