过滤分离技术在无机盐工业清洁生产中的应用

吴　　芳，都丽红，朱企新（1.上海化工研究院，上海200062；2.天津大学化工学院；3.全国石油和化工行业过滤与分离工程研究中心）

综述与专论

过滤分离技术在无机盐工业清洁生产中的应用

吴芳1，3，都丽红1，3，朱企新2，3
（1.上海化工研究院，上海200062；2.天津大学化工学院；3.全国石油和化工行业过滤与分离工程研究中心）

过滤与分离作为基本的化工生产单元过程之一，在无机盐生产中不可或缺。清洁生产要求过滤与分离过程能采用先进的工艺技术、高效集成分离设备、新型过滤介质、环保型后处理工艺，并确保过程的高效节能。对氯碱盐泥、尾矿矿浆过滤与分离过程中的清洁生产技术进行了应用研究。在压榨过滤工业性试验中探索了压榨过滤操作的最适宜起始压榨点，确保压榨效果最好、过程用时短、滤饼含液量更低；针对铝土矿浮选后尾矿的物性，分别采用助过滤、絮凝、凝聚技术等预处理方法对尾矿处理与水的回用过程进行了最适宜的使用条件与方法的探索，应用效果好，处理量高，水回用可达到国家标准，可供工业生产借鉴。

过滤分离；无机盐；清洁生产；节能；环保

1　中国无机盐工业发展概况

中国早在春秋战国时期就已开始生产和应用无机盐产品，到明代部分无机盐的生产已经形成了一定的手工业规模，但在很长一段时间内，还一直停留在手工作坊阶段。近30 a来，中国无机盐工业取得了重大进展，无机盐行业的原料、通用产品生产工业相对成熟。尤其对于部分具有资源优势的无机盐产品，新兴工艺的应用和高效装备的引入，实现了规模化生产，部分产品生产工艺与装备水平已达到国际先进水平。新的无机盐产品不断出现，并朝着精细化发展，产品品种的系列化工艺开发初见成效；产量上有较大突破，部分产品产量达到世界前列。如中国轻质碳酸钙的产量为世界第一，且目前大批量出口，有广阔的国际市场空间［1］；装备技术上，基本摆脱了早期的作坊式生产，一批批现代化无机盐生产企业不断涌现［2］。此外，无机盐行业生产中资源高效利用、节能降耗、无三废排放、环保工艺技术等都逐步得到重视，并取得一定成效。

2　清洁生产及发展

2.1清洁生产的定义

《清洁生产促进法》［3］明确定义：清洁生产是指通过采用清洁的能源和原料、改进设计、选择先进的工艺流程及装备、综合利用等，从工艺生产源头开始就采取削减污染可能产生的措施，提高资源利用，减少或者避免生产过程中污染物的产生，以减轻、消除对人类健康和环境的危害。

2.2国内清洁生产现状及概况

从中国清洁生产历程可知，早在20世纪90年代，全国各地都在提倡“预防为主，防治结合”、“采用无废少废工艺”，但实施力度不够，目前来看，污染防治工作主要还是依靠“末端治理”，即三废处理［4］。这种污染治理方法需要额外增加治理污染的投资费用，还不能有效回收利用未反应的原料和废物中的有用成分，致使原材料消耗大，产品成本高。此外，目前通用的污染治理方法应用效果非常有限，想通过末端治理实现彻底消除污染还很难。据调查报道，相比污染后采取措施治理，在生产前进行污染防治可大大提高经济效益。如在日本，若不采取措施直接排放硫氧化物，对造成的空气污染进行治理所需投入的资金是预防费用的10倍［5］。

