金属与金属化合物超细粉体的微孔过滤

宋显洪宋志黎

（上海东瓯微孔过滤研究所)

金属与金属化合物超细粉体的微孔过滤

宋显洪*宋志黎

（上海东瓯微孔过滤研究所)

叙述了金属与金属化合物超细粉体与液体过滤中的若干问题，主要介绍了有关过滤精度、滤速等计算方法，最后简单介绍了可用于过滤和洗涤的两种高分子精密微孔过滤机。

超细粉体精密滤饼过滤过滤精度粒径过滤介质过滤机

0 前言

超细金属粉体的制备、改性、纯化等工艺过程中，往往要对粉体进行液体过滤与洗涤，此时过滤技术与装置的性能优劣，对产品质量、收率、成本等有重大影响。

超细粉体的过滤与洗涤属于滤饼过滤。粉体粒度小于10 μm，尤其是小于5 μm的物料，属于难滤物料。过滤小于5 μm的微粒时，过滤效率低、穿滤严重是普遍存在的难题。带有大量穿滤微粒的滤液如直接排放，不仅浪费资源（穿滤的是最细的微粒，往往也是粉体中最贵重的一部分），而且还对环境造成严重污染。如采用长时间的回流过滤或者再串联一个过滤精度更高的过滤机，虽可回收一部分微粒，甚至可回收绝大部分微粒，但能源消耗大幅增加，设备投资成本也将明显升高。

笔者从提高收率、节约资源与节省能源要求出发，简单叙述超细粉体过滤中的一些基本规律。

1 超细粉体的外在特性

要解决超细粉体过滤与洗涤中的难题，必须首先了解有关粉体的外在特性。

（1）粉体的来源。粉体主要由天然产物经粉碎获得或人工化学制备获得，或以天然产物的半成品经化学反应制得。

（2）粉体颗粒的内孔隙。粉体颗粒内有无内孔隙，可通过测定比表面积来确定。

（3）亲水性。粉体颗粒是亲水性的或憎水性的，目测可定性了解，通过接触角测定可定量了解。

（4）粉体颗粒的形状。通过超倍显微镜观察可了解粉体的形状（球形、片形、针形或无定形）。有条件时可测定其表面积与体积，并计算出各种形状系数。

（5）粉体的粒度分布。所有的超细粉体均是颗粒多分散体系，即使经过分级效率很高的分级处理，也仍是多分散体系，只是粒度分布宽度比分级前缩小。粉体粒度分布是粉体外在特性中最重要的参数。粉体粒度分布的测定技术有多种，对亚微米级为主的超细粉体，激光光散射法是最常用的测量技术，它能快速给出其以体积、表面积、直径及个数等为基准的粒度分布数据。对同一粉体，上述四种不同基准的分布参数相差很大。

现举一例来说明。将1 000颗0.2 μm的粉体与1颗2 μm的粉粒混在一起，1 000颗0.2 μm粉体有效体积（非堆积体积）与1颗2 μm粉粒体积相等，若以体积为基准确定分布参数，两者各为50%，而以质量为基准的粒度分布，0.2 μm与2 μm的也各为50%；若以表面积为基准，0.2 μm的表面积占90.9%，2 μm的表面积占9.09%；若以个数为基准，0.2 μm的个数占99.9%，而2 μm的个数只占0.1%。

相差很大的三种不同基准的粒度分布值，可用于不同场合。从以体积为基准的分布参数可整体上了解该粉体中不同粒度的质量比例；从以表面积为基准的分布参数可了解该粉体的基本价值，因为制备超细粉体的目的是利用粉体超细后所产生的表面特性，粉体愈细，其表面积就愈大，它比以体积为基准的分布参数更能体现该粉体的外在品质。对从事超细粉体气固与液固过滤以及粉体洗涤的有关人员来说，必须充分了解以个数为基准的粒度分布数据。如果过滤与洗涤过程中不能将最细颗粒全部滤住，虽然从质量上，亦即从体积上仍有很高收率，如过滤效率为98%，只损失2%，但穿滤的颗粒数的比例却非常大，粉体的表面积损失比例也就很大，因而粉体的附加值损失就远远超过2%，这样就会造成资源与能源的极大浪费。

欲将最细粒度的粉体几乎全部滤住，技术难度非常高，过滤装置的投资费与操作成本也将明显增加。既要高效率地滤住最细粉体，又能节约投资与操作成本，这是粉体过滤技术工作者必须解决的一项难题。

