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超細(xì)微粉體顆粒的過(guò)濾

文章出處：倍呈過(guò)濾器材作者：安平倍加過(guò)濾器材 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2025-01-12 10:24

 

超細(xì)微粉體的制備改性、純化等工藝過(guò)程中，往往要對(duì)粉體進(jìn)行過(guò)濾與洗滌，過(guò)濾技術(shù)與裝置的性能優(yōu)劣，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、收率、成本等有重大影響。
超細(xì)粉體有微米級(jí)、亞微米級(jí)與納米級(jí)三種超細(xì)粉體。微米級(jí)范圍很廣，從1000微米至1微米，究竟微米級(jí)中那一粒度范圍屬于超細(xì)粉體，不同領(lǐng)域，不同學(xué)者往往有不同理解。筆者認(rèn)為，制備超細(xì)粉體的目是利用粉體超“細(xì)”所具有的優(yōu)異的表面特性，粒度超過(guò)一定數(shù)值，粉體表面的物理、化學(xué)等界面的優(yōu)異性能就不明顯。10微米以上至100微米粉體，雖屬于微米級(jí)粉體，不應(yīng)看作超細(xì)粉體，更嚴(yán)格看，5微米以上就不應(yīng)看作超細(xì)粉體。筆者更傾向于將3微米作為超細(xì)的分界線。
超細(xì)粉體的過(guò)濾與洗滌屬于濾餅過(guò)濾。當(dāng)粉體粒度小于10微米，尤其小于5微米，屬于難濾物料。過(guò)濾這些小于5微米的微粒，過(guò)濾效率低，穿濾嚴(yán)重是普通存在的難題。帶有大量穿濾微粒的濾液如直接排放，不僅資源浪費(fèi)（穿濾的是最細(xì)的，往往也是粉體中最貴重的），還對(duì)環(huán)境嚴(yán)重污染。如采用長(zhǎng)時(shí)間的回流過(guò)濾或者再串聯(lián)一個(gè)過(guò)濾精度更高的過(guò)濾機(jī)，雖可回收一部份，甚至可絕大部份回收，但造成能源消耗大幅增加，設(shè)備投資成本也明顯升高，這些狀況都是與可持續(xù)發(fā)展要求相背離的。
  從提高收率，節(jié)約資源與節(jié)省能源要求出發(fā)，簡(jiǎn)單敘述超細(xì)粉體的過(guò)濾中某些基本規(guī)律。
一、  超細(xì)粉體的外在特性：
欲正確解決超細(xì)粉體的過(guò)濾與洗滌，必須首先了解有關(guān)粉體外在特性的若干事項(xiàng)。
1、   粉體的來(lái)源：天然礦產(chǎn)粉碎或人工化學(xué)制備，或從天然產(chǎn)品的半成品，再人工化學(xué)反應(yīng)，制備所需粉體。
2、   粉體顆粒的內(nèi)孔隙：粉體顆粒內(nèi)有無(wú)內(nèi)孔隙，（可通過(guò)測(cè)定比表面積了解）。
3、   親水性：粉體顆粒是親水或憎水（目測(cè)可定性了解，通過(guò)接觸角測(cè)定可定量了解）。
4、   粉體顆粒的形狀：通過(guò)超倍顯微鏡了解粉體的形狀，是球形、不定形、針形或片形。（有條件測(cè)定表面積與體積，計(jì)算各種形狀系數(shù)）。
5、   粉體的粒度分布：
所有超細(xì)粉體均是顆粒多分散體系，即使經(jīng)過(guò)分級(jí)效率很高的分級(jí)處理，仍是多分散體系，只是粒度分布寬度比分級(jí)前縮小。
粉體粒度分布是粉體外在特性中的最重要參數(shù)。粉體粒度分布的測(cè)定技術(shù)有多種，對(duì)亞微米級(jí)為主的超細(xì)粉體，激光光散射法是最常用的測(cè)量技術(shù)，它能快速給出體積、表面積、直徑及個(gè)數(shù)等為基準(zhǔn)的粒度分布數(shù)據(jù)。對(duì)同一粉體，四種不同基準(zhǔn)的分布參數(shù)相差很大。
現(xiàn)簡(jiǎn)單舉一例，假如將1000顆0.2微米的粉體與一顆2微米的粉粒混在一起，1000顆0.2微米有效體積（非堆積體積）與一顆2微米體積相等，以體積為基準(zhǔn)的分布數(shù)，兩者各為50%，因而以重量為基準(zhǔn)的粒度分布，0.2微米與2微米，也各為50%；如以表面積為基準(zhǔn)，0.2微米的表面積占90.9%，2微米的表面占9.09%；如以個(gè)數(shù)基準(zhǔn)，0.2微米的個(gè)數(shù)占99.9%，而2微米只占0.1%。
相差很大的三種不同基準(zhǔn)的粒度分布值，可作不同用途使用。從體積為基準(zhǔn)的分布數(shù)可整體上了解該粉體中不同粒度的重量比例；從以表面積為基準(zhǔn)的分布數(shù)值可了解該粉體的基本價(jià)值，因?yàn)橹苽涑?xì)粉體的目的是利用粉體超細(xì)后所產(chǎn)生的表面特性，粉體愈細(xì)，表面積愈大，它比體積為基準(zhǔn)的分布更清楚了解該粉體的外在品質(zhì)。對(duì)從事超細(xì)粉體氣固與液固過(guò)濾以及粉體洗滌的有關(guān)人員則必須充分了解以個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)的粒度分布數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比該超細(xì)粉體的體積分布與表面積分布的數(shù)據(jù)。如果過(guò)濾與洗滌過(guò)程中不能將最細(xì)顆粒全部濾住，雖然從重量上，亦即從體積上仍有很高收率，如過(guò)濾效率為98%，只損失2%，但穿濾的顆粒數(shù)的比例卻非常大，粉體的表面積損失比例也就很大，因而粉體的附加值損失就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2%，這樣就會(huì)造成資源與能源極大浪費(fèi)。
