摘  要：简述液体澄清过滤类型以及目前工业生产上已使用的几种液体澄清过滤装置的特性，并指出这些装置存在的主要不足之处。从技术原理、技术特色和应用实例等方面重点介绍亚刚性高分子精密微孔澄清过滤技术，并通过工业碳酸钠水溶液的过滤试验证明高分子精密微孔滤材优异的过滤性能。

关键词：液体；澄清过滤；过滤类型；过滤装置；高分子精密微孔过滤

中图分类号：X 703.1     文献标识码：A     文章编号：1004-0536（2009）02-00

    在各种工业生产尤其是各类化工生产中，凡有液体参与的工艺过程都离不开液体过滤。按照过滤过程是否形成滤饼层，液体过滤可分为滤饼过滤与澄清过滤两大类。液体滤饼过滤应用领域很广，而澄清过滤也非常重要。滤液的澄清度常常直接关系生产企业的命运。对于某些工业生产，液体澄清过滤的精度往往比液饼过滤更高。

1 液体澄清过滤类型

1.1 按工艺过程中的过滤对象分类

1.1.1 原料液的澄清过滤

    有些生产工艺中的原料液往往含有固体物质，为确保终端产品的质量，这种原料液必须进行过滤以除去不需要的机械杂质。

1.1.2 中间液体的澄清过滤

    化工生产常由多道工艺过程串联起来。工艺过程中许多操作均有液体参与，易产生新的固体杂质，必须及时去除，否则会影响后续操作工艺的效率及终端产品的质量。

1.1.3 成品液的澄清过滤

    即使原料液、中间液都过滤了，由于各种原因，终端成品液中仍可能存在机械微粒杂质，出厂前必须过滤，才能成为高品位的产品。

1.1.4 均相分离前的液体澄清过滤

    许多化工单元操作属均相分离，如精镏、吸收、吸附、蒸发、结晶、萃取、干燥等传统操作，以及离子交换、电渗析、超滤、纳滤、反渗透等新型操作。为提高这些均相分离单元装置的分离效率与使用寿命以及终端产品的质量，必须对操作前的液体进行预过滤，尽量将其中的机械杂质去除。

1.2 按过滤终端要求分类

1.2.1 滤液澄清型（单一要求）

    这类过滤只对滤液的澄清度要求很高，对过滤后的滤饼没有要求；主要应用于固含量不多且固体颗粒又非常细的料液。对这些料液的澄清过滤最终很难得到干滤饼，一般只能得到固体浓浆。

1.2.2 滤液澄清-滤饼压干型（双要求）

    这类过滤主要针对固体颗粒需要回收的料液，最终的滤饼干度要高以便于运输。当然，首要要求还是滤液必须相当澄清透明。

1.2.3 滤液澄清-滤饼洗涤-滤饼压干型（三要求）

    这类过滤除了澄清滤液和干滤饼的要求外，还要对固体滤饼在最后压干前进行充分洗涤，尽量洗去滤饼内的原有滤液，使其不沾附在固体颗粒表面，则最终得到已洗涤的较干滤饼。

1.3 按滤材截留位置分类

    液体过滤技术按固体颗粒在滤材上被截留的位置可分为深层过滤技术与表面过滤技术两大类。滤饼过滤基本上都采用表面过滤技术。澄清过滤根据液体中的固含量及对澄清度的要求多数采用深层过滤技术，也有采用表面过滤技术以及先深层过滤后表面过滤或先表面过滤后深层过滤的情况。深层过滤技术的类型很多，主要有分散型与固定型（整体型）两种。

