金屬與金屬化合物超細粉體的微孔過濾

宋顯洪宋志黎

（上海東甌微孔過濾研究所)

金屬與金屬化合物超細粉體的微孔過濾

宋顯洪*宋志黎

（上海東甌微孔過濾研究所)

敘述了金屬與金屬化合物超細粉體與液體過濾中的若干問題，主要介紹了有關(guān)過濾精度、濾速等計算方法，最后簡單介紹了可用于過濾和洗滌的兩種高分子精密微孔過濾機。

超細粉體精密濾餅過濾過濾精度粒徑過濾介質(zhì)過濾機

0 前言

超細金屬粉體的制備、改性、純化等工藝過程中，往往要對粉體進行液體過濾與洗滌，此時過濾技術(shù)與裝置的性能優(yōu)劣，對產(chǎn)品質(zhì)量、收率、成本等有重大影響。

超細粉體的過濾與洗滌屬于濾餅過濾。粉體粒度小于10 μm，尤其是小于5 μm的物料，屬于難濾物料。過濾小于5 μm的微粒時，過濾效率低、穿濾嚴重是普遍存在的難題。帶有大量穿濾微粒的濾液如直接排放，不僅浪費資源（穿濾的是最細的微粒，往往也是粉體中最貴重的一部分），而且還對環(huán)境造成嚴重污染。如采用長時間的回流過濾或者再串聯(lián)一個過濾精度更高的過濾機，雖可回收一部分微粒，甚至可回收絕大部分微粒，但能源消耗大幅增加，設(shè)備投資成本也將明顯升高。

筆者從提高收率、節(jié)約資源與節(jié)省能源要求出發(fā)，簡單敘述超細粉體過濾中的一些基本規(guī)律。

1 超細粉體的外在特性

要解決超細粉體過濾與洗滌中的難題，必須首先了解有關(guān)粉體的外在特性。

（1）粉體的來源。粉體主要由天然產(chǎn)物經(jīng)粉碎獲得或人工化學(xué)制備獲得，或以天然產(chǎn)物的半成品經(jīng)化學(xué)反應(yīng)制得。

（2）粉體顆粒的內(nèi)孔隙。粉體顆粒內(nèi)有無內(nèi)孔隙，可通過測定比表面積來確定。

（3）親水性。粉體顆粒是親水性的或憎水性的，目測可定性了解，通過接觸角測定可定量了解。

（4）粉體顆粒的形狀。通過超倍顯微鏡觀察可了解粉體的形狀（球形、片形、針形或無定形）。有條件時可測定其表面積與體積，并計算出各種形狀系數(shù)。

（5）粉體的粒度分布。所有的超細粉體均是顆粒多分散體系，即使經(jīng)過分級效率很高的分級處理，也仍是多分散體系，只是粒度分布寬度比分級前縮小。粉體粒度分布是粉體外在特性中最重要的參數(shù)。粉體粒度分布的測定技術(shù)有多種，對亞微米級為主的超細粉體，激光光散射法是最常用的測量技術(shù)，它能快速給出其以體積、表面積、直徑及個數(shù)等為基準的粒度分布數(shù)據(jù)。對同一粉體，上述四種不同基準的分布參數(shù)相差很大。

現(xiàn)舉一例來說明。將1 000顆0.2 μm的粉體與1顆2 μm的粉?；煸谝黄?，1 000顆0.2 μm粉體有效體積（非堆積體積）與1顆2 μm粉粒體積相等，若以體積為基準確定分布參數(shù)，兩者各為50%，而以質(zhì)量為基準的粒度分布，0.2 μm與2 μm的也各為50%；若以表面積為基準，0.2 μm的表面積占90.9%，2 μm的表面積占9.09%；若以個數(shù)為基準，0.2 μm的個數(shù)占99.9%，而2 μm的個數(shù)只占0.1%。

相差很大的三種不同基準的粒度分布值，可用于不同場合。從以體積為基準的分布參數(shù)可整體上了解該粉體中不同粒度的質(zhì)量比例；從以表面積為基準的分布參數(shù)可了解該粉體的基本價值，因為制備超細粉體的目的是利用粉體超細后所產(chǎn)生的表面特性，粉體愈細，其表面積就愈大，它比以體積為基準的分布參數(shù)更能體現(xiàn)該粉體的外在品質(zhì)。對從事超細粉體氣固與液固過濾以及粉體洗滌的有關(guān)人員來說，必須充分了解以個數(shù)為基準的粒度分布數(shù)據(jù)。如果過濾與洗滌過程中不能將最細顆粒全部濾住，雖然從質(zhì)量上，亦即從體積上仍有很高收率，如過濾效率為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遠超過2%，這樣就會造成資源與能源的極大浪費。

欲將最細粒度的粉體幾乎全部濾住，技術(shù)難度非常高，過濾裝置的投資費與操作成本也將明顯增加。既要高效率地濾住最細粉體，又能節(jié)約投資與操作成本，這是粉體過濾技術(shù)工作者必須解決的一項難題。

