多孔陶瓷過(guò)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(guò)高溫?zé)Y(jié)而制成的陶瓷過(guò)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(diǎn),因此可廣泛用作過(guò)濾、分離、布?xì)夂拖舨牧稀?guó)外自50年代起,就開(kāi)始應(yīng)用多孔陶瓷做過(guò)濾元件,用于上、下水凈化,地下鉆井含水層中的泥砂過(guò)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(guó)內(nèi)對(duì)多孔陶瓷在過(guò)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(guò)濾元件的陶瓷過(guò)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(wú)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(guò)濾器以其獨(dú)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(guò)濾元件
　　2.1 多孔陶瓷過(guò)濾材料性能多孔陶瓷材質(zhì)、規(guī)格種類繁多。其中國(guó)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(guó)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。　

　　 孔徑:表明制品開(kāi)口氣孔大小,這里是指制品的最大開(kāi)口直徑。多孔陶瓷過(guò)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(kāi)口氣孔體積占總體積的百分比V開(kāi)口/V總×100%。

　　 透氣性K:是指在10Pa壓差下,在單位時(shí)間(h)內(nèi)通過(guò)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(qiáng)度與腐蝕前彎曲強(qiáng)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(qiáng)度與腐蝕前彎曲強(qiáng)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(guò)濾材料主要特點(diǎn)
　　 (1)多孔陶瓷過(guò)濾材料孔隙率高,最高可達(dá)60%以上。孔徑均勻且易于控制。過(guò)濾精度高,可達(dá)0.1μm,適用于各種介質(zhì)精密過(guò)濾。
　　 (2)耐酸堿性好?？蛇m用于強(qiáng)酸(硫酸、硝酸、鹽酸)、強(qiáng)堿(氫氧化鈉等)和各種有機(jī)溶劑的過(guò)濾。
　　 (3)機(jī)械強(qiáng)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(guò)濾。
　　 (5)過(guò)濾元件自身清潔狀態(tài)好,無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)異物脫落,可適用于無(wú)菌處理操作。
　　 (6)過(guò)濾元件使用壽命長(zhǎng),長(zhǎng)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(guò)濾元件過(guò)濾原理：多孔陶瓷的過(guò)濾是集吸附、表面過(guò)濾和深層過(guò)濾相結(jié)合的一種過(guò)濾方式。對(duì)于液—固、氣—固系統(tǒng)的過(guò)濾與分離來(lái)講,其過(guò)濾機(jī)理主要為慣性沖撞、擴(kuò)散和截留,如圖1所示。
　　慣性沖撞:流經(jīng)多孔陶瓷過(guò)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(kuò)散:雜質(zhì)顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)而離開(kāi)流線和微孔孔道壁接觸,從而被捕捉。擴(kuò)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(guò)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(wú)關(guān)。
　　當(dāng)流體流經(jīng)多孔陶瓷過(guò)濾元件時(shí),大于過(guò)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(yùn)動(dòng)影響而離開(kāi)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(yùn)動(dòng)影響,因此其過(guò)濾精度要比本身孔徑高得多。如孔徑10μm的多孔陶瓷過(guò)濾元件,當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)為液體時(shí),其過(guò)濾精度為1μm;當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)為氣體時(shí),其過(guò)濾精度達(dá)0.5μm。
　　陶瓷過(guò)濾器運(yùn)行一定周期后,由于過(guò)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(guò)濾阻力增大,流速降低,這時(shí)可通過(guò)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(shí)反吹、反洗,能大大延長(zhǎng)多孔陶瓷過(guò)濾元件的使用壽命。

　3、多孔陶瓷過(guò)濾器

　　3.1 陶瓷過(guò)濾器的組裝結(jié)構(gòu)
　　陶瓷過(guò)濾器主要由多孔陶瓷過(guò)濾元件、拉桿、花板和殼體組成。根據(jù)過(guò)濾元件的規(guī)格、形狀不同和過(guò)濾方式不同,過(guò)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(guò)濾器應(yīng)用較廣。圖3、圖4所示為多管式陶瓷過(guò)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(guò)濾器安裝較方便,密封性好,適用于安裝小口徑的陶瓷過(guò)濾元件,過(guò)濾面積大,可以達(dá)到20m²。但該結(jié)構(gòu)過(guò)濾元件抗機(jī)械沖擊、熱沖擊的性能較差,因此適用于低壓流體過(guò)濾。圖4所示的拉桿式陶瓷器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但抗機(jī)械沖擊、熱沖擊性能好,可適用于各種介質(zhì)過(guò)濾。

