采用先進(jìn)過濾分離技術(shù)推動(dòng)無機(jī)鹽工業(yè)的發(fā)展

都麗紅，朱企新

（1.上?；ぱ芯吭河邢薰荆虾?00062；2.天津大學(xué)化工學(xué)院；3.全國(guó)石油和化工行業(yè)過濾與分離工程研究中心）

改革開放幾十年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，目前己經(jīng)成為世界上最大的無機(jī)鹽生產(chǎn)、消費(fèi)與出口國(guó)；在技術(shù)、裝備、創(chuàng)新升級(jí)方面都有明顯提髙，在新材料開發(fā)等方面也有進(jìn)步；在“十四五”期間，在可持續(xù)發(fā)展、質(zhì)量進(jìn)步、行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能環(huán)保安全等方面有待進(jìn)一步提高；發(fā)展中的新思維、新技術(shù)也有待盡快普及推廣提高。

1 中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)的發(fā)展

1.1 無機(jī)鹽工業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)單歷程

18世紀(jì)中前期為無機(jī)鹽工業(yè)發(fā)展初期，發(fā)源于歐洲的工業(yè)革命有力地促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展。隨著新興工業(yè)和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)無機(jī)鹽的品種和數(shù)量提出了更高的要求。直至20世紀(jì)40年代初，無機(jī)鹽工業(yè)已基本形成體系，產(chǎn)品多達(dá)400種以上。之后不斷推出適用于新應(yīng)用領(lǐng)域的專用無機(jī)材料、無機(jī)精細(xì)產(chǎn)品及無機(jī)聚合物。

到20世紀(jì)70年代，隨著生產(chǎn)工藝的開發(fā)和改進(jìn)，以提高收率、節(jié)能降耗、減少污染為目的的新工藝不斷涌現(xiàn)，大多數(shù)無機(jī)鹽產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代。無機(jī)鹽工業(yè)三大體系民用、軍工、材料工業(yè)基本成形并不斷發(fā)展壯大。無機(jī)鹽工業(yè)產(chǎn)品品種由1950年的約600種增長(zhǎng)到20世紀(jì)70年代末期的900余種。新能源、可再生能源工業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了無機(jī)鹽材料等產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用；信息技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了無機(jī)電子化學(xué)品的迅速增加；航天航空工業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了無機(jī)陶瓷材料、無機(jī)晶須材料的發(fā)展。到2010年，世界無機(jī)鹽品種已超過1 450種。無機(jī)鹽工業(yè)進(jìn)一步向精細(xì)化、專用化和功能化方向發(fā)展［1-2］。

1.2 中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)的進(jìn)步

中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)自改革開放以來有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1）自20世紀(jì)80年代開始，中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)通過自主開發(fā)與引進(jìn)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展迅速，逐漸建成了具有相當(dāng)規(guī)模、實(shí)力較強(qiáng)的無機(jī)鹽工業(yè)體系，門類比較齊全、品種大體配套，基本可滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日益增長(zhǎng)的生活需要。2）中國(guó)優(yōu)勢(shì)的無機(jī)鹽原料資源如磷、氟、鋇、鍶、鎢、鉬、釩、稀土礦等成為發(fā)展無機(jī)鹽工業(yè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。到2012年，中國(guó)螢石、磷礦石、菱鎂礦、重晶石、銻礦、石墨礦等12種礦物開采量位居世界第一，且多數(shù)礦產(chǎn)品的開采量占世界開采總量的50%以上［1-2］。3）“十三五”期間，中國(guó)將經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式從單純追求發(fā)展速度逐漸轉(zhuǎn)入追求發(fā)展質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)走生態(tài)文明的發(fā)展道路?！吨袊?guó)制造2025》《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等國(guó)家戰(zhàn)略明確提出綠色制造工程和綠色發(fā)展的理念，無機(jī)鹽工業(yè)大部分產(chǎn)品來自礦物加工，生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生固體廢物、廢水、廢氣等污染源，對(duì)環(huán)境安全造成很大隱患，因此綠色發(fā)展將成為無機(jī)鹽工業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

1.3 進(jìn)入21世紀(jì)中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)發(fā)展中的差距

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比中國(guó)無機(jī)材料發(fā)展起步較晚，原始創(chuàng)新偏低，資源消耗過快，對(duì)綠色發(fā)展與污染治理及大數(shù)據(jù)、人工智能等缺乏深刻了解，實(shí)施清潔生產(chǎn)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要手段舉步艱難。