2 確保過濾精度

所謂過濾精度是指能被全部濾住的最小的顆粒大小。超細粉體是多分散體混合體，應(yīng)分析粉體的體積分布、表面積分布及個數(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濾精度。

筆者認為，超細粉體液體過濾的過濾精度ds與許多因素有關(guān)，既與過濾介質(zhì)的平均毛細孔徑dm有關(guān)，也與過濾介質(zhì)的厚度△s、液體通過過濾介質(zhì)毛細孔的平均線速度、濾液的黏度μ、被過濾固體顆粒與過濾介質(zhì)界面相互的作用等因素有關(guān)。

國外某些學(xué)者提出，ds僅與過濾介質(zhì)的平均孔徑dm有關(guān)，并從球形鎳粉與蒙乃爾燒結(jié)多孔介質(zhì)的過濾中歸納出式（1）：

式中K——系數(shù)，對不同粉體K為1/3～1/8。

筆者于20多年前根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和理論分析，對以亞微米微粒為主的固體顆粒的過濾提出式（2）所示的計算公式：

式中ds——過濾精度，μm；

dm——過濾介質(zhì)平均孔徑，μm；

ε——過濾介質(zhì)的平均孔隙率；

△s——過濾介質(zhì)的厚度，mm；

μ——濾液的黏度，Pa·s;

A、B——與粉體顆粒和過濾介質(zhì)界面相互作用有關(guān)的系數(shù)。

式（2）中的A、B通過若干次實驗即可測得。

由式（2）可見，過濾精度與過濾介質(zhì)的平均孔徑的一次方成正比。對同一孔徑的濾材，過濾精度與濾液黏度μ、濾液的平均線速度w及過濾介質(zhì)的厚度△s等有關(guān)。由式（2）可知，通過調(diào)整dm、△s與能確保過濾精度ds。

為了確保所選定的ds，超細粉體過濾的方法有兩種：一種是過濾操作一啟動，就要使所需精度的粉體不穿濾，過濾過程依靠濾材表面的毛細孔來截留；另一種是過濾操作啟動后，首先大量最細顆粒穿濾，濾材表面只截留最粗的粉體，然后利用該粉體濾餅的平均毛細孔徑繼續(xù)過濾粒徑更細的粉體。這樣，濾液不斷地循環(huán)，濾餅表面連續(xù)地形成毛細孔徑愈來愈小的濾餅層，直至最后達到所需的過濾精度，才停止濾液循環(huán)。

第一種方法是理想方法，但對粒徑很小的超細粉體，該方法技術(shù)難度相當(dāng)大。第二種方法會造成過濾能耗大量增加，適用于粉體特別細、沒有其他技術(shù)可有效解決的情況。如果循環(huán)量不超過總處理量的5%，第二種方法通?？刹捎谩?/p>

筆者研究了幾種超細粉體的過濾與洗滌，這些粉體按個數(shù)分布的粒度非常細，但只要各種參數(shù)選擇好，均可做到一次將濾液濾清，不穿濾。表1給出7種金屬和金屬化合物超細粉體的粒度分布(按體積分布與按個數(shù)分布）及平均孔徑的測定值，表2給出這些粉體等壓濾餅過濾的基本參數(shù)測定值，即粉體不穿濾的濾餅層厚度、不同壓差下的平均比阻及濾餅層的平均含水率。

表1 超細金屬與金屬化合物粉體顆粒的粒度分布與平均粒徑

3 超細粉體液體過濾的其他計算

3.1 濾餅層平均比阻α及其與過濾壓差△P的關(guān)系

在確保過濾精度基礎(chǔ)上，測定濾餅層的平均比阻α與過濾壓差△P之間的關(guān)系，并歸納出α與△P之間的數(shù)學(xué)模型。有下述兩種數(shù)學(xué)模型：

式中△P——過濾壓差，MPa；

α——濾餅的平均體積比阻，1/m2；

α0、λ、s——與物料中固體顆粒粒度等因素有關(guān)的系數(shù)。

對于超細粉體形成的濾餅，式（3）比式（4）更適合。因為超細濾餅層本身毛細效應(yīng)大，同時過濾形成的濾餅層在沿濾液流動方向上，濾餅層毛細孔徑或孔隙率不均勻，即使過濾壓差△P為0，毛細力也會對濾液產(chǎn)生阻力或推動力，故式（3）比式（4）更適用。

表3給出7種超細金屬與金屬化合物的粉體濾餅的平均比阻α與過濾壓差△P之間的關(guān)系式。

表2 超細金屬與金屬化合物粉體的平均比阻測定值

3.2 最佳過濾壓差

對不可壓縮濾餅，不存在最佳過濾壓差。對大部分粉體物料，都或多或少存在可壓縮性，因此都有一個最佳過濾壓差?？筛鶕?jù)式（3）計算最佳過濾壓差△PJ：

式中Rm——過濾介質(zhì)阻力，1/m；

△s——濾餅層厚度，m。

表3 超細金屬與金屬化合物的α與ΔP的關(guān)系式

式（5）中的Rm不是原始阻力，而是達到△s厚度時的阻力。在過濾過程中，超細粉體中最細微粒會在濾餅層中遷移，部分微粒會堵在過濾介質(zhì)的毛細孔內(nèi)，導(dǎo)致Rm不斷增加，隨著過濾過程的進行，△s也不斷增加。對不同物料，Rm與△s增加速率不一樣，因此不可能是常數(shù)?！鱯與過濾時間t的關(guān)系，本文后面將作介紹。Rm與t的關(guān)系按以下諸式計算：