2 现有工业液体澄清过滤装置的特点

2.1 深层过滤装置

   最古老但应用最广的分散型深层过滤装置有石英砂层与无烟煤层等，这两种滤材的砂层床均有最简单的静止型、可移动与连续清洗型及能定时反洗的无阀滤池型等；较新型的有轻质塑料微球床层、纤维球床层与纤维束床层等。分散型深层过滤滤层的特点是很厚，多数为1 m左右，容渣量很大；内部孔隙率很高，毛细孔径大；液体通过床层的线速度很大，过滤过程基本都发生在滤层内部。这种滤层的最大缺点是再生时需大量反冲洗水（或其他液体）方可将其内部的渣冲洗出来，易造成水资源浪费和环境污染。而反冲洗水的回收和固体渣的处理都需要额外的附属液固过滤装置，造成投资、操作成本以及能耗的增加。

    上述几种分散型深层过滤滤层还有一个致命的弱点，即过滤效率不稳定。经过相当时间的过滤，悬浮杂质长时间积留在滤层内部易引发细菌等生物滋生。生物死亡后会产生粘稠物，使分散颗粒滤材或纤维丝滤材局部粘结成块状，而块状物之间将形成局部沟流，使过滤效率明显恶化。这些局部粘块很难被分散开，反洗再生时如果没有强力机械搅拌，过滤效率无法高效恢复。

    此外，还有整体型深层过滤装置，如聚丙烯喷熔滤芯、聚丙烯绒线绕线式滤芯及纤维粘结滤芯等。这些滤芯的孔隙率也相当大，每一根滤芯可截留不少固体杂质，但处理的液体量较小，且无法反洗再生，一旦严重堵塞就要更换。整体型深层滤芯的使用寿命短，用量很大，易造成资源与能源的浪费，故不值得推广使用。

2.2 表面过滤装置

    表面过滤基本上适用于能形成一定厚度滤饼的过滤，过滤装置一般是编制的滤布、滤网等薄层滤材。由于滤布与滤网的孔径均较粗，细颗粒固体易穿漏而造成滤液的澄清度不高，故不适用于颗粒较细且含量少的液体澄清过滤。一些非编制的较厚无纺绒布已用于液体澄清过滤，其孔径较编制的滤布或滤网小，因而过滤效率更高。但无纺绒布的孔隙仍比较大，细颗粒固体杂质易深入到其深层，很难用液体反洗进行高效再生，导致其使用寿命也相当短，操作成本也较高。

    国内外一些公司将微孔膜技术用于液体澄清过滤。超细滤纸在国内许多企业中也有应用。这两种滤材大多采用折叠式滤芯，过滤效率和过滤精度均很高。微孔膜滤芯无法再生，一旦堵塞即废弃换新，使用成本很高，目前主要用于对滤液澄清度要求非常高的注射药液与某些食品饮料的澄清过滤。国内也有少数几个公司将微孔膜大规模用于液体澄清过滤，但由于规模大，滤膜无法制成折叠式，只能将微孔膜套装在刚性多孔管外面而成为管式过滤器。虽然这些管式膜过滤器的过滤精度与效率很高，但微孔膜很薄，抗拉强度差，易损坏；而且滤饼干度低，只能得到固体浓浆，另需其他压滤机进行压干。此外，微孔膜的毛细孔一旦被细颗粒堵塞，无法用简单方法再生（除非经常化学再生，而许多杂质难以化学溶解），一遇严重堵塞就必须更换。加上微孔膜价格昂贵，使用成本很高，故采用微孔膜管式过滤器进行大规模液体澄清过滤并不适用于国内的工业生产。纸质滤芯虽比微孔膜便宜，但寿命更短，且纤维易脱落而影响产品质量，更不适合用来大规模澄清过滤液体。

3 高分子精密微孔过滤新技术

3.1 技术原理

    高分子精密微孔过滤新技术已成功应用于许多高固含量液体的精密滤饼过滤（包括滤饼洗涤与压干），以及低固含量液体的精密澄清过滤。精密微孔过滤技术的核心是亚刚性的高分子烧结微孔滤材，目前已开发出多种，工业生产上广泛使用的是微孔PE与微孔PA两类。

