【摘    要】本文敘述超細(xì)粉體液體過濾中若干問題，其中主要有關(guān)過濾精度、濾速等計(jì)算方法，最后簡單介紹了可過濾洗滌的兩種高分子精密微孔過濾機(jī)及氣固精密過濾的有關(guān)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】超細(xì)粉體，精密濾餅過濾，過濾精度

超細(xì)粉體的制備改性、純化等工藝過程中，往往要對粉體進(jìn)行過濾與洗滌，過濾技術(shù)與裝置的性能優(yōu)劣，對產(chǎn)品質(zhì)量、收率、成本等有重大影響。

超細(xì)粉體有微米級、亞微米級與納米級三種超細(xì)粉體。微米級范圍很廣，從 1000 微米至 1 微米，究竟微米級中那一粒度范圍屬于超細(xì)粉體，不同領(lǐng)域，不同學(xué)者往往有不同理解。作者認(rèn)為，制備超細(xì)粉體的目是利用粉體超“細(xì)”所具有的優(yōu)異的表面特性，粒度超過一定數(shù)值，粉體表面的物理、化學(xué)等界面的優(yōu)異性能就不明顯。 10 微米以上至 100 微米粉體，雖屬于微米級粉體，不應(yīng)看作超細(xì)粉體，更嚴(yán)格看， 5 微米以上就不應(yīng)看作超細(xì)粉體。作者更傾向于將 3 微米作為超細(xì)的分界線。

超細(xì)粉體的過濾與洗滌屬于濾餅過濾。當(dāng)粉體粒度小于 10 微米，尤其小于 5 微米，屬于難濾物料。過濾這些小于 5 微米的微粒，過濾效率低，穿濾嚴(yán)重是普通存在的難題。帶有大量穿濾微粒的濾液如直接排放，不僅資源浪費(fèi)（穿濾的是最細(xì)的，往往也是粉體中最貴重的），還對環(huán)境嚴(yán)重污染。如采用長時(shí)間的回流過濾或者再串聯(lián)一個(gè)過濾精度更高的過濾機(jī)，雖可回收一部份，甚至可絕大部份回收，但造成能源消耗大幅增加，設(shè)備投資成本也明顯升高，這些狀況都是與可持續(xù)發(fā)展要求相背離的。

作者從提高收率，節(jié)約資源與節(jié)省能源要求出發(fā)，簡單敘述超細(xì)粉體的過濾中某些基本規(guī)律。

一、   超細(xì)粉體的外在特性：

欲正確解決超細(xì)粉體的過濾與洗滌，必須首先了解有關(guān)粉體外在特性的若干事項(xiàng)。

1 、   粉體的來源：天然礦產(chǎn)粉碎或人工化學(xué)制備，或從天然產(chǎn)品的半成品，再人工化學(xué)反應(yīng)，制備所需粉體。

2 、   粉體顆粒的內(nèi)孔隙：粉體顆粒內(nèi)有無內(nèi)孔隙，（可通過測定比表面積了解）。

3 、   親水性：粉體顆粒是親水或憎水（目測可定性了解，通過接觸角測定可定量了解）。

4 、   粉體顆粒的形狀：通過超倍顯微鏡了解粉體的形狀，是球形、不定形、針形或片形。（有條件測定表面積與體積，計(jì)算各種形狀系數(shù)）。

5 、   粉體的粒度分布：

所有超細(xì)粉體均是顆粒多分散體系，即使經(jīng)過分級效率很高的分級處理，仍是多分散體系，只是粒度分布寬度比分級前縮小。

粉體粒度分布是粉體外在特性中的最重要參數(shù)。粉體粒度分布的測定技術(shù)有多種，對亞微米級為主的超細(xì)粉體，激光光散射法是最常用的測量技術(shù)，它能快速給出體積、表面積、直徑及個(gè)數(shù)等為基準(zhǔn)的粒度分布數(shù)據(jù)。對同一粉體，四種不同基準(zhǔn)的分布參數(shù)相差很大。

現(xiàn)簡單舉一例，假如將 1000 顆 0.2 微米的粉體與一顆 2 微米的粉?；煸谝黄?， 1000 顆 0.2 微米有效體積（非堆積體積）與一顆 2 微米體積相等，以體積為基準(zhǔn)的分布數(shù)，兩者各為 50% ，因而以重量為基準(zhǔn)的粒度分布， 0.2 微米與 2 微米，也各為 50% ；如以表面積為基準(zhǔn)， 0.2 微米的表面積占 90.9% ， 2 微米的表面占 9.09% ；如以個(gè)數(shù)基準(zhǔn)， 0.2 微米的個(gè)數(shù)占 99.9% ，而 2 微米只占 0.1% 。

