固—液分离技术的新进展与发展方向.pdf

囤 外套矿选矿 固一液分离技术的新进展及发展动向 曲景奎 隋智慧周桂英肖宝清张强 摘 要 介绍了近年来固一 蒗分离技术的研究成果及发展趋势， 并对各项技术的原理及其优缺点和下一步的研究重点进行了简 要的分析 。 关键 词固一液分离新进展动向 前 言 固一液分离技术广泛应用于各个行业， 如选矿、 造纸、 医药卫生、 环境保护和食品等。传统的固液分 离技术主要集中在过滤 、 压滤、 重力沉降和浮选等方 面 。随着矿 物资 源的 不断开采 和利 用， 矿 石 日趋 “ 贫 、 细、 杂” ， 有用矿物经选别 作业的后期处理 日渐 困难 。许多选矿 厂通过助磨剂的添加等 措施， 解决 了微 细矿粒的单体饵离问题， 前段建别作业也能够 很好地 回收有用矿物， 而后段则大大地损失了有用 矿物[ 1 3 J 。如东鞍 山铁矿浓缩机溢 流跑浑 水最 高可 达到 5 ％的固体含量， 其结果一是损失严重， 二是给 附近造成环境污染。全球水 资源急剧短缺 ， 生存环 境 日益恶化， 于是， 人们对固 一液分离技术提出了更 高要求， 并倾注 了很多心血去研究开发新 的分离技 术。 l 传 统 圊 一液分 离技 术概述 传统的 固 一液分离技术 中， 占主导地位 的是过 滤、 沉降、 筛分、 干燥和离心沉降技术， 其中， 沉降技 术又分为浓缩和澄清。首先， 对于过滤技术． 工业上 基本使用 圆盘过滤机， 利用真空使固液分离， 形成滤 饼， 滤液循 环再用。盘式真空过滤机结构简单紧凑 、 占地面积小 、 处理量大、 价格低 、 维修工作量小， 初期 投资比其他脱水方式都低。但对粘性微细粒物料脱 水效果差。实验室内用滤纸分离晶体与滤液 ， 其次， 是沉降。沉降技术应用的范围较广， 在选矿厂、 水厂 中随处可见， 如各式各样的沉淀池、 澄清池、 浓缩池 等。沉降过程以及所用的机械设备 比较 简单， 使得 重力沉降在各种固液分离技术中最便宜。这是因为 它使用较少的金属构件， 能处理高水流速率， 而且滥 ★ 北京科技大学土木与环境工程学院矿物加工系． 博士。 流常能达到较高的澄清度。有些难于过滤的物料能 借助沉降法有效地分离。而干燥分商技术多用于寒 冷地区的精矿脱水， 以防冻车。筛分分离技术 应用 最为普遍， 主要用于大块物料的脱水。 如前所述， 传统的固液分离技术虽然对世界各 国的工矿业发展起过非常重要的作用， 但时代的发 展却要求有更为先进、 更为精确的固液分离技术， 应 用于现代工矿企业、 乃至家庭生活中。 2固 一液分 离技 术的新进展 2 ． I 沉降技术 沉降分离技术的发展除了设计使用不同机械原 理的沉淀 、 澄清、 浓缩设备外， 主要集 中于絮凝剂的 开发上。当物料粒度很细时， 特别是粒度小于 5 ～ 1 0 m 的矿泥， 细 小颗粒之间 由于范德华力的相互 作用使其吸引， 经常呈无选择 的粘附状态。又 由于 细粒物料本身具有很大 的 比表面、 质量小、 表面 能 高， 属于热力学不稳定体系， 故细粒物料之间的粘附 现象， 经常可 以自发产生 。 絮凝剂的研究和开发在固液分离技术中深受重 视， 并取得了较 大进展。如美国 内华达大学麦凯矿 山学院化学和冶金工程系的A M 雷查等关于生物 絮凝剂絮凝粉煤 的研究就是一个很好的发展方向。 为了生产符合标准质量的煤以及提高粉煤的脱 水性能， 以前就研究过煤絮凝。其中大多数人的研 究重点放在合成聚合絮凝剂的使用上。已用于煤处 理的絮凝剂包括 部分水解的聚丙烯酰胺 、 非离子型 的聚丙烯酰胺、 聚苯乙烯磺酸盐、 含有螯合基和络合 基团的聚丙烯酰 胺。