固液分離設(shè)備技術(shù)發(fā)展趨勢
行業(yè)動態(tài)
近十幾年來，隨著物料脫水技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，“脫水”，尤其是“過濾”已幾乎存在于各個工業(yè)領(lǐng)域和環(huán)保過程。很多要求固液分離的漿體中的固形物顆粒粒度都很細，且有越來越細之勢。而且總的發(fā)展趨勢是要求濾液的高澄清度和濾渣的低含濕量，以減少干燥和進一步處理的工作量、降低固液分離成本。突出的對象是工業(yè)廢水、市政污水和污泥的脫水，這種料漿的濃度是很?。?.3%～1.0%），要先濃縮至3%～10%，而后進行預脫水，可由1%～5%濃縮至18%～40%，再用真空過濾、壓濾、離心機等進行二次脫水。這就使得固液分離技術(shù)面臨前所未有的挑戰(zhàn)，同時也就促使整個固液分離技術(shù)和設(shè)備圍繞這些挑戰(zhàn)而迅速發(fā)展。
當前除常用的固液分離設(shè)備與技術(shù)如真空過濾機和壓濾機，過濾和沉降離心機，普通沉降濃密機（強化和高效濃度機），普通澄清機，有預涂層的過濾機、壓濾機和深層床過濾機，上向式分離的氣浮機，篩分、水力旋流器、磁分離、泡沫浮選以及凝聚和絮凝、助凝劑、洗滌、過濾介質(zhì)及其選擇等以外，面對微細料漿的微濾和膜濾，則是近十年來重要的研究和發(fā)展方向，從近幾屆的 過濾大會可看出，會中膜濾成膜技術(shù)的比例與年俱增。
可以說固液分離技術(shù)正處于方興未艾的發(fā)展期，又非常繁雜，很難清理出簡單的方向，本文分析了所了解的資料，認為脫水技術(shù)和設(shè)備大致有如下的發(fā)展趨勢。
1 在不太增加能耗的前提下發(fā)展和改進各種壓濾機
為降低濾渣的濕含量和降低脫水總成本，促進各式壓濾機的發(fā)展，同時基于對濾餅尤其是可壓縮濾餅性質(zhì)的深入研究，更加重視和發(fā)展濾餅的壓榨或壓縮技術(shù)。間斷式板框壓濾機仍在材料、板框結(jié)構(gòu)、進出口布置、過濾介質(zhì)、提高和合理采用過濾壓力以及過濾機理等多方面進行研究和改進，例如提出了板框壓濾機是半橫流式而非端式、“零壓”過濾等觀點；帶式壓濾機以其連續(xù)工作的優(yōu)越性和大量處理污泥的需要在國外得到很大的發(fā)展，尤其在結(jié)構(gòu)上，包括脫水輥和擠壓輥的大小、個數(shù)和布置等。為大幅度降低濾渣含濕率，壓榨機已進入脫水設(shè)備行列，并正在改進和發(fā)展。
間斷式板框壓濾機仍是主要的壓濾機，國內(nèi)外產(chǎn)量均很大。提高板框壓濾機的工作壓力是降低濾餅水分的重要措施，國外的板框式壓濾機的工作壓力，一般為0.6～1.4MPa，可達2.5MPa或更高一些，例如達7MPa。為此需從材料和結(jié)構(gòu)上加強板框的可承壓能力，例如除鑄鐵外，采用不銹鋼或涂有合成樹脂膜的鋁合金、青銅，特別適于海水，錫-鋅青銅適于釀造業(yè)，聚丙烯（PP）或聚乙烯（PVC）、CPVC板框質(zhì)量輕等。國外的濾板不僅可承受2.0～2.5MPa的壓力，而且可耐150℃以下的高溫，目前國內(nèi)還有差距。合理的板框設(shè)計是壓濾機制造的核心技術(shù)，國內(nèi)外均有一些設(shè)計用的數(shù)學模型，核心是使料漿在較低的壓力下能均勻分布在濾布上，使液體能順利透過，并使濾餅能受到擠壓和剪切。為進一步降低濾餅水分，國內(nèi)外均已發(fā)展了加有隔膜壓榨的板框壓濾機。采用薄濾餅（13～19cm），既可縮短過濾時間，又有利于降低濾餅水分，過濾終了后采用雙面隔膜壓榨（水壓或氣壓，0.6～1.5MPa），一般可再降低濾餅水分25%，形成沒有濕心的干濾餅?，F(xiàn)用隔膜多為抗溶的橡膠混合物，板框做為一體。一種用于醫(yī)藥行業(yè)的隔膜板框壓濾機是用柔性密封盒一個水力沖頭代替膜實現(xiàn)壓榨。據(jù)統(tǒng)計，隔膜板框壓濾機的過濾面積可達1800m2，濾室可達200個，濾板面積為2000mm×2000mm。脫水后再加入0.3～0.6MPa以上壓力的氣體穿透濾餅，可再大幅度降低濾餅水分，降幅可達50%。