相差很大的三種不同基準(zhǔn)的粒度分布值，可作不同用途使用。從體積為基準(zhǔn)的分布數(shù)可整體上了解該粉體中不同粒度的重量比例；從以表面積為基準(zhǔn)的分布數(shù)值可了解該粉體的基本價(jià)值，因?yàn)橹苽涑?xì)粉體的目的是利用粉體超細(xì)后所產(chǎn)生的表面特性，粉體愈細(xì)，表面積愈大，它比體積為基準(zhǔn)的分布更清楚了解該粉體的外在品質(zhì)。對從事超細(xì)粉體氣固與液固過濾以及粉體洗滌的有關(guān)人員則必須充分了解以個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)的粒度分布數(shù)據(jù)，同時(shí)對比該超細(xì)粉體的體積分布與表面積分布的數(shù)據(jù)。如果過濾與洗滌過程中不能將最細(xì)顆粒全部濾住，雖然從重量上，亦即從體積上仍有很高收率，如過濾效率為 98% ，只損失 2% ，但穿濾的顆粒數(shù)的比例卻非常大，粉體的表面積損失比例也就很大，因而粉體的附加值損失就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 2% ，這樣就會造成資源與能源極大浪費(fèi)。

欲將最細(xì)粒度能幾乎全部濾住，技術(shù)難度非常高，過濾裝置的投資費(fèi)與操作成本明顯增加，既要能高效濾住最細(xì)粉體，又能節(jié)約投資與操作成本，這是粉體過濾技術(shù)工作者必須解決的一項(xiàng)難題。

二、   確保過濾精度：

所謂過濾精度是指能被全部濾住的最小的顆粒大小。超細(xì)粉體是多分散體混合體，應(yīng)分析原粉體的體積分布，表面積分布及個(gè)數(shù)分布等幾種不同分布值，以資源與能源最佳利用為原則選定該粉體的過濾精度。

作者認(rèn)為超細(xì)粉體液體過濾的過濾精度 ds 與許多因素有關(guān)，既與過濾介質(zhì)的平均毛細(xì)孔徑 dm 有關(guān)，與過濾介質(zhì)的厚度△ S 有關(guān)，與液體通過過濾介質(zhì)毛細(xì)孔的線速度，與濾液粘度μ有關(guān)，與被過濾固體顆粒與過濾介質(zhì)界面相互作用有關(guān)。

國外某些學(xué)者提出， ds 僅與過濾介質(zhì)平均孔徑 dm 有關(guān)。

從球形鎳粉與蒙乃爾燒結(jié)多孔介質(zhì)的過濾歸納出：

ds=K · dm ………………（ 1 ）

式中：

K ——對不同粉體 K 為 1/3 ～ 1/8

作者于二十多年前根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析，對亞微米微粒為主的固體顆粒的過濾提出如下計(jì)算公式：

…………………………………………………（ 2 ）   上式：
—— 過濾精度                            （μ m ）

——   過濾介質(zhì)平均孔徑                   （μ m ）

——   濾液通過過濾介質(zhì)毛細(xì)孔的平均線速度（ m/h ）

—— 過濾介質(zhì)的平均孔隙率                  （—）

—— 過濾介質(zhì)的厚度                       (mm)

—— 濾液的粘度                            （ N · S/m2 ）

A 、 B ——   與粉體顆粒與過濾介質(zhì)界面相互作用有關(guān)的系數(shù)

式（ 2 ）中 A 、 B 通過若干次實(shí)驗(yàn)可測得。

由式（ 2 ）可見，過濾精度同過濾介質(zhì)的平均孔徑的一次方成正比。對同一孔徑的濾材，還同濾液粘度μ，濾液的平均線速度 及過濾介質(zhì)的厚度 △ S 等有關(guān)，由（ 2 ）式可知，通過調(diào)整 、 與 能確保 。