总结部分发达国家治理污染的实践经验，工业过程中应转换思维模式，逐步认识到只有大力开展清洁生产，将“预防为主”作为企业发展的主要工作之一，辅以“防治结合”，才能根本解决工业过程中产生的包括水、空气等的污染问题。也就是需要研究清洁生产新工艺、开发预防污染新途径、应用集成环保新装备，使过程不产生污染，或在生产过程中尽可能消除污染物，在保证经济效益的同时，确保生产过程绿色环保。随着生产的发展和当前日益严峻的环境问题，国家大力推进清洁生产工作，对生产过程中的污染治理与控制要求越来越高，出台和制定各种新的规程和标准，对有毒有害污染物和气体的排放进行控制。此外，大力加强清洁生产科研项目资金的投入，重视和支持培养清洁生产领域的专业技术人员。清洁生产实施所产生的环境和经济效益也是相当可观的。据统计，仅在2008年，国家在实施清洁生产方案方面投入资金总计173.1亿元，通过清洁生产方案的实施，得到明显的资源、能源节省及污染防治成效，大大降低了水、电等能源消耗，也减少了大量的二氧化碳排放，取得100多亿元的经济效益［6］。从长远来看，清洁生产将会给整个工业带来革新，在节能环保的同时，使经济效益提升到一个新的高度，因此大力发展和推进清洁生产是非常有必要的。

目前，在全国范围内，清洁生产得到的重视程度还不够，实施力度还不深入，推进工作也还没有全面展开，在这几方面，都存在地区、行业不均衡的问题。据报道，截止2010年，开展清洁生产审核的主要包括化工、石化、电子信息、钢铁等重点行业，仅占全国工业总量的3.25%，而其中大部分行业仅有5%的企业在进行清洁生产审核工作［6］。

2.3无机盐行业清洁生产的重要性

近年来，虽然中国无机盐工业得到了迅速发展，但从总体看仍存在很多问题，在产业结构、技术创新、装备革新、资源来源、环境保护等方面都有很大的提升空间。

1）产业结构、技术及装备的不足。总体来看，存在生产厂家多、企业规模小的问题，只有很少一部分企业达到国际先进水平，大部分企业结构和技术水平还停留在20世纪。技术上，创新能力不强，研发能力不足，科研投入少，绝大部分企业没有专业的科研人员，多是凭经验在生产和管理；生产装备上，有相当一部分企业为了节省资金，仍沿用陈旧、自动化水平低、劳动强度大的设备，引进和应用先进设备的推进工作慢，导致人力、物力投入大，能源消耗大，产品质量不合格率大；从产品结构来看，存在产品规格少、质量不稳定，且多为通用型产品，多数精细、专业产品还是依赖国外，如二氧化钛、过氧化氢、碳酸钙等［6］。

2）资源、能源、环境污染问题。中国无机盐生产中排放的“三废”量大，一些易产生污染的产品的生产已成为行业关注的重点，无机盐产品的原料基本上为固体粉状天然矿物，生产过程中若不采取任何的污染防治措施，势必会产生大量粉尘，且废水、废渣、废气等污染物多，直接排放危害大。加上生产工艺与设备落后，部分未反应的原料没有得到有效回用，导致生产过程成本高，浪费大量资源和能源。此外，由于末端治理费用高，需要大量的资金投入，加之部分地方政府环保投入和推广实施力度不够，很多企业根本不重视这一问题，积极性不高，乱排乱放现象仍然严重，或者即使投入设备进行治理，也是没有经过合理的工艺设计、治理设备不科学，不能解决根本问题，无法达到应有的末端治理效果，甚至产生二次污染。总体来说，无机盐环境污染问题是制约无机盐产品发展的重要因素之一。

3）因此，在无机盐工业中亟需推进清洁生产，在生产过程中采用新技术、新工艺、先进设备，从源头上提高生产效率、节约资源、减少污染物排放，以确保无机盐工业生产的整体经济和社会效益。首先是要加强无机盐产品洁净生产技术、工艺开发和综合利用的基础研究。加强科研投入力度、重视人才、鼓励技术创新，获得有自主知识产权的核心技术。其次，改进技术装备水平，提高资源利用率，确保生产节能环保。大力推广高效节能环保型集成装备的应用，摒弃能耗高、污染大、自动化程度低的单元过程设备，进行内部废物、废热回用，减少污染排放，节省能源资源，提高原辅材料的综合利用水平。此外，应推进生产过程自动化全控制，加强生产过程监控能力，提高企业的生产和管理水平，确保企业整体经济效益。

2.4清洁生产中对非均相物系分离技术的要求

大部分工业生产过程离不开液固、气固等物系的分离，据不完全统计，仅化工领域中，就有80%左右的产品包含有过滤与分离过程；而几乎所有的无机盐工业中都涉及液固、气固物系的过滤分离过程［7-8］。

