有关“表层过滤”理论与技术的问答------宋志黎
文章来源：洪利净化 发布时间：2014-12-31 浏览次数：1744
上海洪利净化科技有限公司 宋志黎
在各种工业生产，尤其化工，制药，食品，冶金，机械，电子，矿山及环保等工业领域，过滤是非常普遍又极为重要的化工单元操作。过滤技术由硬件（滤材，过滤机及辅助装置）与软件（选用与应用技术）两大部分组成，（硬件中的滤材是心脏，滤材的特性，决定过滤机的结构）。2013年4月，一种从未听过的“表层过滤”的名称在有关资料中出现。据介绍，“表层过滤”可被认为是已有两百年历史的“表面过滤”与“深层过滤”两大过滤技术之外的第三大过滤技术。在国内已有上千台大型表层过滤的微孔精密过滤机成功用于难滤的粉末活性炭、粉末催化剂等超细粉体的过滤、洗涤、压干等操作，过滤效率高，能耗省，又密闭安全。为此，本文简单介绍“表层过滤”是怎样一种技术？它与传统的“表面过滤”与“深层过滤”有何区别？有何优势？它的出现对工业生产及国民经济有何重大意义？“表层过滤”与现在广泛应用的精密微孔过滤有什么关系？
一、“表层过滤”是怎样一种过滤技术？
先介绍已有两百年历史的传统的“表面过滤”与“深层过滤”两大技术。
“表面过滤”的过滤过程一开始就发生在滤材的表面，过滤机理是“小孔过滤大颗粒”，（即滤材的最大毛细孔径要小于物料中的最小颗粒粒径），过滤的微观原理是机械筛滤。
“深层过滤”的过滤过程一开始就发生在滤材的毛细孔内部，过滤的机理是“大孔过滤小颗粒”（即滤材的的最小毛细孔径要大于物料中的最大颗粒粒径），过滤的微观机理是“吸附”，即滤材表面对被过滤的固体颗粒的吸附。
“表面过滤”滤材有两大类：传统的与最先进的。它的特点是滤材一般相当薄。传统的“表面过滤”采用孔径较大的滤布或滤网，它对于大于10微米的固体，过滤效率很高。如小于10微米，细颗粒大量穿漏，需要长时间的回流与循环过滤，随着滤饼层愈来愈厚，滤饼层内毛细孔愈来愈小，才逐渐使滤液的澄清度逐渐提高，最后达到所要求的过滤精度。现代最先进的“表面过滤”是采用有机的，或金属或无机的微孔薄膜作滤材，这些微孔膜的毛细孔径非常小，都要小于物料中最细小的颗粒粒径。如要全部截留0.5微米或0.2微米以上的颗粒，微孔膜表面的最大毛细孔径必须小于0.5微米或0.2微米。只要微孔膜的孔径规格正确，一般一开始过滤就能达到所需的精度，不需循环过滤。
“深层过滤”的滤材也有两大类，分散堆积型与整体型，它的特点是滤材的厚度很厚。分散堆积型的厚度可达0.5—1米，主要有石英砂，无烟煤，硅藻土，泡沫微球，纤维球，纤维束等。各种分散颗粒的无阀滤池，连续清洗滤柱等也都属于“深层过滤”的改进型技术。分散堆积型“深层过滤”的颗粒之间的毛细孔径相当大。另一类“深层过滤”的滤材为整体型滤材，一般制成管型滤材，也有制成一定厚度的片型滤材，如高分子喷融滤芯，绕线型滤芯，纤维粘结型滤芯，滤纸折叠型等，这些滤材的厚度一般只有20—30mm，比分散型小得多，滤材的毛细孔径也比分散堆积型小得多，但都比被过滤的固体颗粒大，分散堆积型滤材是可再生的能长期使用，而整体型滤材却是一次性使用的易耗品。
“表面过滤”与“深层过滤”使用历史非常久，应用很广泛。“表面过滤”的固有优势是过滤精度与过滤效率高。最先进的微孔膜是高效与高精度的，即使是传统的滤布与滤网，经过长时间的循环过滤，基本也达到高精度与高效率。“表面过滤”的最大缺陷是过滤能耗非常大。在能耗大小对国家或企业无足轻重的年代，没有人过分关心过滤操作中的能耗，今天当全球都关心低碳经济，能耗就自然成为首要指标。“深层过滤”滤材，如整体型滤材，一旦严重堵塞就丢弃，属一次性使用。分散堆积型虽可再生，但每次再生消耗大量洗涤水。洗涤水最后成为浓浆废水，必须再过滤，不然成为环境污染源。