    亚刚性的高分子烧结微孔滤材的本体结构为蜂窝型，其毛细孔纵横贯通，在过滤过程中尺寸很稳定。这类滤材的毛细孔尺寸比滤布或滤网的小得多，但比微孔膜的大；滤材的厚度比微孔膜、滤布或滤网厚，但比固定型或分散型深层过滤滤材要薄得多。高分子精密微孔过滤技术既不是“表面过滤”，也不是“深层过滤”，而是“表层过滤”。它的过滤现象是大孔径毛细孔过滤小颗粒，而不是小孔径毛细孔过滤大颗粒；过滤机理是表层吸附与孔口架桥为主，表面机械筛滤为辅。

3.2 技术特色

3.2.1 高过滤精度与过滤效率

    由于高分子精密微孔过滤原理主要依靠吸附，即使尺寸较大的毛细孔也能截滤住比孔径小得多的微粒（一般水溶液中0.3 μm微粒的过滤效率可接近100%），因此绝大多数液体经一次过滤就可得到清彻透明的滤液。

3.2.2 滤材的高物理再生效率

    由于依靠表层吸附过滤，被截留的固体微粒处于表层之内而不是截留在滤材深层，采用简单的物理再生方法（流体快速反吹法）即可将表层截留的微粒绝大部分吹扫除去，而且再生效率很高，一般超过95%～98%。借助此再生技术，高分子精密微孔滤材可连续使用二年以上；若辅以有限的化学再生，则滤材至少可使用五年以上。

3.2.3 简单方便的干滤饼卸除

    对于绝大部分滤材，从其表面卸除粘细微粒形成的滤饼都相当困难。粘细的滤饼一旦粘压在滤材上就很难脱落，必须采用机械方法进行刮渣、推渣或通过强烈振动进行卸除。但有些滤饼的粘性特别大，即使采用上述机械方法卸渣，在滤材表面仍会残留一层；尤其是柔软滤布，用机械方法几乎无法高效卸除滤饼。而亚刚性的高分子微孔滤材采用压缩空气快速反吹法卸渣，空气从微孔滤材表面的毛细孔中以声速或超声速向外喷射，可将绝大部分粘细滤饼推开，使其脱落到过滤机壳体外面。这种卸除干滤饼的方法既快速又简便，效率相当高。

3.2.4 滤材优异的化学性能

    除了强氧化剂，滤材在100 ℃以下可耐各种有机酸、无机酸、碱、盐及其他溶液，90 ℃以下可耐绝大部分有机溶剂。

3.2.5 其他特色

    高分子精密微孔滤材的其他优点有：材料很轻，比重接近1；安装与检修较轻便；机械性能中等，如微孔PE与PA；抗冲击性能相当好，不易损坏；所组装的精密微孔澄清过滤机的结构较简单，可内衬塑料或橡胶，防腐性能相当好。主要缺点是耐高温性能较差，一般不能超过100 ℃；耐强氧化剂性能较差，这是高分子材料的致命弱点，目前材质的抗氧化性能改善试验正在进行中。尽管有以上两大缺点，但高分子精密微孔滤材在工业生产上尤其是化工生产上的应用仍非常广。

3.3 在工业生产上的成功应用

    高分子精密微孔过滤技术诞生三十年以来，已大量用于液体的精密澄清过滤，主要是原料液（包括水）、中间液和成品液的过滤，也有许多是电渗析、离子交换、超滤、纳滤、反渗透、电解、吸附、吸收、精馏、结晶、蒸发等化工单元操作前液体的精密预过滤。