為了確保所選的 ds ，超細(xì)粉體過濾的過濾方法有兩種方案，一種是過濾操作一起動，就要使所需精度的粉體不穿濾，過濾過程依靠濾材表層的毛細(xì)孔來截留；另一種是過濾一啟動，大量最細(xì)顆粒穿濾，濾材表面只積留最粗的粉體，利用該粉體濾餅的平均毛細(xì)孔徑，繼續(xù)過濾粒徑更細(xì)的粉體。利用濾液整體不斷循環(huán)過濾，從濾餅表面開始連續(xù)形成毛細(xì)孔徑愈來愈小的濾餅層，直至最后達(dá)到所需的過濾精度，才停止濾液循環(huán)。

第一種方法是理想方法，對粒徑很小的超細(xì)粉體，該方法技術(shù)難度相當(dāng)大，第二種方法會造成過濾能源大量增加，僅適宜粉體特別細(xì)，沒有其他技術(shù)可有效解決而不得不采用。如果循環(huán)量不超過總處理量的 5% ，第二種方法可勉強(qiáng)采用。

作者研究了幾種超細(xì)粉體的過濾與洗滌，這些粉體按個(gè)數(shù)分布的粒度非常細(xì)，但只要各種參數(shù)選擇好，均可作到一次將濾液濾清，不穿濾。表一給出這些粉體顆粒粒度及不穿濾的濾速等基本數(shù)據(jù)。

表一      幾種超細(xì)粉體的粒度分布與起動濾速的選擇

 

三、   超細(xì)粉體液體過濾的其他計(jì)算：

1 、   濾餅層的平均比阻α及同過濾壓差△ P 之間關(guān)系：

在確保過濾精度基礎(chǔ)上，應(yīng)測定濾餅層的平均比阻 α與過濾壓差△ P 之間的關(guān)系，并歸納出α與△ P 之間的數(shù)學(xué)模型。存在兩種數(shù)學(xué)模型，即：

……………………………………………………………（ 3 ）

………………………………………………………………（ 3` ）

作者根據(jù)多年測試，（ 3 ）比（ 3` ）正確些，因此建議用（ 3 ）歸納。

以上兩式中：

—— 過濾壓差          （ kg/m2 ）

—— 濾餅的平均體積比阻（ 1/m2 ）

、 、 —— 與物料中固體顆粒粒度等因素有關(guān)的系數(shù)

作者歸納出超細(xì)炭酸鈣、超細(xì)氧化鋁的 α與△ P 關(guān)系式：

超細(xì)炭酸鈣：

    

…………………………（ 4 ）

超細(xì)氧化鋁：

   

……………………………（ 5 ）

2 、   最佳過濾壓差：

對不可壓縮濾餅，不存在最佳過濾壓差，對大部份粉體物料，都存在或多或少可壓縮性，都有一個(gè)最佳過濾壓差，可根據(jù)（ 3 ）計(jì)算最佳壓差△ PJ 。

………………………………………（ 6 ）

式中：

——過濾介質(zhì)阻力 （ 1/m ）

——濾餅層最度    （ m ）

如果 ≤ ，方程（ 6 ）可簡化為

 

……………………（ 6` ）

式（ 6 ）中的 不是原始阻力，而是達(dá)到 厚度的阻力，在過濾過程中，超細(xì)粉體中最細(xì)微粒會在濾餅層中遷移，部份微粒會堵在過濾介質(zhì)的毛細(xì)孔內(nèi)，導(dǎo)致 不斷增加，隨著過濾進(jìn)行， 也不斷增加，對不同物料 與 增加速率不一樣，因此 不可能是常數(shù)。 與過濾時(shí)間 t 的關(guān)系，后面會提到易于計(jì)算。 與 t 的關(guān)系按以下諸式計(jì)算：

 

……………………………………（ 7 ）

………………………………………………………（ 8 ）

………………………………………………（ 9 ）

以上諸式中：

t  ——   累計(jì)過濾時(shí)間           (S)

F ——   過濾面積               (m2)

Rmo ——   過濾介質(zhì)的原始阻力（ 1/m ）

g ——   常數(shù) 9.81              (m/s2)

c ——   濾餅的體積濃度        （—）

3 、   平均濾速 ，總過濾時(shí)間 t 及濾餅層厚度 的計(jì)算 :

確定最佳過濾壓力 △ PJ ，平均濾速 ，或過濾時(shí)間 t 及濾餅層厚度 可按以下式計(jì)算：

………………………………（ 10 ）

……………………………………（ 11 ）

……………………………（ 12 ）

以上諸式中：

W ——   平均濾速      (m2/m2 · h)

—— 濾餅層厚度     (m)