研究“表层过滤”就是为了既保留“表面过滤”的固有高效率与高精度的优势，又避免其固有的高能耗的劣势；又为了保留“深层过滤”的高处理能力与低能耗的固有优势，又避免其固有的高物耗的劣势。总之所研究的“表层过滤”同时具有“表面过滤”与“深层过滤”的优势，又不具备两者的劣势。它可同时具有高效与长效，节能又节材的四大优势，是一种性价比非常高的新的过滤技术。
二、“表层过滤”技术是怎样出现的？
“表层过滤”名称是最近三年，经过反复思考，详细分析国内外各种过滤技术的机理后而产生的。发现“表层过滤”的过滤机理，并建立“表层过滤”的数学模型与设计计算工艺程序是最近十年，是本公司技术总监宋显洪教授为了解决一系列包括粉末活性炭超细催化剂等超细粉体的高效过滤，又要滤材长效、节能、节材而进行连续多年的研究总结归纳出来的。最近十多年之所以会提出这样一个新的技术名称，提出这一新技术的定性与定量理论，它是来源于近五十年从事精密微孔过滤技术的实践基础。四十九年前，宋显洪为了解决制药等工业生产上的固体颗粒为0.5—10微米，固体浓度较高的难滤物料过滤，第一个研发当时国内外还没有的“刚性高分子烧结微孔体”，以这种新型刚性微孔体为滤材进行多种结构的精密过滤机的研发，以解决此类难滤物料的高效过滤。当时国外还无高分子烧结刚性微孔体，但金属粉末烧结与陶瓷粉末烧结等刚性微孔体很多。此类滤材的过滤精度很高，但有一个致命的缺陷是滤材的毛细孔易堵塞，难再生。国外－些书藉与文献与都提到这－通病，国内外用户都很熟悉，这两类烧结微孔体的过滤精度与过滤效率很高，主要缺陷是易堵塞，难再生。为了解决这一共性难题，宋显洪特专门进行刚性微孔滤材的堵塞规律与最佳介决措施的研究，尽管刚性微孔滤材的堵塞现象很复杂，又是一个动态变化过程，国外曾有人进行了初步研究，但无人继续深入下去。宋显洪决心把这一理论研究继续下去，在揭示出滤材的定性与定量堵塞规律后，逐渐发现，滤材表面之内1—2mm的孔口区域是个特殊敏感区域；过滤起动后1分钟之内又是个特殊敏感时间，控制好这一敏感空间与敏感时间，就可使滤材的堵塞速度大幅下降，。四十年前，宋显洪根据这一发现，首次提出“低压起动”这一新的操作方法。很快又创造性提出“气液混合流共吹”法。不久又增加一个“每年对滤材进行一定次数的化学溶介或降解”的化学再生措施。“低压起动”、“气液混合流共吹”与化学再生等三种較简易方法组合使用，我们称之为“三位一体”方法。“三位一体”的广泛使用，使滤材的寿命大幅延长，也使国内外普遍公认的各种刚性烧结微孔体易堵塞的弊病被证明是可以解决的。
由于“高分子烧结微孔滤材”的堵塞难題被突破，再加上该滤材的过滤精度与过滤效率相当高，操作又比较简单，经过二十年的推广，用户愈来愈多，大量应用事例证明，欲使高分子刚性精密微孔过滤技术能完全发挥其优异性能，除了滤材与过滤机的硬件质量外，软件的技术也是不可缺少的关键技术。硬件与软件必须密切相配，不然就会暴露一系列问题，甚至完全失效。
通过多年的实践，我们发现，滤材的表层区不只是堵塞的关键敏感区，也是大孔过滤小颗粒，既确保最细颗粒的过滤效率，又确保过滤能耗低，过滤通量大的要害区。为了使表层区域成为高效又长效，节能又节材的稳定核心区，必须研究该区域的微观机理以及物料，滤材及操作等诸方面的各种参数之间的定量关系。只有这个关键软件研究获得突破，“刚性高分子精密微孔过滤技术”才从根基上打下扎实基础。
