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多孔陶瓷及過濾器的主要特點

      摘要
本文系統介紹了多孔
陶瓷過濾元件的主要特點及過濾機理, 陶瓷器的組裝結構及其在過濾、分離技術中的應用。
1 概述
  多孔陶瓷是一種以耐火原料為骨料, 配以結合劑等經過高溫燒結而制成的陶瓷過濾材料, 其結構內部具有大量慣通的可控孔徑的微細氣孔。它除具有耐高溫、高壓、耐酸、堿腐蝕等特性外, 還具有孔徑均勻, 透氣性高等特點, 因此可廣泛用做過濾、分離、布氣和消音材料。國外自五十年代起, 就開始應用多孔陶瓷做過濾元件進行上、下水凈化, 礦泉水**, 含油氣體凈化等。到目前, 產品已
標準化, 系列化。國內對多孔陶瓷在過濾技術中的應用研究雖起步較晚, 但目前以多孔陶瓷作為過濾元件組成的陶瓷過濾器, 在各行業的分離, 凈化領域中已得到較**的推廣應用。如石化行業中液一固, 氣一固分離, 制藥、釀造行業中的無菌凈化處理, 環保行業中高溫煙氣除塵等。目前, 陶瓷過濾器以其獨特的功能特性, 在各分離, 凈化領域中已成為一種不可替代產品。
2 多孔陶瓷過濾元件。
2.1 多孔陶瓷過濾材料性能。
  多孔陶瓷材質、規格種類繁多。其中國外生產的多孔陶恣材料材質主要有硅酸
質, 粘土質、剛玉質、石英質、碳化硅質和硅藻土質等。國內生產的主要有剛玉質、石英質和硅藻土質。其主要性能如表一。

  孔徑: 表明制品開口氣孔大小, 這里是指制品的*大開口直徑。多孔陶瓷過濾元件孔徑可分為1、5、10、20、30、50、80、100、120、150、200、250、300Lm 系列。
氣孔率.: 制品中開口氣孔體積占總體積百分比V 開口/V 總×100%.
透氣性K: 是指1mmH2O 壓差下, 在單位時間lh 內通過厚度lcm , 面積1m 2 的多孔陶瓷的干式氣體量(m 3)。
耐酸性: 多孔陶瓷制品經20%
硫酸溶液煮沸1h 后其彎曲強度與腐蝕前彎曲強度比。
耐堿性: 多孔陶瓷制品經20%N aOH 溶液煮費1h 后, 其彎曲喲度與腐蝕前彎曲強度百分比。
耐溫性: 多孔陶瓷制品抵抗溫度變化而不破壞的能力。
2.2 多孔陶瓷過濾材料主要特點。
與其它過濾材質相比, 多孔陶瓷作為過濾材料具有如下特點。
1)  多孔陶瓷過濾材料孔隙率高, *高可達60% 以上??讖骄鶆蚯乙子诳刂?。過濾精度高, 可達011Lm, 適用于各種介質精密過濾。
2)  耐酸堿性好??蛇m用強酸(硫酸, 硝酸,鹽酸) , 強堿(氫氯化鈉等) 和各種有機
溶劑的過濾。
3)  機械強度高,
工作壓力可達6M Pa , 壓差可達1M Pa。
4)  耐高溫, 具有良好的急熱急冷性能, 工作溫度*高可達800℃。適用于各種高溫氣體過濾。
5)  過濾元件自身清潔狀態好, 無毒、無味, 無異物脫落, 可適用于無菌處理操作。
6)  過濾元件使用壽命長, 長期使用, 微孔形貌不發生變化, 便于清洗再生。
2.3 多孔陶瓷過濾元件過濾原理
  多孔陶瓷的過濾是集吸附, 表面過濾和深層過濾相結合的一種過濾方式。堅于液一固, 氣一固系統的過濾與分離來講, 其過濾機理主要為慣性沖撞、擴散和截留。如圖一所示。
慣性沖撞: 流經多孔陶瓷過濾元件微孔孔道的流體中的雜質顆粒, 由于慣性而與微孔孔道壁接觸而被捕捉。慣性沖撞與雜質顆粒直徑

 

