过滤介质:过滤

过滤(fiItration)

在外力推动下，固渡混合物中的液体透过可渗透材料，固体颗粒被截留从而与液体分离的过程。是选矿产品脱水的一种方法。待过滤的固液混合物称为滤浆，截留固体颗粒的可渗透材料称为过滤介质，通过过滤介质的液体称为滤液，被过滤介质截留在表面上的固体颗粒形成滤饼。促使液体透过过滤介质的推动力有真空抽吸力、压缩空气或滤浆泵产生的压力、离心力、机械压榨力以及滤浆自身的重力。为获得更好的过滤效果，过滤前有时对滤浆进行预处理。过滤除用于选矿产品脱水外，在化工、冶金、食品、卫生等部门都有广泛的应用。根据过滤介质截留固体颗粒的机理，过滤过程有滤饼过滤和深层过滤两类。滤饼过滤是固体颗粒被截留在过滤介质表面并形成滤饼的过程(图1)。滤饼过滤开始阶段有少量小于介质孔径的颗粒穿过介质进入滤液中，但随后大于介质孔径的颗粒便在介质孔口生成架桥现象，使小颗粒受阻并与大颗粒一起逐渐沉积形成滤饼。已形成的滤饼成了后来滤浆的过滤介质，此时原来的过滤介质仅起支承滤饼的作用。随着滤饼厚度的增加，滤液流动的阻力逐步加大，过滤效率降低。因此当滤饼厚度达到一定值时便停止给料，并将滤饼从过滤介质上排出。有时，为使滤饼中水分进一步降低，在排饼前还进行滤饼压榨和向滤饼吹气等作业。为消除滤饼增厚后过滤效率降低，特别是难过滤的细颗粒因滤饼增厚而降低过滤效率的缺点，发展了一种称为动态过滤的技术，即采用机械的或水力学的方法使过滤介质上的滤饼不增厚而始终维持在很薄的水平上，从而提高过滤速度。深层过滤是固体颗粒被截留在过滤介质内部孔隙中的过滤过程(图2)。深层过滤常用于固体颗粒远小于介质孔径、固体浓度很低(低于0.1%)的滤浆的过滤，如饮水的净化等。

滤饼过滤原理  这种过滤过程是液体通过过滤介质和滤饼的渗流流动过程。滤饼由固体颗粒堆积而成，颗粒之间的孔隙连通起来即为滤液流动的通道，颗粒愈小，颗粒间的孔隙愈小，滤液流动的阻力愈大。过滤阻力与颗粒大小间的关系可用下式表示：

式中y为单位滤饼厚度的过滤阻力，又称比阻，1/m²；a为颗粒的比表面积，m²/m³。；ε为滤饼的孔隙率，m³/m³。单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积称为过滤速度(m／s)，可用下式计算：

中v为滤液体积，m³；A为过滤面积，m²；t为过滤时间，s；△p为过滤压差，Pa；y’为单位压差下的比阻，1/m²；c为获得单位体积滤液所生成的滤饼体积；m³/m³；为过滤介质的当量滤液体积，即形成与过滤介质的过滤阻力相等的滤饼所产生的虚拟滤液体积，m³/m³；S’为滤饼的压缩系数，S’=0~1，对不可压缩滤饼，S’=0；μ为滤液粘度，Pa•s；cV／A为滤饼厚度；γ’cV/A为滤饼的过滤阻力；γ’_cV_e/A为过滤介质的过滤阻力。式(2)是滤饼过滤基本方程，给出了过滤过程任一瞬间的过滤速度。应用过滤基本方程进行计算时，还需根据过滤方式的不同分别积分。

滤饼过滤操作通常分为恒压、恒速、先恒速后恒压三种方式。

恒压过滤时，压差△p不变，μ、γ’、c、A、s'、Ve均为常数，代入式(2)积分后可得：

 式中为滤饼常数，t_e为获得体积为Ve的滤液所需的虚拟过滤时间，为常数，s。式(3)称为恒压过滤方程，它表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为一抛物线方程。当过滤介质的过滤阻力可以忽略不计时，Ve=0，t_e=0，则式(3)可简化为

V² =KA²(t+t_e)            (4)

恒速过滤时，过滤速度为常数，即

由此可得

式中u_R为恒速阶段的过滤速度，m/s；μ、γ’、c、Ve均为常数。式(6)表明，恒速过滤时，V与￡的关系是一条通过原点的直线。对于不可压缩滤饼，s’=0，此时式(7)表明，恒速过滤时的过滤压差与过滤时间成直线关系。