清洁生产对液固、气固物系分离技术有新的要求，如采用无毒、无害的原料和辅料，避免造成环境污染或二次污染；采用资源利用率高、污染物产生少的工艺技术，确保工艺过程节能降耗、绿色高效；采用集成工艺解决难过滤物料的过滤与分离；对生产过程中产生的废物、废水和余热等进行回收或综合利用；研发和推广自动化成套集成设备，减少人力投入，提升分离效率。此外，过滤介质决定设备的过滤效果，过滤介质的好坏在很大程度上可以衡量过滤分离效果，必须重视新的、具有多功能的新型过滤介质的研发、推广和应用，确保分离过程高效节能，满足清洁生产的要求。

3　高效节能过滤分离技术在无机盐行业中的应用

3.1过滤分离机械的优化操作举例

加压压榨过滤机是20世纪60年代左右研发的应用于液固分离的节能型压滤机，与无压榨功能的压滤机相比，它可以得到更干的滤饼，为后续干燥工艺节能降耗，在某种程度上甚至可以替代干燥过程。中国在20世纪80年代中后期，通过引进、消化、创新后，到90年代中后期，加压压榨过滤机（又称厢式隔膜压滤机）逐步在国内推广。随着中国制造业水平的不断提高，不仅大大减少了厢式隔膜压滤机的进口，而且目前已出口到欧美工业发达国家和发展中国家。在三废处理、污泥脱水、贫矿提纯、机制砂生产等领域均有应用［9］。

在无机盐行业，以钛白粉生产为例，湖南中盐株洲化工集团有限公司在年产1.5万t钛白粉生产工艺中用国产厢式隔膜压滤机代替真空叶滤机用于一、二次水洗，不仅可行，而且具有投资成本低、能耗低、产能高、占地面积小等优点［10］；山东某钛白粉厂也采用隔膜压滤机代替真空叶滤机（又称摩尔过滤机）对生产工艺及设备进行了优化和改造，增加过滤压力，提高分离效率、洗涤速率，减少耗水、耗电，缩短了工艺流程和时间，得到的滤饼更干，已在多个钛白粉企业推广应用［11］。此外，加压压榨过滤机可应用于液固分离且需要洗涤的类似化工工艺生产中。

从一般过滤到压榨过滤是从技术到装备的一大进步，但如何能进一步科学使用实现优化操作，使之充分发挥隔膜压滤机的优越性，还应继续下功夫。压榨过滤操作存在一个最适宜的起始压榨点，在该适宜操作点进行压榨过滤，可以得到最好的过滤效果，一方面，保证过程最短（即过滤、压榨过程累积用时最短），另一方面，分离效果最优（即获得尽可能多的滤液，得到的滤饼含水率最低）［12］。

以氯碱盐泥为例，物料含水率为80%以上，含盐成分为KCl、K2CO3、BaSO4等，pH为9～11，物料密度为1 200 kg/m3。采用厢式压榨型压滤机进行处理，运行周期为53 min，过滤压榨时间合计25 min（其中过滤20 min，压榨5 min），其余28 min包括压紧、洗涤、松板、卸料等操作。

为确定最适宜的起始压榨点，进行了现场试验，在不改变过滤压力和压榨压力的前提下，在不同时间点进行提前压榨，即改变不同起始压榨点，对每次试验结束后得到的滤饼质量和含水率进行测定，得到试验数据见表1。

表1　氯碱压榨过滤工业性试验［13］

从表1可以看出，常规过滤滤饼含水率最高，采用提前压榨过滤所得滤饼含水率最低。当压榨时间提前5 min时，压榨过滤效果最好，滤饼含水率达到最低（29.62%）；与压榨过滤方式相比，提前5 min压榨滤饼含水率降低了5.38%，每个滤室的滤饼量从37.51 kg降低到34.64 kg，减少滤饼运输量7.65%；与常规过滤方式相比，滤饼含水率从50%降低到29.62%，降低了 20.38%，每个滤室的滤饼量从48.77 kg降低到34.64 kg，减少滤饼运输量28.97%。过滤压榨时间由原来的25 min减少到20 min，生产效率提高了20%。由此可见，针对氯碱盐泥过滤，最适宜的起始压榨点是提前5 min压榨，可以得到更干的滤饼，减少滤饼运输量，提高过滤效果。

