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硅藻土助滤剂在过滤中的应用

发布时间:2016/08/02 点击量:

1. 前言 
助滤剂的作用是减少过滤阻力,提高过滤速度和澄清度。助滤剂应是化学稳定的、不溶性的、坚硬的、形状不规则的细颗粒,可形成结构疏松而且几乎不可压缩的滤饼。硅藻土系由硅藻化石加工制成的一种形状不规则的多孔颗粒,主要成分为SiO2,有较高的惰性和不溶性,能形成坚硬的不可压缩的滤饼,是最常用的助滤剂。 
2. 硅藻土助滤剂的工作原理
采用硅藻土助滤剂进行过滤一般分两步操作。首先,将助滤剂与洁净滤浆混合均匀后,过使助滤剂在过滤介质上形成多孔、疏松的滤饼,此处称为“预涂”。可以有效防止杂质阻塞过滤介质孔隙,延长过滤周期和使用寿命,可以提高过滤精度。最主要的一个特点是便于卸除滤饼和清洗过滤介质。预涂建立后,将适量的助滤剂(body feed)持续添加到待滤液体中进行过滤。随着过滤的进行,助滤剂与原液中的悬浮固体杂质混合并沉积到预涂层上,这样新的预涂层不断形成,细小的助滤剂颗粒拥有无数的微通道,可以阻截住悬浮的杂质,但不会堵塞洁净液体通过。
在过滤过程中,当滤液通过预涂层时,悬浮液中的固体颗粒成聚集状态,尺寸分布发生变化,大颗粒的杂质在介质表面被捕获而截留,形成尺寸分布较窄的一层,并通过它们继续阻挡,捕获与其尺寸相接近的颗粒杂质,逐渐构成有一定孔隙的滤饼。随着过滤的进行,颗粒尺寸较小的杂质,逐渐进入多孔隙的硅藻土助滤介质而被截留。因为硅藻土具有90%左右的孔隙率,比表面积很大,细小微粒以一进入助滤剂内孔和复孔,往往由于吸附等原因被截留,可以将0.5μm的细微粒子除去,起到了良好的过滤效果。
在预涂过程中,助剂成败的关键是能否形成均匀、稳定、没有裂纹与脱落的硅藻土预涂层,这在竖直叶片式过滤器中就显得更为重要和困难。影响的主要原因有:采用的过滤介质的目数没有与所过滤的浆液粘度计硅藻土的粒度匹配合适;过滤介质支撑的刚度太差是造成裂纹的主要原因。在过滤中介质受压较小,没有变形,但随着时间的增长,过滤阻力变大,当支撑刚度不够时就发生变形,使预涂硅藻土层裂纹和龟裂。
3. 硅藻土助滤剂的选择与使用
3.1
 助滤剂型号或等级的选择
助滤剂的型号选择是很重要的一环,由于各厂滤机、操作环境以及设定浊度与单机能力多少不同,这就对助滤剂型号或等级的选择提出了很高的要求,而这大多来自于经验并依据助滤剂厂家提供的助滤剂各个等级的相对流量图来决定。
助滤剂的效果是削减过滤阻力,滤除液态悬浮物中的小颗粒。随着助滤剂颗粒粒径(平均粒径)的增大,其平均比阻值减少,滤速率及流量增大。相反,助滤剂颗粒粒径减少,则流量降低,但能滤除悬浮物中更多的小颗粒。当然,这还未考虑助滤剂的粒径分布情况,过滤的程度很大程度上取决于固体不溶物的类型和粒度分布。即使两种型号的助滤剂的平均粒径很接近,两者的平均比阻也会相差很大,两者滤饼比阻的不同主要是由于粒度的分布不同引起的。在过滤过程中,含有的小颗粒数量多的助滤剂,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。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。
在大多数情况下,随着助滤剂颗粒越来越细,能够明显改善滤液的澄清度。然而,如果一个给定的助滤剂等级能移除接近100%的悬浮物,再添加更细的等级,却常常导致滤速减慢,并且澄清度也未改善。
因此,选择合适的助滤剂等级就需要在高滤液澄清度/低流量与低澄清度/高流量之间找到平衡点。也就是说选择的助滤剂等级,能提供最大的流量(或每单位助滤剂的最大处理量),同时保持可接受的清澈程度。
对于一种给定的液体,滤液的澄清度主要由以下方面决定:1)助滤剂等级和助剂(body feed)使用量;2)助滤剂等级和预涂助剂使用量;3)过滤周期;4)过滤速度。