的平方成正比, 與流速及流體粘度成反比。擴散: 雜質顆粒由于布朗運動而離開流線和微孔孔道壁接觸, 從而被捕捉。擴散捕捉和流速及流體粘度成反比。
截留: 雜質顆粒由于比微孔孔道大而被捕捉, 屬表面過濾。截留只與雜質顆粒的大小有關, 而與流速, 流體粘度沒有關系。
  當流體流經多孔陶瓷過濾元件時, 大于過濾元件微孔徑的顆粒被截留在表面形成濾餅層, 小于多孔陶瓷陶瓷孔徑的顆粒由于慣性和受布朗運動影響而離開流線和微孔道壁接觸,仍有部份顆粒被截留在表面或沉積在多孔陶瓷孔道內。由于多孔陶瓷微孔通道迂回曲折, 加上流體介質在多孔陶瓷表面形成的架橋效應及慣性沖撞和布朗運動影響, 因此其過濾精度要比本身孔徑高的多。如10Lm 孔徑多孔陶瓷過濾元件, 當過濾介質為液體時, 其過濾精度為1Lm 當過濾介質為氣體時, 其過濾精度達0.5Lm。
  陶瓷過濾器運行一定周期后, 由于過濾元件內部通可能被流體介質中顆粒雜質堵塞, 表面濾餅層增厚, 導致過濾阻力增大, 流速降低時, 可以通過氣體反吹, 液體反洗或氣一液混洗的方式再生, 而使具基本恢愎到初始狀態水平,如圖二所示。因此定時反吹、反洗, 能大大延長多孔陶瓷過濾元件的使用壽命。

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3 多孔陶瓷過濾器
3.1 陶瓷過濾器的組裝結構。
  陶瓷濾器主要由多孔陶瓷過濾元件, 拉桿、花板和殼體組成。根據過濾元件的規格, 形狀不同和過濾方式不同, 過濾器的組裝結構主要有板式, 單管式和多管式等種, 其中多管式陶瓷過濾器應用較廣。下圖所示為多管式陶瓷過濾器中*常用的兩種組裝結構。

 

圖三所示的燭形陶瓷過濾器安裝較方便, 密封性好, 適用于安裝小口徑的陶瓷過濾元件, 過濾面積大, 可以達到20m 2。但該結構過濾元件抗機械沖擊, 熱沖擊性能較差, 因此適用于低壓液體過濾。
  圖四所示拉桿式陶瓷過濾器結構較復雜,但抗機械沖擊, 熱沖擊性能好, 可適用各種介質過濾。
3.2 陶瓷過濾器過濾效率主要影響因素。
1) 過濾精度: 是指能夠濾除流體介質中*小固體雜質顆粒的粒徑大小, 單位Lm, 前面已經提過, 對于陶瓷過濾器來講, 其過濾精度可達到0.1Lm。
影響陶瓷過濾器過濾精度主要因素是多孔陶瓷過濾元件的*大微孔直徑。對于同上等體介質來講, 孔徑愈小, 則過濾精度愈高, 反之愈低。其次, 工作壓力對過濾精度也有微弱影響。
一般來講, 對液體介質, 其能過濾掉的雜質顆粒大小約為陶瓷過濾元件孔徑的1/5 —1/10。對氣體介質, 由于布朗運動在氣體中比液體中活潑, 擴散捕捉作用增大, 其截留雜質顆粒大小約為過濾元件孔徑的1/15—1/25。
2) 過濾速率Q: 既單位時間內通過陶瓷過濾器的流體介質質量, 單位m 3öh。由于多孔陶瓷的過濾是一種集慣性沖撞, 擴散和截留相結合的過濾方式, 因此, 流體介質的粘度、介質工作壓力, 過濾元件本身的微孔性能等對其過濾速率都有較大影響。理論上講:
Q  ∝  A △PEnKD r6/L G
上式中A —過濾器過濾面積, △P—過濾器進出口工作壓差, E—過濾元件孔隙率。n—指數(2—4) , K—透氣系數,D—過濾元件微孔直徑,L —過濾元件厚度, G—流體介質粘度??梢钥闯? 多孔陶瓷孔徑愈大, 孔隙率愈高, 工作壓差愈大, 則流量愈大, 而隨著多孔陶瓷壁厚增加, 粘度增大, 流量迅速減小。

