硅藻土助滤剂助过滤行为的研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要：对硅藻土助滤剂助过滤过程中的滤饼性能进行了研究,分析了助滤剂层性能的参数包括滤饼比阻和渗透率的作用,并在试验基础上分析了助滤剂的粒径、浓度和压差对滤饼渗透率、比阻的影响。

    关键词：硅藻土　助滤剂　渗透率　比阻　过滤

    0　前言

    硅藻土助滤剂具有独特的微孔结构和比表面积大的特征,其电镜扫描电镜如图1所示,由盘状、管状和不规则形状的颗粒组成。硅藻土助滤剂形成的饼层,具有高度的渗透性和吸附性,从而提高截流精度和处理能力。实际应用证明,硅藻土助滤剂过滤可去除悬浮物、胶体物质、细菌、病毒等,截留精度可达0·1μm。过滤作用主要是对杂质的机械截留作用和吸附作用。助过滤方法通常是预涂层过滤、掺浆过滤和预涂—掺浆过滤[1]。

                

    助滤剂的使用可以改善滤饼结构,吸附小颗粒和凝胶物质,将简单的表面过滤变为深层过滤,产生较强的净化过滤作用。在滤饼过滤中,渗透率和滤饼比阻是评价助滤剂过滤性能的重要依据。助滤剂的粒度、压力和浓度是影响滤饼性能的主要参数。本文主要讨论这些参数对滤饼性能的影响,研究结果将为硅藻土助滤剂在难过滤物料中的选型和应用提供理论依据。

    1·滤饼性能计算理论模型   

   1·1　比阻计算模型

    计算滤饼比阻的方法常采用Ruth过滤模型,又称双阻力模型[2, 3](双阻力是指滤饼阻力αavcV/A和过滤介质阻力Rm),其表达式为:

                  

    1·2　渗透率计算模型

    Darcy定律如式(3)所示,描述了多孔介质的流动情况,将流量与压差、滤饼高度、粘度关联起来:

                 

    2·试验

    2·1　试验物料

    试验选用三种型号硅藻土助滤剂1#、2#和3#,平均粒径分别为23·0μm、21·9μm、31·7μm,其粒度分布如图2所示。过滤介质选用平均孔径1μm的尼龙单丝布。

               

    2·2　试验装置和试验方法

    真空过滤试验装置如图3所示,测试滤饼比阻时,将助滤剂和去离子水配成所需浓度的悬浮液;试验时,打开真空泵,调至试验所需压差,将过滤物料加入过滤器内,打开抽气阀门,记录各个时间下对应的滤液累计量,过滤结束后取滤饼进行相关分析。测试滤饼的渗透率时,将去离子水倒入滤饼上方,注意不破坏滤饼结构[4],其它步骤与测试比阻的操作相同。加压试验装置与真空试验装置相近,不同的是在过滤器上放置密封装置,形成密闭腔室,真空泵换为压缩机,真空表换为压力表。

               

    3·结果与分析

    3·1　粒度对滤饼性能的影响

    在助滤剂的选择上,首先是根据难过滤物料的粒度、粘度等物性选择合适的助滤剂种类和型号。图4是三种型号的硅藻土在5%浓度、不同压差下的比阻值。三种型号的助滤剂的平均粒径大小为2#<1#<3#,从图1的数据得到三种型号的助滤剂的平均比阻为2#>1#>3#,因此随着硅藻土助滤剂平均粒径的增加,其平均比阻值减小。

               

    1#和2#硅藻土助滤剂的平均粒径分别为23·0μm、21·9μm,两种型号的助滤剂的平均粒径很接近,但是两者的平均比阻相差很大。两者滤饼比阻的不同主要是由于粒度的分布不同引起的。从图2中看到, 1#和2#的粒度分布范围很接近,但是2#含有的小颗粒数量多,在过滤过程中,小颗粒在大颗粒间孔隙的钻隙明显,增大了过滤过程的阻力,所以2#的平均比阻大于1#的平均比阻。因此选择助滤剂时,在满足过滤精度的情况下应尽可能选择粗的助滤剂和粒度分布窄的助滤剂。

