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过滤

一般过滤

过滤是一种通过过滤介质*1)将浆料*2)分离成固体和液体的操作。通过对过滤介质表面加压或从过滤介质的反面抽吸来进行过滤。过滤介质的表面所形成的滤饼层能够捕获浆液中的粒子,分离出清澈滤液(液体)。在化学,食品和材料工业等广泛领域中, 过滤这一操作过程尤其重要。

如图1所示,就一般的加压(抽吸)过滤装置而言,随着过滤操作的进行,附着在过滤介质表面的滤饼层厚度也不断增加。在这种情况下,液体通过滤饼层的阻力增强并且过滤速度急剧下降。若要恢复过滤速度,必须拆卸过滤装置,并且用刮刀将内部的滤饼层去除。

*1) 过滤介质:滤布,滤纸,金属网和膜片被广泛使用。
*2) 原料浆液:有固体粒子悬浮着的浑浊液体。

旋转式过滤机和多孔陶瓷板旋转式过滤机

在常规过滤中,随着滤饼层逐渐沉积,过滤速度下降。而在使用旋转式过滤机(RF)和多孔陶瓷板旋转式过滤机(CRF)进行过滤操作的过程中,由于在靠近过滤介质的表面施加剧烈的搅拌,抑制了滤饼层的沉积并保持长时间高效的过滤速度。

(1) 原理

如图2所示,在RF的过滤操作中,滤材表面的滤饼层厚度薄。通过搅拌板的旋转,原料浆液在与过滤介质平行的方向上高速流动,这种动态横流使得过滤介质上的滤饼层厚度薄且恒定。
这种过滤方法能抑制滤饼层的成长,保持薄且稳定的滤饼层。即使长时间运转,仍可保持约1毫米至几毫米的厚度,实现稳定且高实现稳定且高速的过滤。

(2) 内部构造

■ 旋转式过滤机 (RF)

RF适用于过滤亚微米级至100μm的细粒子。 图3显示了RF的结构。在完全密封的过滤室中过滤板和搅拌板以狭窄的间隔交替形式布置,并且搅拌板在操作期间连续旋转。原料浆液被加压并从过滤室的一侧进料。浆液在流经过滤室的同时被过滤和浓缩,其浓缩液或糊状饼从过滤室另一侧的排放阀处排出。

■ 多孔陶瓷板旋转式过滤机 (CRF)

CRF适用于过滤从纳米到亚微米尺寸的超细粒子。该设备和陶瓷过滤板的结构如图4所示。在完全密封的过滤室中,中空的盘状陶瓷过滤板安装在旋转轴上,并于过滤操作期间高速旋转。原料浆液被加压并从过滤室的一侧进料。被过滤的滤液通过空心轴的轴心排放到外部。

(3) 特征及优势

■ 旋转式过滤机 (RF)

1. 运转时间长,过滤速度快,可捕获的粒子至亚微米
由于过滤介质表面的乱流使滤饼层保持较薄的状态,因此在过滤数微米至亚微米大小的粒子的浆液时,即使过滤数天或数月,依然可以保持较高的过滤速度。
2. 适合清洗(清除)浆液中含有的杂质(溶解盐)
由于其较高的过滤速度,与其他工艺相比,RF可以较快的去除溶解在浆料中的杂质(例如氯和碱离子)。另外,在进行循环清洗时,浆液中的粒子处于分散状态,从而在能短时间内实现良好的洗净效果。
3. 被排出的滤饼始终保持恒定的浓度和流动性
排出滤饼时不需要拆卸过滤装置。所有过程都可保持在完全密封的条件下进行。排出的滤饼具有流动性,在后处理(例如干燥)过程中较方便。

■ 多孔陶瓷板旋转式过滤机(CRF)

1. 能过滤纳米粒子,且滤液清澈
孔径范围7 nm~2μm的多孔陶瓷过滤板可用来过滤纳米粒子,这是传统技术难以做到的。这项技术能够连续收集清澈的滤液。

多孔陶瓷过滤板种类
孔径大小 2.0μm 0.5μm 0.2μm 60nm 30nm 7nm
材质 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 ZrO2 TiO2 MgAl2O4

