【摘  要】本文简述了液体澄清过滤的种类，介绍了目前工业生产已使用的几种液体澄清过滤装置的特性，指出这些装置存在的主要不足，最后介绍了刚性高分子精密微孔澄清过滤技术。表明这是一种过滤精度高，过滤效率高，使用寿命长，性价比相当高，既节能又减排的新型澄清过滤技术。

【关键词】表面过滤；深层过滤；表层过滤；澄清过滤

    在各种工业生产，尤其各类化工生产，都离不开液体过滤。所有的工艺过程，凡有液体参与，液体过滤就成为必不可少的单元操作。

    按照过滤过程是否形成滤饼层，液体过滤可分为液体滤饼过滤与液体澄清过滤两大类。液体滤饼过滤是一种应用领域很广的过滤，液体澄清过滤也是非常重要的过滤操作，对某些工业生产，往往比液体液饼过滤的要求更高，滤液的澄清度的高低常常直接关系生产企业的命运。

一、 液体澄清过滤的种类：

按照在生产工艺过程中的过滤对象的地位大致可有以下几类：

1、 原料液的澄清过滤：几乎所有液体都可成为生产工艺中的原料液，所有溶解在某一种或某些多种液体混合液中的固体溶液也都可成为原料液。为了确保最终产品的质量，必须对原料液进行过滤，将原料液中的不需要的机械杂质去除。

2、 中间液体的澄清过滤：许多化工生产，常由多道工艺过程串联起来，工艺过程中间许多操作有液体参与，这些液体参与的中间工艺中会产生新生的固体杂质，必须及时将这些杂质去除，否则会影响后续操作工艺的效率，影响最终产品质量。

3、 成品液的澄清过滤：即使原料液、中间液都作了过滤，由于各种原因，最终的成品液中仍可能会有不需要的机械微粒，必须在出厂前进行过滤，使成品液成为高品位的液体产品。

4、 均相分离单元操作前的液体澄清过滤：许多化工单元操作属均相分离。传统的有精镏、吸收、吸附、蒸发、结晶、萃取、干燥等，比较新型的有离子交换，电渗析、超滤、纳滤、反渗透等。为了提高这些均相分离单元装置的分离效率与使用寿命，提高最终产品质量，必须对这些液体进行预过滤，尽量将液体中的机械杂质去除。

按照过滤的最终要求又可分为以下几类：

1、 滤液澄清型 （单一要求）：只求滤液的澄清度很高，并不计较过滤后的滤饼是什么形态。这类过滤主要用于液体中含固量不多，固体颗粒又非常细的料液。对这些料液的澄清过滤最终得到干滤饼很困难，一般只能得到固体浓浆。

2、 滤液澄清——滤饼压干型（双要求）：这类过滤主要针对料液中固体颗粒需要回收，最终的滤饼干度要高，为便于运输。当然滤液必须相当澄清透明，这是首要要求。

3、 滤液澄清——滤饼洗涤——滤饼压干型（三要求）：这类过滤除了滤液要澄清，要得干滤饼二要求外，在固体滤饼最后压干前，必须进行充份洗涤，将滤饼内原来的滤液尽量洗去，固体颗粒的表面不沾附原来的滤液，最终得到已洗涤的较干滤饼。

二、 工业生产上已有的液体澄清过滤装置：

    所有的液体过滤技术按固体颗粒被滤材截留的位置可分为深层过滤技术与表面过滤技术两大类。所有的滤饼过滤基本都采用表面过滤技术，而澄清过滤根据液体中含固量多少与对澄清度的要求，多数采用深层过滤技术，也有的采用表面过滤技术，还有的先深层过滤，后表面过滤，或先表面过滤，后深层过滤。