在许多情 况下， 需同时用表面 活性剂与聚合絮凝剂来提高煤的疏水性。如果使用 条件不当， 合成絮凝剂就没有选择性。生物絮凝荆 维普资讯 2 0 0 1 ． 7 国 外金 矿选矿 1 3 则正相反， 在 自然状态有选 择性， 并 可在较宽的 p H 范围内作业 ， 而且比合成絮凝剂的浓度要低 。 该研 究所用生物絮凝剂为微 生物分支杆菌属， 呈一种冻干细菌培养的状态。作为对 比所用的两种 合成聚合絮凝剂为聚氧化乙烯 P E O 和聚丙烯酰胺 P A M 。在这项研究中考察 了时间、 浓度、 p H和不 同絮凝剂对粉煤 的絮凝影响l 5 J 。 图 1表示使用不 同絮凝剂时， 时间对煤样沉淀 量的影响。最好的结果是使用从微生物 中取得的生 物聚合 物获得 的。随时 间而增加 的沉淀量 在约 2 mi n内达到最大 9 8 ％， 然后随着时间进一步延长， 沉 淀量保 持 恒定。在使用合 成聚合 絮凝剂 P E O 和 P A M 时， 4 mi n之后才达到 8 0 ％左右 的最大沉 淀 量。使用生物絮凝剂， 可以获得较快的沉降速率 ， 因 为絮团的形成非常迅速， 并且很快沉降。相反地， 使 用合成絮凝剂时， 絮团慢慢地形成， 结合成松散的絮 团缓慢沉 降 l 0 0 帅 6 o 鬓4 0 皤 2 0 0 o 】 2 5 1 5 o 4 0 0 沉降时间 { s 圉 】 凄用不周絮凝 时， 赚粉沉淀量与时同的关荼 1 一生物聚合物 ； 2一P E 03一P ,Mv l 研究了絮凝剂的浓度对煤 样絮凝效率 E ， 的影 响。絮凝时间保持在 3 rai n 。使用生物絮凝剂， 当增 加浓度时， 絮凝效率显著地增加， 在 5 01 0 mo 1 ／ 1 的浓度下， 达到大约 0 ． 9 8的絮凝效率 ， 然后在更高 浓度下保持恒定， 用 P E O和 P AM 絮凝剂表 明， 在 1 5 0 x 1 0 - mo l ／ l 浓 度下， E F 最 高 只有 0 ． 8 增 加 P E O浓度不影响絮凝效率。然而 P AM 在较高浓度 下． 絮凝效率却降低。这可能是因为颗粒之间的空 间稳定性导致亲水表面的形成。另一方面． 用生物 絮凝剂提高 了絮凝效率， 达 到一种显示煤表面疏水 的平稳状态。用于该项研究的合成絮凝剂的用量比 文献 中报道的用量高得多。合成絮凝剂在中性 p H 下效果较好， 而生物絮凝剂在 p H为 35的酸性 范 围内有选择性㈦ 图 2 。 圈 2 健用生物絮凝卉 哼 时。 粉鬻疆 效率与 p H的关蕞 2 ． 2 过滤技术 在金属矿 山中， 随着选矿工业的发展， 矿产资源 日 益贫化、 细化， 一些选矿厂采用了细磨工艺． 细粘 物料 日益增加， 使浮选过 滤变得更加 困难。选煤也 是如此， 小于 0 ． 5 i l nJ n粒级煤的含量逐年 增加。 因 此精矿和精煤脱水问题 日益突出， 是急待解决的问 题， 引起有关 人员的关注。国内外有关科研院所 、 制 造厂和使用部门在不断改进连续真空过滤机， 连续 加压过滤机在许多公司得到成功应用， 而且在工艺 和节能方面得到某些优化和改进的基础上． 发展了 蒸汽加压过滤技术和陶瓷过滤技术． 出现了新型过 滤机。这些新型连续式过滤设备具有滤饼水分低 、 形成快、 处理能力大、 压气消耗少、 能耗低等优点， 在 生产实践 中取得了良好的效果。 2 ． 2 ． 1 盘式真空过滤机 盘式真空过滤机结构简单紧凑 、 占地面积小、 处 理量大、 价格低 、 维修工作量小， 初期投资 比其他脱 水方式都低 。