想要得到清晰的滤液,或可接受的滤液悬浮物量,可以通过以下方法确定:1)滤液样品视觉检查;2)滤液样品与标准对比;3)使用电子浊度仪器;4)利用一张清洁的白色或黑色的滤纸对过滤滤液样品进行过滤,如滤膜,并观察纸上的杂质;5)化学或生物分析;6)重量分析法。
然而,即便给定一种助滤剂等级,也很难对将要被滤除的固体颗粒大小进行准确描述。这取决于用于测量污染物的颗粒大小的方法,相关液体的类型,粒子的形状,过滤条件和颗粒的特性。
3.2
助滤剂的预涂
使用硅藻土的第一步是在过滤介质上建立一个硅藻土助滤剂“预涂”。预涂的目的有三个层面:
1.防止杂质与过滤介质直接接触不被堵塞;
2.使被过滤液体一开始就能获得满意的澄清度;
3.过滤周期结束后有助洗清过滤介质。
1)预涂量
预涂是将助滤剂预涂在过滤介质上,是整个滤程与浊度最关键的一环。将预1涂液(助滤剂与清液混合)在预涂罐内充分搅拌,同时应根据过滤面积与过滤机相连管道及预涂罐总容积(已配好的浆液体积应为过滤机空腔与相应的管线容积之和的1.25倍)来确定预涂浆的浓度,其浓度不能低于3%(助滤剂与清液),若低于就会出现预涂困难,将浓缩的预涂浆泵入过滤机内,预涂可根据滤机的过滤面积,不可太快或太慢,否则会造成预涂层不平或脱落。
助滤剂预涂量与过滤面积成正比,预涂层的厚度取决于采用的预涂方式及过滤设备,通常过滤介质上应形成2~4mm厚的预涂层。每平方米面积助滤剂的预涂量约为0.75~1.2kg。如果助滤剂分布较均匀,那么每平方米过滤面积0.75kg的助滤剂将形成预涂层厚度约1.6毫米。预涂过程中应使用挡板或为了实现较少的预涂而以不同的速度进行预涂。
在助滤剂预涂的操作时应注意:预涂层是通过在过滤器与预涂罐之间使助滤剂和滤液或洁净介质的混合物形成循环而建立。因为大多数的助滤剂粒子小于过滤介质的孔径,用做预涂层的助滤剂中比过滤介质空隙大的颗粒最少要占1~5%,它们必须在这些大的孔口上“架桥”形成预涂。这些桥架会被气泡、压力的突变或振动打破,所以要保持过滤机内压力的稳定,(特别是由预涂转为正常过滤,切换阀门时),防止滤层起泡或脱落。一旦出现此现象,视镜处的液体就会迅速变混,此时必须重新进行预涂循环,以待滤液变清后再行过滤。
2) 预涂速率
预涂泵的泵送率主要取决于液体的粘度。泵送率应该足以让所有助滤剂保持悬浮状态,但又不能过快而在过滤器内造成对预涂层的冲蚀。对水而言,标准的速率为每平方米过滤面积每分钟40~80升。对粘性液体来说,这个速率可能低至每平方米每小时120升。原则上,预涂的一般是在大约0.8MPa的差压下进行。对水而言,上升速度至少为1.4米/分钟来保持助滤剂的悬浮状态。助滤剂悬浮液也可以在储罐或压力叶片式过滤器内将进料从过滤器顶部至预涂罐形成循环来改善悬浮状态。
3) 故障排除
预涂层建立一般需要2~5分钟。然而,这并不意味着预涂层已经到位。继续预涂,直到过滤器内液体变得相对清澈。这个过程通常最多需要10到15分钟。得不到清晰的滤液可能由下列原因引起:过滤器不正当的排气;循环速率过快引起预涂层侵蚀;过滤介质堵塞;预涂循环过少造成的叶片顶部预涂层过薄;过滤介质破裂;滤网磨损和/或金属丝偏离;隔板与叶片边缘之间渗漏;叶片排放嘴与集液管之间的垫片或密封圈磨损;过滤介质负压造成叶内闪烁鼓包起皱;排放集液管负压导致叶片内液体反向流动。
3.3
 过滤与助滤剂添加
预涂后待预涂液澄清,过滤器开始工作,打开助剂泵及过滤器进料管线,同时关闭预涂循环泵管线,这样进入过滤器的物料便是连续的,不存在压力的突然波动。如果过滤器通过过滤液预涂,预涂罐最好立即填满滤液。预涂罐也可以在过滤循环后期充满,但这可能会造成问题,因为过滤器的液流压力可能会突然下降,这样就需要很长时间来填充预涂罐。
助滤剂的添加:按一定比例把助滤剂添加浆均匀地分散加入在滤液中并送入过滤机,添加也是整个滤程与浊度分不开的一环。添加助滤剂是为了延长过滤周期,使原滤层上形成助滤剂与杂质粒子相混合的多孔滤层,维持新的过滤表面。 