1、 深层过滤技术：深层过滤技术的种类很多，有分散型深层过滤技术与固定型深层过滤技术。最古老也是应用最普遍的分散型深层过滤是石英砂层过滤与无烟煤层过滤等（这些深层过滤有最简单的静止砂层床过滤，可移动与连续清洗的砂层床过滤及能定时反洗的无阀滤池砂层过滤等）。比较新的分散型深层过滤有轻质塑料微球床层过滤，纤维球床层过滤与纤维束床层过滤等。分散型深层过滤的的特点是滤层很厚，多数为一米左右，滤层内孔隙率很大，毛细孔径大，过滤时，液体通过床层的线速度很大，过滤过程基本都发生在滤层内部。由于滤层厚，滤层内容渣量很大。分散型深层过滤最大缺点是滤层再生时需大量反冲洗水（或其他液体）方可将滤层内的渣冲出来，造成水资源浪费，环境污染。如果欲将冲洗水回收，使固体渣不污染环境，那必须另有一套附属液固过滤装置专用于反冲洗水的固液分离，这又造成投资增加，操作成本增加，能耗增加。

    上述几种分散型深层过滤技术还有一个致命伤就是过滤效率不稳定。因为径过相当时间的过滤，悬浮杂质积留在滤层内部时间一长，易引发细菌等生物繁殖，死亡的生物会产生粘性粘稠物，使分散颗粒滤材或纤维丝滤材局部粘结成块状，块状物之间会形成局部沟流，这些沟流会显著恶化液固的过滤效率。反洗再生时，如果没有强力机械搅拌，这些局部粘块很难被完全分散，过滤效率恶化现象很难完全消除。

    除了上述几种分散型深层过滤技术与装置，还有整体型深层过滤技术。如聚丙烯喷熔滤芯，聚丙烯绒线绕线式滤芯及纤维粘结滤芯等。这些滤芯只适宜处理量较小的液体。这些整体型滤芯的孔隙率也相当大，每一根滤芯可截留相当量的固体杂质，但均无法反洗出渣，一旦严重堵塞，就要丢弃，另换新的。这些整体型深层滤芯由于使用寿命短，每年使用量很大，实质是属浪费资源与能源的技术，不值得推广使用。

2、 表面过滤技术：表面过滤的滤材一般是编制的滤布与滤网等薄层滤材。表面过滤基本适用于能形成一定厚度滤饼的滤饼过滤。由于滤布与滤网的孔径比较粗，不适用于颗粒较细，含固量又少的液体澄清过滤。由于细颗粒固体易穿漏，滤液的澄清度不高。一些非编制的又较厚的无纺绒布，已被用于液体澄清过滤。非编制的无纺绒布较编制滤布或滤网的孔径小，因而过滤效率比滤布与滤网高，但无纺绒布的孔隙仍比较大，细颗粒固体杂质会深入到无纺布的深层，很难用液体反洗进行高效再生，因而无纺绒布的使用寿命也是相当短的，操作成本也相当高。

    国内外一些公司将微孔膜技术用于液体澄清过滤。国内许多企业采用超细滤纸作液体澄清过滤。大多采用折叠式微孔膜滤芯或纸质滤芯。两种滤芯过滤效率非常高，过滤精度也非常高。目前微孔膜主要用于对滤液澄清度要非常高的注射药液与某些食品饮料的澄清过滤。虽然这些滤芯无法再生，一遭堵塞，就废弃换新，使用成本很高，但对事关人的生命安全的药液与饮料，这还是值得的。药品与食品的附加值高，也用得起，另一方面，对每一个企业，使用规模也不大，也易于使用。但国内个别几个公司却将微孔膜大规模用于液体澄清过滤。由于规模大，滤膜无法制成折叠式，只得将微孔膜套装在刚性多孔管外面，成为管式过滤器。虽然这些管式膜过滤器的过滤精度与效率很高，但微孔膜很薄，抗拉强度很差。又不能得到干度较高的滤饼，只能得到固体浓浆，另需其他压滤机进行压干。微孔膜的毛细孔一旦被细颗粒堵塞，无法用简单方法再生，（除非经常化学再生，而许多杂质无法化学溶解），因此一遇严重堵塞，只得经常更换。微孔膜强度差，使用中也易损坏。微孔膜的价格非常贵，使用成本很高，因此，采用这类无法用简易方法进行高效再生，又易损坏，价格又很高的微孔膜管式过滤器进行大规模液体澄清过滤，并不是适宜我国工业生产的好技术。纸质滤芯虽比微孔膜便宜，但寿命更短，又纤维易脱落，影响产品质量，更不是好技术。