旋轉(zhuǎn)圓筒式壓濾機的型式有多種，德國Humbolt Wedag AG的KHD圓盤式連續(xù)壓濾已為國人所熟悉；我國唐山煤研所和馬鞍山礦山研究院分別研制、生產(chǎn)的圓盤式連續(xù)壓濾機均得到較好的應(yīng)用；類似的有荷蘭Amafilter公司的KDF圓盤壓濾機，已多次介紹Karlsruhe大學對KHD過濾機的改進型是真空和高壓聯(lián)合，不過實踐已表明其優(yōu)越性不大。德國BHS公司生產(chǎn)的用于藥物、染料、食用油、農(nóng)業(yè)、有毒品、有機溶液以及纖維素礦物等過濾消毒的旋轉(zhuǎn)壓濾機，是用不銹鋼制作的，工作壓力為0.3～0.6MPa，過濾面積0.12～7.7m2，直徑可達2m，濾餅厚度2～150mm，得到較多的應(yīng)用。Krauss-maffei生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓式壓濾機，結(jié)構(gòu)很簡單，用不銹鋼制作，過濾物料粒度1～300μm，過濾面積4～20m2，處理量可達3000L/m2h，可以處理各種溶液，包括熱的、粘度大的、有毒的等。Fournier Industries生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)壓濾機專門用于處理市政和工業(yè)污泥，其結(jié)構(gòu)較特殊，污泥給到一個繞在輪子外側(cè)的方形槽子中，槽子的側(cè)壁就是旋轉(zhuǎn)過濾單元，由于槽子旋轉(zhuǎn)，輪子就是壓縮和輸送污泥，因為污泥的入料濃度較低，在排出端的阻力不大，可得到較干的濾渣。對市政污泥含固可達45%，對工業(yè)污泥可達70%，處理量約為0.3～5.0m3/h。這種設(shè)備可置于流動車上，便于使用，且成本很低。
帶式壓濾機有兩種基本型式：立式和臥式，后者隨著環(huán)保污泥的處理迅速發(fā)展。前者如Manor塔式壓濾機，在兩根運行的帶間可產(chǎn)生0.25MPa的壓力。這種壓濾機主要用于紙漿、煤泥、絮凝高嶺土的壓濾。新型塔式壓濾機的自動化程度相當高。國外各廠家的臥式帶式壓濾機的型式非常多，以Sernagiotto公司就有十幾種雙帶式壓濾機。帶式壓濾機的帶寬為0.5～3.4m。
在纖維、紙漿、蔗糖以及許多食品、飲料等的生產(chǎn)以及污泥處理中，為降低渣的濕含量而采用連續(xù)壓榨機。國外有許多過濾公司生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)壓榨機，有的稱為脫水壓縮機，型式很多。國內(nèi)也開始生產(chǎn)，基本型式是旋轉(zhuǎn)螺旋式。螺旋壓榨機是一個非常緊湊的設(shè)備，脫水、壓榨和運輸篩分全由一個螺旋來完成。螺旋安在一個多孔的機殼內(nèi)，它既是壓榨機構(gòu)也是運輸機構(gòu)，由于螺旋和機殼間的空間越來越小，物料被壓擠，其有效體積也不斷縮小，壓榨機的型式基本有兩種，一種是圓筒形外殼，螺旋的螺距逐漸減小，一種是圓錐外殼，螺旋直徑逐漸減小?？赏ㄟ^噴嘴噴入水等液體洗滌壓榨的濾渣。
2 為提高濾渣固含量和濾液澄清度，沉降離心機還有許多潛力
