近十幾年來,隨著物料脫水技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,“脫水”,尤其是“過濾”已幾乎存在于各個(gè)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(xì),且有越來越細(xì)之勢(shì)。而且總的發(fā)展趨勢(shì)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(jìn)一步處理的工作量、降低固液分離成本。突出的對(duì)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(jìn)行預(yù)脫水,可由1%~5%濃縮至18%~40%,再用真空過濾、壓濾、離心機(jī)等進(jìn)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(shí)也就促使整個(gè)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(dāng)前除常用的固液分離設(shè)備與技術(shù)如真空過濾機(jī)和壓濾機(jī),過濾和沉降離心機(jī),普通沉降濃密機(jī)(強(qiáng)化和高效濃度機(jī)),普通澄清機(jī),有預(yù)涂層的過濾機(jī)、壓濾機(jī)和深層床過濾機(jī),上向式分離的氣浮機(jī),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(duì)微細(xì)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(huì)可看出,會(huì)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(jiǎn)單的方向,本文分析了所了解的資料,認(rèn)為脫水技術(shù)和設(shè)備大致有如下的發(fā)展趨勢(shì)。
1 在不太增加能耗的前提下發(fā)展和改進(jìn)各種壓濾機(jī)
為降低濾渣的濕含量和降低脫水總成本,促進(jìn)各式壓濾機(jī)的發(fā)展,同時(shí)基于對(duì)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(jī)仍在材料、板框結(jié)構(gòu)、進(jìn)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(jī)理等多方面進(jìn)行研究和改進(jìn),例如提出了板框壓濾機(jī)是半橫流式而非端式、“零壓”過濾等觀點(diǎn);帶式壓濾機(jī)以其連續(xù)工作的優(yōu)越性和大量處理污泥的需要在國(guó)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(gè)數(shù)和布置等。為大幅度降低濾渣含濕率,壓榨機(jī)已進(jìn)入脫水設(shè)備行列,并正在改進(jìn)和發(fā)展。
間斷式板框壓濾機(jī)仍是主要的壓濾機(jī),國(guó)內(nèi)外產(chǎn)量均很大。提高板框壓濾機(jī)的工作壓力是降低濾餅水分的重要措施,國(guó)外的板框式壓濾機(jī)的工作壓力,一般為0.6~1.4MPa,可達(dá)2.5MPa或更高一些,例如達(dá)7MPa。為此需從材料和結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)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(guó)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(guó)內(nèi)還有差距。合理的板框設(shè)計(jì)是壓濾機(jī)制造的核心技術(shù),國(guó)內(nèi)外均有一些設(shè)計(jì)用的數(shù)學(xué)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?zāi)苁艿綌D壓和剪切。為進(jìn)一步降低濾餅水分,國(guó)內(nèi)外均已發(fā)展了加有隔膜壓榨的板框壓濾機(jī)。采用薄濾餅(13~19cm),既可縮短過濾時(shí)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(jī)是用柔性密封盒一個(gè)水力沖頭代替膜實(shí)現(xiàn)壓榨。據(jù)統(tǒng)計(jì),隔膜板框壓濾機(jī)的過濾面積可達(dá)1800m2,濾室可達(dá)200個(gè),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(dá)50%。
旋轉(zhuǎn)圓筒式壓濾機(jī)的型式有多種,德國(guó)Humbolt Wedag AG的KHD圓盤式連續(xù)壓濾已為國(guó)人所熟悉;我國(guó)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(jī)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(jī),已多次介紹Karlsruhe大學(xué)對(duì)KHD過濾機(jī)的改進(jìn)型是真空和高壓聯(lián)合,不過實(shí)踐已表明其優(yōu)越性不大。德國(guó)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(jī)溶液以及纖維素礦物等過濾消毒的旋轉(zhuǎn)壓濾機(jī),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(dá)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(jī),結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(dá)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(jī)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(gè)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?yàn)槲勰嗟娜肓蠞舛容^低,在排出端的阻力不大,可得到較干的濾渣。對(duì)市政污泥含固可達(dá)45%,對(duì)工業(yè)污泥可達(dá)70%,處理量約為0.3~5.0m3/h。這種設(shè)備可置于流動(dòng)車上,便于使用,且成本很低。