3.2尾矿处理和尾矿废水回用——铝土浮选矿分离和水再生利用

尾矿浮选后含有大量水，重视浮选后对尾矿与水的分离，既可以大量节约水资源，还能提高经济效益。采用传统的重力沉降方法进行尾矿脱水，存在投资大，占地面积大、操作维护难且耗功耗时，分离效率不理想等问题。尾矿的水处理核心问题是废水中的固体悬浮物和部分重金属离子，通常采用加入絮凝剂或凝聚剂的方法对物料进行预处理，再采用过滤的方法进行尾矿脱水比较适宜。

铝土矿浮选后尾矿成分复杂，尾矿浆浓度低，平均含固量为22.1%，颗粒粒径小，平均粒径为6.74μm，小颗粒（0.15～3.09 μm）占51.10%，黏度较大（1.70× 10-2Pa·s），滤饼阻力会很大，不易脱水，属于难过滤物料；由于小粒径的颗粒比例高（小于1 μm的颗粒占17.28%），不能直接采用陶瓷过滤介质进行过滤。

因此考虑采用加入助滤剂改变滤饼结构，提高滤饼的脱水性。根据助滤剂的选择要求初选40#、60#助滤剂，采用D1陶瓷微滤膜进行试验，结果表明不加助滤剂，过滤过程无法进行；加入两种助滤剂后都能达到较好的过滤效果，透水容易，且透过液浊度不大。考虑到60#助滤剂的颗粒大小与尾矿中颗粒大小比较接近，选择60#助滤剂进行处理。

过滤介质类型对过滤效果好坏起着直接作用，无机陶瓷膜具有毛细作用及微孔陶瓷膜的亲水性，脱水容易、功耗低、处理量大、滤饼含水少、截留精度高、分离效率高，因此选用陶瓷膜作为过滤介质。尾矿过滤拟分别采用D0（孔径为25～38 μm）、D1（孔径为2～3 μm）两种不同孔径的陶瓷微滤膜进行试验。由于陶瓷膜孔径大，阻力小，刚开始过滤，小于膜孔径的颗粒进入孔内、甚至穿过微滤膜的可能性就大，有的可能堵塞陶瓷微滤膜，增加堵塞几率。孔径小，毛细管压力降上升，液体通过的阻力上升，滤速慢。

因此，对尾矿浆的脱水与回收，需进行凝聚及絮凝的可行性试验，以使颗粒成长，防止陶瓷微滤膜被堵塞。通过添加絮凝剂，可以很好地提高尾矿浆的可滤性，但添加有机絮凝剂后，陶瓷微滤膜易堵塞。因此加入凝聚剂进行凝聚试验，发现添加适量的凝聚剂后，采用D0、D1两种陶瓷微滤膜进行过滤分离，再生情况都很好，其中用D1陶瓷微滤膜滤液澄清度、滤饼湿含量均优于D0。

尾矿浆添加助滤剂，再经过凝聚或絮凝处理后，采用陶瓷膜过滤器进行过滤所得滤液符合国家相关污水排放标准，见表2。

表2　尾矿水处理结果及国家相关标准［14］

将研究结果用于实际生产中，即在尾矿浆中加入60#助滤剂后，按一定浓度加入2#凝聚剂进行凝聚，采用30 m2陶瓷过滤机过滤，尾矿水处理结果达到生活用水及污水回用国家标准，处理量为29.57～32.14 t/h，出水量为20.7～22.5 m3/h。

4　结论

1）近30 a来，中国无机盐工业取得了重大进展，发展的同时也带来了很多问题，环境问题首当其冲。随着环境问题的日趋严峻，对无机盐行业清洁生产的要求越来越高，无论从经济效益还是社会效益来看，预防都是大大优于治理的。而清洁生产要求过滤分离过程高效节能，包括原材料无毒无害、工艺技术与设备全套集成、资源利用率高、污染物产生少以及三废的综合利用。

