金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾難沉降煤泥水的影響因素研究

王曉強(qiáng)

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系， 山西 太原 030009）

煤泥水處理是影響選煤廠生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)的決定性環(huán)節(jié)。我國(guó)2/3煤炭資源分布在缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的西北部地區(qū)。隨著采煤機(jī)械化程度的提高，細(xì)粒煤和細(xì)泥含量越來(lái)越大，煤泥水處理難度增大。我國(guó)許多選煤廠的煤泥水難以得到有效沉降[1]，同時(shí)，循環(huán)水中含有較多的細(xì)粒煤泥，其外排既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。因此，煤泥水的有效處理除了影響選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益外，對(duì)節(jié)約利用水資源和保護(hù)礦區(qū)環(huán)境也有重要意義[1]。

當(dāng)前，我國(guó)的選煤技術(shù)可以為大多數(shù)選煤廠提供煤泥水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)選煤廠洗水閉路循環(huán)，并且在必須排放時(shí)也能符合環(huán)境保護(hù)的排放要求，不污染環(huán)境。但是無(wú)論是煤炭開(kāi)發(fā)利用，還是煤炭節(jié)能減排，都需要實(shí)現(xiàn)洗水的100%循壞以及煤泥的100%回收。所以，合理有效的煤泥水處理技術(shù)極其重要。在這種背景下，本文主要是針對(duì)細(xì)粒難沉降、煤泥水難處理的技術(shù)難題，提出一種處理細(xì)粒煤泥水的方法——金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾技術(shù)。

1 金屬絲網(wǎng)膜概況

1.1 金屬絲網(wǎng)膜介紹

剛性燒結(jié)金屬絲網(wǎng)膜是一種金屬多孔材料，是以采用普通金屬編織絲網(wǎng)為原料，通過(guò)多層絲網(wǎng)疊層的合理搭配和真空高溫?zé)Y(jié)等復(fù)合工藝制備而成的一種新型多孔功能材料。這種復(fù)合功能的多孔材料，是20世紀(jì)50—60年代以美國(guó)為首的西方各國(guó)在能源、航空和航天技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，為解決高溫燃?xì)廨啓C(jī)葉片和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器面板的燒蝕防熱問(wèn)題，在發(fā)散冷卻技術(shù)和發(fā)散冷卻材料的開(kāi)發(fā)研究基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的。在我國(guó)，該新型微孔材料也是隨著航天航空技術(shù)的需求與發(fā)展，由冶金部鋼鐵研究總院在60—70年代首先研制成功，并逐漸推廣應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)方面。

目前，以剛性燒結(jié)金屬絲網(wǎng)微孔材料為核心的凈化分離技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，已被列入國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技成果推廣項(xiàng)目。其在石油、化工、冶金、機(jī)械、煤炭、紡織和食品等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以促進(jìn)凈化分離工藝過(guò)程的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量水平的提高，而且能夠推動(dòng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域整體工藝技術(shù)水平的進(jìn)步與發(fā)展，具有良好的推廣應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力[2]。

1.2 金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾機(jī)理

金屬絲網(wǎng)膜的過(guò)濾機(jī)理主要是表層網(wǎng)孔攔截和濾餅截留，并輔助有一定程度的深層過(guò)濾捕捉。燒結(jié)金屬絲網(wǎng)膜從外到內(nèi)包括三層：保護(hù)層、過(guò)濾工作層和支撐層，其中單層的較細(xì)金屬絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)燒結(jié)所形成的阻擋過(guò)濾工作層是屬于直接攔截過(guò)濾的，這是膜的主要截留部分，其特點(diǎn)是直接把一定大小的固體顆粒截留在過(guò)濾層外側(cè)表面，一段時(shí)間后可以出現(xiàn)一個(gè)均勻?yàn)V餅層，并且形成的濾餅層慢慢增厚、密度加大，此時(shí)濾餅層也可起到攔截作用，能夠截留更小的固體顆粒[3]。這種過(guò)濾介質(zhì)的表面形態(tài)規(guī)則、孔徑均勻，孔道內(nèi)部光滑，對(duì)濾餅層的迅速形成起到很好的作用，并且這種過(guò)濾材料對(duì)于清洗濾膜非常方便，因此它不僅能夠獲取高精度的過(guò)濾效果，而且還能保持高可靠性，穩(wěn)定運(yùn)行的工藝過(guò)程，不僅具有高的耐壓強(qiáng)度、較小的處理壓力，而且還能形成均勻密實(shí)的濾餅層并且具有反沖效果好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合應(yīng)用在連續(xù)化運(yùn)行和自動(dòng)化操作的系統(tǒng)中[4]。