式中t——累計過濾時間，s;

F——過濾面積，m2；

Rm0——過濾介質(zhì)的原始阻力，1/m；

g——重力加速度，m/s2；

c——濾餅的體積濃度。

3.3 平均濾速、總過濾時間及濾餅層厚度計算

確定最佳過濾壓差△PJ、平均濾速、過濾時間t和濾餅層厚度△s，可按以下各式分別計算：

△s——濾餅層厚度，m。

3.4 粉體濾餅的洗滌

可在過濾機內(nèi)對粉體濾餅進行密閉洗滌?？梢造o止洗滌，也可以翻動洗滌，或攪拌洗滌。靜止洗滌的裝置簡單，但可能會出現(xiàn)局部短路，洗滌不均勻，洗滌效率不高，洗滌液量大。攪拌洗滌、翻動洗滌的特點與靜止洗滌相反，裝置或操作復(fù)雜，但洗滌均勻，洗滌效率高，洗滌液量小。究竟選擇何種洗滌方式，應(yīng)根據(jù)具體粉體的性能特點而定。

靜止洗滌時洗滌液用量，翻動洗滌或攪拌洗滌的洗滌次數(shù)和每次洗滌液用量，都只能通過試驗大致確定。靜止洗滌時洗滌液濾速及翻動洗滌、攪拌洗滌后的洗滌液過濾速度其規(guī)律與濾餅過濾的規(guī)律基本相同，可參照濾餅過濾的規(guī)律進行計算，但必須考慮洗滌液本身不含固體顆粒這一特殊性。

4 用于超細粉體過濾與洗滌的精密微孔過濾機

最近5年，溫州市東甌微孔過濾有限公司成功開發(fā)了兩種專利產(chǎn)品PGP型與PGX型高分子精密微孔過濾機，專門用于超細粉體的過濾與洗滌。

東甌微濾長期從事新型高分子精密微孔過濾技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)與推廣應(yīng)用。所研發(fā)與生產(chǎn)的剛性分子精密微孔過濾介質(zhì)（過濾管、過濾板或其他形狀過濾介質(zhì)），具有過濾精度特別高（可過濾混合粉體中0.1～0.2 μm微粉），濾液非常清澈透明，不會像一般濾網(wǎng)、濾布等濾材需長時間循環(huán)過濾，因而可大量節(jié)約能源。可采用簡易氣體反吹法快速卸除干度較干的濾餅，避免繁重的體力勞動；可用簡便的“氣-水反吹法”對微孔過濾介質(zhì)進行簡單的反沖洗再生，再生效率很高，可使微孔過濾介質(zhì)長時間使用。微孔過濾介質(zhì)耐酸（除98%以上硫酸和40%以上硝酸外）堿、鹽及大部分有機溶劑。除了這些特點外，東甌微濾所生產(chǎn)的精密微孔過濾機結(jié)構(gòu)比較簡單，操作機械化程度比較高，過濾機中與物料接觸的部件可采用不銹鋼、碳鋼或碳鋼內(nèi)襯5 mm厚的防腐材料，可用于各種化學(xué)物料。

早在20多年前，高分子精密微孔過濾技術(shù)已成功用于亞微米級的超細硫酸鋇、氫氧化鉭、氫氧化鈮的過濾與洗滌。15年前，東甌微濾公司的精密過濾機已成功用于氫氧化鋁、鋁硅酸鎂催化劑、氫氧化鐵、磁粉等超細粉體的過濾與洗滌。

PGP型精密微孔過濾機可用于超細粉體的過濾與靜止洗滌和翻動洗滌，最大過濾面積為60 m2。PGX型精密微孔過濾機的機體內(nèi)部裝有攪拌槳，可用于超細粉體的過濾與機內(nèi)攪拌洗滌。這兩種型號過濾機已成功用于超細氫氧化亞鎳、氫氧化鈦、超細硅膠、超細鋅粉及一些超細晶體的過濾與洗滌。目前正在開發(fā)推廣用于無機粉體、金屬鹽類粉體及金屬粉體等超細粉體的過濾與洗滌。如鈦酸鉀晶須等的過濾與洗滌，已成功應(yīng)用三年多。

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Micro-filtration of Ultrafine Powders of Metal and Metal Compound

Song Xianhong Song Zhili

This paper described several issues in microporous filtration of liquid and ultrafine powders of metal and metal compound,and primarily introduced the calculating method of filtration accuracy and filtering rate.Finally it simply introduced two kinds of polymer microporous precise filters for filtering and washing.

Ultrafine powder;Precise cake filtration;Filtration accuracy;Partide size;Filter media;Filter

TQ 028

*宋顯洪，男，1938年生，教授。上海市，200060。

2011-11-22）