 

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4 陶瓷過濾器的主要應用
4.1 液體過濾
1) 化工液體過濾。主要用于化學工業中酸、堿性液體過濾, 石化行業中航空煤油,
柴油過濾, 各種有機液體過濾等。如化纖行業中丙烯晴(N 2)單位過濾, 合成橡膠工業中丁基鋁催化劑過濾,制藥行業中的青霉素, 鏈霉素等針劑過濾。洛陽石油化工總廠油品車間采用20—30Lm 的石英質陶瓷過濾管進行航空煤油過濾, 其過濾精度0.8Lm, 濾速達到10m 3/h 以上, 運行三年來, 效果一直很好。天津堿廠采用剛玉質陶瓷過濾管進行碳酸鎂液過濾, 濾速也達到1m 3/h 長期運行, 效果很好。采用陶瓷過濾器進行液體過濾與相同介質過濾的極框壓濾機相比, 投資可減少40% 以上, 效率提高2—4 倍。
2) 水過濾: 主要用于工業廢水處理, 生活用水、礦泉水, 超純水的制備等。如采用孔徑80—100Lm 多孔陶瓷過濾器進行工業廢水處理, 處理能力為10—20m 3/m 2h, 過濾精度5Lm 懸浮物去除率> 95%。采用孔徑2—4Lm 的硅藻土質陶瓷過濾器進行生活用水, 礦泉水的無菌處理, 濾速可達到2—3m 3/m 2h。采用孔徑為0.8—2Lm 的陶瓷過濾器, 可以做注射液的**液的**過濾, 電子行業和光學透鏡
研磨用純水和超純水制備。
4.2 氣體過濾
  主要用于各種壓縮氣體的含油, 雜質處理化工催化氣體精濾, 制藥、釀造行業中無菌空氣凈化以及高溫煙氣除塵等。如采用陶瓷過濾器進行
風機, 壓縮機含油氣體處理, 凈化后氣體含油量小于15ppm , 去除效率99.5% 以上。采用孔徑60—80Lm 陶恣過濾器可以進行石化行業中干氣過濾。采用孔徑20Lm 的陶瓷過濾器可以進行制藥、啤酒等釀造行業發酵用無菌空氣處理, 采用40—60Lm 的陶瓷過濾器則可以進行高溫煙氣, 如化鐵爐, PFBC 燃煤鍋爐排放煙氣除塵凈化, 工作溫度可達800℃, 3Lm 以上塵埃粒子去除效率≥ 99% , 而阻力降<500mmH2O , 同樣, 采用陶瓷過濾器還可以進行水霧分離, 氣體分離等。
此外, 多孔陶瓷過濾元件還可用作布氣材料。如發酵工業中利用嗜氣性**時, 采用多孔陶瓷管(或板) 吹入空氣。污水處理中, 采用多孔陶瓷螺氣板進行充氧曝氣。上、下水**時, 吹入氯氣、臭氧等。多孔陶瓷過濾元件還可以做各種電解液的氣體發散元件, 以及用做流化床和粘料輸送板等。

 

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5 結束語
  多孔陶瓷及過濾器以其自身具有的諸多優點, 使其在相當廣地范圍內能有效地替代傳統的過濾材料, 如
尼龍篩網、纖維濾布、多孔塑料和粉未冶金多孔材料等, 并開拓了這些材料所不能應用的領域??梢灶A見, 隨著多孔陶瓷材性及過濾技術的不斷提高, 多孔陶瓷過濾器將會自成體系, 在我國的氣體分離, 凈化和液體精濾方面起非常重要作用。但縱觀各方面情況, 目前的陶瓷過濾器在應用方面仍存在不少問題。1)人們對這方面認識不足。目前應用領域還比較窄。2) 陶瓷過濾器自動化控制和配套技術水平不高。3) 高性能的陶瓷膜過濾器尚需進一步研制開發。隨著這些問題的逐步解決, 人們可以發現, 陶瓷過濾技術在我國的分離, 凈化領域中將會起到舉足輕重的作用。
 

 

 

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