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

　　K—透氣系數(shù);
　　D—過(guò)濾元件微孔直徑;
　　l—過(guò)濾元件厚度;
　　η—流體介質(zhì)粘度。
　　由上式可見(jiàn),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(guò)濾器的純水透過(guò)量和氮?dú)馔高^(guò)量曲線。

　4、陶瓷過(guò)濾器的主要應(yīng)用
　　4.1 液體過(guò)濾
　　(1)化工液體過(guò)濾。主要用于化學(xué)工業(yè)中酸、堿性液體過(guò)濾,石化行業(yè)中航空煤油、柴油過(guò)濾,各種有機(jī)液體過(guò)濾等。如化纖行業(yè)中丙烯腈單體過(guò)濾,合成橡膠工業(yè)中丁基鋁催化劑過(guò)濾。制藥行業(yè)中的青霉素、鏈霉素等針劑過(guò)濾。
　　洛陽(yáng)石油化工總廠油品車間采用20—30μm的石英質(zhì)陶瓷過(guò)濾管進(jìn)行航空煤油過(guò)濾,其過(guò)濾精度為0.8μm,濾速達(dá)10m³/h以上,運(yùn)行三年來(lái),效果一直很好。天津堿廠采用剛玉質(zhì)陶瓷過(guò)濾管進(jìn)行碳酸鎂液過(guò)濾,濾速也達(dá)到1m³/h,長(zhǎng)期運(yùn)行,效果很好。采用陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行液體過(guò)濾與相同介質(zhì)過(guò)濾的板框壓濾機(jī)相比,投資可減少40%以上,效率提高2—4倍。
　　(2)水過(guò)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(guò)濾器進(jìn)行工業(yè)廢水處理,處理能力為10—20m³/m²h,過(guò)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(guò)濾器進(jìn)行生活用水、礦泉水的無(wú)菌處理,濾速可達(dá)到2—3m³/m²h。采用孔徑為0.8—2μm的陶瓷過(guò)濾器,可以做醫(yī)用消毒液的消毒過(guò)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(guò)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(wú)菌空氣凈化以及高溫?zé)煔獬龎m等。如采用陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)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(guò)濾器,可進(jìn)行石化行業(yè)中干氣過(guò)濾。采用孔徑20μm的陶瓷過(guò)濾器可進(jìn)行制藥、啤酒等行業(yè)發(fā)酵用無(wú)菌空氣處理。采用40—60μm的陶瓷過(guò)濾器則可進(jìn)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(guò)濾器還可進(jìn)行水霧分離、氣體分離等。
　　此外,多孔陶瓷過(guò)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(shí),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(jìn)行充氧曝氣。上、下水殺菌時(shí),吹入氯氣、臭氧等。多孔陶瓷過(guò)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(yǔ)
　　多孔陶瓷及其過(guò)濾器以其自身具有的諸多優(yōu)點(diǎn),使其在相當(dāng)廣的范圍內(nèi)能有效地替代傳統(tǒng)的過(guò)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(kāi)拓了這些材料所不能應(yīng)用的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn),隨著多孔陶瓷材料及過(guò)濾技術(shù)的不斷提高,多孔陶瓷過(guò)濾器將會(huì)自成體系,在我國(guó)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(guò)濾器在應(yīng)用方面仍存在不少問(wèn)題: (1)人們對(duì)這方面認(rèn)識(shí)不足,應(yīng)用領(lǐng)域還比較窄。(2)陶瓷過(guò)濾器自動(dòng)化控制和配套技術(shù)水平不高。(3)高性能的陶瓷膜過(guò)濾器尚需進(jìn)一步研制開(kāi)發(fā)。隨著這些問(wèn)題的逐步解決,人們將會(huì)發(fā)現(xiàn),陶瓷過(guò)濾技術(shù)在我國(guó)的分離、凈化領(lǐng)域中起到舉足輕重的作用。