    3·2　压差对滤饼性能的影响

    图5是5%浓度的1#助滤剂在不同压力下的滤饼平均比阻曲线图。从图5中看到,随着压力的增加,滤饼被压紧,阻力增大;随着压力增加,比阻—压差曲线的斜率减小,滤饼平均比阻的变化随着压差的变化减慢。增加过滤压差,一方面增加了推动力;另一方面,滤饼被压紧实,阻力增大,阻碍了过滤过程的进行。

                 

    Darcy定律即式(3)定义了渗透率与滤饼高度、滤液粘度、压差、过滤面积和过滤速度有关。不同压差下的滤液黏度,过滤面积和滤饼高度相同时,渗透率受压差和过滤速度的共同影响。我们知道随着压差的增大,过滤速度增大。一方面,压差的增加使渗透率减小,另一方面,过滤速率的增加使渗透率增加,因此渗透率随着压差的增加可能增加、减小或保持不变。

    图6是5%浓度1#硅藻土的压差—渗透率曲线图,压力0·02~0·08MPa即在真空条件下进行压力实验,压力0·12~0·18MPa即在加压条件下进行的实验。从图6中发现,当压差较小, 0·02~0·08MPa时,滤饼的渗透率随着压差的增大迅速减小;当压差增大,为0·08~0·18 MPa时,压差—渗透曲线斜率减小,滤饼的渗透率随压差的变化减慢,此时,压差的增加使得过滤速率迅速增加,过滤速率对渗透率的影响作用愈加明显。尤其当压差为0·14~0·18 MPa时,渗透率基本保持不变,在此压差范围内,推动力和过滤速率对渗透率的影响权重相当。

                 

    3·3　浓度对滤饼性能的影响

    表1是浓度为5%、8%和15%的1#助滤剂悬浮液在0·08MPa真空度下,相同料浆体积800ml下形成滤饼的比阻和渗透率值。可以看出:当料浆体积相同时,比阻值随着浓度的增加而增大,根据达西定律计算后滤饼的渗透率随浓度的增加而减小。

    表1　1#助滤剂在0·08MPa真空度下的浓度、

                  

    加入不同浓度的助滤剂,会引起滤饼层的厚度不同和过滤速率不同。一方面,随着浓度的增加,滤饼层越厚,过滤的阻力越大,同时,由于助滤剂颗粒有一定的粒度分布,小颗粒的钻隙会到颗粒的大孔隙当中,容易堵塞滤饼,增大过滤阻力。此外,浓度增加,过滤时间增加,压差作用在滤饼层的时间增加,增大了过滤阻力。另一方面,由于过滤时间的增加,颗粒间的干扰现象明显,过滤速率减慢,减小了液体对颗粒的拖曳力,沉积到滤饼内的颗粒间的作用力减小,引起了过滤阻力的减小。而从表1的试验结果中发现,滤饼层厚度、过滤时间和小颗粒的钻隙现象是引起阻力增大的主要原因。

    因此在选择助滤剂的添加浓度时,应根据物料的黏度和粒度等物性选择适合的添加量,添加量过多,反而会减慢过滤过程的进行。

    4·结论

    在0·02~0·18MPa操作压差的工作条件下,得到试验所用硅藻土助滤剂的滤饼过滤性能如下:

    (1)滤饼随着平均粒径的增加,比阻减小而渗透率增加。粒度分布越窄,比阻越小。

    (2)硅藻土助滤剂的平均比阻随着压差的增大而增大。压差对滤饼渗透率的影响比较复杂,随着压差的增大,渗透率可能增加、减小或保持不变。

    (3)当料浆的体积相同时,随着硅藻土助滤剂浓度的增加,滤饼的比阻增加,渗透率减小。

参考文献

[1]　李惠仁·助滤剂的使用及其选择[ J]·化工装备技术,1995, 16 (3): 15-19·

[2]　拉时顿A,沃德AS,等著·朱企新,许莉,等译·固液两相过滤及分离技术[M]·北京:化学工业出版社, 2005: 29·

[3]　吕维明·固液过滤技术[M]·台湾:高立图书有限公司,1993: 18, 108·

[4]　WenpingL,i CarlKiser, QuntinRichard·Developmentofa filtercake 

permeability testmethodology·American Filtration& Sepa-rations 

Society 2005 InternationalTopicalConferences& Exposi-tion: 19-22·

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