但对粘性微细粒物料脱水效果差。为 此， 挪威海德拉利夫特 Hy d r a l i f t A ／ s 公司斯坎梅克 S c a n m e c 选矿分公司对盘式真空过滤机进行技术 改造， 将过滤机蜗轮蜗杆驱动装置改用链条驱动 ； 加 大管路直径和头部外形尺寸 ； 扇形过滤板用聚氨酯 或模铸橡胶制造。从而降低流速， 提高过滤效率， 降 低滤饼水分 ， 便于维修。改造后 2 2台斯坎梅克盘式 真空过滤机用于美国明尼苏达州梅萨比 Me s a b i 铁 矿区， 对铁精 矿过滤． 滤饼水分为 9 ． 2 ％。 马鞍山矿 山研究院新开发的 Z P G --7 2型盘式 真空过滤机， 是“ 九五” 国家攻关项目。针对我国铁 精矿过滤作业存在的问题， 吸收国外先进技术的基 础上， 研制成功新型过滤设备。于 1 9 9 7 年通过原冶 维普资讯 1 4 国 外奎属矿选矿 金部主持的鉴定。 该机在酒钢选矿厂， 于 1 9 9 7 ～1 9 9 8年用于过滤 焙烧磁 选 铁精 矿 和 强磁 选 铁 精 矿。 当给矿 浓 度 5 0 ． 9 ％、真 空 度 0 ． 0 6 1 MP a 时，滤 饼 水 分 为 1 3 ． 9 1 ％， 过滤系数 0 ． 7 7t ／ m h ， 滤液浓度 2 ． 5 ％。 在相 同条件下． 较现用 的 4 0 m2内滤式真空过滤机 滤饼水分降低 2 2 9 ％， 过滤系数提高 0 ． 3 7 t ／ m h ， 滤液浓度降低 3 ． 5 ％， 取得显著效果。 2 ． 2 ． 2陶瓷过滤机 陶瓷过滤机首先 由芬兰 Va l me t o y公司研 制成 功， 8 0年代 中期芬兰奥托昆普机械公 司购买制造陶 瓷片的专利， 九十年代推出了以毛细作用为原理的 C C系列陶瓷过滤机以来， 在世界各地有色金属选矿 厂对铜、 锌、 铝 、 铅、 镍及硫等精矿脱水过滤中获得广 泛应用。该机兼备了常规真空盘式过滤机和压滤机 两者的优点， 结构简单， 滤饼水分低． 能耗低， 滤液清 澈， 自动化程度高， 处理能力大 一般为圆盘式真空 过滤机的 3倍 ， 无滤布损耗 ． 减少维修费用， 设备结 构紧凑， 安装费用低， 且生产成本更低。 目前。 全世 界有 2 0多个国家使用 了 1 0 0多台。我国广东凡 口 铅锌矿首 先使用 ， 到 目前已有许多矿山选厂使用这 种设备【 “。 陶瓷过滤机独特之处是利用毛细效应原理用于 脱水过滤， 用亲水性材料烧结氧化铝制成的陶瓷过 滤板上布满了直径 1 ． 5 m和 2 m小孔． 每一小孔 即相 当一个毛细管。这种过滤板经与真空系统连接 后， 当水浇注到陶瓷过滤板时液体将从微孔中通过． 直到所有游离水消失为止。而微孔中水阻止气体通 过 ． 形成了无空气消耗 的过滤过程。当陶瓷过滤板 浸入过滤矿浆中时， 在无外力作用下． 借助毛细效应 产生 自然力 进行脱水过 程， 过滤板堆积 固体颗粒形 成滤饼 ． 滤液通过过滤盘进入滤液管连续排 出。 直到 排干为止。整个过程只需一 台很小的真空泵． 就能 取得处理能力大， 滤饼水分低的效果 ] 。 目前 又开发出加压型陶瓷过滤机， 以满足高海 拔地区使用 。其过滤机理和工艺效果有新的突破。 我国是能源相对短缺 的国家， 开发低能耗 陶瓷过 滤 机． 潜在市场很大， 势在必行。 2 ． 2 ． 3 蒸汽过滤技术与设备 蒸汽过滤是为解决细粘物料在常温下过滤效率 低的问题而提供 的一种新的过滤途径． 可 以进一步 降低滤饼水分， 从而节省干燥作用费用。 3 ． 2 ． 3 ． 