新形势下过滤与分离技术面临的挑战与机遇

2020-08-30罗安平都丽红朱企新鲁淑群

化工机械 2020年4期

罗安平都丽红吴芳朱企新鲁淑群

（1.安徽瑞祥安全环保咨询有限公司；2.上海化工研究院；3.天津大学化工学院）

为落实新发展理念、加快推进经济结构转型升级，倡导绿色、环保、低碳、循环且可持续的生产（活）方式，加大生态环境保护治理力度，是可持续发展的内在要求，也是我国发展面临的新形势。早在20 世纪90 年代，全国就提倡“预防为主，防治结合”和“采用无废少废工艺”，但污染防治工作主要还是依靠“末端治理”，即三废处理。前几年开展清洁生产审核的主要包括化工、石化、电子信息及钢铁等重点行业，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［1］。 “末端治理”需要追加治理的投资费用，而且不能回收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，污染治理效果有限，难以实现彻底消除污染的目的。只有大力开展清洁生产，将“预防为主”作为主要工作之一，辅以“防治结合”，才能从根本上解决污染问题［1］。因此，需要研究清洁生产新工艺、开发预防污染新途径、防止生产过程中产生污染或尽可能消除污染物，以确保生产过程绿色、环保。

过滤与分离是洁净能源、三废治理、水的再生和循环利用中不可或缺的科学技术，特别在环境治理方面，如气体净化、粉尘防爆和污水处理工艺中也起着举足轻重的作用［2］。该技术也是清洁生产中的关键技术之一，其分离效率的高低和运行模式的好坏，直接与现代化工业分离、净化、纯化、回收等工序的能耗、物耗及污染等问题相关。新的过滤分离技术逐渐向高效率和高精度的方向发展，这将使过滤技术装备在节能减排、开发绿色资源及循环利用资源等方面大有作为。

1 优质机制砂的清洁生产

1.1 机制砂的发展与现状

近年来，建筑市场的砂石需求量迅速增多，开采量不断加大，天然砂资源正逐年减少，部分地区天然砂资源已枯竭，加之建设工程单位对砂石质量也提出了新的要求。随着天然砂开采量的增加，能满足质量要求的天然砂也越来越少，普遍存在含泥量高、性能不稳定等问题，机制砂就成了建筑用砂的首选。调查表明：机制砂成本比天然砂低约50%；将优质机制砂应用于各种混凝土的制备，综合成本可下降30%～50%。国外某些工业发达国家采用机制砂已有几十年的历史，如日本早在20 世纪80 年代，混凝土配制机制砂所占比例就高达80%，德国、英国机制砂产业也相当发达［3］。

机制砂（又称人工砂）以岩石、矿山尾矿或工业废渣作为原料。与天然砂相比，机制砂性能更优越：其原料多为岩石或矿物，表面能高、亲水性好、品质优且砂粒洁净；现代化机械生产方式，确保了机制砂质量的稳定，砂石粒形好，粒度大小级配合理、可调，能满足不同需求。在采矿过程中产生的大量尾矿，一般多达约20%～80%，我国目前堆积有上百亿吨的尾矿，不仅占用土地、污染环境，还易埋下隐患，造成重大事故［4］。

1.2 机制砂生产及其后处理过程存在的问题

机制砂生产工艺流程如图1 所示。

图1 机制砂生产工艺流程框图

目前，制砂厂工艺流程及其设备选型大多较落后，投资高、耗时长且分离效率低，污染防治工作主要还是依靠“末端治理”。机制砂生产过程中的砂石破碎和清洗工序均需消耗大量水资源，下游会排出大量的含泥污水，高固含量的污水不经任何处理直接排入河道中，导致河床抬高，淤泥量增多，严重破坏河道湖泊生态系统平衡。由于机制砂污水量大，污水中固含量高、颗粒粒度分布范围大，污水处理有一定难度，必须进行预处理。据调查，预处理中化学助滤剂的选择、添加量和添加方式方法都不尽合理，为后续过滤和滤饼含湿量的降低增大了难度［3～5］。如何正确选型、优化操作，实现过程的高效、节能，确保滤饼更干、滤液更清，对于污泥的进一步干化至关重要。

1.3 机制砂的清洁生产方法与优质化的思考

机制砂的清洁生产对液固、气固物系分离技术有新的要求：采用无毒、无害的原料和辅料，避免造成环境污染；确保过程节能降耗、绿色高效；采用集成工艺解决生产过程中产生的废物（水）问题，并进行有效的回收或综合利用。

