1 概述
多孔陶瓷是一种以耐火原料为骨料,配以结合剂等经过高温烧结而制成的陶瓷过滤材料,其结构内部具有大量惯通的、可控孔径的微细气孔。它除具有耐高温、高压,耐酸、碱腐蚀等特性外,还具有孔径均匀、透气性高等特点,因此可广泛用作过滤、分离、布气和消音材料。国外自50年代起,就开始应用多孔陶瓷做过滤元件,用于上、下水净化,地下钻井含水层中的泥砂过滤,各种饮用水、矿泉水除菌,含油气体净化等,目前产品已标准化、系列化。国内对多孔陶瓷在过滤技术中的应用研究虽起步较晚,但目前以多孔陶瓷为过滤元件的陶瓷过滤器,已在各行业的分离、净化领域中得到较全面的推广应用。如石化行业中液—固、气—固分离,制药、酿造行业中的无菌净化处理,环保行业中高温烟气除尘等。目前,陶瓷过滤器以其独特的功能特性,在各分离、净化领域中已成为一种不可替代的产品。
2 多孔陶瓷过滤元件
2.1 多孔陶瓷过滤材料性能多孔陶瓷材质、规格种类繁多。其中国外生产的多孔陶瓷材料材质主要有硅酸铝质、粘土质、刚玉质、石英质、碳化硅质和硅藻土质等。国内生产的主要有刚玉质、石英质和硅藻土质。其主要性能如表1所示。
孔径:表明制品开口气孔大小,这里是指制品的最大开口直径。多孔陶瓷过滤元件孔径可分为1, 5, 10, 20, 30, 50, 80, 100, 120,150, 200, 250, 300μm系列。
气孔率ε:制品中开口气孔体积占总体积的百分比V开口/V总×100%。
透气性K:是指在10Pa压差下,在单位时间(h)内通过厚度为1cm、面积为1m²的多孔陶瓷的干式气体量(m³)。
耐酸性:多孔陶瓷制品经20%硫酸溶液煮沸1h后其弯曲强度与腐蚀前弯曲强度百分比。
耐碱性:多孔陶瓷制品经20%NaOH溶液煮沸1h后,其弯曲强度与腐蚀前弯曲强度百分比。
耐温性:多孔陶瓷制品抵抗温度变化而不破坏的能力。
2.2 多孔陶瓷过滤材料主要特点
与其它过滤材质相比,多孔陶瓷作为过滤材料具有如下特点:
(1)多孔陶瓷过滤材料孔隙率高,最高可达60%以上。孔径均匀且易于控制。过滤精度高,可达0.1μm,适用于各种介质精密过滤。
(2)耐酸碱性好。可适用于强酸(硫酸、硝酸、盐酸)、强碱(氢氧化钠等)和各种有机溶剂的过滤。
(3)机械强度高,工作压力可达6MPa,压差可达1MPa。
(4)耐高温,具有良好的急热急冷性能,工作温度最高可达800℃。适用于各种高温气体过滤。
(5)过滤元件自身清洁状态好,无毒、无味、无异物脱落,可适用于无菌处理操作。
(6)过滤元件使用寿命长,长期使用,微孔形貌不发生变化,便于清洗再生。
2.3 多孔陶瓷过滤元件过滤原理
多孔陶瓷的过滤是集吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。对于液—固、气—固系统的过滤与分离来讲,其过滤机理主要为惯性冲撞、扩散和截留,如图1所示。
惯性冲撞:流经多孔陶瓷过滤元件微孔孔道的流体中的杂质颗粒,由于惯性而与微孔孔道壁接触而被捕捉。惯性冲撞与杂质颗粒直径的平方成正比,与流速及流体粘度成反比。扩散:杂质颗粒由于布朗运动而离开流线和微孔孔道壁接触,从而被捕捉。扩散捕捉与流速及流体粘度成反比。
截留:杂质颗粒由于比微孔孔道大而被捕捉,属表面过滤。截留只与杂质颗粒的大小有关,而与流速、流体粘度无关。
当流体流经多孔陶瓷过滤元件时,大于过滤元件微孔孔径的颗粒被截留在表面形成滤饼层,小于多孔陶瓷孔径的颗粒由于惯性和受布朗运动影响而离开流线同微孔道壁接触,仍有部分颗粒被截留在表面或沉积在多孔陶瓷孔道内。由于多孔陶瓷微孔通道迂回曲折,加上流体介质在多孔陶瓷表面形成的架桥效应及惯性冲撞和布朗运动影响,因此其过滤精度要比本身孔径高得多。如孔径10μm的多孔陶瓷过滤元件,当过滤介质为液体时,其过滤精度为1μm;当过滤介质为气体时,其过滤精度达0.5μm。
陶瓷过滤器运行一定周期后,由于过滤元件内部通道可能被流体介质中颗粒杂质堵塞,表面滤饼层增厚,导致过滤阻力增大,流速降低,这时可通过气体反吹、液体反洗或气—液混洗的方式再生,从而使其基本恢复到初始状态的水平,如图2所示。因此定时反吹、反洗,能大大延长多孔陶瓷过滤元件的使用寿命。
3 多孔陶瓷过滤器
3.1 陶瓷过滤器的组装结构
陶瓷过滤器主要由多孔陶瓷过滤元件、拉杆、花板和壳体组成。根据过滤元件的规格、形状不同和过滤方式不同,过滤器的组装结构主要有板式、单管式和多管式等,其中多管式陶瓷过滤器应用较广。图3、图4所示为多管式陶瓷过滤器中最常用的两种组装结构。