帶式壓濾機(jī)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(jī),在兩根運(yùn)行的帶間可產(chǎn)生0.25MPa的壓力。這種壓濾機(jī)主要用于紙漿、煤泥、絮凝高嶺土的壓濾。新型塔式壓濾機(jī)的自動(dòng)化程度相當(dāng)高。國(guó)外各廠家的臥式帶式壓濾機(jī)的型式非常多,以Sernagiotto公司就有十幾種雙帶式壓濾機(jī)。帶式壓濾機(jī)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(jī)。國(guó)外有許多過濾公司生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)壓榨機(jī),有的稱為脫水壓縮機(jī),型式很多。國(guó)內(nèi)也開始生產(chǎn),基本型式是旋轉(zhuǎn)螺旋式。螺旋壓榨機(jī)是一個(gè)非常緊湊的設(shè)備,脫水、壓榨和運(yùn)輸篩分全由一個(gè)螺旋來完成。螺旋安在一個(gè)多孔的機(jī)殼內(nèi),它既是壓榨機(jī)構(gòu)也是運(yùn)輸機(jī)構(gòu),由于螺旋和機(jī)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(jī)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(jī)還有許多潛力
沉降離心機(jī)和過濾離心機(jī)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(guó)內(nèi)外的廠家都相當(dāng)多。除轉(zhuǎn)鼓和螺旋結(jié)構(gòu)外,離心機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)、檢測(cè)、指示、自動(dòng)控制以及密封等方面,都有許多工作可做。
過濾離心機(jī)原則上分為:間斷上懸式、自動(dòng)短循環(huán)間斷式和連續(xù)輸送式等。為了滿足微細(xì)物料的脫水,上懸式的過濾介質(zhì)可用帆布、金屬絲加強(qiáng)布或金屬絲網(wǎng);自動(dòng)式機(jī)一般用細(xì)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(jī)的濾餅水分甚至可以比壓濾機(jī)還低。但據(jù)國(guó)內(nèi)資料介紹,過濾離心機(jī)的較小截留顆粒粒度為10μm(三足式和上懸式)。
對(duì)于沉降離心機(jī),中心問題是降低其濾液濁度和濾渣水分。微米乃至納米級(jí)料漿的濃縮和過濾是當(dāng)前的極大難題,目前唯有管式離心機(jī)的給料粒度可小到0.5~50μm,據(jù)稱當(dāng)前國(guó)產(chǎn)的直徑約100mm的管式離心機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min,分離因數(shù)約達(dá)40000。
我國(guó)的離心機(jī)廠家非常重視對(duì)臥螺的改進(jìn),以降低其排液濃度和沉渣水分,分別引進(jìn)法國(guó)、日本等國(guó)的技術(shù),均有相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。據(jù)了解,目前過濾納米材料用管式離心機(jī)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(jī)的沉降澄清效率的主要措施是提高離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和螺旋扭矩,圓筒和圓錐部分的適當(dāng)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(qiáng)化隔聲和密封,以防止微細(xì)顆粒彌散。這種離心機(jī)可將污水由0.5%的濃度濃縮至6%~8%。日本設(shè)計(jì)了高固體脫水離心機(jī),他們認(rèn)為延長(zhǎng)脫水時(shí)間、采用適當(dāng)?shù)碾x心力和改進(jìn)缽體結(jié)構(gòu),可以提高濾渣含固量。該機(jī)沉渣水分可比一般離心機(jī)低3%~10%,而且能耗低。原因是改進(jìn)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(zhǎng)了脫水時(shí)間,而且不會(huì)發(fā)生堵塞。
NOXON沉降式離心機(jī)具有很強(qiáng)的檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)整能力,其控制系統(tǒng)中存儲(chǔ)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(jī)的固液分離效果。
3 復(fù)合技術(shù)正在實(shí)踐中發(fā)展
復(fù)合技術(shù)在過濾脫水中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍,文獻(xiàn)資料非常多,下面僅舉幾個(gè)例子。
美國(guó)生產(chǎn)的J-VAP壓濾機(jī),將蒸發(fā)、真空技術(shù)結(jié)合在板框壓濾機(jī)上,使濾餅水分幾乎達(dá)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(shí)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(shí)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(jī)可處理特細(xì)的料漿。
Larox、Scheibler兩個(gè)過濾公司共同開發(fā)的過濾機(jī)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(jī)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(jī)用耐腐蝕、耐高溫的材料制作,過濾面積可達(dá)720m2。在實(shí)踐上可作為濃密機(jī)溢流中固體物的再回收。