沉降離心機和過濾離心機是固液分離的重要設(shè)備，用途異常廣泛，發(fā)展快、品種多，國內(nèi)外的廠家都相當多。除轉(zhuǎn)鼓和螺旋結(jié)構(gòu)外，離心機在機械傳動、檢測、指示、自動控制以及密封等方面，都有許多工作可做。
過濾離心機原則上分為：間斷上懸式、自動短循環(huán)間斷式和連續(xù)輸送式等。為了滿足微細物料的脫水，上懸式的過濾介質(zhì)可用帆布、金屬絲加強布或金屬絲網(wǎng)；自動式機一般用細金屬篩網(wǎng)；連續(xù)輸送式的過濾介質(zhì)，通常是缽體自身的窄縫壁。據(jù)資料介紹，這種過濾機的濾餅水分甚至可以比壓濾機還低。但據(jù)國內(nèi)資料介紹，過濾離心機的較小截留顆粒粒度為10μm（三足式和上懸式）。
對于沉降離心機，中心問題是降低其濾液濁度和濾渣水分。微米乃至納米級料漿的濃縮和過濾是當前的極大難題，目前唯有管式離心機的給料粒度可小到0.5～50μm，據(jù)稱當前國產(chǎn)的直徑約100mm的管式離心機的轉(zhuǎn)速可達20000r/min，分離因數(shù)約達40000。
我國的離心機廠家非常重視對臥螺的改進，以降低其排液濃度和沉渣水分，分別引進法國、日本等國的技術(shù)，均有相當?shù)母倪M。據(jù)了解，目前過濾納米材料用管式離心機比較可靠，可以得到很干的濾餅和接近清水的濾液。
提高沉降離心機的沉降澄清效率的主要措施是提高離心機的轉(zhuǎn)速和螺旋扭矩，圓筒和圓錐部分的適當配合，為此需配有高質(zhì)量的速差控制器。Westfalia Separator除采用這些措施外，還用壓力卸料和向心泵排出澄清液，特別強化隔聲和密封，以防止微細顆粒彌散。這種離心機可將污水由0.5%的濃度濃縮至6%～8%。日本設(shè)計了高固體脫水離心機，他們認為延長脫水時間、采用適當?shù)碾x心力和改進缽體結(jié)構(gòu)，可以提高濾渣含固量。該機沉渣水分可比一般離心機低3%～10%，而且能耗低。原因是改進了扭矩控制系統(tǒng)，使缽體和臥螺間的速差降低至1～30r/min，這樣就延長了脫水時間，而且不會發(fā)生堵塞。
NOXON沉降式離心機具有很強的檢測和自動調(diào)整能力，其控制系統(tǒng)中存儲了多種調(diào)整曲線，可根據(jù)不同的處理污泥，選擇較佳操作條件，既可濃縮，也可澄清。
給料中加入聚電解質(zhì)可改善臥式離心機的固液分離效果。
3 復合技術(shù)正在實踐中發(fā)展
復合技術(shù)在過濾脫水中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍，文獻資料非常多，下面僅舉幾個例子。
美國生產(chǎn)的J-VAP壓濾機，將蒸發(fā)、真空技術(shù)結(jié)合在板框壓濾機上，使濾餅水分幾乎達到干燥的水平，可在55%～99%固含量范圍內(nèi)選擇。其過濾室很窄，所以初步過濾階段的時間很短，只是排除自由水，接著就用65～80%的熱水壓縮濾室，并引入真空，以使殘存的水分能蒸發(fā)，此階段的時間可根據(jù)物料性質(zhì)設(shè)定，該階段終了后即卸餅。這種壓濾機可處理特細的料漿。
Larox、Scheibler兩個過濾公司共同開發(fā)的過濾機很有特色，利用了微米和亞微米顆粒能附著在過濾介質(zhì)的纖維上的吸附現(xiàn)象，盡管這些顆粒的粒度足以通過介質(zhì)的孔隙，但這樣的料漿通過這種壓濾機后其濾液極清，固體顆粒濃度僅百萬分之幾，而且完全不需要助濾劑。過濾機用耐腐蝕、耐高溫的材料制作，過濾面積可達720m2。在實踐上可作為濃密機溢流中固體物的再回收。