图3所示的烛形陶瓷过滤器安装较方便,密封性好,适用于安装小口径的陶瓷过滤元件,过滤面积大,可以达到20m²。但该结构过滤元件抗机械冲击、热冲击的性能较差,因此适用于低压流体过滤。图4所示的拉杆式陶瓷器结构较复杂,但抗机械冲击、热冲击性能好,可适用于各种介质过滤。
3.2 陶瓷过滤器过滤效率主要影响因素
(1)过滤精度:是指能够滤除流体介质中最小固体杂质颗粒的粒径大小,单位μm。对于陶瓷过滤器,其过滤精度可达到0.1μm。
影响陶瓷过滤器过滤精度的主要因素是多孔陶瓷过滤元件的最大微孔直径。对于同一流体介质来说,孔径愈小,则过滤精度愈高,反之愈低。其次,工作压力对过滤精度也有微弱影响。一般来讲,对液体介质,其能过滤掉的杂质颗粒大小约为陶瓷过滤元件孔径的1/5—1/10。对气体介质,由于布朗运动在气体中比液体中活泼,扩散捕捉作用增大,其截留杂质颗粒大小约为过滤元件孔径的1/15—1/25。
(2)过滤速率Q:即单位时间内通过陶瓷过滤器的流体介质流量,单位m³/h。由于多孔陶瓷的过滤是一种集惯性冲撞、扩散和截留相结合的过滤方式,因此,流体介质的粘度、介质工作压力、过滤元件本身的微孔性能等对其过滤速率都有较大影响。理论上有
K—透气系数;
D—过滤元件微孔直径;
l—过滤元件厚度;
η—流体介质粘度。
由上式可见,多孔陶瓷孔径愈大,孔隙率愈高,工作压差愈大,则流量愈大;而随着多孔陶瓷壁厚增加,粘度增大,流量迅速减小。图5、图6分别为某陶瓷过滤器的纯水透过量和氮气透过量曲线。
4 陶瓷过滤器的主要应用
4.1 液体过滤
(1)化工液体过滤。主要用于化学工业中酸、碱性液体过滤,石化行业中航空煤油、柴油过滤,各种有机液体过滤等。如化纤行业中丙烯腈单体过滤,合成橡胶工业中丁基铝催化剂过滤。制药行业中的青霉素、链霉素等针剂过滤。
洛阳石油化工总厂油品车间采用20—30μm的石英质陶瓷过滤管进行航空煤油过滤,其过滤精度为0.8μm,滤速达10m³/h以上,运行三年来,效果一直很好。天津碱厂采用刚玉质陶瓷过滤管进行碳酸镁液过滤,滤速也达到1m³/h,长期运行,效果很好。采用陶瓷过滤器进行液体过滤与相同介质过滤的板框压滤机相比,投资可减少40%以上,效率提高2—4倍。
(2)水过滤。主要用于工业废水处理,生活用水、矿泉水、超纯水的制备等。如采用孔径80—100μm多孔陶瓷过滤器进行工业废水处理,处理能力为10—20m³/m²h,过滤精度5μm,悬浮物去除率>95%。采用孔径2—4μm的硅藻土质陶瓷过滤器进行生活用水、矿泉水的无菌处理,滤速可达到2—3m³/m²h。采用孔径为0.8—2μm的陶瓷过滤器,可以做医用消毒液的消毒过滤,以及电子行业和光学透镜研磨用纯水和超纯水制备。
4.2 气体过滤
主要用于各种压缩气体含油、杂质的处理,化工催化气体精滤,制药、酿造行业中无菌空气净化以及高温烟气除尘等。如采用陶瓷过滤器进行风机、压缩机含油气体处理,净化后气体含油量小于15ppm,去除效率99%以上。采用孔径60—80μm陶瓷过滤器,可进行石化行业中干气过滤。采用孔径20μm的陶瓷过滤器可进行制药、啤酒等行业发酵用无菌空气处理。采用40—60μm的陶瓷过滤器则可进行高温烟气如化铁炉、PFBC燃煤锅炉排放烟气的除尘净化,工作温度可达800℃,3μm以上尘埃粒子去除效率≥99%,而阻力降<5Pa。同样,采用陶瓷过滤器还可进行水雾分离、气体分离等。
此外,多孔陶瓷过滤元件还可用作布气材料。如发酵工业中利用嗜气性细菌时,采用多孔陶瓷管(或板)吹入空气。污水处理中,采用多孔陶瓷曝气板进行充氧曝气。上、下水杀菌时,吹入氯气、臭氧等。多孔陶瓷过滤元件还可以做各种电解液的气体发散元件,以及用做流化床和粉料输送板等。
5 结束语
多孔陶瓷及其过滤器以其自身具有的诸多优点,使其在相当广的范围内能有效地替代传统的过滤材料,如尼龙筛网、纤维滤布、多孔塑料和粉末冶金多孔材料等,并开拓了这些材料所不能应用的领域。可以预见,随着多孔陶瓷材料及过滤技术的不断提高,多孔陶瓷过滤器将会自成体系,在我国的气体分离、净化和液体精滤方面起非常重要的作用。但纵观各方面情况,目前的陶瓷过滤器在应用方面仍存在不少问题: (1)人们对这方面认识不足,应用领域还比较窄。(2)陶瓷过滤器自动化控制和配套技术水平不高。(3)高性能的陶瓷膜过滤器尚需进一步研制开发。随着这些问题的逐步解决,人们将会发现,陶瓷过滤技术在我国的分离、净化领域中起到举足轻重的作用。
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