机制砂产品质量主要受破碎机、筛分机、洗砂机和旋流器分离效率的影响。若要得到的机制砂粒形较好，配料粒度大小合适，正确选择和合理配置粗碎、细碎与振动筛是关键。另外，还需通过洗砂机水洗去除砂石中的杂质和泥粉，减少含泥量，才能确保机制砂的品质。

1.4 污泥脱水强化过滤技术的探讨

针对机制砂生产污水中泥粉多、固体颗粒小、处理量大且难度高的现状，考虑采用科学的预处理技术，便于后续污水处理与回收。分析机制砂污水中固体颗粒的物性特征，以便选用高效的预处理方法。另外，污泥脱水强化过滤中还需重视残留凝聚剂和絮凝剂的影响。

无机金属盐类凝聚剂添加量一般可达泥浆中固含量的30%～40%以上，绝大部分凝聚剂皆沉淀在泥饼中，虽然铝盐、铁盐不具有生物剧毒性，但市场上供应的凝聚剂通常是廉价工业的副产品，常夹杂诸如各类重金属（如铬）不纯物，使得后续处理困难。此外，澄清操作后也会有部分凝聚剂残留于澄清液中，澄清液排放后对饮用者的健康形成威胁。

虽然高分子絮凝剂在污泥处理中的添加比例非常少，但经过脱水后滤饼中所残留的比例可能会增加到1%～5%以上（图2），残留絮凝剂会对后续处理过程（弃置、焚烧及堆肥等）造成不良影响。一般情况下，阳离子高分子在生物降解时其产物具有较大的毒性，目前还无法确定有机合成的高分子絮凝剂对人体和环境的长远影响［6］。

图2 高分子絮凝剂在泥饼中残留比例示意图

1.5 高效节能压榨技术的应用

一种能耗低、脱液效果好的压榨过滤方法，其能耗只有热力脱液（干燥）的1/20 左右，经机械隔膜压榨后，滤饼湿含量可降低，如果压榨过滤后滤饼含水量降低3%（即由30%下降至27%），则可以使干燥设备的处理能力由10.0t/h （干固）提高到11.5t/h（干固）［7，8］。为此，应从不同的物料特性出发，充分了解颗粒粒径及其分布、浓度大小、比阻、可压缩性、要求达到的处理量、含湿量大小以及功耗等，来决定过滤压力、过滤时间、压榨压力及压榨时间等，才能做到高效节能和优化操作。

2 纤维纳米滤膜过滤集成技术

2.1 非对称纤维纳米陶瓷滤膜

非对称纤维纳米陶瓷滤膜是用低密度陶瓷纤维制成的（图3），可用于液体、固体与高温气体的过滤，其优点是耐热、耐物理冲击，孔隙率高，压降低，重量轻、成本低，过滤精度高［9，10］。

图3 非对称纤维纳米陶瓷滤膜

将开发的纤维状纳米滤膜应用于中药药液的分离与提纯，研究该过程的可行性、分离效果的影响因素与规律，纤维状纳米滤膜的污染机理、清洗及再生等问题，确定适宜的工艺条件和纤维状纳米过滤集成系统的可行性方案。

2.2 非对称无机陶瓷纳米滤膜性能测定

采用国家纳米基地测试中心的德国LEO-1530VT 场发射扫描电镜进行测定，测得纤维状无机纳米滤膜的表层图像和端面图像，采用计算机显微技术处理图像后得到的表层开孔率分别为58.06%、62.62%［9］。

依据美国材料协会标准ASTMEI128-99，采用美国PMI 多孔材料性能测试平台测定陶瓷基体板涂膜后陶瓷滤膜（试样直径40mm）的孔径参数（表1）。

测试两种非对称多孔陶瓷纳米滤膜的膜表观状态平均孔径和平均透水率，结果列于表2。由表2 可以看到，两种滤膜的膜表观状态平均孔径均小于235nm 时，纤维状陶瓷纳米滤膜的平均透水率远大于颗粒状陶瓷纳米滤膜的。

表2 两种非对称多孔陶瓷纳米滤膜工艺与性能比较

对过滤分离金银花提取液后污染的陶瓷膜进行再生性能的研究，结果表明：纤维状陶瓷纳米滤膜的清洗再生性能要明显优于颗粒状陶瓷纳米滤膜（图4）。

图4 两种滤膜清洗后膜通量恢复情况

2.3 滤膜渗透通量的分析

滤膜渗透通量随时间的下降分为两个阶段：阶段1（过滤的初始阶段）——滤膜渗透通量的迅速下降，是由滤膜所受污染导致；阶段2——滤膜渗透通量的平缓衰减，是由浓差极化和凝胶层的形成所致。模拟滤膜渗透通量的衰减模型为：