在壓濾機上加電場是從處理污泥開始的，因為提高帶式壓濾機處理能力是污泥處理中的重要課題。而根據(jù)研究，各種污泥的極限脫水率都很相似，但導電率相差較大，所以，Lockchart（1986年）、Buijs（1994年）先后提出將電場引入過濾過程，其作用是：顆粒在電場作用下的電泳和液體在電場作用下的電滲，以及電流通過料漿導致的料漿溫度升高，粘度降低等。根據(jù)小型實驗的結(jié)果，濾餅含固率可由20%上升到40%。電脫水的關(guān)鍵問題是能耗大。在電場中使料漿產(chǎn)生絮凝已是成熟技術(shù)。
Hydroflow公司在離心過濾機中采用濾芯可以提高過濾去除微細顆粒的能力；美國的Heinkel公司推出的加壓過濾離心機的離心力可達2000g，通過后續(xù)的壓榨和吹氣脫水，濾餅水分可降低至0.008%，而且設(shè)備尺寸小、工作周期短、能耗低。
Hurricane離心機過濾器的結(jié)構(gòu)與旋流器相似，液流切向方式給入離心機的外室中，重顆粒在離心力作用下被甩到壁上下沉至器底，由人工或自動連續(xù)排出，隨著重顆粒的排出，較輕的顆粒和液流上升并撞到帶摺的濾芯上，顆粒就被濾芯移到旋轉(zhuǎn)流的內(nèi)室中，液流則由中央排出。
一種將篩分和離心機相結(jié)合的過濾離心機，入料由上部給料口進入，立即被分配到旋轉(zhuǎn)的篩網(wǎng)上，液體在離心力作用下穿過篩網(wǎng)進入液流區(qū)排出，固體在緩慢加快的旋轉(zhuǎn)螺旋的作用下沿篩網(wǎng)向下運行，由于篩網(wǎng)的直徑逐漸增加，離心力也逐漸增加，固體緊貼在網(wǎng)上形成薄的濾餅，被進一步擠壓脫水，但未介紹其截留粒度。
磁種過濾可用于除去特細（包括膠體）的固體顆粒，如在沉降過程中的污染物。磁種過濾的基礎(chǔ)是在磁場中顆粒間的作用力。用少量的順磁性的膠體顆粒作磁種，在高磁場中可發(fā)生異相絮凝，而且絮團有順磁性，便可以在高梯度磁濾中被分離出來。進一步的發(fā)展是磁種不僅絮凝順磁性顆粒，而且也絮凝非順磁性顆粒，用于危險廢水處理。
4 膜濾技術(shù)蓬勃發(fā)展
由于需要脫水的物料的固形顆粒越來越小，納米級料漿的脫水成為突出的課題，過濾正在蓬勃發(fā)展，包括濾膜和設(shè)備。
膜濾是一個籠統(tǒng)的概念，確切地說是膜技術(shù)，包括微濾、超濾、反滲透、納濾以及離子交換等，膜的孔徑：反滲透膜小至0.5～1.5nm，納濾膜分離為1.5～3.0nm，超濾膜分離范圍為0.002～0.2μm，微濾膜分離范圍為0.002～2.0μm。膜濾已是一個專門學科，在理論上和技術(shù)上都相當豐富，雖然整個膜濾的確是固液分離的重要組成部分，但本文在此不想多涉及，按分離粒度本文只涉及微濾至超濾（微濾截留粒度0.1～10μm，超濾大約為0.001～0.1μm），以下簡稱它們?yōu)槲⒓毼锪?，本?jié)主要是介紹處理這種料漿的過濾方法和設(shè)備。又由于過濾介質(zhì)是過濾機的心臟，所以將主要介紹過濾這種物料的介質(zhì)，其種類很多，其中微濾膜有更 的分離結(jié)果，微孔膜的孔徑標準一般為0.1、0.2、0.45、0.65、0.3μm和5μm，也可做成10μm。制作微孔膜的方法很多，因此其種類也很多，目前國內(nèi)外商品化的微孔膜主要有混合纖維素酯、再生纖維素、聚氯乙烯、聚酰胺、芳香聚酰胺、聚硫聚四氟乙烯、改性丙烯酸聚合物等微孔膜。各種膜均可做成各式的膜組件，有平板式、卷式、中空式、折疊式、管式等，再將組件做成設(shè)備或裝置。
隨著處理物料的細化和超細化，微孔過濾介質(zhì)得到蓬勃的發(fā)展，微濾介質(zhì)種類很多，除微濾膜外，主要的有各種濾芯、燒結(jié)微孔過濾介質(zhì)和復合膜微孔過濾介質(zhì)。
