多孔陶瓷過濾器特性及應(yīng)用

　1、概述
　　多孔陶瓷是一種以耐火原料為骨料,配以結(jié)合劑等經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而制成的陶瓷過濾材料,其結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有大量慣通的、可控孔徑的微細(xì)氣孔。它除具有耐高溫、高壓,耐酸、堿腐蝕等特性外,還具有孔徑均勻、透氣性高等特點,因此可廣泛用作過濾、分離、布?xì)夂拖舨牧?。國外?0年代起,就開始應(yīng)用多孔陶瓷做過濾元件,用于上、下水凈化,地下鉆井含水層中的泥砂過濾,各種飲用水、礦泉水除菌,含油氣體凈化等,目前產(chǎn)品已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。國內(nèi)對多孔陶瓷在過濾技術(shù)中的應(yīng)用研究雖起步較晚,但目前以多孔陶瓷為過濾元件的陶瓷過濾器,已在各行業(yè)的分離、凈化領(lǐng)域中得到較全面的推廣應(yīng)用。如石化行業(yè)中液—固、氣—固分離,制藥、釀造行業(yè)中的無菌凈化處理,環(huán)保行業(yè)中高溫?zé)煔獬龎m等。目前,陶瓷過濾器以其獨特的功能特性,在各分離、凈化領(lǐng)域中已成為一種不可替代的產(chǎn)品。

　2、多孔陶瓷過濾元件
　　2.1 多孔陶瓷過濾材料性能多孔陶瓷材質(zhì)、規(guī)格種類繁多。其中國外生產(chǎn)的多孔陶瓷材料材質(zhì)主要有硅酸鋁質(zhì)、粘土質(zhì)、剛玉質(zhì)、石英質(zhì)、碳化硅質(zhì)和硅藻土質(zhì)等。國內(nèi)生產(chǎn)的主要有剛玉質(zhì)、石英質(zhì)和硅藻土質(zhì)。其主要性能如表1所示?！?/p>

　　 孔徑:表明制品開口氣孔大小,這里是指制品的最大開口直徑。多孔陶瓷過濾元件孔徑可分為1, 5, 10, 20, 30, 50, 80, 100, 120,150, 200, 250, 300μm系列。

　　 氣孔率ε:制品中開口氣孔體積占總體積的百分比V開口/V總×100%。

　　 透氣性K:是指在10Pa壓差下,在單位時間(h)內(nèi)通過厚度為1cm、面積為1m²的多孔陶瓷的干式氣體量(m³)。

　　 耐酸性:多孔陶瓷制品經(jīng)20%硫酸溶液煮沸1h后其彎曲強度與腐蝕前彎曲強度百分比。

　　 耐堿性:多孔陶瓷制品經(jīng)20%NaOH溶液煮沸1h后,其彎曲強度與腐蝕前彎曲強度百分比。

　　 耐溫性:多孔陶瓷制品抵抗溫度變化而不破壞的能力。

　　2.2、多孔陶瓷過濾材料主要特點
　　 (1)多孔陶瓷過濾材料孔隙率高,最高可達(dá)60%以上?？讖骄鶆蚯乙子诳刂?。過濾精度高,可達(dá)0.1μm,適用于各種介質(zhì)精密過濾。
　　 (2)耐酸堿性好?？蛇m用于強酸(硫酸、硝酸、鹽酸)、強堿(氫氧化鈉等)和各種有機溶劑的過濾。
　　 (3)機械強度高,工作壓力可達(dá)6MPa,壓差可達(dá)1MPa。
　　 (4)耐高溫,具有良好的急熱急冷性能,工作溫度最高可達(dá)800℃。適用于各種高溫氣體過濾。
　　 (5)過濾元件自身清潔狀態(tài)好,無毒、無味、無異物脫落,可適用于無菌處理操作。
　　 (6)過濾元件使用壽命長,長期使用,微孔形貌不發(fā)生變化,便于清洗再生。

　　2.3、多孔陶瓷過濾元件過濾原理：多孔陶瓷的過濾是集吸附、表面過濾和深層過濾相結(jié)合的一種過濾方式。對于液—固、氣—固系統(tǒng)的過濾與分離來講,其過濾機理主要為慣性沖撞、擴散和截留,如圖1所示。
　　慣性沖撞:流經(jīng)多孔陶瓷過濾元件微孔孔道的流體中的雜質(zhì)顆粒,由于慣性而與微孔孔道壁接觸而被捕捉。慣性沖撞與雜質(zhì)顆粒直徑的平方成正比,與流速及流體粘度成反比。擴散:雜質(zhì)顆粒由于布朗運動而離開流線和微孔孔道壁接觸,從而被捕捉。擴散捕捉與流速及流體粘度成反比。