1.3.1 資源稀缺與消耗過快

在無機(jī)鹽工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，伴隨著大量礦物資源的消耗。經(jīng)過長(zhǎng)期、過度性開采，造成中國(guó)部分優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源保障程度迅速下降。盡管近年來地質(zhì)勘探技術(shù)不斷提高，但資源快速消耗的總體趨勢(shì)無法避免，少數(shù)稀缺的礦物資源必須依靠進(jìn)口，資源安全已經(jīng)成為中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的核心。

1.3.2 污染治理的差距

長(zhǎng)期以來無機(jī)鹽產(chǎn)業(yè)更多地單純追求產(chǎn)出量，生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢物、廢水、廢氣等污染源對(duì)環(huán)境安全造成很大隱患。比如：由于資源化利用技術(shù)的瓶頸問題，中國(guó)目前磷石膏累計(jì)堆存量遠(yuǎn)超過3億t，資源的浪費(fèi)和污染治理成為制約磷化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。而且無機(jī)鹽產(chǎn)業(yè)的污染控制更多地僅停留在末端治理，因此綠色發(fā)展將成為無機(jī)鹽工業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向［1-4］。

1.4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

1.4.1 清潔生產(chǎn)

污染物控制應(yīng)盡快從早期的“先污染后治理”模式向“產(chǎn)生前從源頭的減量化”模式轉(zhuǎn)變。無機(jī)鹽工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該通過工藝改進(jìn)、原材料替代和設(shè)備更新等手段確定優(yōu)先選擇減量化的工藝技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境負(fù)荷的降低。能耗高就意味著成本高、污染多、浪費(fèi)大，只有減少能耗、實(shí)現(xiàn)綠色GDP，經(jīng)濟(jì)才有發(fā)展前景。因此必須把清潔生產(chǎn)提到重要地位，絕不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)來發(fā)展經(jīng)濟(jì)［5］。

1）清潔生產(chǎn)的提出。1976年，“無廢工藝和無廢生產(chǎn)國(guó)際研討會(huì)”在巴黎召開，清潔生產(chǎn)正式提到議事日程。1992年，世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)通過了《21世紀(jì)議程》，首次正式提出了清潔生產(chǎn)概念，指出實(shí)施清潔生產(chǎn)是取得可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，所倡導(dǎo)的清潔生產(chǎn)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要手段，即強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中減少污染的產(chǎn)生，而只把末端治理作為一種輔助手段。

2）清潔生產(chǎn)的定義。所謂清潔生產(chǎn)是指由一系列能滿足可持續(xù)發(fā)展要求的清潔生產(chǎn)方案所組成的生產(chǎn)、管理、規(guī)劃系統(tǒng)。它是一個(gè)宏觀概念，是相對(duì)于傳統(tǒng)的粗放式生產(chǎn)、管理、規(guī)劃系統(tǒng)而言的。推行清潔工藝是實(shí)現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇和必由之路。面對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，可持續(xù)發(fā)展和清潔生產(chǎn)也必然成為中國(guó)必然的發(fā)展模式。

3）清潔生產(chǎn)的要求。中國(guó)于2003年1月1日起施行《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》，2016年5月修訂7月執(zhí)行。新《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》包括以下要點(diǎn)：①促進(jìn)清潔生產(chǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙贏策略；②清潔生產(chǎn)要使用清潔的能源和原料，要求不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)的工藝技術(shù)與設(shè)備，改善管理，綜合利用；③從源頭消減污染，提高資源利用效率，減少或者避免生產(chǎn)服務(wù)和產(chǎn)品使用過程中污染物的產(chǎn)生和排放；④清潔生產(chǎn)要求對(duì)自然資源進(jìn)行合理利用，投入最少的原材料和能源生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品，節(jié)約能源和原材料，利用可再生能源或清潔能源、減少使用稀有原材料、循環(huán)利用物料等；⑤通過節(jié)約資源、降低損耗、提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的；⑥清潔生產(chǎn)應(yīng)包括減輕或者消除對(duì)人類健康和環(huán)境的危害、保護(hù)和改善生活環(huán)境與生態(tài)環(huán)境。生活環(huán)境是與人類社會(huì)生活密切相關(guān)的各種自然條件和社會(huì)條件的總和；生態(tài)環(huán)境是指生物有機(jī)體周圍的生存空間的生態(tài)條件的總和。

1.4.2 大數(shù)據(jù)