欲將最細(xì)粒度能幾乎全部濾住，技術(shù)難度非常高，過(guò)濾裝置的投資費(fèi)與操作成本明顯增加，既要能高效濾住最細(xì)粉體，又能節(jié)約投資與操作成本，這是粉體過(guò)濾技術(shù)工作者必須解決的一項(xiàng)難題。
二、  確保過(guò)濾精度：
所謂過(guò)濾精度是指能被全部濾住的最小的顆粒大小。超細(xì)微粉體是多分散體混合體，應(yīng)分析原粉體的體積分布，表面積分布及個(gè)數(shù)分布等幾種不同分布值，以資源與能源最佳利用為原則選定該粉體的過(guò)濾精度。
作者認(rèn)為超細(xì)粉體液體過(guò)濾的過(guò)濾精度ds與許多因素有關(guān)，既與過(guò)濾介質(zhì)的平均毛細(xì)孔徑dm有關(guān)，與過(guò)濾介質(zhì)的厚度△S有關(guān)，與液體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)毛細(xì)孔的線速度，與濾液粘度μ有關(guān)，與被過(guò)濾固體顆粒與過(guò)濾介質(zhì)界面相互作用有關(guān)。
國(guó)外某些學(xué)者提出，ds僅與過(guò)濾介質(zhì)平均孔徑dm有關(guān)。
從球形鎳粉與蒙乃爾燒結(jié)多孔介質(zhì)的過(guò)濾歸納出：
ds=K•dm………………（1）
式中：
K——對(duì)不同粉體K為1/3～1/8
作者于二十多年前根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析，對(duì)亞微米微粒為主的固體顆粒的過(guò)濾提出如下計(jì)算公式： 
為了確保所選的ds，超細(xì)粉體過(guò)濾的過(guò)濾方法有兩種方案，一種是過(guò)濾操作一起動(dòng)，就要使所需精度的粉體不穿濾，過(guò)濾過(guò)程依靠濾材表層的毛細(xì)孔來(lái)截留；另一種是過(guò)濾一啟動(dòng)，大量最細(xì)顆粒穿濾，濾材表面只積留最粗的粉體，利用該粉體濾餅的平均毛細(xì)孔徑，繼續(xù)過(guò)濾粒徑更細(xì)的粉體。利用濾液整體不斷循環(huán)過(guò)濾，從濾餅表面開始連續(xù)形成毛細(xì)孔徑愈來(lái)愈小的濾餅層，直至最后達(dá)到所需的過(guò)濾精度，才停止濾液循環(huán)。
第一種方法是理想方法，對(duì)粒徑很小的超細(xì)粉體，該方法技術(shù)難度相當(dāng)大，第二種方法會(huì)造成過(guò)濾能源大量增加，僅適宜粉體特別細(xì)，沒(méi)有其他技術(shù)可有效解決而不得不采用。如果循環(huán)量不超過(guò)總處理量的5%，第二種方法可勉強(qiáng)采用。
作者研究了幾種超細(xì)粉體的過(guò)濾與洗滌，這些粉體按個(gè)數(shù)分布的粒度非常細(xì)，但只要各種參數(shù)選擇好，均可作到一次將濾液濾清，不穿濾。表一給出這些粉體顆粒粒度及不穿濾的濾速等基本數(shù)據(jù)。
表一    幾種超細(xì)粉體的粒度分布與起動(dòng)濾速的選擇
物料
名稱 粉體的重量濃度 % 以個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)的粒徑的累積分布 濾餅層厚度mm 過(guò)濾起動(dòng)時(shí)濾速(m/h)
  D10
μm D25
μm D50
μm D75
μm D98
μm 平 均
粒 徑
μm  
超細(xì)炭
酸鈣與
水溶液 10% 0.0543 0.0837 0.1425 0.2428 0.8233 0.2123 29 0.3
超細(xì)氧化鋁與乙醇 2.5% 0.1152 0.2252 0.3142 0.5104 2.1346 0.5237 8 0.5
鈷酸鋰與水溶液 20% 0.0496 0.0811 0.2219 0.5952 1.8450 0.4472 75 0.4
二氧化硅微粉與水溶液 20% 0.0472 0.0609 0.1300 0.2290 0.8056 0.1985 65 0.5
膨潤(rùn)土與水溶液 20% 0.050 0.0892 0.1402 0.2326 0.8231 0.2095 42 0.1
 
三、  超細(xì)粉體液體過(guò)濾的其他計(jì)算：
1、  濾餅層的平均比阻α及同過(guò)濾壓差△P之間關(guān)系：
   在確保過(guò)濾精度基礎(chǔ)上，應(yīng)測(cè)定濾餅層的平均比阻α與過(guò)濾壓差△P之間的關(guān)系，并歸納出α與△P之間的數(shù)學(xué)模型。存在兩種數(shù)學(xué)模型，即：
 
2、  最佳過(guò)濾壓差：
   對(duì)不可壓縮濾餅，不存在最佳過(guò)濾壓差，對(duì)大部份粉體物料，都存在或多或少可壓縮性，都有一個(gè)最佳過(guò)濾壓差，可根據(jù)（3）計(jì)算最佳壓差△PJ。
以上諸式中：
t —— 累計(jì)過(guò)濾時(shí)間          (S)
F—— 過(guò)濾面積              (m2)
Rmo—— 過(guò)濾介質(zhì)的原始阻力（1/m）
g—— 常數(shù)9.81              (m/s2)
c—— 濾餅的體積濃度      （—）
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