　　截留:雜質(zhì)顆粒由于比微孔孔道大而被捕捉,屬表面過濾。截留只與雜質(zhì)顆粒的大小有關(guān),而與流速、流體粘度無關(guān)。
　　當(dāng)流體流經(jīng)多孔陶瓷過濾元件時,大于過濾元件微孔孔徑的顆粒被截留在表面形成濾餅層,小于多孔陶瓷孔徑的顆粒由于慣性和受布朗運動影響而離開流線同微孔道壁接觸,仍有部分顆粒被截留在表面或沉積在多孔陶瓷孔道內(nèi)。由于多孔陶瓷微孔通道迂回曲折,加上流體介質(zhì)在多孔陶瓷表面形成的架橋效應(yīng)及慣性沖撞和布朗運動影響,因此其過濾精度要比本身孔徑高得多。如孔徑10μm的多孔陶瓷過濾元件,當(dāng)過濾介質(zhì)為液體時,其過濾精度為1μm;當(dāng)過濾介質(zhì)為氣體時,其過濾精度達(dá)0.5μm。
　　陶瓷過濾器運行一定周期后,由于過濾元件內(nèi)部通道可能被流體介質(zhì)中顆粒雜質(zhì)堵塞,表面濾餅層增厚,導(dǎo)致過濾阻力增大,流速降低,這時可通過氣體反吹、液體反洗或氣—液混洗的方式再生,從而使其基本恢復(fù)到初始狀態(tài)的水平,如圖2所示。因此定時反吹、反洗,能大大延長多孔陶瓷過濾元件的使用壽命。

　3、多孔陶瓷過濾器

　　3.1 陶瓷過濾器的組裝結(jié)構(gòu)
　　陶瓷過濾器主要由多孔陶瓷過濾元件、拉桿、花板和殼體組成。根據(jù)過濾元件的規(guī)格、形狀不同和過濾方式不同,過濾器的組裝結(jié)構(gòu)主要有板式、單管式和多管式等,其中多管式陶瓷過濾器應(yīng)用較廣。圖3、圖4所示為多管式陶瓷過濾器中最常用的兩種組裝結(jié)構(gòu)。

　　圖3所示的燭形陶瓷過濾器安裝較方便,密封性好,適用于安裝小口徑的陶瓷過濾元件,過濾面積大,可以達(dá)到20m²。但該結(jié)構(gòu)過濾元件抗機械沖擊、熱沖擊的性能較差,因此適用于低壓流體過濾。圖4所示的拉桿式陶瓷器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但抗機械沖擊、熱沖擊性能好,可適用于各種介質(zhì)過濾。

　　3.2 陶瓷過濾器過濾效率主要影響因素
　　(1)過濾精度:是指能夠濾除流體介質(zhì)中最小固體雜質(zhì)顆粒的粒徑大小,單位μm。對于陶瓷過濾器,其過濾精度可達(dá)到0.1μm。影響陶瓷過濾器過濾精度的主要因素是多孔陶瓷過濾元件的最大微孔直徑。對于同一流體介質(zhì)來說,孔徑愈小,則過濾精度愈高,反之愈低。其次,工作壓力對過濾精度也有微弱影響。一般來講,對液體介質(zhì),其能過濾掉的雜質(zhì)顆粒大小約為陶瓷過濾元件孔徑的1/5—1/10。對氣體介質(zhì),由于布朗運動在氣體中比液體中活潑,擴散捕捉作用增大,其截留雜質(zhì)顆粒大小約為過濾元件孔徑的1/15—1/25。
　　(2)過濾速率Q:即單位時間內(nèi)通過陶瓷過濾器的流體介質(zhì)流量,單位m³/h。由于多孔陶瓷的過濾是一種集慣性沖撞、擴散和截留相結(jié)合的過濾方式,因此,流體介質(zhì)的粘度、介質(zhì)工作壓力、過濾元件本身的微孔性能等對其過濾速率都有較大影響。理論上有

　　K—透氣系數(shù);
　　D—過濾元件微孔直徑;
　　l—過濾元件厚度;
　　η—流體介質(zhì)粘度。
　　由上式可見,多孔陶瓷孔徑愈大,孔隙率愈高,工作壓差愈大,則流量愈大;而隨著多孔陶瓷壁厚增加,粘度增大,流量迅速減小。圖5、圖6分別為某陶瓷過濾器的純水透過量和氮氣透過量曲線。