2 金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)影響因素研究

2.1 進(jìn)料壓力對(duì)膜通量的影響

進(jìn)料壓力是膜過(guò)濾過(guò)程的推動(dòng)力，是影響膜過(guò)濾性能的重要因素。在壓力控制區(qū)內(nèi)，膜通量隨壓力的升高而增大；當(dāng)壓力達(dá)到一個(gè)臨界值后，膜通量隨壓力的變化趨于平緩，為傳質(zhì)控制區(qū)，此時(shí)通量與壓力無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)考察了進(jìn)料壓力對(duì)金屬膜微濾過(guò)程的影響，圖1-1、1-2為進(jìn)料壓力在0.8～1.6 MPa之間變化時(shí)，膜滲透通量隨時(shí)間的變化情況[3]。

實(shí)驗(yàn)條件：室溫下，孔徑為15 μm、45 μm的兩種孔徑金屬絲網(wǎng)膜，煤泥水料液濃度50 g/L，過(guò)濾時(shí)間為20 min。

圖1 膜孔徑為15 μm和45 μm時(shí)，不同壓力下滲透通量隨過(guò)濾時(shí)間的變化

從圖1中可以看出：不管是15 μm的膜還是45 μm的膜，在進(jìn)料壓力為0.8 MPa時(shí)，膜的滲透通量都很小，其穩(wěn)定膜通量均不足10 L/（m2·min），其可能原因是進(jìn)料壓力太小，推動(dòng)力不足，導(dǎo)致膜通量較?。贿M(jìn)料壓力為1.2 MPa時(shí)，同0.8 MPa時(shí)的情況相似，其膜通量稍微比0.8 MPa時(shí)大一點(diǎn)；進(jìn)料壓力為1.6 MPa時(shí)，兩種孔徑的膜的膜通量明顯增大，但是衰減很快，從以上情況可知：膜通量隨著進(jìn)料壓力的增大而增大，但膜通量的衰減幅度較大，主要原因是膜污染（微粒吸附在膜孔內(nèi)和膜表面，膜孔被微粒部分堵塞，微粒在膜表面沉積）。

2.2 膜孔徑對(duì)過(guò)濾過(guò)程的影響

膜孔徑是影響膜通量及截留率的重要因素，實(shí)驗(yàn)考察了不同膜孔徑（15 μm，45 μm）下，金屬絲網(wǎng)膜的膜通量隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)條件：室溫下，煤泥水料液濃度50 g/L，操作壓力為1.6 MPa，過(guò)濾時(shí)間為20 min。

圖2 膜孔徑對(duì)滲透通量的影響

從圖2中可以看出，在整個(gè)過(guò)濾過(guò)程中，膜通量隨膜孔徑的增大而增大。對(duì)于45 μm孔徑的金屬絲網(wǎng)膜，過(guò)濾初始階段——10 min期間，過(guò)濾通量衰減幅度大，10 min后膜通量逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定通量為11.583 L/（m2·min）；對(duì)于孔徑為15 μm的金屬絲網(wǎng)膜，過(guò)濾初始階段——5 min期間，通量衰減很快，5 min后通量衰減緩慢直至穩(wěn)定，最終穩(wěn)定通量為10.5 L/（m2·min），產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是膜污染的發(fā)生[4]。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出不同膜孔徑過(guò)濾前后水質(zhì)的懸浮物含量指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)可以得出，兩種孔徑的金屬絲網(wǎng)膜都對(duì)煤泥水料液中的懸浮物有很好的攔截作用，濾出液中懸浮物含量均到達(dá)選煤廠循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)，即0.5 g/L以下；但孔徑越大，膜對(duì)懸浮固體的截留率越低。