经过十多年间的反复实践，终于发现表层孔口区域内的“表层吸附，孔口架桥”的微观机制，并确立了定量达到这一微观机制的数学模型。多年事例证明，凡是在超细粉体的过滤操作中，能自觉按“表层过滤”的定性与定量律规进行设计与操作，都能达到高精度，高效率，长寿命，低能耗与低物耗等目的，否则就会出现一系列不足。至此，作为一种新的过滤技术，其硬件与软件完全确立。
三、“表层过滤”的特征：
“表层过滤”与“表面过滤”及“深层过滤”一样，它的特征取决于滤材的特征。“表层过滤”的滤材外形类似整体型“深层过滤”的滤材，有管型，也有板型。与整体型的“深层过滤”滤材不同的是其滤材的毛细孔径远小于“深层过滤”滤材的平均毛细孔径。滤材的质地是低刚性或亚刚性，绝不是高刚性，但也不是具有高压缩性的柔性滤材。其厚度要小于整体型“深层过滤”滤材。
“表层过滤”的应用领域目前主要用于液固系统中过滤固体颗粒小于10微米的超细粉体，已大规模成功用于固体浓度高的超细粉体的高效滤饼过滤，洗涤与压干，也大规模成功用于含固量少但处理量很大的原料液，中间液与成品液的溶液精密澄清过滤。
四、“表层过滤”的优势在哪里？
对于小于10微米的超细粉体，如采用传统的“表面过滤”技术，虽最后可达到高精度与高效率，但其代价却是高能耗，甚至在高能耗的同时，还需滤材的高物耗。由于滤材的阻力与滤材的平均毛细孔径的二次方成反比，加上滤材的阻力还与滤材的平均的堆积密度的一次方成正比，而堆积密度又与平均毛细孔径的一次方成反比，滤材的阻力同平均毛细孔径之间就成为三次方反比关係。以过滤粉末活性炭为例，要将不小于0.5微米的炭粒全部滤出，如选用表面过滤的滤材，如有机或无机的微孔膜，其膜表面的最大的毛细孔径必须小于0.5微米，如果采用“表层过滤”，滤材的毛细孔径可放大到10－15微米。尽管滤材的阻力同滤材厚度的一次方成正比，即使“表面过滤”滤材的厚度很薄，只有“表层过滤”滤材厚度的十分之一，“表层过滤”的渗透阻力也只有“表面过滤”滤材阻力的几十分之一。当滤饼厚度增加后，滤材的阻力对过滤总阻力的比例逐渐减少，但最终仍起重要作用，大量应用结果表明，采用“表层过滤”的滤材，其总能耗一般均只有“表面过滤”的总能耗的三分之一至五分之一。
“表层过滤”的过滤区域主要发生在滤材表面之内1至2mm的表层。雖然孔径远大于最细颗粒的粒径，由于料夜进入毛细孔成旋渦状流动，一些較大的颗粒由于离心作用被抛至毛细孔口的孔壁，大量细颗粒由于波朗扩散作用也很快同孔口壁面接触，由于“表层吸附，孔口架桥”，一开始就能将绝大部份的颗粒在孔口截留住。必项计算出最佳滤速，使被阻截住的细颗粒不会跟随流动的滤液重新脱落而穿漏，又能至过滤结束，孔口的通道虽逐渐减小，但仍然处于流通状态。由于孔口不完全闭塞，过滤结束后，可采用压缩气体快速反吹法，就可将孔口外的滤饼层快速卸除，将吸附在孔口内表层的细颗粒绝大部吹落而流到孔口外面。卸干滤饼与清洗再生时间短，耗气耗液很省，操作很简便。滤材的使用寿命一般为二年以上。
现以过滤钯炭催化剂为例说明表层过滤的节能状况。每天过滤360米3反应液，内含钯炭0.5吨，三班操作，每小时过滤反应液20米3，钯炭的最小颗粒为0.5微米。如采用以传统滤布为滤材的板框压滤机等“表面过滤”技术，过滤面积为60米2，必须选用扬程为50m的化工离心泵，其轴功率为7.5千瓦，每天至少多循环2小时，每天总耗电180千瓦时，滤布寿命为2~3个月，每年滤布消耗200~300米2；如采用“表面过滤”的膜过滤，如无机膜或金属膜，动力消耗每天至少200---250千瓦时，最后只能得到钯炭浓浆。如采用“表层过滤”的刚性高分子精密微孔过滤技术，过滤机的过滤面积为60米2，选用与“表面过滤”的同样规格化工离心泵，但泵扬程只要20米，轴功率每天离心泵电耗只有44千瓦时，加上空气消耗约10~15千瓦，每天总电耗只有54~59千瓦时。因此，采用“表层过滤”的刚性高分子精密微孔过滤机，其总电耗只有板框压滤机的1/3左右，只有膜过滤1/4。