2）研究了氯碱盐泥的过滤分离过程，对氯碱盐泥的压榨过滤操作的最适宜起始压榨点进行探索，并与常规单一过滤以及单室压榨过滤效果进行对比，结果表明在过滤压力、压榨压力都不变的情况下，提前压榨过滤技术存在一个最适宜的操作点，在该时间提前进入压榨阶段，可以得到最好的压榨效果，且确保过程用时短、滤饼含水量低。

3）考虑到铝土矿浮选后尾矿的物性特征，分别采用添加助滤剂，絮凝、凝聚预处理或两者混用的方法对尾矿进行处理，并采用陶瓷膜过滤介质进行过滤分离，对尾矿处理与水回用过程的最适宜使用条件与方法进行了探索。研究结果表明，陶瓷膜再生情况良好，尾矿处理量大、速度快、水处理结果满足国家相关标准。

［1］王佩琳.无机盐工业结构调整建议［M］∥中国无机盐工业年鉴.北京：中国无机盐工业协会专家委员会，2010：60-69.

［2］王佩琳.《无机盐工业“十二五”规划研究》提纲［C］∥中国无机盐工业协会专家委员会常务理事扩大工作会议资料汇编.北京：中国无机盐工业协会专家委员会，2010：16-21.

［3］全国人大常委会.中华人民共和国清洁生产促进法［M］.北京：法律出版社，2002.

［4］杨再鹏，陈殿英，刘建新，等.清洁生产技术和清洁生产［J］.化工环保，2003，23（6）：356-361.

［5］刘颖辉.“末端治理”和“清洁生产”［J］.中国环保产业，2002（6）：14-15.

［6］孙晓峰，李键，李晓鹏.中国清洁生产现状及发展趋势探析［J］.环境科学与管理，2010，35（11）：185-188.

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［8］鲁淑群，许莉，朱企新.过滤与分离技术的进步与无机盐工业的发展［J］.无机盐工业，2000，32（2）：21-25.

［9］都丽红，朱企新.节能压榨过滤技术的研究进展［J］.化工进展，2009，28（8）：1307-1312.

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［12］Michael Mr，Ruyak J.Water/wastewater dewatering with the membrane filtration technique，AFS Presents［J］.Water&Wastewater Filtration Conference，2000（7）：113-123.

［13］赵扬，许泽银，谭蔚，等.压榨过滤过程中提前压榨技术的试验研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（8）：1140-1144.

［14］都丽红，朱企新，李秋萍，等.过滤与分离技术在清洁生产中的应用研究［C］∥全国第十二届非均相分离学术交流会论文集.上海：中国化工学会化学工程委员会非均相分离专业组，2015：32-39.

联系方式：1127736232@qq.com

Application of filtration and separation technology in cleaner production of inorganic salts industry

Wu Fang1，3，Du Lihong1，3，Zhu Qixin2，3
（1.Shanghai Research Institute of Chemical Industry，Shanghai 200062，China；2.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University；3.National Petroleum and Chemical Industry Filtration and Separation Engineering Research Center）

Filtration and separation，as one of the basic chemical production processes，is indispensable in the inorganic salt industry.Cleaner production has special requirements for filtration and separation process，such as，adopting advanced technology，high-efficient integrated separation equipment，new filtration medium，and environment friendly post-treatment technology，and ensuring the process with high efficiency and energy saving.The application of cleaner production technology in the separation of chlor-alkali salt silt and tailings pulp was studied.The most appropriate initial press point was obtained in the industrial press filtration test so as to make sure that the separation effect was the best，time was the shortest，and filter cake liquid content was the lowest.In view of the properties of flotation tailings of bauxite，the optimum conditions and methods for the tailings treatment and water reuse were investigated by adopting different pretreatment methods，for example，filter aid，coagulation-flocculation，and aggregation etc..The process was proved with high treatment capacity and good industrial application effect.Meanwhile，water reuse could meet the national standard.Therefore，it could be used for the reference of industrial production.

filtration and separation；inorganic salts；cleaner production；energy saving；environmental protection

TQ028

A

1006-4990（2016）04-0001-05

2016-01-19

吴芳（1987—），女，硕士，主要从事过滤与分离技术的研究。

朱企新