表1 膜孔徑對(duì)濾出液及濃縮液的影響

2.3 料液濃度對(duì)過(guò)濾過(guò)程的影響

實(shí)驗(yàn)考察了料液濃度對(duì)金屬膜微濾過(guò)程的影響，圖3為進(jìn)料壓力為1.6 MPa，過(guò)濾時(shí)間為20 min時(shí)，15 μm、45 μm金屬絲網(wǎng)膜分別過(guò)濾 30 g/L、50 g/L的煤泥水料液懸浮物，膜滲透通量隨時(shí)間的變化情況。

圖3 15μm（左）和 45 μm（右）的膜過(guò)濾不同濃度的煤泥水料液時(shí)膜通量隨時(shí)間的變化

由圖3可以看出：實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)相同，煤泥水料液濃度越低，膜通量越高。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出不同濃度料液過(guò)濾前后水質(zhì)的懸浮物含量指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。分析表中數(shù)據(jù)可以得出，兩種孔徑的金屬絲網(wǎng)膜對(duì)不同濃度的煤泥水料液中的懸浮物都有很好的攔截作用，濾出液中懸浮物含量均到達(dá)選煤廠循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)，即0.5 g/L以下；但濃度越大，膜對(duì)懸浮固體的截留率越低。

表2 料液濃度對(duì)濾出液的影響

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)主要考察了金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾難沉降煤泥水過(guò)濾過(guò)程中的三個(gè)影響因素：進(jìn)料壓力、膜孔徑、料液濃度對(duì)過(guò)濾性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）考察15 μm和45 μm金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾難沉降煤泥水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：過(guò)濾50 g/L煤泥水懸浮物膜孔徑分別為15 μm和45 μm時(shí)的過(guò)濾效果都能達(dá)到選煤廠洗水要求，具體15 μm濾液懸浮物質(zhì)量濃度為6.5 mg/L，45 μm濾液懸浮物質(zhì)量濃度為15.1 mg/L；進(jìn)料壓力從0.8 MPa增大到1.6 MPa時(shí)，15 μm金屬絲網(wǎng)膜的穩(wěn)定通量從1.193 L/（m2·min）提高到10.500 L/（m2·min），45 μm金屬絲網(wǎng)膜的穩(wěn)定通量從1.792 L/（m2·min）提高到11.583 L/（m2·min）。

2）煤泥水懸浮物質(zhì)量濃度從50g/L降低到30g/L時(shí)，15 μm金屬絲網(wǎng)膜的穩(wěn)定通量從10.500 L/（m2·min）提高到14.167 L/（m2·min），過(guò)濾20 min的累積通量從 427.7085 L/m2提高到 623.125 L/m2，45 μm金屬絲網(wǎng)膜的穩(wěn)定通量從11.583 L/（m2·min）提高到14.854 L/（m2·min），過(guò)濾 20 min 的累積通量從677.30901 L/m2提高到 972.3054 L/m2。

4 展望

金屬絲網(wǎng)膜處理難沉降煤泥水的應(yīng)用以及理論研究是一項(xiàng)復(fù)雜且與生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)聯(lián)的研究課題。本實(shí)驗(yàn)僅在實(shí)驗(yàn)室的研究規(guī)模上初步考察了金屬絲網(wǎng)膜過(guò)濾濃縮機(jī)溢流液的性能及影響因素，所得結(jié)論對(duì)煤泥水處理現(xiàn)場(chǎng)具有一定的參考價(jià)值。

[1]張明旭.選煤廠煤泥水處理[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005：1-4；293-296.

[2]尹法杰，方玉誠(chéng)，陳欣，等.剛性復(fù)合燒結(jié)金屬絲網(wǎng)微孔材料與氣固過(guò)濾分離技術(shù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1998，19（4）：25-28.

[3]顧臨，況春江，王凡，等.剛性燒結(jié)金屬絲網(wǎng)的孔徑計(jì)算[J].化工裝備技術(shù)，2000，21（1）：26-29.

[4]高勵(lì)成，李復(fù)生，許文，等.新型金屬絲網(wǎng)管應(yīng)用研究[J].化學(xué)工程，2001，29（3）：71-74.