如选用“深层过滤”技术，分散堆积型的“深层过滤”完全不适宜粉末钯炭催化剂过滤，整体型滤材，虽可以用，但滤材寿命非常短，只能使用2至3次就报废，耗材非常大。另外卸干滤饼非常麻烦，因此“深层过滤”技术完全不适用。
综合以上情况，“表层过滤”完全是一类高效又长效、节能又节材的过滤技术。
五、如何组建“表层过滤”？
“表层过滤”与“表面过滤”及“深层过滤”的关键区别，是过滤起始阶段的过滤发生区域的不同。由过滤位置的变化引起过滤性能的质的飞跃。它可以以低能耗的代价达到“表面过滤”的高能耗效果；它可以低的物耗达到“深层过滤”高物耗所取得的效果。
开发“表层过滤”技术，目的是使小于10微米的超细粉体的过滤不需要付出“表面过滤”那样的高能耗，不需要付出“深层过滤”那样的高物耗。为了使过滤技术真正成为“表层过滤”的技术，该技术的硬件与软件必须满足如下条件：
（1）滤材必须是刚性或亚刚性的微孔滤材，无论管型或板型，所有区域的平均毛细孔径与平均孔隙率的波动值不超过平均值的10%，其透水比阻，抗拉强度，抗压强度，抗压弹性模数等测定值的波动值不超过平均值的20%；
（2）被过滤物料中的固体颗粒的粒度分布（体积分布与个数分布），滤液粘度等必须正确测出；
（3）通过一定小试验，建立“表层过滤”的数学模型；（4）根据所建立的数学模型，选定滤材的规格及过滤机的一系列结构参数；
六、“表层过滤”技术目前推广应用规模：
“刚性高分子精密微孔过滤技术”其硬件与软件经过四十年的发展，从初级阶段，中级阶段，现在已开始进入高级阶段。高级阶段的标志就是“刚性高分子精密微孔过滤技术”的硬件与软件进入“表层过滤”的技术体系。按该体系进行设计、制造与使用。之所以以“刚性高分子精密微孔过滤技术”作为基础技术，而不选用其他材质的“刚性精密微孔过滤技术”作为基础技术，是因为“刚性高分子精密微孔过滤技术”的滤材不是高刚性，而是亚刚性。亚刚性滤材的毛细孔在較高压流体反吹时具有微扩张的弹性。这一特性使孔口完全诸塞的颗粒很容易被反吹的高速流带出去，使滤材寿命明显增加。其他刚性微孔体由于弹性模数太大，沒有微扩张特性，滤材的堵塞度遠大于高分子滤材。另外刚性高分子滤材是中国本土独立研发出来，已有近五十年连续研发历史，研发的领域很广，包括滤材的制造，过滤机的结构研发，几十多个工业部门的应用研发，过滤的基础理论研究等等，累积了无数的成功的经验与失败教训。选用该技术作为“表层过滤”的基础技术是适合我国国情的。
从2000年开始，经过约四年的初步开发，至2004年已有一千多台中小型“粉末活性炭”过滤机用于精细化工与制药等企业。这些过滤机大多数按照“表层过滤”技术要求进行设计、制造与使用。从过滤精度、过滤效率、能耗、滤材寿命等结果表明，巳开始进入“表层过滤”技术系统之中。只是此一阶段过滤机的结构还只处于初级阶段。从2004年开始，从滤材的性能改造，过滤机结构研发，基础理论探索等多领域全面开展系统研究，一系列大中型新结构过滤机陆续开发出来，“表层过滤”的优势愈来愈明显，尤其在难度很高超细粉体滤饼过滤上获得广泛使用，终于使“表层过滤”作为一种新的过滤技术通过广大生产领域多年实践获得肯定。