三、 成功用于液体精密澄清过滤的高分子精密微孔过滤技术：

    经过十多年的基础研究与应用研究，三十多年的开发与推广，高分子精密微孔过滤技术不仅成功用于许多含固量多的液体精密滤饼过滤，（包括滤饼洗涤与压干），更大量成功用于含固量不多的液体精密澄清过滤。

1、 技术原理：

    精密微孔过滤技术的核心是亚刚性的高分子烧结微孔过滤滤材，这类微孔滤材已开发出多种，目前工业生产广泛使用的是微孔PE与微孔PA两类。

    亚刚性的高分子烧结微孔滤材的本体结构为蜂窝型，毛细孔纵横贯通，毛细孔尺寸很稳定，在过滤过程中，毛细孔尺寸不易变化。毛细孔尺寸比滤布或滤网小得多，但比微孔膜大；它的厚度比微孔膜、滤布与滤网等要厚，但比固定型与分散型深层过滤滤材要薄得多。它既不是“表面过滤”，也不是“深层过滤”，而是“表层过滤”。它的过滤现象是大孔径毛细孔过滤小颗粒，而不是小孔径毛细孔过滤大颗粒。它的过滤机理是吸附与架桥为主，机械筛滤为付，即“表层吸附”，孔口架桥为主，表面机械筛滤为付。

2、 技术特色：

（1） 高过滤精度与高过滤效率：由于过滤原理主要依靠吸附，即使较大的毛细孔径，也能截滤住比它孔径小得多的微粒。对于一般水溶液中的微粒，可使溶液中0.3微米的微粒的过滤效率接近100%，因此绝大多数液体经一次过滤就可使滤液清彻透明。

（2） 滤材的物理再生效率高：由于依靠表层吸附过滤，被截留的固体微粒截留在表层之外，而不是截留在深层，采用简易的物理再生方法，即流体快速反吹法，就可将表层的截留微粒绝大部分吹扫出去。这种简易物理再生效率很高，一般超过95～98%，借助此再生技术，可将滤材连续应用二年以上，再辅以有限的化学再生，滤材至少可用五年以上。

（3） 卸除干滤饼简单方便:对于绝大部滤材，从其表面卸除粘细微粒形成的滤饼，都是相当困难的操作。因为粘细的滤饼一旦粘压在滤材上，很难脱落，除非机械方法进行刮渣、推渣、或强烈振动等操作。但有些滤饼，粘性特别大，即使用上述机械方法卸渣，在滤材表面仍会残留一层。尤其对柔软滤布,用机械方法几乎无法使之高效卸除，但对于亚刚性的高分子微孔滤材,采用压缩空气快速反吹法，空气从微孔滤材表面的毛细孔中以声速与超声速向外喷射，这些气速可将绝大部份粘细滤饼推开，脱落到过滤机壳体外面。这种卸干滤饼方法，既快速，又简便，效率相当高。

（4） 滤材的化学性能相当优越：除了强氧化剂，滤材在100℃之内可耐各种有机酸、无机酸、碱、盐及其他溶液，90℃之内可耐绝大部份有机溶剂。

    除了上述四大特色之外，这些滤材比重很轻，只有1左右，安装与检修较轻便。机械性能中等，如微孔PE与PA，抗冲击性能相当好，不易损坏。由这些滤材组装的精密微孔澄清过滤机的结构比较简单，过滤机可内衬塑料或者说橡胶，防腐性能相当好。

    主要缺点是耐温不高，一般不超过100℃，另外耐强氧化剂性能较差，这是高分子材料的致命伤，目前正在进行材质的改性试验，使抗氧化性能提高。尽管有以上两大缺点，但在工业生产上尤其在化工生产，其应用领域仍非常广。

3、 在工业生产上的成功应用：

    自本技术在三十年前诞生以来，已大量用于液体精密澄清过滤，被过滤的液体料浆基本都是原料液（包括水），中间液和成品液，也有许多是用于电渗析、离子交换、超滤、纳滤、反渗透、电解、吸附、吸收、精馏、结晶、蒸发等化工单元操作前的液体精密预过滤。