中國(guó)的大數(shù)據(jù)研究始于20世紀(jì)80年代，2012年起截至2019年8月大數(shù)據(jù)研究論文已達(dá)1.3萬篇、相關(guān)文獻(xiàn)9.8萬篇，中國(guó)的大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用與世界發(fā)展趨勢(shì)同步。2011年，在“十二五”規(guī)劃中給出了大數(shù)據(jù)的內(nèi)容；2015年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，對(duì)大數(shù)據(jù)發(fā)展進(jìn)行了全面規(guī)劃，提出大數(shù)據(jù)在工業(yè)和其他行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展方向，規(guī)劃大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中指出：在“十三五”規(guī)劃時(shí)期內(nèi)加快大數(shù)據(jù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和應(yīng)用，經(jīng)過多年的積累大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)已取得顯著的進(jìn)展和突破，相關(guān)研究和應(yīng)用的著力點(diǎn)應(yīng)集中于增強(qiáng)大數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)能力、開展工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用、促進(jìn)行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展。

大數(shù)據(jù)的應(yīng)用也應(yīng)該是化工領(lǐng)域的發(fā)展方向［6］。無機(jī)鹽企業(yè)歷史悠久，產(chǎn)品品種有1 500多個(gè)，在運(yùn)行過程中逐步產(chǎn)生和存儲(chǔ)了大量工業(yè)數(shù)據(jù)。如何通過大數(shù)據(jù)的應(yīng)用創(chuàng)造效果，是化工領(lǐng)域大數(shù)據(jù)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)中國(guó)無機(jī)鹽行業(yè)從大到強(qiáng)的有效途徑。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）優(yōu)化生產(chǎn)過程和改善設(shè)備運(yùn)維是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在生產(chǎn)排程與調(diào)度方面，依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)推斷任務(wù)工期、機(jī)器折舊狀況等，及時(shí)獲知生產(chǎn)實(shí)際，綜合考慮工藝流程、設(shè)備產(chǎn)能、生產(chǎn)人員安排、原料和其他成本等約束條件，依靠遺傳算法等數(shù)據(jù)處理方法從生產(chǎn)過程的大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)調(diào)度規(guī)則，作出生產(chǎn)計(jì)劃與排程優(yōu)化。

2）根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)、使用和維修等環(huán)節(jié)的信息采集、管理和分析，達(dá)成設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，合理安排設(shè)備運(yùn)維周期，提高設(shè)備的可用率。在故障診斷與預(yù)測(cè)方面，利用大數(shù)據(jù)將傳感器獲取得到的溫度、壓力、液位、流量、物料組成等參數(shù)，通過異常檢測(cè)算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、決策樹等數(shù)據(jù)處理方式并合理運(yùn)用知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警和及時(shí)診斷［7］。

3）提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度。簡(jiǎn)化甚至部分代替人工操作，在降低人工工作量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率［8-9］。

4）在質(zhì)量檢驗(yàn)與管理方面，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量管控，可以通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的獲取和利用，根據(jù)時(shí)間和工藝流程預(yù)測(cè)關(guān)鍵工藝指標(biāo)，建立過程能力指數(shù)之間的相關(guān)性，系統(tǒng)預(yù)期和度量產(chǎn)品的最終質(zhì)量性能。同時(shí)，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與知識(shí)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，將大數(shù)據(jù)質(zhì)量管理模式與專家系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)成高效智能的質(zhì)量追溯效果［10］。

2 過濾與分離技術(shù)在無機(jī)鹽工業(yè)上的應(yīng)用

過濾與分離技術(shù)已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，僅化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中大約80%的工藝都要應(yīng)用到過濾與分離技術(shù)［11］。對(duì)液相與固相組成的物系，采用過濾與分離技術(shù)與傳統(tǒng)的熱力干燥、蒸發(fā)過程相比，在相同要求下可以大大節(jié)省能量，這種非熱力脫水、節(jié)能的過濾分離國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域已引起廣泛關(guān)注［12］。

無機(jī)鹽工業(yè)產(chǎn)品品種繁多、應(yīng)用面廣，是基本化工原料，液固、氣固兩相的過濾與分離過程在無機(jī)鹽的生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，是無機(jī)鹽產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵工藝過程與設(shè)備。

2.1 現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

1）幾乎所有無機(jī)鹽產(chǎn)品都包括原料精制、對(duì)浸出物雜質(zhì)去除，對(duì)中間產(chǎn)品精制脫液或洗滌，對(duì)蒸發(fā)、濃縮、冷卻、結(jié)晶過程中的中間產(chǎn)品脫液或洗滌，產(chǎn)品的過濾洗滌和與母液的分離。例如：鋰作為一種典型的、新世紀(jì)綠色能源和輕質(zhì)合金的理想材料，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展不可或缺的重要原材料，目前中國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的鋰消費(fèi)大國(guó)，而鹽湖鋰礦的提純和含氟碳酸鋰的回收工藝就涉及4步過濾、1步洗滌，可以說工藝中的1/3都是過濾與分離過程，要得到合格的高純碳酸鋰，從過濾介質(zhì)到設(shè)備及過濾、洗滌過程都要選擇合理［2，13］。