在壓濾機(jī)上加電場(chǎng)是從處理污泥開始的,因?yàn)樘岣邘綁簽V機(jī)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(dǎo)電率相差較大,所以,Lockchart(1986年)、Buijs(1994年)先后提出將電場(chǎng)引入過濾過程,其作用是:顆粒在電場(chǎng)作用下的電泳和液體在電場(chǎng)作用下的電滲,以及電流通過料漿導(dǎo)致的料漿溫度升高,粘度降低等。根據(jù)小型實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(jī)中采用濾芯可以提高過濾去除微細(xì)顆粒的能力;美國(guó)的Heinkel公司推出的加壓過濾離心機(jī)的離心力可達(dá)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(jī)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(jī)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(dòng)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(jī)相結(jié)合的過濾離心機(jī),入料由上部給料口進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(xì)(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(chǎng)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(chǎng)中可發(fā)生異相絮凝,而且絮團(tuán)有順磁性,便可以在高梯度磁濾中被分離出來。進(jìn)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(xiǎn)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(jí)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(gè)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(gè)專門學(xué)科,在理論上和技術(shù)上都相當(dāng)豐富,雖然整個(gè)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(jiǎn)稱它們?yōu)槲⒓?xì)物料,本節(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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)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(xì)化和超細(xì)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(fù)合膜微孔過濾介質(zhì)。
濾芯的應(yīng)用場(chǎng)合很多,從氣體、液體到多種油類,濾芯的種類雖極多,但其實(shí)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(shí)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(xì)化和超細(xì)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(fù)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(xì)孔道,標(biāo)準(zhǔn)的纏繞式濾芯內(nèi)徑為Φ29mm,外徑Φ60~70mm、長(zhǎng)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(xì)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(dá)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(jià)廉。濾芯的工作壓力一般為0.5MPa。
復(fù)合膜微孔過濾介質(zhì)的發(fā)展,一是基于微細(xì)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(fù)合膜濾布。這種濾布是在普通無紡布或機(jī)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(yù)先用拉伸法拉開,使之有許多微細(xì)縫隙或裂隙。這種復(fù)合膜微孔介質(zhì)的特點(diǎn)是孔隙很小,可至2μm以下,孔隙率高,可達(dá)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(fù)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(diǎn)是價(jià)格較高;無論是國(guó)產(chǎn)還是Gore公司的這種復(fù)合濾布,均有復(fù)合膜較易脫落的現(xiàn)象,實(shí)際上國(guó)外主要用于氣體過濾。目前國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)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(xué)用凝固涂層方法研制的與上述濾布類似的新型復(fù)合膜微孔濾布,已經(jīng)通過部級(jí)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(diǎn)是膜不易脫落,其他性能相當(dāng)。
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(jìn)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(jī)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(yǔ)
目前, 上大大小小的相關(guān)企業(yè)或公司已超過千余家,國(guó)外的脫水技術(shù)正在迅猛發(fā)展。國(guó)內(nèi)雖也有一些研究機(jī)構(gòu)和制造廠家堅(jiān)持不懈地在開發(fā)新產(chǎn)品。但實(shí)事求是地說,國(guó)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(gè)領(lǐng)域,可以說是商機(jī)無限,因此國(guó)內(nèi)企業(yè)必須花大力氣迎頭趕上,逐步縮小與國(guó)外的差距。