J=J∞+（J0-J∞）exp（-αt）

J=（J0-J∞1）exp（-αt）+（J∞1-J∞2）exp（-βt）+J∞2

模型中的参数J0、J∞1、J∞2、α、β 可以通过对实验数据的非线性最小二乘拟合得到。在温度25℃、操作压力0.6MPa、循环流速0.055m/s 和料液浓度50mg/mL 的条件下，滤膜渗透通量随时间的变化如图5 所示。

图5 纤维状陶瓷滤膜渗透通量随时间的变化

从图5 可以看出，随着过滤时间的增加，渗透通量不断减小，主要表现在开始过滤的20min内，由于此时浓差极化层的建立、滤膜表面沉积层的形成使过滤阻力急剧增加，20min 后衰减趋于平缓。

以孔径为30nm 的纤维状陶瓷纳米滤膜为过滤介质，在温度35℃、操作压力为0.5MPa、循环流速0.068 1m/s 和料液浓度25mg/mL 的条件下，对某中药水提液进行8h 的连续过滤，考察纤维状陶瓷纳米滤膜渗透通量的稳定性，结果如图6 所示。

图6 纤维状陶瓷纳米滤膜渗透通量稳定性考察结果

由图6 可知，过滤1h 后，滤膜渗透通量基本维持在7.5L/（m2·h）［10］。

2.4 应用效果

所制备的纤维状陶瓷纳米滤膜与现有氧化铝陶瓷颗粒制备的非对称多孔陶瓷滤膜相比，相同条件下，平均透水率提高1 倍以上。纤维状陶瓷纳米滤膜相比于颗粒状陶瓷纳米滤膜，不仅药液杂质的去除率高，而且精制效果明显好，还优于传统的水醇法，避免了有机溶剂乙醇的使用，缩短了生产周期，降低了生产成本。

长时间运行下，纤维状陶瓷纳米滤膜的膜通量稳定性好，经过1.5h 后膜通量基本稳定，再生方便、效率高，可使其纯水渗透通量恢复到初始水通量的86%，而颗粒状陶瓷纳米滤膜的纯水渗透通量能恢复到71%。

3 气固分离用过滤介质

气-固分离是在化工、冶金、煤炭、水泥及环保等行业中频繁涉及的分离过程，特别是气体中PM2.5 的去除、高温气体中固态粒子的脱除和回收。这就对气-固分离用过滤介质的高效、可靠、耐温和安全性提出了更高的要求［11］。

3.1 高温过滤元件

高温气体过滤除尘技术的核心是高温过滤材料，由于在高温、高腐蚀性气体中工作，因此对过滤材料要求很高，必须满足过滤特性、使用寿命及价格等多方面的要求。

3.1.1 金属烧结过滤介质

由金属多孔材料制成的试管式过滤元件可分为金属粉末烧结、金属纤维烧结及金属丝网烧结等类型。金属粉末烧结过滤元件的孔隙率约为30%～35%，有单层均质结构和双层非对称结构。例如在铁铝材粉末材料滤管表面加上氧化铝膜层既可以避免细粉尘沉积，也可防止滤管支撑体腐蚀。金属纤维烧结过滤元件是由直径2～40μm的金属短纤维烧结而成，其孔隙率达50%～87%，可在600℃下长期使用，还可通过折叠增加单根滤管的过滤面积。金属丝网烧结过滤管是由金属板网、粗金属纤维和细金属纤维3 层复合组成，经高温真空烧结成一体的过滤元件，具有易于脉冲反吹清灰、过滤阻力低及过滤精度高等特点［12］。

3.1.2 多孔陶瓷过滤介质

陶瓷材料因具有优良的热稳定性和化学稳定性，可在高达1 000℃工况下工作，并且在氧化、还原等高温环境中具有很好的抗腐蚀性而成为高温气体除尘的优良选材［13］。

陶瓷纤维类过滤元件可分为陶瓷滤袋和刚性陶瓷滤管。陶瓷滤袋由于脉冲反吹引起振动而影响其使用寿命，一般适用于370℃的工况。刚性陶瓷滤管具有孔隙率较高、质量较轻、阻力较小及不易受到热冲击等特点，可耐850℃高温，实际使用温度多在500℃以下。陶瓷纤维种类有氧化铝纤维、莫来石纤维、堇青石纤维、碳化硅纤维及硅酸铝纤维等。表3 是K D Noss/Tri-mer 公司给出的陶瓷纤维过滤器在5 种生产工艺中对微粒子与PM2.5 的截留效率。