    已在国内广泛推广应用的有氯碱生产上的饱和盐水的二次精密过滤。过滤前盐水中悬浮液的浊度为10～20毫克/升，经本技术一次过滤，盐水中的浊度不超过1毫克/升，水质清彻透明。（过滤前盐水中的主要悬浮物为CaCO3与Mg(OH)2，甚至还有Fe(OH)3等微粒）。过滤的平均滤速与过滤前悬浮物的浓度有关，平均可达0.4～0.6米3/米2·时，每个应用厂使用规模为20～200米3/时，个别厂使用规模更大。

    国内另一应用规模很大的澄清过滤是人造丝生产上的凝固酸浴的精密澄清过滤。酸浴的主要成份为50%的硫酸，悬浮物为非常细的单体硫与不溶性硫化物。过滤前液体的浊度为60～70毫克/升，经本技术一次过滤后不超过1毫克/升，滤液清彻透明，全国几十家大中型厂几乎都采用本技术，每一个厂应用规模均在200～300米3/时以上，个别厂超过400米3/时。

    在采用本技术之前，无论氯碱生产上的二次盐水过滤或人造丝生产上的酸浴过滤，几乎都用传统的石英砂过滤，滤液质量无法保证，反洗时需要大量水，不仅原料液损失，耗水量大，每天还产生大量污水。尤其酸浴过滤，每天会排放一千多吨含硫的酸性废水，对环境破坏非常严重。采用本技术之后，无论生产条件如何变化，滤液的质量不会变化，总是清彻透明，再生时原料液损失极少，反吹再生时不会消耗大量水。像酸浴过滤，还可排出较干的含硫磺滤饼。

    除了上述两大广泛应用的实例外，已长期与大量应用的还有成品糖液精密澄清过滤（如低聚糖、葡萄糖、果糖等）；液体化工产品过滤（如双氰胺、山梨醇、乳酸、碳酸氢钠、柠檬酸、磷酸、磷酸盐、草酸等）；有色金属化工溶液过滤（硫酸镍、硫酸钴、硝酸铈、硫酸铝等）；生产上中间液过滤，如化肥生产上的铜氨液、脱炭液、脱硫液、腈纶生产上的硫腈酸钠液等，此类应用很多，不一一举例。用于其他化工单元操作前作精密预过滤的也非常多，如在离子交换前作液体精密预过滤，水质净化中作反渗透的精密预过滤。这些应用实例均已长期连续应用。

    下面，本文特举一个从工业碳酸钠水溶液通过本技术使之成为非常透明液体的一个试验数据，说明本技术的优异特性。

试验物料：市场购买来的工业碳酸钠，将其溶于自来水中；

物料浓度：（1）每一升自来水溶解300克工业碳酸钠；

（2）每一升自来水溶解400克工业碳酸钠。

这两种水溶解液均相当混浊，溶液中固体悬浮物经激光粒度仪测定，结果如下见表1。

表1   溶液中固体微粒的粒径分布

由表1的数据可以看出，这些溶液中固体微粒非常细，表2给出这两种溶液过滤前基本物理参数（为了更精确显示溶液的澄清度，本试验决定以分光光度测量液体的透光率，而不用误差较大的浊度测定仪。）

表2  两种溶液的物理性能参数

由表2数据可知，这两溶液中原液的固体浓度不小，都超过0.1%,已达0.18%与0.25%，原液的透光率相当低。

表3  两种溶液采用三种不同精度规格滤材的过滤效果

    表3给出两种溶液分别用三种不同精度规格的微孔滤材进行过滤的过滤效果，三种滤材每次均进行连续15小时以上的连续过滤，滤液的透光率系长时间过滤后总的混合溶液的测定值。由表3数据可以看出，2微米规格的滤液透光率只有92～93，1微米规格就可将透光率提高至98%以上，而0.5微米规格就可提高至99%以上，2微米与1微米规格的平均滤速均比较快，而同样压差下，0.5微米的平均滤速却明显降低，这说明0.5微米规格可将溶液中最细的微粒全部滤住。（15小时后，滤饼厚度达到4mm），由于微粒非常细，故平均滤速相当慢。

四、 结束语：经过十多年的研究，三十多年的开发与推广，本技术已在国内液体澄清过滤领域得到广泛应用，证明这是一种过滤效率高，滤材可长期使用，再生非常简单方便，动力消耗省，可使工业产品、质量、收率显著提高，成本显著下降的高效长效、低耗、节能、减排的过滤技术。

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