4 、   粉體濾餅的洗滌：

粉體濾餅洗滌可以靜止洗滌，也可攪拌洗滌，前者裝置簡單，但可能會出現(xiàn)局部短路洗滌不均勻，使洗滌效率不高，導(dǎo)致洗滌液量增加；攪拌洗滌的特點(diǎn)與靜止洗滌相反，裝置復(fù)雜，但洗滌均勻，洗滌效率高，洗滌液量小。究竟選擇何種，根據(jù)具體粉體的性能特性而定。

靜止洗滌液用量，攪拌洗滌的洗滌次數(shù)，每次洗滌液用量，只能通過試驗(yàn)才能大致確定。靜止洗滌的洗滌液的濾速及攪拌洗滌后的過濾速度等規(guī)律與濾餅過濾的規(guī)律性基本相同，可按照濾餅過濾的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

四、   可進(jìn)行超細(xì)粉體過濾與洗滌的高分子精密微孔過濾機(jī)：

專門用于超細(xì)粉體的過濾與洗滌高分子精密微孔過濾機(jī)。

精密微孔過濾機(jī) 具有過濾精度特別高（可過濾混合粉體中 0.1 ～ 0.2 微米）濾液非常清澈透明，可避免一般濾網(wǎng)、濾布等濾材需長時(shí)間循環(huán)過濾，可大量節(jié)約能源消耗；它可采用簡易氣體反吹法快速卸除干度較干的濾餅，避免繁重體力勞動；可用簡便的“氣—水反吹法”對微孔過濾介質(zhì)進(jìn)行簡單的反沖洗再生，再生效率很高，可使微孔過濾介質(zhì)長時(shí)間使用；微孔過濾介質(zhì)耐酸（除 98% 以上硫酸， 30% 以上硝酸），堿、鹽及大部份有機(jī)溶劑。除了以上四大特色外，精密微孔過濾機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，操作機(jī)械化程度比較高，過濾機(jī)與物料接觸部件可用不銹鋼、炭鋼或炭鋼內(nèi)襯 5mm 厚的防腐材料，使之可用于各種化學(xué)物料。

高分子精密微孔過濾技術(shù)已成功用于亞微米級的超細(xì)硫酸鋇、氫氧化鉭、氫氧化鈮的過濾與洗滌；氫氧化鋁，鋁硅酸鎂催化劑，氫氧化鐵，磁粉等超細(xì)粉體的過濾與洗滌。

精密微孔過濾機(jī)可用于超細(xì)粉體的過濾與靜止洗滌 ， 精密微孔過濾機(jī)的機(jī)體內(nèi)部裝有攪拌漿，可用于超細(xì)粉體的過濾與機(jī)內(nèi)攪拌洗滌（最大過濾面積為 100m2 ）。

這兩種型號過濾機(jī)已成功用于超細(xì)氫氧化亞鎳、氫氧化鈦、超細(xì)硅膠、超細(xì)鋅粉及一些超細(xì)晶體的過濾與洗滌。金屬鹽類粉體及金屬粉體等超細(xì)粉體的過濾與洗滌。

五、   可用于氣體高效除塵的精密微孔過濾：

剛性高分子精密微孔過濾介質(zhì)也是高效氣固過濾介質(zhì)，表二給出過濾空氣中塵埃的過濾效率的測定值：

表二     高分子微孔過濾介質(zhì)過濾空氣塵埃的測定值

由表二的數(shù)據(jù)可見，過濾效率大部份都超過 99% ，壓降隨氣速變化，一般在 500mm 水柱之內(nèi)。連續(xù)過濾 400 小時(shí)，過濾效率不下降，壓差增加很小。

高分子精密微孔過濾成功用于三聚氰胺生產(chǎn)上的氨氣除油、水與灰塵過濾，水洗裝飲料和藥汁的玻璃容器后需空氣吹干的空氣預(yù)除塵過濾；用于儀表上的氣體過濾。五年前成功用于淀粉廠的干燥尾氣的回收淀粉的過濾。在超細(xì)粉體生產(chǎn)，可以用以用于粉體粉碎后或干燥后的尾氣回收超細(xì)粉末的精密過濾。

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常見流體的粘度；

常見顆粒物的大小及設(shè)備選型參考；

常見流體化學(xué)適應(yīng)性表；

選擇過濾精度時(shí)微米和目數(shù)的關(guān)系；

常見管道尺寸對照表；

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常見顆粒物粒徑大小 ；

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