1 带蒸汽罩的真空过滤机 1 9 6 2年， B u r t o n首次将有 1 0 0 2过滤蒸汽直接 施加到用于浮选精煤的旋转真空过 滤机 的脱水 区． 可使细粒煤滤饼水分减少一半， 每除去 1 水约需 0 ． 7 5 k g蒸汽， 同时减少滤饼厚度 与细颗粒 含量， 均 能提高蒸汽的有效作用 。当蒸汽所受压差大于滤饼 孔隙的毛细压力时， 蒸汽便进入滤饼的孔隙中． 排出 滤饼孔隙中的 自由水。当滤饼中水分披高温蒸汽加 热， 使滤液温度升高， 从 而 降低水的粘度和表面张 力。一般 1 5 ℃水的粘度为 1 ． 1 4 MP a ． s ． 当温度升高 到 8 0 ℃时水的粘度 下降到 0 ． 3 5 1 MP a s ， 强化了脱 水过程。蒸汽的高温也会使滤饼 内部水分 蒸发． 从 而极大的降低滤饼水分 。 美国 E i mc o公司 曾对硫化矿的浮选精矿， 已脱 泥后金属矿物、 细磨过的金属矿物和洗煤厂的尾煤 用真空过滤机进行蒸汽脱水试验， 加蒸汽真空过滤 机滤饼 水分 比真空 过滤机 滤饼 水 分 分别 降 低 了 2． 6 ％、 3 ． 9 ％、 4 ． 6 ％和 5 ． 5 ％。并得 出蒸汽脱水与 热力干燥法 比较， 在过滤 费用、 所 占厂房面积、 所需 设备等方面具有明显优越性。 为解决过滤机受蒸汽腐蚀相当严重、 塑料元件 不能耐高温的问题． 科佩兹研制了一 台用高强度耐 腐蚀材料制造的 6 0 m2 真空过 滤机， 配以高强度耐 腐蚀的蒸汽罩。脱水试验表明， 与普通真空过滤机 相 比滤饼水分显著 降低． 在运转可靠性和使用寿命 方面不低于普通真空过滤机。 2 ． 2． 3 ． 2 蒸汽加压过滤技术 蒸汽加压过滤机是把机械和热力过程结合到同 一 过滤设备上， 在温度较低的滤饼表面． 蒸汽冷凝形 成冷层 ． 进而从滤饼中排出毛细水。 德国 B OK E L A机械工艺技术工程师协会的博 特博士进行了蒸汽加压过滤机试验研究。他将真空 过滤机置于加压容器中， 驱动装置安装在压力容器 外部， 对高 温引起变化要格外 注意， 如过滤机控制 头、 滤布、 滤饼排出机构等。在压力容器中充以压缩 空气， 蒸汽室充以蒸汽， 并减少了热辐射而引起蒸汽 损失。通过压差控制使蒸汽室蒸汽压力稍高于压力 容器中压气压力． 以防止压 气进入蒸汽过滤 区域。 压力容器 内仪器设施不接触高温． 与蒸汽室相隔离。 容器中悬浮液的表面 只与压气接触， 并主要靠压气 过滤形成滤饼 ． 这样就最大限度降低 了由于冷 凝而 损失的蒸汽 J 。 维普资讯 2 0 0 1 7 国 外奎属矿选矿 1 5 蒸汽加压过滤机除具 有连续式压滤机优点外， 它利用气相过压蒸汽 ． 故滤饼脱水过程均一， 几乎无 气体消耗， 能量损失少， 滤饼水分低． 滤饼裂隙少 ． 并 起到浸取、 洗涤和消毒的作用。但是 由于过滤机受 蒸汽腐蚀相当严重． 塑料制件不能耐高温， 尚无较好 结构形式的蒸汽 罩和蒸汽室， 以及各种难滤物料 的 蒸汽脱水效果和蒸汽消耗量的经济陛研究不充分等 问题． 影响其在生产 中的推广应用。随着对蒸汽加 压过滤技术研究的深入， 及上述问题 的解决， 蒸汽 加压过滤机将在金属矿物、 煤炭、 淀粉 、 糖浆、 染料过 滤以及食品和 医药领域中具有广阔的应用前景。 2 ． 2 ． 4 带式压榨过滤机 带式压榨过滤机是世界上一种发展较快的污泥 脱水设备， 它结构简单、 操作方便 、 能耗低、 噪音小、 可连续作业． 因而美 国、 英 国、 德国以及 奥地利等国 相继对它进行 了研究和开发应用。