2. CRF可以应用于易堵塞过滤介质的浆液
陶瓷过滤板的孔径远远小于粒子尺寸,因此可以防止过滤介质堵塞。CRF非常适用于容易发生堵塞的细粒子浆液,也适用于难以形成滤饼层的浆液。
3. 高速过滤纳米粒子浆料,且性能稳定
多孔陶瓷过滤板通过高速旋转保持薄而稳定的滤饼层。对应过滤难度高或低过滤率浆料的过滤处理,与其他普通过滤机相比,CRF提供更优质的性能。因此,即使是过滤纳米粒子的浆料,CRF也可以提供稳定的过滤速度。

■ RF和CRF的共同特点

1. 自动化过滤实现高效的质量控制管理,降低生产成本
RF / CRF工艺的自动化可以轻松实现对质量的控制,还能检测与控制清洁度和浆液浓度。过滤后,可以选择自动模式对机器进行反洗。这有助于提高产量,减少所需的人力并降低生产成本。
2. 过滤装置完全密闭,且工作环境良好
从过滤处理,到收集制品,清洗装置的过程中,无需拆卸过滤装置。因此,可以将所有处理阶段工作保持在完全密封的条件下。这有助于提供清洁的工作环境,减少额外的清洗工序,并降低生产成本。此外,它还可以防止泥浆飞散,异味扩散以及有害物质的外露。

RF和CRF的应用示例

RF和CRF的洗净,浓缩或脱水的操作流程图如图5所示。这些操作也可组合执行。在浆液洗净,浓缩或脱水后能进行收集。

(1) 洗净操作

在浆液材料的制作过程中,浆液中会混杂着各种化学添加剂或者化学反应后残留的杂质。为了提高产品的质量,需要去除浆液中的杂质。 因此,过滤被广泛应用于洗净浆料或者去除溶解于浆液中的杂质。

如图6所示,一般的加压过滤装置的洗净操作中,先对浆液进行加压过滤,由此在滤材表面形成滤饼层。然后,向滤饼层添加洗净水,当洗净水穿透过饼层时,可以洗净杂质。然而,由于洗净操作中粒子处于固结状态,因此不能完全洗涤粒子。此外,由于滤饼层较厚,过滤速度较低,洗净所需的时间较长。

如图5所示,通过循环原料浆液,使得浆液通过RF或CRF进行过滤处理,与此同时,根据滤液的排出量向浆液供给罐中添加适量的洗净水,从而稀释浆液降低溶解盐浓度。溶解的盐透过滤饼层和过滤介质流出系统,其浓度随着洗净水的添加而减少。由于固体粒子处于分散的状态,引起能对浆液进行均匀的洗净。此外,由于过滤速度快,洗净时间也短。
图7示出了含有氯化钠的碳酸钙浆液洗净实例。为降低氯化钠浓度,使用RF所需的时间仅为普通间歇式过滤机所需时间的1/3。

其他洗净实例如下:

洗净实例
应用领域 固体物质 杂质 清洁度
磁性材料 Fe2O3 Cl Cl- 10% → <0.1%
-〃- -〃- H2SO4 pH <1 → 4.5
-〃- -〃- NaOH pH 12.4 → <9
精细陶瓷 ZrO2 Cl Cl- 3.4% → <0.5%
光学材料 SiO2 Cl Cl- 1000ppm → <10ppm
建筑材料 Ca3(PO4)2 NH4Cl pH 9 → 7.6
光触媒 TiO2 NH4Cl Cl- 32g/L → <1g/L
化工产品 Al(OH)3 NH4Cl Cl- 2% → 0.01%
电解箔 Cu HCl pH 0.78 → 4
油漆涂料 颜料 NaCl Cl- 10% → 2%

(2) 浓缩 / 脱水操作

在普通的加压过滤装置中,浆料脱水后,需要拆卸过滤机并取出滤饼。而使用RF装置,过滤的整个过程完全密封。当滤饼积聚到一定程度时,电动机扭矩传感器能检测积聚在过滤室中固体的状态,并且当检测到扭矩超过预设值时,滤饼排出阀将打开并排出滤饼。通过这种自动检测的排出系统,预期水分含量的滤饼被连续排出。
使用CRF以循环方式过滤浆料时,循环罐中浆液的固体浓度逐渐增加,且能够收集液状的浓缩液。RF和CRF在收集滤饼或浓缩液时,由于不需要拆卸过滤装置,因此可实现完全密封式的自动化操作。