　4、陶瓷過濾器的主要應(yīng)用
　　4.1 液體過濾
　　(1)化工液體過濾。主要用于化學(xué)工業(yè)中酸、堿性液體過濾,石化行業(yè)中航空煤油、柴油過濾,各種有機液體過濾等。如化纖行業(yè)中丙烯腈單體過濾,合成橡膠工業(yè)中丁基鋁催化劑過濾。制藥行業(yè)中的青霉素、鏈霉素等針劑過濾。
　　洛陽石油化工總廠油品車間采用20—30μm的石英質(zhì)陶瓷過濾管進行航空煤油過濾,其過濾精度為0.8μm,濾速達(dá)10m³/h以上,運行三年來,效果一直很好。天津堿廠采用剛玉質(zhì)陶瓷過濾管進行碳酸鎂液過濾,濾速也達(dá)到1m³/h,長期運行,效果很好。采用陶瓷過濾器進行液體過濾與相同介質(zhì)過濾的板框壓濾機相比,投資可減少40%以上,效率提高2—4倍。
　　(2)水過濾。主要用于工業(yè)廢水處理,生活用水、礦泉水、超純水的制備等。如采用孔徑80—100μm多孔陶瓷過濾器進行工業(yè)廢水處理,處理能力為10—20m³/m²h,過濾精度5μm,懸浮物去除率>95%。采用孔徑2—4μm的硅藻土質(zhì)陶瓷過濾器進行生活用水、礦泉水的無菌處理,濾速可達(dá)到2—3m³/m²h。采用孔徑為0.8—2μm的陶瓷過濾器,可以做醫(yī)用消毒液的消毒過濾,以及電子行業(yè)和光學(xué)透鏡研磨用純水和超純水制備。
　　4.2 氣體過濾
　　主要用于各種壓縮氣體含油、雜質(zhì)的處理,化工催化氣體精濾,制藥、釀造行業(yè)中無菌空氣凈化以及高溫?zé)煔獬龎m等。如采用陶瓷過濾器進行風(fēng)機、壓縮機含油氣體處理,凈化后氣體含油量小于15ppm,去除效率99%以上。采用孔徑60—80μm陶瓷過濾器,可進行石化行業(yè)中干氣過濾。采用孔徑20μm的陶瓷過濾器可進行制藥、啤酒等行業(yè)發(fā)酵用無菌空氣處理。采用40—60μm的陶瓷過濾器則可進行高溫?zé)煔馊缁F爐、PFBC燃煤鍋爐排放煙氣的除塵凈化,工作溫度可達(dá)800℃,3μm以上塵埃粒子去除效率≥99%,而阻力降<5Pa。同樣,采用陶瓷過濾器還可進行水霧分離、氣體分離等。
　　此外,多孔陶瓷過濾元件還可用作布?xì)獠牧?。如發(fā)酵工業(yè)中利用嗜氣性細(xì)菌時,采用多孔陶瓷管(或板)吹入空氣。污水處理中,采用多孔陶瓷曝氣板進行充氧曝氣。上、下水殺菌時,吹入氯氣、臭氧等。多孔陶瓷過濾元件還可以做各種電解液的氣體發(fā)散元件,以及用做流化床和粉料輸送板等。

　5、結(jié)束語
　　多孔陶瓷及其過濾器以其自身具有的諸多優(yōu)點,使其在相當(dāng)廣的范圍內(nèi)能有效地替代傳統(tǒng)的過濾材料,如尼龍篩網(wǎng)、纖維濾布、多孔塑料和粉末冶金多孔材料等,并開拓了這些材料所不能應(yīng)用的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見,隨著多孔陶瓷材料及過濾技術(shù)的不斷提高,多孔陶瓷過濾器將會自成體系,在我國的氣體分離、凈化和液體精濾方面起非常重要的作用。但縱觀各方面情況,目前的陶瓷過濾器在應(yīng)用方面仍存在不少問題: (1)人們對這方面認(rèn)識不足,應(yīng)用領(lǐng)域還比較窄。(2)陶瓷過濾器自動化控制和配套技術(shù)水平不高。(3)高性能的陶瓷膜過濾器尚需進一步研制開發(fā)。隨著這些問題的逐步解決,人們將會發(fā)現(xiàn),陶瓷過濾技術(shù)在我國的分離、凈化領(lǐng)域中起到舉足輕重的作用。