应用范围除了城 市下水污泥处理外， 已普及到造纸和纸浆、 选矿、 选 煤、 化工、 食品等行业． 以及工业废水污泥处理。 提高 自动化操作水平始终是带式压榨过滤机高 效率化的重要研 究课题。因此， 近几年 国外一些公 司进行了以调节污泥性状 为主的、 监控脱水操作过 程的自动控制 系统的研究， 如美国 V o n R o l l 公司 和日本 株 神户制钢所， 它们研究出了由微机辅助 的自动控制系统 。这种 自动控制 系统由传感元件和 控制台所组成， 用来控制和调节絮凝剂的添加量、 污 泥的投放量以及脱水操作过程等。 滤带再生效果的好坏将影响到滤饼剥离和脱水 效率。传统采用高压水喷洗滤带的方法。这种方法 的最大缺点是用水量大， 每小时需 5 ～1 0 t ／ m 水压 0 ． 8 ～1 ． 0 MP a ， 清洗下 来的污泥混入清洗液 回流， 增加了水处理 系统的负荷。国外最近开发出了一种 滤带超声波清洗新技术。这种超声波清洗机构装置 在滤带返 回的一定部位， 部分返 回滤带浸入清洗水 槽内， 由超声波发生装置发 出的振波从运行着的滤 带反面 非滤带承载面 向滤带辐射 ， 使附着在 滤带 面上的污泥浮离于水槽水 中． 然后 由设在超声波发 生器后的高压清洗喷嘴辅助喷洗． 使滤带完全再生。 目前． 带 式压榨过滤机 已由普及型 向高效率化 方 向发展。这一发展趋势的主要标志是 1 整机结 构的紧凑化 ； 2 滤饼低 含液量及脱水操 作的高效 化 ； 3 自动控制系统化等。 2 ． 3睫分离技术 自1 9 6 8 年美国 N． N． L i 博士发 明了膜分离技 术后， 随着新型高分子材料的开发， 分离功能材料在 功能高分子材 料中已占有十分重要 的地位。1 9 9 4 年世界分离膜的总产值 已达 2 2亿 美元。并以 1 2 ％ ～ 1 5 ％年需求增长速率 向前发展。膜分离技术是用 人工或天然合成的高分子分离 膜． 借助于化学位差 或外界能量的推动对双组份或多组份的溶质和溶剂 进行分离、 提纯和富集的方法． 以压力差为推动力的 膜分离过程 可分为微滤 Mi c r o fi ／ t r a t l o n 、 超摅 U I t r a f i l t r a t i o n ／ U F 和反渗透 R e v e r s e o s mo s l s ／ R O 等。 由于使传境的分离工序发生革命性 的变化， 所以高 分子分离膜 广泛地应用于 化学工 程、 生物技术、 医 学、 食品工业、 环境保护、 石油探测等众多领域内． 在 当代高新技术领域 内． 膜分离 技术将作为开发 的重 点， 对其研究的主要方面集 中在膜材的研制和膜应 用的研究 3 ． 3 ． 1 新型膜材 a ． 聚砜超滤膜 聚砜膜为一种性能优 良的膜， 膜厚 4 0 t a n ． 内 层空隙率高， 孔规则且无致 密外层的特点。聚砜膜 可制成三层结构膜 锭状孔的内表层 、 圆形孔的外表 层和枝形孔的 中间层。使用氯 甲基化聚砜为原料， 采用干 一湿法纺制中空纤维膜。聚砜反渗透膜成功 地用于工业废水和废液处理， 这是它最有希望的应 用领域之一， 污水中含有象 C u ”、 H g 2 、 A g 、 一 、 C r ”、 P 。 j 一 、 C N一 及有机杂质如酚、 乙酸、 尿素、 柠檬 酸等。 b ． 纳滤膜 纳滤膜介于反渗透与超滤膜之 间， 由于该过滤 过程的膜孔径处在纳米级 内． 因此称为“ 纳滤” ． 其对 N a C I 的截 留率 为 5 O 一7 O ％， 对有机物 的截 留率为 90％ 。 c ． 