浓浓缩 / 脱水实例
应用领域 固体物质 滤饼层浓度
(mass%)
磁性材料 氧化铁・铁氧体 60–70
光触媒, 多层陶瓷电容器 钛相关 40–60
精细陶瓷 陶瓷 30~70
建材,食品添加剂 钙化合物 25–50
矿物质 镁化合物 25–30
磨料,阻燃材料 铝化合物 15–20
涂料 颜料・染料 25–30
核电设备 活性炭 35–40
涂料,涂层材料 树脂类 20–25
二次电池 正极材料 60–70

(3) 纳米粒子的过滤操作

CRF多孔陶瓷板旋转式过滤机能够过滤纳米粒子。而常规使用的滤布过滤方法难以将纳米粒子从浆液中分离出来。
图8示出了氧化钛纳米粒子的过滤实例。
可以看出,用CRF过滤浆液时,过滤板旋转时的过滤速度是过滤板静置时的20倍。并且滤液清澈,说明了纳米粒子被CRF中的超微孔陶瓷过滤板完全过滤。

产品信息

机种 旋转式过滤机
[ RF ]
多孔陶瓷板旋转式过滤机
[ CRF ]
适用粒子 细粒子 超细粒子
分离粒子的粒径 亚微米至 100 μm 纳米到亚微米
功能 洗净,浓缩和脱水 洗净和浓缩
过滤介質 滤布 多孔陶瓷过滤板
过滤速度※1) 200–2000 L/m2hr 20–500 L/m2hr
过滤室的标准材料※2) SUS304 SUS304
应用领域 1.电子零件材料
(例如:多层陶瓷电容器和磁性材料)
2.二次电池材料
3.金属氢氧化物,氧化物
4.颜料
(例如:碳粉和彩色滤光片抗蚀剂)
5.化妆品材料
(例如:碳酸钙和氧化钛)
6.金属回收
7.核电站废水处理
1.功能材料
(无机纳米粒子)
2.去除冷却液中的固体
3.乳胶
4.饮料,食物
(去除葡萄酒,啤酒等中的沉淀物)

*1) 过滤率是每单位过滤面积的滤液排放量
*2)过滤室(接液部分)可以由SUS 304,SUS 316,SUS 316L,钛和聚丙烯(耐酸型)等材料制成,具体取决于浆液的特性。

不同型号信息

■ 旋转式过滤机 (RF)
型号 过滤面积
(m2)
电动机
(kW)
长
(m)
宽
(m)
高
(m)
约重
(kg)
RF-02 0.18 3.7 0.95 0.60 0.95 550
RF-1 1 5.5-7.5 1.50 0.80 1.20 750
RF-2.5 2.5 11-15 1.70 0.90 1.40 1200
RF-5 5 22-30 2.00 1.30 1.60 1700
RF-10 10 37-45 3.20 2.00 1.40 3900
RF-20 20 45-55 3.50 2.30 1.95 5800
RF-30 30 55-90 3.90 2.40 2.10 8000
■ 多孔陶瓷板旋转式过滤机 (CRF)
型号 过滤面积
(m2)
电动机
(kW)
长
(m)
宽
(m)
高
(m)
约重
(kg)
CRF-0 0.03 2.2-3.7 1.0 0.6 1.2 500
CRF-1 1 3.7-5.5 1.5 0.8 1.2 650
CRF-2 2 3.7-5.5 1.5 0.8 1.5 750
CRF-5 5 7.5-11 1.5 0.8 2.2 1200

(参考文献)
1. M. Ikyo, “Introduction of nanoparticle dispersing device developed utilizing experience of filtration and centrifugation and application example,” Filtration and separation symposium 2009, Vol. 101-108 (2009)
2. Y. Tokunaga, M. Inkyo, “Development of super-precision filtering machine Ceramic Rotary Filter (CRF),” Filtration and separation symposium 2009, Vol. 139-142 (2009)
3. Y. Tokunaga, “Application of closed-type automatic continuous pressure filtering machine Rotary Filter,” Filtration and separation symposium 2013, Vol. 52-56 (2013)
4. Y. Tokunaga et al, “Proper method of filter scale-up and success examples,” Chapter 5, 1-6 (2014)

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