从2004年至2012年底，已有528家企业使用1128台“表层过滤”的超细粉体过滤机用于化工、制药、有色、食品及环保等工业部门，其中近60%用于化工与制药等生产上的超细粉末活性炭，超细催化剂的过滤、洗涤与压干等。粉末活性炭与催化剂是化工与制药生产上的关键操作，过滤效率不高，细颗粒穿漏严重是长期难以解决的弊病，能耗高，耗材大也是普遍存在的难题。2004年前，已有初步“表层过滤”技术基础，在粉末活性炭与催化剂过滤上显示出杰出性能。2004年后，“表层过滤”的定性理论，定量理论与硬件技术等全面发展，技术更成熟，除了继续在粉末活性炭、粉末催化剂广泛推广外，还推广到其他超细粉体，如草酸镍，碳酸钴，氢氧化钴，氢氧化铝，硫酸钡，无机晶须等许多超细产品。晶须是一类针状的超细粉体，过滤时容易穿漏，洗涤难度更高，曾试用多种过滤分离设备，都由于过滤与洗涤不理想，无法使用。经过两年多反复研制，三台Φ1400与Φ1600的大型“表层过滤”的超细粉体过滤、洗涤与压干机用晶须产品生产，已连续使用十年，滤材至今未更换，其能耗与物耗远低于其他分离装置。
“表层过滤”不仅在超细粉体高效过滤、洗涤及压干等操作获得广泛与成功应用，在含固量少但固体颗粒相当细液体澄清过滤领域也获得广泛应用，在取代传统的“深层过滤”方面显示巨大的节能与节材的巨大优势。从2000年至2003年已有350多台过滤面积为60~100米2的溶液过滤机，用于化工与制药生产的原料液、中间液与成品液的精密澄清过滤。2004年至2012年，已有348家企业购买534台60至200米2的过滤机用于各种化工液体的精密澄清过滤，其中100~200米2有100多台，占30%。由于这些精密溶液澄清过滤机全部按照“表层过滤”进行选型、设计与使用，在工业生产长期使用表明，过滤精度高，过滤效率高，能耗低，物耗省，滤材寿命长，成本低，人工省。如大规模用于硫酸溶液中过滤超细硫磺与硫化物颗粒，颗粒中80%为0.5~1微米，原液透光率只有60%，采用“表层过滤”的“高分子精密澄清过滤机”，液体中全部细颗粒悬浮物一次过滤全部截住，液体透光率超过96%，这些酸液的过滤量很大，每小时达300~400米3，“表层过滤”的过滤机其平均滤速不低于0.7米3/米2•小时，该技术已在全国上百家大型企业中推广，完全取代高能耗，高物耗，环境污染严重，甚至常会发生人命事故的石英砂过滤器，布袋套管式过滤器等落后过滤装置。“表层过滤”技术不仅明显提高产品质量、收率，降低成本，从“表层过滤”装置还可方便回收含硫磺的干滤饼。
七、“表层过滤”与“精密微孔过滤”之间的关系：
“精密微孔过滤”不一定是“表层过滤”，但“表层过滤”必须是“精密微孔过滤”，它是“精密微孔过滤技术”系列中分离效率最高，能耗最低，寿命最长，性价比最优的“精密微孔过滤技术”。如果“精密微孔过滤”不具有“表层过滤”的特色，往往是虽然过滤精度高，过滤效率高，但滤材易堵塞，难再生，寿命短；或者只适宜过滤大于5微米的微粒，小于5微米的微粒易穿漏，滤材也易堵塞，寿命较“表层过滤”短得多。
无数案例表明，不少企业的高分子微孔过滤管与过滤机经常是过滤精度不高，过滤效率低，微孔易堵塞，简易又高效的物理再生方法的再生效果很差，滤材使用寿命短。至所以出现这一系列毛病，将原本性能非常优秀的我国用了四＋五年才獨创成功的这一新型过滤技术的艳丽特色大打折扣，这固然是由于一些制造商对这一技术的关键工艺一知半解，粗制滥造，或偷工减料，低价低质，恶性競争等等非正常因素有关，更主要原因在于从滤材的质量控制、滤材的选型、过滤机的计算及过滤工程的设计等均沒有完整的、系统的、科学的和创新的过滤理论作指寺。“表层过滤”理论与技术体系从理论到实践上为刚性高分子过滤技术提供了全方位的科学方法。
八、“表层过滤”的应用还可圹大到哪些领域：
除了巳广泛成功应用各种工业生产上的微米与亚微米级超细体的精密过滤、各工业生产上的原料液、中间液及成品液的精密过滤外，还有以下诸领域可广泛推广：