表3 陶瓷纤维过滤器对微粒子与PM2.5 的截留效率

3.1.3 催化过滤介质

近年来，针对烟气中颗粒物分离和降低NOx排放的要求，利用氨法选择性催化还原（NH3-SCR）技术，以粉末烧结陶瓷过滤管为载体，研制出了具有催化与过滤双重功能的过滤管，可以同时去除高温气体的氮氧化物和颗粒物。 Pall 公司在试管式滤管支撑体外表面覆上一层TiO2-V2O5-WO3催化剂，然后再在催化剂层外面覆上过滤膜层，以避免气体中的颗粒在催化剂内沉积，采用该滤管（图7）实现了250～350℃范围内气体中颗粒物分离和脱硝一体化，即图8 所示的催化过滤过程，在烟气处理、生物质气化等领域具有重要的应用前景［14］。

图7 催化与过滤复合管结构

图8 催化过滤过程示意图

3.2 非织造滤料

3.2.1 结构特点

非织造滤料为采用非织造技术直接将纤维制成的滤料，通过机械、化学、热压或其组合方式将纤维结合成布状物。纤维互相交叉，形成的孔隙不规则，孔隙率有的可高达80%。如表面进行特殊处理，可形成形状多样而排列不规则的孔。由于纤维互相交叉排列，形成三维结构，就能在低压差下过滤截留微小颗粒，截留精度高，阻力小，纳污量大。

非织造滤料以其优良的过滤效率、高产量、低成本，与其他滤料复合容易在生产线上进行打褶、折叠以及模压成型等深加工处理的优点，在除尘方面得到广泛应用［11，15］。

3.2.2 发展状况［11，15，16］

为避免粉尘爆炸，防静电滤料、阻燃滤料的开发和应用越来越广。其原理是将导电铝膜、导电高分子及导电纤维（不锈钢金属纤维丝、碳纤维）等覆于滤材表面或混纺于滤材层中，将需处理的含静电粉尘的静电导入大地；在滤料中加入阻燃剂，使滤料具有阻燃性能。

过滤精度高、再生性能好的覆膜滤料的开发应用。覆膜滤料是用两种或两种以上各具特点滤料复合成一体，常用的覆膜滤料主要有聚酯（PET）、聚丙烯（PP）、芳纶（Nomax）、聚四氟乙烯（PTFE）及玻璃纤维等针刺毡（或机织布基底上）覆以聚四氟乙烯膨体微孔薄膜，覆合方式分为黏合剂覆合和热压覆合。在针刺滤料或机织滤料表面覆以微孔薄膜滤料可实现表面过滤，使粉尘只停留于表面、容易脱落，提高了过滤物的剥离性。覆膜滤料性能优异，截留精度高，压降小、高通量、易清灰且寿命长。

耐温非织造滤料的应用。在现代工业生产中，高温含尘气体的净化除尘领域十分广泛，满足日益增长的高温烟尘过滤的要求，有着重要的意义。目前，耐高温非织造滤料主要采用耐高温纤维制成的针刺过滤材料，这类滤材多呈三维结构，孔隙小而孔隙率大，过滤效率高，因此应用越来越广泛。可耐200～300℃温度范围的耐温非织造滤料主要有：芳香族聚酰胺（芳纶）、聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯纤维（PTFE，Teflon）、聚砜酰胺纤维（芳砜纶，PST）及玻璃纤维等。另外，还有不同耐温纤维复合在一起的滤料。

3.2.3 性能测试方法的技术标准

为了解决我国一直没有针对分离机械用非织造滤料性能测试方法的技术标准，出现在研发、制造、质检、选择及应用等环节中无据可依、无章可循的问题。2015～2016 年，在对非织造滤料类过滤介质的研究和大量验证测试工作的基础上，以上海化工研究院、天津大学和合肥通用院为主的多家单位参加起草《分离机械用柔性非织造过滤介质过滤性能测试方法》标准，2018 年得以发布，该标准涉及测试方法的项目包括［17］：

a. 孔径及孔径分布；

b. 液固分离用非织造过滤介质性能——透水阻力，流量-压降性能，纳污量，截留精度，再生性能；

c. 气固分离用非织造过滤介质性能——容尘量和计重效率，透气阻力，风量-压降，截留效率，在线再生性能。