2）無機(jī)鹽的生產(chǎn)經(jīng)常會(huì)涉及從礦石中提取有用物質(zhì)，物質(zhì)的提純、浸出、洗滌及分離脫液必然會(huì)遇到液固、氣固兩相的過濾與分離。因而過濾分離技術(shù)與設(shè)備的選擇及確定合理的操作參數(shù)，并要求不斷地改進(jìn)使用效果、功耗、工作效率等，均影響產(chǎn)品的成本和質(zhì)量，也是無機(jī)鹽行業(yè)關(guān)注的大問題。

2.2 無機(jī)鹽生產(chǎn)中三廢治理的應(yīng)用

當(dāng)前生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢氣、廢液與廢渣的處理與再利用都離不開過濾分離技術(shù)與設(shè)備的選擇與科學(xué)使用。例如：為使青海海西地區(qū)的鹽湖尾礦資源化利用，通過物理法分離工藝成功提取出了食用氯化鉀、氫氧化鎂、氯化鈣、硫酸鎂及精制鹽等產(chǎn)品，整個(gè)工藝流程中涉及沉降、過濾、洗滌、脫水等多步過濾與分離過程和設(shè)備的應(yīng)用［14］。

2.3 無機(jī)鹽行業(yè)發(fā)展的需求［2］

新品開發(fā)、挖掘新興趨勢(shì)、開拓新領(lǐng)域、貧礦開發(fā)、尾礦資源化利用等無機(jī)鹽行業(yè)發(fā)展的方向更是都與過濾與分離技術(shù)密不可分。例如：綠色能源的發(fā)展推動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，催生了鋰電池產(chǎn)業(yè)，也推動(dòng)了鈷鹽、鋰鹽系列材料的發(fā)展、壯大；隨著鋰電池生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，帶動(dòng)了關(guān)鍵的鈷、鋰電池材料的需求迅猛增長(zhǎng)；汽車、建筑材料、能源材料的綠色化也將帶動(dòng)相關(guān)無機(jī)材料的不斷發(fā)展，而鈷鹽、鋰鹽等無機(jī)鹽的先進(jìn)生產(chǎn)工藝都少不了先進(jìn)的過濾與分離技術(shù)。

總之，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展、社會(huì)需求趨勢(shì)的變化，造成當(dāng)前資源極度消耗、個(gè)別資源稀缺，這些都對(duì)無機(jī)鹽工業(yè)提出了新的問題和挑戰(zhàn)。無機(jī)化工行業(yè)欲從大到強(qiáng)，清潔生產(chǎn)要求使用清潔的能源和原料、采用先進(jìn)的工藝技術(shù)即不斷采取改進(jìn)設(shè)計(jì)；可持續(xù)性循環(huán)經(jīng)濟(jì)需要采取綜合利用等措施，過濾與分離技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，在無機(jī)鹽行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 過濾分離技術(shù)的進(jìn)步

3.1 中國(guó)是最早采用過濾分離技術(shù)的國(guó)家［12］

20世紀(jì)80年代改革開放后，分離機(jī)械從品種、性能、數(shù)量、質(zhì)量上要求更高，引進(jìn)技術(shù)和國(guó)外技術(shù)交流促進(jìn)了過濾分離技術(shù)的發(fā)展。

隨著科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，過濾與分離技術(shù)的應(yīng)用已涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域，如資源、能源、環(huán)境保護(hù)、新材料、生物醫(yī)藥、石油化工開發(fā)等。從20世紀(jì)后期已經(jīng)拓展到生物工程、新能源、新材料、水資源、電子信息、環(huán)保等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。過濾分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)、新興產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域和新拓展的領(lǐng)域內(nèi)不可或缺的科學(xué)技術(shù)。

3.2 過濾與分離是一門綜合技術(shù)

過濾與分離是一門綜合技術(shù)，它的基本過程是流體通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)和固形物顆粒分離，這些過程都是發(fā)生在多相界面上，過濾分離是以多相流流體力學(xué)和滲透力學(xué)為基礎(chǔ)，與化學(xué)、物理化學(xué)、膠體化學(xué)和界面化學(xué)等知識(shí)密切相關(guān)［12］。