濾芯的應(yīng)用場合很多，從氣體、液體到多種油類，濾芯的種類雖極多，但其實質(zhì)就是各種滲透性材料用不同的方式做成的管式微孔過濾介質(zhì)，同時也就是一類過濾器，濾管的形式有纏繞式、微孔式、折疊式、組裝式等，管的一端封閉，一端開啟，流體從管外表面流向管內(nèi)，雜質(zhì)滯留在管外表面，經(jīng)過清洗可再生。隨著處理物料的細化和超細化，微孔過濾介質(zhì)得到蓬勃的發(fā)展，微濾介質(zhì)種類很多，除微濾膜外，主要的有各種濾芯、燒結(jié)微孔過濾介質(zhì)和復合膜微孔過濾介質(zhì)。較常用的是纏繞式濾芯，它們是用棉、聚丙烯、玻璃和金屬絲等纖維制成外松內(nèi)緊的交叉結(jié)構(gòu)，具有許多曲折的蜂窩狀的微細孔道，標準的纏繞式濾芯內(nèi)徑為Φ29mm，外徑Φ60～70mm、長度250mm。濾芯的過濾精度有0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、75μm、100μm、150μm。這類濾芯廣泛用于化工、精細化工、電子、醫(yī)藥、油類、超純水過濾、油田修井和注水等眾多液固過濾和氣體過濾中。其耐溫性能依骨架和繞線材料而定，不銹鋼骨架和棉線濾層的耐溫可達120℃。
濾芯雖然可以經(jīng)清洗再生，但大多數(shù)是一次性的，所以應(yīng)盡可能價廉。濾芯的工作壓力一般為0.5MPa。
復合膜微孔過濾介質(zhì)的發(fā)展，一是基于微細物料過濾的需要，一是根據(jù)微孔介質(zhì)被堵塞較小的研究結(jié)果。典型的、目前為大家熱衷的是Gore公司微孔復合膜濾布。這種濾布是在普通無紡布或機織布上，用層壓涂層的方法將聚四氟乙烯膜貼上，此聚四氟乙烯膜預先用拉伸法拉開，使之有許多微細縫隙或裂隙。這種復合膜微孔介質(zhì)的特點是孔隙很小，可至2μm以下，孔隙率高，可達80%以上；由于聚四氟乙烯可耐酸、堿，耐高溫，所以只要基布能承受的條件，這種復合布均能承受，而且更佳；由于表面光滑所以卸餅率很高。其缺點是價格較高；無論是國產(chǎn)還是Gore公司的這種復合濾布，均有復合膜較易脫落的現(xiàn)象，實際上國外主要用于氣體過濾。目前國內(nèi)已有相當生產(chǎn)規(guī)模，而且品種很多，雖然在氣、液上均有采用，但仍以氣體過濾為主，總效果尚需考察。
東北大學用凝固涂層方法研制的與上述濾布類似的新型復合膜微孔濾布，已經(jīng)通過部級鑒定，尚待與有關(guān)廠家合作生產(chǎn)出產(chǎn)品，與Gore公司濾布相比，其優(yōu)點是膜不易脫落，其他性能相當。
參照膜濾技術(shù)，現(xiàn)在已開發(fā)出涂層的微孔陶瓷、微孔高分子及微孔金屬過濾介質(zhì)，使這些介質(zhì)的孔徑可進一步減小至1～0.2μm以下。
5 其他
絮凝劑、凝聚劑和助濾劑、助濾料仍是料漿脫水的重要輔助手段，同樣過濾介質(zhì)作為過濾機的心臟也是重要的研究方面。本文限于篇幅未涉及。
6 結(jié)語
目前， 上大大小小的相關(guān)企業(yè)或公司已超過千余家，國外的脫水技術(shù)正在迅猛發(fā)展。國內(nèi)雖也有一些研究機構(gòu)和制造廠家堅持不懈地在開發(fā)新產(chǎn)品。但實事求是地說，國內(nèi)的產(chǎn)品無論在品種還是在質(zhì)量上都存在較大程度差距，缺乏創(chuàng)新和開拓，更遺憾的是缺乏研究開發(fā)人才，產(chǎn)品仿制的多，研制的少。
脫水技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，可以說是商機無限，因此國內(nèi)企業(yè)必須花大力氣迎頭趕上，逐步縮小與國外的差距。