    高分子精密微孔过滤技术用于氯碱生产上饱和盐水的二次精密过滤已在国内广泛推广。二次精密过滤前盐水悬浮物浓度为10～20 mg/L，经高分子精密微孔过滤，降至1 mg/L以下，盐水溶液清彻透明（过滤前盐水中不仅有CaCO ₃与Mg(OH)2等主要悬浮物，甚至还有Fe(OH) ₃等微粒）。二次精密过滤的平均滤速与过滤前悬浮物的浓度有关，一般可达0.4～0.6 m ³/(m2·h)；在大多生产企业中的处理规模一般为20～200 m ³/h，有些厂家的使用规模更大。国内另一应用规模很大的高分子精密微孔澄清过滤是人造丝生产过程中凝固酸浴的精密过滤，该酸浴的主要成分为50%硫酸，所含悬浮物为极细单体硫与不溶性硫化物。过滤前液体悬浮物浓度为60～70 mg/L，过滤后则不超过1 mg/L，滤液清彻透明。全国有几十家大中型企业几乎都采用此技术，应用规模均在200～300 m ³/h，有的厂家甚至超过400 m ³/h。

    在高分子精密微孔过滤技术诞生之前，无论是氯碱生产上的饱和盐水还是人造丝生产上的酸浴，几乎都采用传统的石英砂过滤，滤液质量无法保证，且需大量反洗用水，不仅造成原料液损失和耗水量大，还产生大量污水，尤其是酸浴过滤往往排放1000 t/d以上的含硫酸性废水，对环境破坏极其严重。采用高分子精密微孔过滤技术则滤液的质量不会随生产条件的变化而变化，始终清彻透明，且滤材再生时原料液损失极少，反吹再生也无须消耗大量水；如用于酸浴过滤，还可排出较干的含硫磺滤饼。

    除了上述两大应用实例，已长期大量应用高分子精密微孔过滤技术的还有成品糖液（如低聚糖、葡萄糖、果糖等），液体化工产品（如双氰胺、山梨醇、乳酸、碳酸氢钠、柠檬酸、磷酸、磷酸盐、草酸等），有色金属化工溶液（硫酸镍、硫酸钴、硝酸铈、硫酸铝等），以及生产上的中间液（如化肥生产上的铜氨液、脱炭液、脱硫液、腈纶生产上的硫腈酸钠液等）。其他化工单元操作前的精密预过滤也经常采用高分子精密微孔过滤技术，如离子交换和用于水质净化的反渗透均已长期连续应用高分子精密微孔过滤技术进行液体的预过滤。

3.4 过滤性能试验

    采用三种不同精度规格的微孔滤材分别对两种工业碳酸钠水溶液（将300 g或400 g市购工业碳酸钠溶于1 L自来水中）进行过滤试验，连续过滤时间达15小时以上，液体透光率由高精度的分光光度计测量（吸收光波长为700 nm）。所配制的两种不同浓度碳酸钠水溶液均相当混浊，基本物理参数见表1；所含固体悬浮微粒非常细，经激光粒度仪测定，其粒径分布见表2。试验结果如表3所示。

表1 两种碳酸钠溶液的物理性能参数

                表2 碳酸钠溶液中固体微粒的粒径分布          μm

表3 两种工业碳酸钠水溶液采用三种不同精度规格滤材的过滤效果

（*长时间过滤后全部滤液混合后的透光率测定值）

表3中，经2 μm规格的高分子微孔滤材过滤得到的滤液透光率只有92%～93%，而采用1 μm规格的滤材即可将滤液透光率提高至98%以上，采用0.5 μm规格的则可提高至99%以上。2 μm与1 μm规格的滤材平均滤速均较快，而同样压差下0.5 μm规格的滤材平均滤速却明显降低。0.5 μm规格的滤材可将溶液中最细的微粒全部截留，由于微粒非常细，故平均滤速相当慢；过滤15小时，滤饼厚度可达到4 mm。经高分子微孔滤材过滤后滤液的澄清度很高，可见此过滤技术的优异性。

4 结  语

    经过多年的开发研究和推广，高分子精密微孔过滤技术已在国内液体澄清过滤领域得到广泛应用。实践证明，高分子精密微孔过滤技术是一种节能减排的过滤技术，过滤效率高，滤材可长期使用，且再生简单方便，可使工业产品的质量和收率显著提高，成本大幅降低。

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