聚乙烯醇膜 聚 乙烯 醇由聚乙酸 乙烯醇解制成， 我国为世界 聚乙烯醇生产的第一大 国。具有原料易得的生产优 势 聚乙烯醇膜的制备可分为交联法和交联前先共 聚两种。采用的共聚单体可以是甲醛丙烯酸甲酯、 丙烯酸 甲酯、 丙烯腈等。 d ． 中空纤维富氧复合膜 中空纤维复合膜直径小， 可紧密排列． 在膜分离 器 内装填密度大， 可使设备 更加小型化 ． 结构简单， 由于中空纤维膜具有大的比表面积和自我支撑的特 维普资讯 1 6 国 外金属矿选矿 点， 适于制成小型装置， 特别适应于医学和生物工程 中不同物质的分离。中空纤维富氧复合膜具有高的 富氧能力， 其通量远大于均质 中空纤维膜和 不对称 中空纤维膜， 且耐压性好， 为最好的中空纤维膜。 2 3 2 膜的应用 在膜的应用方 面， 与膜流场相对应， 有两种膜过 滤形式 死端过 滤 d e a d e n d f i l t r a t i o n 和十字流过 滤 c r o s s f 1 。 w f i l t r a t i o n 。 由于 十字流过 滤具有膜 污染程度较小， 膜通量大， 能持续运行而得到广泛应 用。微滤技术因为开发早， 应用也最广泛。因此， 十 字流微滤技术成 为膜分离领域 最受重视 的一项 技 术。但 困扰膜分离技术应用和发展 的一个关键 问题 是由于浓差极化和膜污染而造成膜过滤通量下降。 膜的污染是指 由于浓差极化 C O L I C e n t r a t i o n p o l a r l z a t i o n 在膜的表面形成滤饼层， 或 由于颗粒 的沉积， 堵塞膜孔， 使膜 过滤通量下降。为了使过滤能持续 高效地运行 ， 必须减小浓差极化现象和颗粒的沉积。 人们采用了一些 不同方法来解决膜 的污染 问题， 比 如采用反 向冲洗技术 、 外加 电场 、 增加流 动不稳定 性 、 脉冲进料等方法， 但这些方法的共同特点为膜本 身是静止的， 因此总是存在着滤饼层。1 9 7 8年， A． Ma g a r t i s 和 C． R Wi l k e 提 出了旋转动态膜过滤 d y n a mi c f i l t r a t i o n ， 由于它的膜是运动 的， 滤饼层 较难形成， 所以成为一种很有应用前 景的分离技术， 也成为强化过滤方法研究虽多的结构。旋转动态膜 结构一般分为两种形式 一种是圆筒式 管式 结构， 内筒为膜管或 内外均为膜管， 内筒旋转 ； 另一种是圆 盘式结构， 旋转件为膜面或紧邻膜面处加旋转件。 相对而言， 旋转管式动态膜 比旋转盘式动态膜研究 更多一些， 这是 由于旋转管式动态膜的内管旋转在 管环 隙 间形 成 泰 勒 涡 二 次 流，强化 过 滤 效 果 明 显 [ 。 虽然动态膜分离有诸多好处， 但 由于其研 究时 间较短， 自身也存在产量 小， 能耗相对较 高等缺点， 因此， 它还没有得到广泛 的应用 。但很多学者对其 赋予很 高的期望 ， 并做了大量的工作， 使其能得到广 泛应用有了理论和试验基础。 2 ． 4 超声分离技术 在化学研究和化工生产中常常要把浮在液体 中 的固体粒子清 除， 为此 需要相 应的分离技术。传统 的方法是使用各种类型与规格不同的过滤膜或过滤 网， 滤除粒子 ； 或者是采用离心分离器、 旋液分离器． 利用离心力分离固体粒子 。前者因为常常出现过滤 阻塞， 因此不得不定期清理或更换过滤膜 ； 后者因为 要使液体产生高速运动， 所以能耗较大， 特别在分离 细小粒子时就更为困难。如果能使固液分离过程避 免过滤阻塞， 保持连续工作， 又能使分离所用能耗较 大幅度降低， 这将会带来明显的经济效益。