2 确保过滤精度

所谓过滤精度是指能被全部滤住的最小的颗粒大小。超细粉体是多分散体混合体，应分析粉体的体积分布、表面积分布及个数分布等几种不同分布值，以资源与能源最佳利用为原则选定该粉体的过滤精度。

笔者认为，超细粉体液体过滤的过滤精度ds与许多因素有关，既与过滤介质的平均毛细孔径dm有关，也与过滤介质的厚度△s、液体通过过滤介质毛细孔的平均线速度、滤液的黏度μ、被过滤固体颗粒与过滤介质界面相互的作用等因素有关。

国外某些学者提出，ds仅与过滤介质的平均孔径dm有关，并从球形镍粉与蒙乃尔烧结多孔介质的过滤中归纳出式（1）：

式中K——系数，对不同粉体K为1/3～1/8。

笔者于20多年前根据实验数据和理论分析，对以亚微米微粒为主的固体颗粒的过滤提出式（2）所示的计算公式：

式中ds——过滤精度，μm；

dm——过滤介质平均孔径，μm；

ε——过滤介质的平均孔隙率；

△s——过滤介质的厚度，mm；

μ——滤液的黏度，Pa·s;

A、B——与粉体颗粒和过滤介质界面相互作用有关的系数。

式（2）中的A、B通过若干次实验即可测得。

由式（2）可见，过滤精度与过滤介质的平均孔径的一次方成正比。对同一孔径的滤材，过滤精度与滤液黏度μ、滤液的平均线速度w及过滤介质的厚度△s等有关。由式（2）可知，通过调整dm、△s与能确保过滤精度ds。

为了确保所选定的ds，超细粉体过滤的方法有两种：一种是过滤操作一启动，就要使所需精度的粉体不穿滤，过滤过程依靠滤材表面的毛细孔来截留；另一种是过滤操作启动后，首先大量最细颗粒穿滤，滤材表面只截留最粗的粉体，然后利用该粉体滤饼的平均毛细孔径继续过滤粒径更细的粉体。这样，滤液不断地循环，滤饼表面连续地形成毛细孔径愈来愈小的滤饼层，直至最后达到所需的过滤精度，才停止滤液循环。

第一种方法是理想方法，但对粒径很小的超细粉体，该方法技术难度相当大。第二种方法会造成过滤能耗大量增加，适用于粉体特别细、没有其他技术可有效解决的情况。如果循环量不超过总处理量的5%，第二种方法通常可采用。

笔者研究了几种超细粉体的过滤与洗涤，这些粉体按个数分布的粒度非常细，但只要各种参数选择好，均可做到一次将滤液滤清，不穿滤。表1给出7种金属和金属化合物超细粉体的粒度分布(按体积分布与按个数分布）及平均孔径的测定值，表2给出这些粉体等压滤饼过滤的基本参数测定值，即粉体不穿滤的滤饼层厚度、不同压差下的平均比阻及滤饼层的平均含水率。

表1 超细金属与金属化合物粉体颗粒的粒度分布与平均粒径

3 超细粉体液体过滤的其他计算

3.1 滤饼层平均比阻α及其与过滤压差△P的关系

在确保过滤精度基础上，测定滤饼层的平均比阻α与过滤压差△P之间的关系，并归纳出α与△P之间的数学模型。有下述两种数学模型：

式中△P——过滤压差，MPa；

α——滤饼的平均体积比阻，1/m2；

α0、λ、s——与物料中固体颗粒粒度等因素有关的系数。

对于超细粉体形成的滤饼，式（3）比式（4）更适合。因为超细滤饼层本身毛细效应大，同时过滤形成的滤饼层在沿滤液流动方向上，滤饼层毛细孔径或孔隙率不均匀，即使过滤压差△P为0，毛细力也会对滤液产生阻力或推动力，故式（3）比式（4）更适用。

表3给出7种超细金属与金属化合物的粉体滤饼的平均比阻α与过滤压差△P之间的关系式。

表2 超细金属与金属化合物粉体的平均比阻测定值

3.2 最佳过滤压差

对不可压缩滤饼，不存在最佳过滤压差。对大部分粉体物料，都或多或少存在可压缩性，因此都有一个最佳过滤压差。可根据式（3）计算最佳过滤压差△PJ：

式中Rm——过滤介质阻力，1/m；

△s——滤饼层厚度，m。

表3 超细金属与金属化合物的α与ΔP的关系式

式（5）中的Rm不是原始阻力，而是达到△s厚度时的阻力。在过滤过程中，超细粉体中最细微粒会在滤饼层中迁移，部分微粒会堵在过滤介质的毛细孔内，导致Rm不断增加，随着过滤过程的进行，△s也不断增加。对不同物料，Rm与△s增加速率不一样，因此不可能是常数。△s与过滤时间t的关系，本文后面将作介绍。Rm与t的关系按以下诸式计算：