 1) 助剂添加量
添加泵的添加多少与流量和滤前粘度有密切关系,添加量应控制在进口压差均衡上升为准。过量的助剂的影响。压差急剧上升说明添加量不足,因为添加助滤剂已被杂质完全包围,只是增加了滤层厚度,而没有增加滤层渗透性;压差上升太慢,说明添加量过多,助滤剂利用不足,这还要看被过滤的液体浊度是否理想。曲线3显示过滤的压差突增,这是叶片间滤饼桥接的结果。这将导致过滤面积的急剧减少,它可能导致叶片的严重损坏。
不同的助剂添加量的影响见图4和图5。图5显示了总流量(竖轴)与助剂量百分比(水平轴)。在图3中可以看出,额外添加少量的助剂就会显著减少总流量,因为助剂被未溶解的固体完全包围,所以不能增加滤饼的渗透率。这只会增加滤饼厚度没有明显增加其渗透性。从这一点上,随着助剂量逐渐增加,总流量也缓慢增加,然后在一段短时间内迅速增加。随着增加的速度逐渐降低,达到峰值。之后因为滤饼厚度增加但没有进一步增加滤饼渗透率,它实际上会再次减少。
2)过滤速率
过滤速率对周期长度的影响。例如,5L/m²/min的过滤速率,过滤器将运行480分钟并达到2.1bar的压降。以两倍的过滤速率运行,循环周期长度大约为150分钟。一个典型压力叶片式过滤器,当达到3.5bar压降时,周期结束。
过滤注意:过滤周期一定要保持原液进口压力不要太大,清液出口压力不要太小,过滤期间一般不要人为的减少原液流量,以免造成预涂层起泡或脱落,造成滤液浑浊至停机。
3)叶片粘连及它的影响
在压力过滤器中,叶片间的滤饼发生粘连,叶片上压力不同将导致叶片严重变形。通过过滤器的滤饼容积(过滤面积乘以滤饼厚度,滤饼间至少保持1/4到1/2英寸的间隔)以及助剂和滤饼的密度可以计算出添加多少助滤剂不会引起滤饼的粘连。大多数硅藻土助滤剂的密度一般为320kg/ m³。这也等于滤饼的密度,因为固体杂质被滤除并包含在助滤剂颗粒的间隙中。
4) 故障排除
过滤器是在工作过程中,滤液应是清澈的。如果不是,问题可能是由于下列原因引起:部分的过滤介质堵塞;进料液体中含有气体;从预涂切换到过滤时物料流损失;预涂环节出现问题导致预涂的形成不理想。
助剂暂时或永久性堵塞能引起过滤循环周期缩短、过滤介质堵塞、待过滤液的特性改变、截留在过滤器中的空气引起过滤面积减少或者滤过率过高。
5) 滤饼卸除
过滤周期结束时滤饼的卸除一般采用以下方法:
-- 反冲或碰撞(管式过滤元件);
-- 冲洗;
-- 过滤器中残液吹除后,进行滤饼干燥,冉阿后通过轻敲或刮擦叶片或是机械振动卸除干燥滤饼;
-- 干燥滤饼卸除并冲洗;
-- 对于在高温下进行过滤的粘性液体,要利用热空气或气体从滤饼中提取尽可能多的液体。
无论采用何种方法进行滤饼卸除,这都是极其重要的环节。滤饼必须卸除彻底,否则将导致过滤介质的堵塞并影响过滤性能。
工业上有各种各样的硅藻土过滤器,每个都有其优点和缺点。这些设备基本归于两类:1)在压力下操作;2)在真空下运行。
4. 结语
助滤剂的选择,主要依据过滤目的、待滤物料的特性以及使用的过滤介质等来确定助滤剂的种类、粒径及添加量,以达到理想的助滤效果。过滤的目的是将悬浮液中的固相与液相分开,有的是为了得到澄清的滤液,有的是需要固形物形成的滤饼,或者滤液和滤饼都回收。工业过滤的很多场合是舍去滤饼而净化液体的。如果是为了得到澄清的滤液而且需要较大的过滤速度,可选用硅藻土助滤剂,它本身化学性质稳定,是一种多孔物质,且具有非压缩性,有很好的过滤性能,是一种比较理想的助滤剂。
如果过滤所需要的有价物是滤饼,最终还必须从滤饼中把助滤剂除掉才能得到纯净的固形物,这种场合若采用硅藻土,则将其从滤饼中分离出来较困难,故一般不被采用。若选用纤维素或活性炭粉作助滤剂较适合,因这二种助滤剂可通过加热燃烧的方法从滤饼中全部清除,因此可得到单一纯净的固形物。

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