3.3 過濾與分離理論研究的難題

1）對(duì)濾餅過濾過程的理論研究始于19世紀(jì)，盡管近40 a來有了一些進(jìn)展，但由于涉及的問題非常復(fù)雜，進(jìn)展仍是緩慢的，還不能提出關(guān)聯(lián)物料特性和操作條件計(jì)算過濾性能的精確的理論公式。因此，過濾技術(shù)對(duì)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的依賴性很強(qiáng)。如從理論分析導(dǎo)出的過濾方程式中，對(duì)與濾餅性質(zhì)有關(guān)的特征數(shù)值必須由實(shí)驗(yàn)獲得。即使是從實(shí)驗(yàn)中得到的參數(shù)，直接應(yīng)用到生產(chǎn)中去，也還會(huì)發(fā)生某些偏差。因此，很多從事過濾分離理論研究的學(xué)者都非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的重要性［15］。如：1977年F.M.Tiller等［16］指出，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，在過濾設(shè)計(jì)中試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)仍起重要作用；2000年A.Rushton等［17］也指出，理論計(jì)算的滲透率僅用于缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)其進(jìn)行估算，而實(shí)測(cè)值比上述方程所得計(jì)算值很可能差1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要是計(jì)算方程還有許多參數(shù)沒有考慮；早年茹日可夫曾提出，過濾理論計(jì)算值與實(shí)際數(shù)值的偏差不超過25%就很理想。

2）盡管存在上述問題，仍不能否認(rèn)過濾理論對(duì)過濾實(shí)踐的指導(dǎo)作用。對(duì)于濾餅過濾，理論方程揭示的一般規(guī)律在實(shí)際過程都被證明，所以過濾的理論研究和應(yīng)用研究都是很有意義的。理論研究能夠?qū)С龇从硨?shí)際過程的基本過濾方程，還必須通過實(shí)驗(yàn)確定過濾方程中的各類數(shù)值并驗(yàn)證各種理論［18］。

3）將人工智能技術(shù)用于過濾與分離過程的研究可以讓過濾技術(shù)更先進(jìn)，讓分離過程更加智能化。如基于智慧工廠的大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以建立過濾材料的智能優(yōu)選系統(tǒng)；依托專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)支撐，可以建立過濾分離效果評(píng)價(jià)打分機(jī)制；基于節(jié)能環(huán)保的特殊要求，可以建立智能化過濾分離后處理回收系統(tǒng)。當(dāng)然對(duì)于過濾過程，對(duì)物料性質(zhì)、過濾條件與過濾結(jié)果之間的關(guān)系，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是無法求解，作者曾用大數(shù)據(jù)的處理思路來解決問題，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析證明是可行的［19］。

3.4 難過濾物料的過濾［17］

3.4.1 難過濾物料及其過濾分離時(shí)遇到的問題

難過濾物料主要有：高黏度、高分散、高可壓縮物料；固相顆粒極小、軟體顆粒、不定形顆粒、稍加壓力濾餅比阻很大；特殊高黏膠（不定型物質(zhì)）、軟體粒子、針狀微粒；形態(tài)多變、乳化物、易堵塞過濾介質(zhì)而洗滌要求高的物料等。對(duì)這類難過濾物料進(jìn)行過濾分離時(shí)會(huì)遇到以下問題：1）含有粒子或膠狀物質(zhì)、可壓縮性較高、過濾不久阻力迅速上升，使過濾無法進(jìn)行；2）形成的濾餅結(jié)構(gòu)黏稠或致密、濾餅比阻迅速加大、過濾速度急劇下降；3）可壓縮性物料，濾餅易成糊狀，粘在過濾介質(zhì)表面堵塞孔隙，阻止液體通過，使操作壓力迅速上升，需常清洗，并導(dǎo)致濾材壽命縮短；4）不能用絮凝、凝聚的物料，過濾介質(zhì)又無法阻擋微小顆粒，致使濾液達(dá)不到所要求的澄清度。對(duì)于上述難過濾物料，必須采用強(qiáng)化過濾技術(shù)，以提高過濾效果。

3.4.2 對(duì)難過濾物料過濾分離時(shí)可采用的技術(shù)途徑［20-21］

強(qiáng)化過濾過程的技術(shù)也就是一種提高過濾分離效果的技術(shù)，它包括：物料進(jìn)行預(yù)處理（預(yù)增濃、絮凝和凝聚）；加入表面活性劑或酶制劑；加入助濾劑的助過濾；限制濾餅層增厚的薄層濾餅過濾；采用強(qiáng)化過濾的集成工藝等。對(duì)難過濾物料過濾分離時(shí)可采用的技術(shù)途徑有以下幾種：

1）降低黏度。絕大多數(shù)化工原料為非牛頓型流體［22］，其流體流動(dòng)呈現(xiàn)的性質(zhì)難于牛頓流體，非牛頓型流體分假塑性和脹塑性等多種。假塑性流體隨剪切率上升而黏度下降，作者曾對(duì)立德粉、鈦白粉進(jìn)行試驗(yàn)，提高流體流速黏度就下降、過濾速度就上升；對(duì)于脹塑性流體，流體流速升高黏度就上升。