应用功 率超声可为解决这个 问题提供理想的途径 ， 超声分 离能够彻底除去过滤这道工序 ， 因此与过滤 阻塞有 关的一切问题 自然不复存在， 超 声分离无需使液体 产生高速运动． 故而能耗较低。 超声分离 的原理是利用液体 中两个不同频率、 振动方 向相同、 相对方 向传播的两个平面声波， 在传 播过程 中叠加， 产生若干个振动速度为零 的点， 并且 此点以一定速度向某一方 向移动； 而液体中的固体 粒子在声波作用下总是在振动速度为零处聚集， 并 随此点运动而运动， 最终聚集在装置的一侧， 从而使 固液分离得 以实现【 3 ] 。 超声频 率和声强 的选择是相 关联的。一定频 率、 一定声强 的渡作用于 液体 ， 有时会产生超声 空 化， 从而使液体中的固体粒子被粉碎， 这是分离过程 不希望发生的。试验证明 频率越高 、 声强越小的平 面波在液体中越不会产生空化现象， 且声强 比频率 对空化的产生影响较大。但声强较小时， 液体对固 体粒子的推动力就小， 因此两个换能器的频率和声 强的选择依据是 1 在此频率 下， 液体 中微小质点受声波作用． 产生相对运动互相碰撞， 使之产生凝聚 。 2 在 此频率 和声 强下， 液体 不会产生空化现 象， 固体粒子不会被粉碎。 根据 1 在悬浮液 中要使 固体粒子在液体 中产 生凝聚的最佳频率为 9 √3 f 式中 ， 一 频率 Hz ； r 一 固体粒子半径 m ； p 一 液体密度 ， k g ／ m3 ； 一 液体黏滞系数 P a- s 两个换能器 的频率可以根据液体 中固体粒子的 粒度分布情况分别计算取定． 但不宜相差太大。 根据 2 ， 要 使液体不产生空化现象， 就必需限 制声强， 那么分子间的平均距 离就会增大到超过极 限距离， 导致液体产生空化。极 限声强 的计算较为 维普资讯 I 国 外 金 曩 矿 毽 旷 国 外金属矿选矿 1 7 复杂， 它受到超声频率、 液体 的表面张 力、 液体 的温 度等多种因素的影响， 目前的理论计算和实际测量 值还相差较大， 所以我们一般用试验的方法来测定， 然后取小于极限声强的某一声强值 - 1 “。 2 ． 5 磁过滤技术 近二十年来， 国外高梯度磁过滤技术的研 究十 分活跃， 已用于解决许多环境和工业 问题． 例如 核 反应堆冷却水的过滤， 水中磷酸盐的脱除， 赤铁矿和 铬铁矿粉末及超细粉末的回收 ， 废水 中重金属 的脱 除等， 并从分离强磁性大颗粒发展到去 除弱磁性反 磁性低浓度小颗粒． 因而该技术引起 了国内外科技 工作者的普遍注意。 高梯度磁过滤技术 简称 HG MF ， 即让滤浆流 过高梯度磁过滤器， 利用高梯度磁场产生的强大的 磁场力． 脱除滤浆中的固相。从滤浆 中去除磁性固 相， 如铁、 镍 、 钴等比较简单 ， 使滤浆直接流过高梯度 磁过滤器即可实现。而去除非磁性及反磁性 固相， 如有机物、 藻类 、 酵母和细菌， 则需先投加磁种 高磁 化率的颗粒 与待分离颗粒形成顺磁性凝聚物， 然后 用高 梯 度 磁 过 滤 器脱 除． 这 个 过 程 称为 磁 种 过 滤 8 ] 。 高梯度磁过滤技术 的特点是 1 处理滤浆速度 快， 能力大， 效率高； 2 设备简单， 操作简便． 维修费 用低 ； 3 易再生， 可在高温下 可达 6 o 0 K 使用 ； 4 可 减少或不使用化学药品， 消除二次污染； 5 适宜处理 固相为微米级的低浓度 可达 1 0 - 。 ～1 0 mg ／ 悬浮液， 且温度及气候的变化不影响处理效果㈨。 