过滤的基本原理

过滤的基本原理

过滤是使悬浮液通过能截留固体颗粒并具有渗透性的介质来完成固－液分离的过程。

（一）、过滤过程特点

从物理学观点来看，过滤操作属于流动过程，即复相流体通过多孔介质的流动过程，这一过程具有以下两个显著特点。

（1）流体通过多孔介质（包括过滤介质和滤饼）的流动属于极慢运动（也即滞留运动）。影响这种流动的有两类因素，一类为宏观的流体力学因素，诸如过滤介质特性、滤饼结构、压差、滤液的粘度等，另一类为微观物化因素，如电动现象、毛细现象、絮凝现象等。固体粒径越大，宏观因素影响越占主导地位，反之，则微观物化因素占主导地位。

（2）悬浮于流体中的固体粒子是连续不断地沉积在过滤介质内部孔隙或表面上的，沉积在介质表面上的滤饼不断受到压缩，因此随着过滤的进行，流动阻力不断增加。

（二）、过滤过程的推动力

为了过滤能够进行并获得通过过滤介质的液流，必须在过滤介质两侧保持一定的压差以克服过滤过程的阻力。过滤操作中的推动力有下述四种类型：（1）重力；（2）真空度；（3）压力；（4）离心力。相应地，过滤操作分别称为重力过滤、真空过滤、加压过滤、离心过滤。

重力过滤指悬浮液借助于本身的净液柱高度来作为过程推动力而进行的操作方式。由于浆料液柱所能提供的压差一般较低，约为4.9×104Pa,所以应用较少。

真空过滤借助于过滤介质两侧的真空度大小不同来完成，通常是接触滤浆的一侧为大气压，而过滤面的背后侧与真空源相通。常用真空度为（5.33～8.00）×104Pa。

加压过滤的压力用压缩机或泵来提供。若用压缩机供压，常用过滤压差为（4.9～29.4）×104Pa；用泵来提供时，通常不超过4.9×104Pa。

离心过滤的压差则由载有过滤介质的离心机来提供。常用强度为 1.5×106Pa。

（三）、过滤过程分类

工业上过滤操作过程有两种主要形式：滤饼过滤和深层过滤。

1、滤饼过滤

(1)滤饼过滤的特点

滤浆通过过滤介质后，固体颗粒被过滤介质截留，在介质表面上形成一层厚度约6mm或大于6mm的滤饼。工业上的过程大都属于滤饼过滤。

滤饼过滤实质上是一种表面过滤机制，其过滤分为两个步骤完成：首先是清洁过滤介质起作用，固体颗粒和液体均以90。的角度流向过滤介质，通过过滤介质的筛过作用，将颗粒粒径相当于或略大于介质孔隙的固体颗粒截留下来，沉积于介质表面，并形成许多窄的通道，将液流中更小的颗粒截留下来，而使得越来越多的颗粒沉积于介质表面，形成滤饼；随后，形成的滤饼在继续加入的悬浮液的过滤过程中起到了过滤介质的作用。

滤饼过滤主要适用于固体颗粒物浓度较高(体积分数大于1％)的悬浮液。这是因为在滤饼过滤过程中，对于稀的悬浮液，由于其中存在的颗粒粒径较小的固体物料有可能穿过过滤介质的孔隙，或沉积于孔隙内造成堵塞。为了有效地防止这一现象，往往需要采取一定措施，通常使用助滤剂在过滤介质表面形成一层预敷层(即初始滤饼层)来解决。

滤饼过滤的另一缺点是在过滤过程中，滤液流动的阻力会逐渐增大，因而使得过滤一定量的料浆时，必定增加过滤时间，或者要提高过滤推动力。为了克服这一缺点，产生了许多新的滤饼过滤方式，借以限制滤饼层形成或增厚。比较典型的是通过水力学或机械的方法阻止滤饼层的形成或保持一层薄的滤饼，如Tiller和cheng提出的“延迟滤饼过滤”方式，利用刷子、液体喷射或刮刀等机械排除法使固体颗粒不断被扰动并返回到悬浮液中去，从而使悬浮液不断增浓，达到固-液分离的目的。此刻，颗粒的运动方向平行于过滤介质表面，而液体以一定的角度朝过滤介质运动。其它限制滤饼增厚或形成的方法，随其在工业上的利用范围而定，一般有以下几种：

①通过与过滤介质相切或断离的重力、离心力、或电泳力使滤饼移走；

②靠间歇的逆向流动除去滤饼；

③靠振动作用阻止滤饼沉积；

④利用十字流过滤法，让料浆与过滤介质作切向运动，从而使滤饼受到连续

地剪除。

这些措施经大量实践使用表明，能够有效地提高过滤效果。

(2)滤饼的结构及特点

从前面所述可以看出，在滤饼过滤过程中，滤饼的结构特性对过滤产生决定性的影响。

滤饼可分为两类：不可压缩滤饼与可压缩滤饼。不可压缩滤饼是指滤饼的特征参数不受固粒压缩力的影响；可压缩滤饼则受固粒压缩力的影响。

当滤饼呈不可压缩性时，一定体积的滤饼所产生的流体阻力，既不显著地受固粒压缩力的影响，也不明显地受固粒沉积速度的影响，对过滤相对有利。实际过程中，不可压缩滤饼是一种理想状态，因为由不易变形的固体粒子组成的滤饼，由于颗粒受压缩时重新排列的缘故，也可能显示出某些压缩性。

对于可压缩滤饼，滤饼两端的压差或流动速率增加时，都将促使形成更为紧密的滤饼，因而具有较大的阻力。所以，可压缩性很大的物料，只能略微增加压强，使过滤速率作有限地增加，如果超过某一临界压强，过滤速率反而减少，而影响过滤效果。

(3)滤饼过滤步骤

一个完整的滤饼过滤操作包括过滤、洗涤、去湿及卸料四个步骤，如此循环进行。下面重点介绍一下滤饼洗涤和脱水过程。

①滤饼洗涤当过滤结束时，由过滤得到的滤饼，往往会有一部分滤液借表面张力的作用而保持在滤饼颗粒之间，这部分滤液一般均需用另一种不含杂质或接近于不含杂质的液体(又称洗液，且能与滤液完全互溶，通常为水)穿过滤饼层而将其置换出来，这一操作称为滤饼洗涤过程。工业生产上洗涤滤饼的目的在于回收有价值的滤液，此时滤液是产品；或除去滤饼中的杂质，此时产品是不允许被滤液污染的滤饼。滤饼洗涤有两种方式，一种是滤饼在过滤机上直接用洗液进行洗涤；另一种是将滤饼从过滤机上卸除下来，放在贮槽中用洗液混合搅拌洗涤，然后再用过滤方法除去洗液。

滤饼洗涤通常采用以下三种方法。

a．单纯的置换洗涤。置换洗涤包括洗涤液直接洗涤滤饼表面，以及随后渗入滤饼孔隙内进行置换与结合的过程，从而将被溶解的物质排除。

b．逆流洗涤。是使滤饼和洗涤液处于逆向流动系统中的一种方法，通常用于有效地利用有价值的洗涤液的场合。

c．滤饼用洗涤液再制成料浆，而后进行二次过滤。在某些情况下，如液流通过滤饼的阻力太大以致不可能进行置换洗涤；或置换洗涤需要的时间太长，以致无法达到预期的溶质排除的程度；或因滤饼龟裂，而无法使用置