2）限制濾餅增長(zhǎng)的薄層濾餅過濾。限制濾餅增長(zhǎng)是為了增高過濾速率。減薄濾餅厚度也就降低了阻力?？梢圆捎梅欠€(wěn)態(tài)流、振動(dòng)、動(dòng)態(tài)過濾、交叉流，目的是為了減薄濾餅厚度，達(dá)到減小過濾阻力、提高過濾速率的目的［23］。

3）加入助濾劑。這是為了改善濾餅結(jié)構(gòu)，降低濾餅阻力，提高過濾速率。

4）選擇合適的過濾介質(zhì)。例如：對(duì)于一些液相黏度很大、固相顆粒直徑極小的非牛頓型流體（如化纖熔體），要盡量避免采用提高過濾壓力的方法，宜選用具有三維結(jié)構(gòu)開孔率大且孔徑很小、截留精度高的過濾介質(zhì)。

5）采用強(qiáng)化過濾的集成工藝。采用先進(jìn)節(jié)能的過濾分離技術(shù)及設(shè)備、采用上述各種方法的組合，改善和強(qiáng)化過濾分離過程，進(jìn)而提高過濾分離過程的效率及精度，節(jié)能降耗。

3.5 過濾介質(zhì)的發(fā)展

過濾介質(zhì)有：織造濾布，非織造濾布，抗腐蝕、耐高溫、精度高的金屬過濾介質(zhì)和陶瓷過濾介質(zhì)，及納米纖維過濾介質(zhì)、多功能過濾介質(zhì)、駐極體空氣過濾介質(zhì)、選擇性過濾介質(zhì)等。為保證濾布穩(wěn)定不變形、精度高、易卸餅，熱處理、軋光、覆膜等濾布后處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這里簡(jiǎn)單介紹幾種先進(jìn)過濾介質(zhì)。

1）金屬燒結(jié)過濾介質(zhì)。金屬燒結(jié)過濾介質(zhì)有：燒結(jié)金屬粉末、燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬纖維氈、金屬膜等幾種類型。金屬過濾介質(zhì)除了具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐溫高等特點(diǎn)，還具有孔型固定、孔徑分布集中、良好的滲透性、再生性好等過濾特性。表1對(duì)這幾種過濾介質(zhì)對(duì)純水的滲透率進(jìn)行了比較：金屬過濾介質(zhì)主要用于液-固分離、氣-固分離、氣-液分離等。如：液體物料中貴金屬催化劑的回收，工業(yè)污水、凝結(jié)水的凈化處理，高溫煤氣與煙氣的過濾，工業(yè)氣體催化劑的回收，去除粒度50%＜15μm的氧化鋁和氫氧化鋁粉塵。

表1 幾種金屬過濾介質(zhì)的滲透率［24］

2）陶瓷過濾介質(zhì)。20世紀(jì)80年代中，芬蘭Outkump公司開發(fā)抗腐蝕、耐高溫、高精度的陶瓷膜過濾介質(zhì)，用于有色金屬如Cu、Al、Pb、Zn、Ni等精礦的脫水；繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷過濾介質(zhì)之后，最近發(fā)展的第三代多孔陶瓷過濾介質(zhì)就是泡沫陶瓷過濾介質(zhì)；隨后又開發(fā)出孔隙率較高、阻力較小的陶瓷纖維過濾介質(zhì)（見圖1）。

圖1 3種陶瓷過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

陶瓷過濾介質(zhì)可在高達(dá)1 000℃的溫度下工作，并且在氧化、還原等高溫環(huán)境下具有很好的抗腐蝕性而成為過濾的優(yōu)良選材之一。以顆粒粉末燒結(jié)為主的低孔隙度結(jié)構(gòu)，孔隙率約為38%；以纖維燒結(jié)為主的高孔隙度結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)80%以上［25］。