式中t——累计过滤时间，s;

F——过滤面积，m2；

Rm0——过滤介质的原始阻力，1/m；

g——重力加速度，m/s2；

c——滤饼的体积浓度。

3.3 平均滤速、总过滤时间及滤饼层厚度计算

确定最佳过滤压差△PJ、平均滤速、过滤时间t和滤饼层厚度△s，可按以下各式分别计算：

△s——滤饼层厚度，m。

3.4 粉体滤饼的洗涤

可在过滤机内对粉体滤饼进行密闭洗涤。可以静止洗涤，也可以翻动洗涤，或搅拌洗涤。静止洗涤的装置简单，但可能会出现局部短路，洗涤不均匀，洗涤效率不高，洗涤液量大。搅拌洗涤、翻动洗涤的特点与静止洗涤相反，装置或操作复杂，但洗涤均匀，洗涤效率高，洗涤液量小。究竟选择何种洗涤方式，应根据具体粉体的性能特点而定。

静止洗涤时洗涤液用量，翻动洗涤或搅拌洗涤的洗涤次数和每次洗涤液用量，都只能通过试验大致确定。静止洗涤时洗涤液滤速及翻动洗涤、搅拌洗涤后的洗涤液过滤速度其规律与滤饼过滤的规律基本相同，可参照滤饼过滤的规律进行计算，但必须考虑洗涤液本身不含固体颗粒这一特殊性。

4 用于超细粉体过滤与洗涤的精密微孔过滤机

最近5年，温州市东瓯微孔过滤有限公司成功开发了两种专利产品PGP型与PGX型高分子精密微孔过滤机，专门用于超细粉体的过滤与洗涤。

东瓯微滤长期从事新型高分子精密微孔过滤技术研发、生产与推广应用。所研发与生产的刚性分子精密微孔过滤介质（过滤管、过滤板或其他形状过滤介质），具有过滤精度特别高（可过滤混合粉体中0.1～0.2 μm微粉），滤液非常清澈透明，不会像一般滤网、滤布等滤材需长时间循环过滤，因而可大量节约能源。可采用简易气体反吹法快速卸除干度较干的滤饼，避免繁重的体力劳动；可用简便的“气-水反吹法”对微孔过滤介质进行简单的反冲洗再生，再生效率很高，可使微孔过滤介质长时间使用。微孔过滤介质耐酸（除98%以上硫酸和40%以上硝酸外）碱、盐及大部分有机溶剂。除了这些特点外，东瓯微滤所生产的精密微孔过滤机结构比较简单，操作机械化程度比较高，过滤机中与物料接触的部件可采用不锈钢、碳钢或碳钢内衬5 mm厚的防腐材料，可用于各种化学物料。

早在20多年前，高分子精密微孔过滤技术已成功用于亚微米级的超细硫酸钡、氢氧化钽、氢氧化铌的过滤与洗涤。15年前，东瓯微滤公司的精密过滤机已成功用于氢氧化铝、铝硅酸镁催化剂、氢氧化铁、磁粉等超细粉体的过滤与洗涤。

PGP型精密微孔过滤机可用于超细粉体的过滤与静止洗涤和翻动洗涤，最大过滤面积为60 m2。PGX型精密微孔过滤机的机体内部装有搅拌桨，可用于超细粉体的过滤与机内搅拌洗涤。这两种型号过滤机已成功用于超细氢氧化亚镍、氢氧化钛、超细硅胶、超细锌粉及一些超细晶体的过滤与洗涤。目前正在开发推广用于无机粉体、金属盐类粉体及金属粉体等超细粉体的过滤与洗涤。如钛酸钾晶须等的过滤与洗涤，已成功应用三年多。

[1] 宋显洪.过滤机用多孔聚乙烯烧结过滤管的性能研究[J].化工机械，1984（4）：3-11.

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Micro-filtration of Ultrafine Powders of Metal and Metal Compound

Song Xianhong Song Zhili

This paper described several issues in microporous filtration of liquid and ultrafine powders of metal and metal compound,and primarily introduced the calculating method of filtration accuracy and filtering rate.Finally it simply introduced two kinds of polymer microporous precise filters for filtering and washing.

Ultrafine powder;Precise cake filtration;Filtration accuracy;Partide size;Filter media;Filter

TQ 028

*宋显洪，男，1938年生，教授。上海市，200060。

2011-11-22）