【摘 要】本文簡要分析了目前工業生產上廣泛使用的幾種液固分離技術如重力沉降、循環過濾、多級過濾、真空過濾及錯流過濾等在節能減排上的不足，敘述了亞剛性高分子精密微孔過濾技術的突出性能與特點，介紹了該技術在有色冶金生產與選礦上的成功應用。
【關鍵詞】亞剛性精密微孔過濾；濾餅過濾；澄清過濾
一、 當前我國工業生產上的固液分離技術的概況：
現今世界工業生產上出現品種繁多，性能各異的固液分離技術與裝置，國外有的，我國基本上都有。對于容易過濾的物料，即固體顆粒大于10μm，顆粒是剛性，不易變形，無粘性，現有的大多數分離技術與裝置基本都可使用；但對于難過濾物料，即固體顆粒小于10μm，顆粒非剛性，易變形，粘性比較大，現有的大多數分離技術與裝置均難以有效解決，基本上都收率較低，能耗與物耗高，勞動強度大，勞動保護差，環境污染嚴重。
目前，工業生產上液固分離技術與裝置中，真正節能又減排的很少，即使有，其應用范圍也很窄，能廣泛應用的更少。大多既不節能亦不減排。有一些先進的液固分離技術，減排性能很突出，但能耗與成本很高，成為減排不節能，成本又很高的技術。
1、 重力沉降分離：這是最簡易的分離技術。盡管重力沉降技術中已進行相當多改進，如絮凝，斜板（或斜管），濃密機等等，其核心原理仍是重力沉降，雖簡單易行，但小于1μm的微粒幾乎無法分離，即使1～5μm的微粒也很難高效分離。分離效率低是這一古老原始技術的致命弱點，如用于處理量不多的液體，選用沉降桶也許是可供選用的方案，因為成本低；但如用于處理規模很大的液體，建筑大型的占地面積大的沉淀池，其投資成本并不低，再由于分離效率差，該回收沒有回收，不該排放都排放，肯定會大量增加環保成本。
2、 循環過濾：目前絕大部份的液固過濾裝置如板框壓濾機與廂式壓濾機等，都是選用經緯編制的濾布與濾網。如用于過濾大于10μm的微粒，分離效率很高，但用于小于10μm的微粒，分離效果很差，穿漏很嚴重，只能依靠循環過濾，反復循環，有的甚至長達2小時以上，才能使濾液澄清，才達到工藝要求。過濾起動后，如進行1至2分鐘循環，對許多物料是可允許的，這可防止過濾機的濾液出口的管道內可能存在的殘留的微粒對濾液的污染，但長達2小時的循環，這會顯著浪費能耗。如一大型企業，每小時平均濾液量為900m3，過濾壓差為0.2MPa，每天不得已累計循環6小時，其每年要浪費電量達12萬度。
3、 多級過濾：多級過濾一直用于對產品的質量極為嚴格的藥品、飲料、微電子等產品的生產。逐級增加精度的多級過濾就是增加多道嚴密防線，可高效防止個別微粒漏網而影響最終產品質量。現在國內許多企業把這一方法推廣到含固量很多的料漿的液固濾餅過濾。先把物料中粗的與次粗的逐級過濾出去，剩下很少量極細的微粒，最后用一級精度很高的濾材進行分離。許多人都以為這方法既保證濾液質量與澄明度，又可以用最少的過濾面積處理含固量很多的大體積的料漿，幾乎這樣的處理很巧妙。但如用濾餅過濾的理論進行分析，這樣的處理方法往往適得其反，不僅不會減少過濾面積，反增大過濾面積，增大能耗。現用一事例說明該方法不可取。某一粉體，其“平均體積粒徑”為1.5μm，如只用一次過濾，其平均濾速為0.4m/h，如改為二級過濾，第一級將料液中固體過濾了99%，剩下1%另由過濾精度更高的第二級進行過濾，但第二級所過濾的剩余粉體其“平均體積粒徑”減至0.3μm，已非常細，雖然要過濾固體重量只有1%，但其平均濾速只有0.026m/h，而要過濾的液體量卻與第一級的幾乎一樣，要完成第二級的過濾任務，所需的過濾面積比不分級的一次過濾要大15.4倍，能耗與物耗大幅增大。這樣的多級過濾完全得不償失。
4、 真空過濾：真空過濾是工業生產上應用很普遍的過濾方法，尤其連續式過濾，采用加壓過濾很少，絕大多數連續式過濾為真空過濾，因為真空連續機的結構最簡單。對大于10μm的易濾物料，如果不考慮敞口的真空過濾對環境的污染與環境對被過濾的固體產品的污染，絕大多數人喜歡真空連續過濾。但很少有人考慮，真空過濾的能耗比加壓過濾大得多。加壓過濾只需一項能耗，即液固分離，濾餅洗滌與壓干，而真空過濾除了液固分離，濾餅洗滌與壓干這一項外還需另外二項。一項是將盛濾液的真空容器從大氣狀態抽空至真空過濾所需的真空度的能耗，另一項是將與濾液等體積的真空容器內的空氣抽吸并壓縮至稍大于大氣壓并排到大氣中所需的能耗。由于抽真空時氣體壓縮比較大，如果真空過濾時的真空度為0.007MPa，其壓縮比要達15，這樣大的壓縮比所消耗的功率必然較大。一般第一項能耗只占真空過濾總能耗的1/4左右，另二項能耗約占3/4。如果全國的真空過濾的每年能耗為10億度電，其中只有2.5億度為有效能耗，另外7.5億度電為無效能耗。這就是真空過濾比加壓過濾的能耗大得多的原因。