为了使高梯度磁过滤技术在分离领域中获得更 广泛的应用， 以下几个动向值得重视。 1 目前研究的主要对 象是如何改善过滤性 能， 改善的方法是增 加磁场梯 度和提高 过滤能力． 而这 两点均与过滤介质材料有关。 2 用极廉价的顺磁性材料 如炼铁炉的粉尘 代 替强磁材料做磁种． 处理含非磁性物质的废水， 用后 与滤渣一并废弃 ， 省去了磁种回收工艺， 可以大大节 省费用。钢铁生产中的废水， 含有铁磁类粒子， 特别 适合用于高梯度磁过滤过程， 这是以废治废的有效 措施。 3 把高梯度磁过滤技术应用到生物分离过程。 以简化工艺， 提高产品 回收率， 降低生产成本， 将 会 给生物下游加工技术带来新的发展。 4 超导磁过滤技术是未来高梯度磁过滤技术的 发展方向。通常， 提高磁场强度即可提高流速， 增加 滤浆处理量， 而不影响高梯度磁过滤器 的性能。但 是 ， 随着处理量的增加， 过滤器成本与耗电量也显著 增加。而且， 若超过一定流速， 高梯度 磁过滤器控制 过滤的能力就要下降。超导磁过滤器可克服上述缺 陷。其磁场强度可高达 1 4 T， 由于超导体在临界温 度 以下无电阻． 因此， 运行时耗 电极低。它能在较大 的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场 ． 因而可提 高处理量。由于超导磁过滤器能够产生很高的磁场 强度， 可使悬浮液中的顺磁性颗粒 充分极化， 从而可 直接去除顺磁性固相， 而不要投加磁种。 5 高梯度磁过滤机理模型的构建 J 。 参考文献 1 赵昱东 连续式过滤机的新发展 ． 过滤与分离 ， 2 0 0 0 ． 1 0 ； 1 5 2 周碉远译 蒸汽 加压过 滤 滤饼 机械与 加 热联 合脱 水 工 艺 国外金属矿山， 1 9 9 5 ， 1 0； 4 1 4 7 3 石秀东 ． 固液的超声分离 过滤与分离 ， 1 9 9 9 ． 3 ， 1 9 2 1 ． 4 胡晖， 高红和贾 绍义 高梯度 磁过滤技 术及展 望 ． 过滤 与 分离 ， 2 0 0 0 ， 1 0 ， 2 6 2 8 5 A． M． 雷查 等． 使用合成 絮凝剂和 生物 絮凝荆絮凝 犄煤 ． 国外选矿 快报． 1 9 9 8 ． 1 4 ， l l 一1 5 ． 6 李桂鑫， 韩龙 新型高效的过滤设备一陶瓷过滤机． 国外 金属 矿选 矿， 1 9 9 5 ， 7 ， 4 24 6 ． 7 卢寿 慈． 翁选编 著 ． 界 面分选原理及 应 用 ． 冶 金工业 出傲 社 ． 1 9 9 2 ． 8 刘泉， 陈文梅， 王颖 旋转动态管式膜流场与分离性能研 究进展 ． 过滤与分离 ， 1 9 9 9 ， 4 ， 1 5 ． 9 T． Ab b a s o v ． a 1 ． S e p a r a t i o n S c i e n o a n d Te c h n o l o g y , 1 9 9 9 ， 3 4 ， 2， 2 6 32 7 6 1 0 D H Mdi k ， H． S． F o g l e r ． C o L l o i d I n t e r l a c e S c i e n c e ， 1 9 8 4， 1 ． 7 2． 1 1 T． J ． Ma s o n ， e t a 1 ．Th e o r y ， Ap p l i c a t l o c s a n dUs m o f Ul t r a s o u 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