3）非織造濾布。非織造濾布是采用非織造技術(shù)即通過機(jī)械、化學(xué)、熱壓或其組合方式將纖維結(jié)合而成。該技術(shù)是1942年由美國(guó)公司提出的，也稱為無紡布。非織造濾布的纖維互相交叉，形成的孔隙不規(guī)則，空隙率有的可高達(dá)80%。非織造濾布分：浸漬法無紡布和粘合劑纖維法無紡布；針氈式無紡布、水刺式無紡布和滾壓法無紡布；短纖維法無紡布和長(zhǎng)纖維法無紡布。非織造濾布廣泛用于工業(yè)污染物排放治理、飲用水、污水處理、海水淡化、汽車、暖通空調(diào)等領(lǐng)域。提高非織造濾布過濾性能的方法就是降低纖維直徑，近年來通過靜電紡絲方法能夠紡出直徑低于500 nm的超細(xì)纖維，有科研人員［26］采用電紡絲方法制備的聚合物納米絲，再用負(fù)載技術(shù)使之牢固負(fù)載于普通的粗纖維上，制備超凈納米絲的過濾介質(zhì)，其對(duì)空氣中1μm粉塵的過濾效率可達(dá)100%。

4）功能性過濾介質(zhì)。功能性過濾介質(zhì)是針對(duì)特定的環(huán)境要求（如抗靜電、拒水、拒油、阻燃、抗菌或抗病毒、清除有害氣體等）而開發(fā)的過濾介質(zhì)［27］。如：①含催化劑的過濾介質(zhì)，既是反應(yīng)區(qū)的一個(gè)分離元件，本身又是催化劑，或者過濾介質(zhì)是用催化活性物質(zhì)進(jìn)行處理而具有催化功能，它在對(duì)顆粒物進(jìn)行捕集的同時(shí)，還可以反應(yīng)脫除氣體中NOx、VOC等有害組分，除塵效率＞99.9%，NOx催化轉(zhuǎn)化率＞90%；②抗靜電過濾材料，通常使用抗靜電劑和導(dǎo)電纖維兩種方法來消除過濾材料上電荷的集聚，從而消除靜電，用于含涉爆粉塵氣體的分離凈化。還有利用阻燃纖維制成的具有較好的阻燃特性的過濾材料，采用納米技術(shù)開發(fā)的拒水拒油過濾材料等。

4 先進(jìn)過濾分離技術(shù)在無機(jī)鹽行業(yè)的應(yīng)用前景

4.1 先進(jìn)過濾分離設(shè)備的應(yīng)用

先進(jìn)過濾分離設(shè)備主要體現(xiàn)在大型化、自動(dòng)化和智能化。

1）大型化。由于選礦、濕法冶金、鹽湖等無機(jī)鹽行業(yè)處理量較大，要求過濾分離設(shè)備具有連續(xù)性且大型化。比如：青海鹽湖鉀鹽生產(chǎn)工藝采用多臺(tái)連續(xù)橡膠帶式真空過濾機(jī)進(jìn)行過濾洗滌，近年來開發(fā)的大型連續(xù)橡膠帶式真空過濾機(jī)已被應(yīng)用，其濾帶有效寬度為6 000 mm，過濾面積也達(dá)到163 m2。再如：濕法磷酸生產(chǎn)中常選用的真空轉(zhuǎn)臺(tái)式過濾機(jī)，目前單臺(tái)過濾面積最大均達(dá)到300 m2。