先恒速后恒压过滤时，恒速阶段用式(6)计算，恒压阶段用下式计算：

式中V_R为恒速阶段终了时的滤液体积，m³；t_R为恒速阶段的过滤时间，s。

过滤计算公式中K、V_e、t_e、S’等参数可通过恒压过滤试验求得。

滤浆预处理滤浆经预处理后可提高过滤速度，降低滤饼水分。预处理方法有以下4种：

(1)加凝聚剂或絮凝剂。凝聚剂是一种无机电解质，加入滤浆后会改变固相粒子的表面电性，并使细小的固体粒子相互粘接而形成粗大粒子；絮凝剂是一种高分子电解质，加入滤浆后会与粒子产生静电吸引，粘接颗粒，在粒子间搭桥从而使更多颗粒团聚成絮块。经凝聚或絮凝后的滤浆，过滤阻力变小从而能提高过滤速度。

(2)加助滤剂。助滤剂是一种粒度均匀不可压缩的多孔性物料，如硅藻土、珍珠岩、碳粉、纤维素和石棉等。当滤浆浓度很稀，且其中的颗粒很细或具有可压缩性因而极易堵塞过滤介质时，可在过滤介质上预涂一层助滤剂，形成预涂层作为过滤介质，排饼时，一层极薄的助滤剂层与滤饼一起被刮刀刮走；也可在滤浆中掺入一定比例的助滤剂与滤浆一起过滤，此时生成的滤饼比较疏松，这两种情况都可提高过滤速度或提高滤液的澄清度。

(3)加表面活性剂。能降低气液界面的表面张力，或提高颗粒表面的疏水性，因而可降低滤饼的水分。

(4)加热。加热滤浆或向滤饼通蒸汽，可降低滤液粘度，从而提高过滤速度和降低滤饼水分。

滤饼脱水和洗涤当滤饼厚度达到预定值而停止加料时，滤饼孔隙中仍充满滤液。除去这部分滤液有三种方法：(1)吹气，用空气透过滤饼吹出滤液；真空过滤机和部分压滤机用此种办法；(2)压榨，挤出滤液；部分压滤机用此种办法；(3)施加离心力，甩出滤液；离心过滤机用此种办法。

当滤液含有有价成分需回收或滤液含有有害成分需除去时，要对滤饼进行洗涤，方法有两种，一是使洗液透过滤饼洗涤，二是排下滤饼，在贮槽中加洗液搅拌洗涤，然后再过滤除去洗液。

过滤机的分类和选择过滤机按过滤推动力的不同可分为四类：

(1)真空过滤机。过滤推动力为真空抽吸力，过滤压差一般小于0.086MPa。真空过滤机是选矿产品脱水中应用最多的一种，又可分为圆筒真空过滤机、圆盘真空过滤机和平面真空过滤机(包括水平带式真空过滤机、翻斗真空过滤机和转台真空过滤机)等。

(2)压滤机。过滤推动力为向滤浆施加的压力，或向滤饼施加的压榨力，过滤压差通常可达0.5MPa，压滤机可分为间歇压滤机、自动压滤机和连续压滤机等。

(3)离心过滤机。过滤推动力为过滤面高速旋转产生的离心力，过滤面处的离心加速度可高达重力加速度的2500倍，常用于化工、轻工、制药、制盐、食品等部门。

(4)重力过滤器。过滤推动力为滤浆的自重，压差一般不超过0.05MPa，有砂滤器、筛滤器和袋式过滤器等，常用于水的净化、润滑油除杂等。

选择过滤机主要根据滤浆的过滤特性、滤浆中固体颗粒的物理性质和粒度组成、对滤饼水分的要求和生产规模等来确定，滤浆的过滤特性包括滤饼形成速度、滤液流量和滤饼水分等，需用小型过滤试验或中间过滤试验求取。

过滤试验为准确选择过滤机机型，确定单位过滤面积处理能力、掌握滤浆特性以及确定操作条件，通常需要进行过滤试验。常用的小规模过滤试验有真空滤叶试验、真空平底漏斗试验、板框压滤试验等。真空滤叶试验所用装置如图3所示，该装置中滤叶的直径约为11cm，滤叶表面向下或直立放置可分别模拟圆筒或圆盘真空过滤机的实际操作。图3中的滤叶换上直径为75mm的平底漏斗即可进行平底漏斗试验，这项

试验可模拟带式、转台式或翻斗式真空过滤机的实际操作。如工厂预期使用板框压滤机，就要进行板框压滤试验，试验用板框压滤机可用两板一框构成。对压缩性较大的滤饼用压缩一渗透性试验代替滤叶试验更为可靠。