2）自動(dòng)化和智能化。過濾分離設(shè)備的自動(dòng)化和智能化一直是科技人員致力研究的方向，而在礦山、化工、有色金屬和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用最多的廂式壓濾機(jī)的自動(dòng)化和智能化更是大家創(chuàng)新研究的方向。近來Andritz分離公司報(bào)道利用先進(jìn)測(cè)量元件開發(fā)出新一代壓濾機(jī)——智能壓濾機(jī)［28］。智能壓濾機(jī)在取得大量實(shí)際操作數(shù)據(jù)后，對(duì)其操作過程可以進(jìn)行一系列優(yōu)化和改進(jìn)。①通過在液壓油系統(tǒng)設(shè)置對(duì)固體顆粒、含水量和油溫度監(jiān)測(cè)裝置，將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與使用油的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，優(yōu)化液壓系統(tǒng)的液壓油更換。②智能化濾布清洗。濾布阻塞會(huì)影響生產(chǎn)能力及濾布使用壽命，需要及時(shí)清洗，每次清洗需要停車和消耗高壓水。智能壓濾機(jī)在進(jìn)口安裝了壓力傳感器并對(duì)壓力變化進(jìn)行比較，當(dāng)進(jìn)料后壓力快速上升時(shí)則會(huì)進(jìn)行濾布清洗。③在濾板上安裝一個(gè)傾斜傳感器，進(jìn)行濾板密封面污染狀況監(jiān)測(cè)。④智能濾板。在濾板中安裝電磁波傳感器，由于電磁波會(huì)影響偶極水分子的排列，從而通過介電常數(shù)可以計(jì)算出排列偶極分子所需的能量，濾餅中水分越高所需的能量越大，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以測(cè)量出濾餅的含濕量。⑤在線監(jiān)測(cè)濾餅的洗滌效果。壓濾機(jī)中濾餅的洗滌效果是衡量一個(gè)操作循環(huán)是否完成的重要依據(jù)，在濾板對(duì)角線上安裝傳感元件監(jiān)測(cè)濾室內(nèi)電導(dǎo)率和溫度來了解洗滌效果，在相同過濾條件下能夠優(yōu)化操作循環(huán)時(shí)間。⑥使用射頻技術(shù)來跟蹤濾布的使用和更換，該技術(shù)已經(jīng)在南美一個(gè)鐵礦石和鎳生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用。⑦操作安全智能監(jiān)控，用來監(jiān)控壓濾機(jī)進(jìn)料壓力溫度，使壓濾機(jī)在一個(gè)安全的范圍內(nèi)操作。這一套監(jiān)控系統(tǒng)可以通過智能手機(jī)、電腦使壓濾機(jī)的操作情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，也可以實(shí)現(xiàn)必要的報(bào)警。當(dāng)壓濾機(jī)在工廠中有多臺(tái)進(jìn)行操作和備用時(shí)，系統(tǒng)還可以收集每臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)計(jì)算出每臺(tái)使用效率，如果有某一臺(tái)低于設(shè)定值時(shí)則可以啟動(dòng)備用機(jī)而把低于設(shè)定值的設(shè)備進(jìn)行完整清洗，從而使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)。例如：鈦白粉生產(chǎn)中固液分離工藝與設(shè)備的優(yōu)劣是鈦白粉生產(chǎn)裝置高質(zhì)量、低成本、高效益、環(huán)保優(yōu)良的重要核心技術(shù)之一，其中料漿、漂白料漿和包膜處理料漿的過濾與洗滌均要用到廂式壓濾機(jī)。該智能壓濾機(jī)若能在鈦白粉生產(chǎn)中應(yīng)用，將會(huì)大大提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗。

4.2 先進(jìn)過濾介質(zhì)的應(yīng)用

過濾介質(zhì)作為過濾設(shè)備的核心也隨著日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求發(fā)展迅猛，比如：磷酸行業(yè)中磷石膏的過濾，由采用普通的復(fù)絲濾布到經(jīng)過軋光處理的復(fù)絲濾布、單復(fù)絲交織濾布、單絲濾布，以解決磷石膏容易在濾布中板結(jié)、濾布再生困難、更換頻繁的問題；濾布的織造技術(shù)和熱處理技術(shù)的提高使得濾布的穩(wěn)定性更好，為帶濾機(jī)的大型化提供了保證；抗腐蝕、耐高溫、高精度的陶瓷膜過濾介質(zhì)用于有色金屬如Cu、Al、Pb、Zn、Ni等精礦的脫水，由于毛細(xì)管作用和微孔陶瓷的親水性，容易脫水，使之阻力小、處理能力大、濾餅含水低；濾布過濾精度由過去的5μm提高到1μm，比如：開發(fā)的聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）過濾介質(zhì)可以用于有耐腐蝕、耐高溫要求的無機(jī)精細(xì)化工場(chǎng)合，開發(fā)的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）過濾介質(zhì)可用于北方低溫環(huán)境的過濾。

4.3 智能化過濾分離技術(shù)的應(yīng)用

過濾分離過程實(shí)踐性強(qiáng)，涉及過濾材料的選擇及性能評(píng)價(jià)、物料性質(zhì)、過濾條件等一系列因素，都是影響整個(gè)過濾分離過程的關(guān)鍵，這些條件的限制無疑增加了過濾分離過程的難度，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）也是無法求解。人工智能有望助力過濾分離領(lǐng)域的研究及工程應(yīng)用邁上新的臺(tái)階。比如：人工智能在高黏度難過濾物料強(qiáng)化過濾過程中的應(yīng)用，該過程物料性質(zhì)、過濾條件與過濾結(jié)果之間的關(guān)系的研究難以用一般計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算來代替，因此作者的研究從己有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)出發(fā)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行技術(shù)分析（軟測(cè)量技術(shù)soft sensor technology），用計(jì)算機(jī)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP法）和支持向量機(jī)（SVM法）來預(yù)測(cè)一定過濾條件下的濾餅過濾的性能的變化，結(jié)果證明是可行的。也即：不必面對(duì)有大量的變化因素、實(shí)踐性非常強(qiáng)的液固兩相過濾與分離的難題，可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法來替代大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。已有學(xué)者基于SVM對(duì)高黏度物料強(qiáng)化過濾過程建立過濾過程在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)［29］；也有將SVM算法與遺傳算法（GA）相結(jié)合在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。