5、 錯流過濾：錯流過濾目前在國內外的應用已愈來愈多。該方法原來大量用于無固體顆粒的超濾，納濾與反滲透等均相分離。現在許多人將其擴大到固體顆粒非常細的非均相物料的增稠過濾。極細顆粒組成的濾餅層的比阻非常大，進行濾餅過濾時，其過濾的平均濾速非常慢。如要提高濾速，唯一的辦法是過濾時應無濾餅層，于是均相分離時防止濃差極化的錯流方法被借用到過濾極細微粒的非均相過濾。錯流方法是在濾材表面產生高速料漿流動，能及時將已形成的濾餅層沖刷掉，減少了濾餅層厚度，也就減少了過濾阻力，增加了濾速，因而減少了能耗，但料漿的高速流動又明顯增加能耗。由于料漿中固體顆粒有一定濃度，兩濾材之間的空隙不可能非常小，以致料漿高速流動的能耗相當高。特舉一例：一臺過濾面積為50m2的陶瓷膜管式過濾器，每小時過濾濾液量為50m3，過濾壓差為0.1MPa，其過濾本身能耗只有1.7kw。由于采用錯流過濾，其保持錯流的循環能耗卻非常大。錯流過濾的循環電耗超出過濾本身電耗20倍以上。陶瓷膜是一種過濾效率極高的最新型過濾技術，其減排效果極為優越，但用錯流方法其能耗實在太大。
二、 高效長效的亞剛性高分子精密微孔過濾技術的特點：
為了解決小于10μm的微米與亞微米級超細微粒的液固過濾，作者于四十三年前開始進行這一難題的技術開發，研發出當時國內外還沒有，至今國外還沒有的亞剛性高分子精密微孔過濾技術，該技術推廣應用也已三十多年。現在該技術的硬件與軟件已相當成熟，綜合性能相當突出，應用領域相當廣泛，經濟效益與社會效益相當明顯。
1、 突出性能：這是三高，一低，二方便（高過濾精度，高過濾效率，高壽命；低成本，卸除干濾餅方便，濾材再生方便）的技術。
⑴ 高過濾精度與高過濾效率：對于一般溶液類液體，可100%濾住的最小顆粒徑為0.3μm；對于不同粒度的混合粉體如其“個數d10”為45～200納米，（即按顆粒個數計數，有10%顆粒的粒徑不超過45～200納米）。“體積d10”為0.6～1μm（即按重量或體積計，有10%的顆粒小于0.6～1μm），這些超細混合粉體也幾乎100%濾住。對絕大多物料，一次過濾就可使濾液清徹透明，不需長時間循環過濾。
⑵ 過濾機與濾材的壽命長：只要不是強氧化劑，溫度不超過100℃，在其他任何條件下，濾材的壽命都超過2～6年（一般濾布的壽命不超過三個月），有的已超過十年；過濾機的壽命更長，鋼制過濾機都可用十五年，不銹鋼的都超過三十年。
⑶ 低成本：由于壽命長，性價比相當高，占地面積小，動力消耗省（過濾壓差不超過0.2～0.25MPa），操作又較簡單，無繁重體力勞動，能耗、物耗、人工費及維護費低，因而總成本相當低。
⑷ 操作簡便：濾材為亞剛性，抗拉強度不低，對于管式濾材，可用0.6MPa的壓縮氣體進行沖擊式反吹，可將較干的濾餅從亞剛性過濾管外表面快速吹脫，又可將堵在微孔管的毛細孔內的堵塞微粒強制反吹出來，達到高效，快速與簡便的卸除干濾餅與再生目的。對于其他大多數過濾裝置，遇到難濾的超細微粒，都無法解決高效快速卸除干濾餅與濾材高效再生這兩大難題。
2、 其他特點：
⑴ 既可用于含固量多的需得到干濾餅的高效精密濾餅過濾，也可用于含固量很少的，但處理量很大的液體精密澄清過濾。
⑵ 除了98%以上的濃硫酸與40%的濃硝酸等強氧化劑，可耐各種不超過100℃的有機酸、無機酸、各種堿與鹽，溫度不超過90℃的絕大多數有機溶劑。
⑶ 所有精密微孔過濾機均是密閉過濾，氣味不外逸，外來塵埃不污染過濾物料；
⑷ 對于含固量多的精密濾餅過濾，均可在機內進行密閉高效洗滌，洗滌液消耗很省，又可在機內進行濾餅壓干，使含水率相當低。所有濾餅過濾機均配有氣動的大直徑排干濾餅的底蓋。用氣缸打開底蓋后，采用0.6MPa壓縮空氣可將大體積干濾餅快速自動卸下。這些過濾機均可機械化與自動化操作，不需繁重體力勞動。
三、 高效長效的亞剛性高分子精密微孔過濾技術在冶金化工生產上的應用：
經過十年的理論研究，基礎研究與應用研究，于1975年開始在國內工業生產逐步進行推廣應用，同時，根據應用中反饋的問題將該技術向深度與廣度繼續研發。三十多年來，已在國內幾千多家企業成功應用，應用規模最大的一個企業內僅一種料液每小時過濾濾液量達400多m3，有的一個企業內，大型過濾機的臺數達40臺。
1、 早期的成功應用：1975年開始，除了在制藥與化工等進行推廣外，還專門進行有色金屬行業的推廣。
⑴ 超細金屬鹽粉體的過濾、洗滌與壓干：
1975年首先成功用于上海躍龍化工廠的氫氧化鉭與氫氧化鈮超細粉體的過濾、洗滌與壓干。一臺過濾面積為10m2的新型精密微孔過濾機取代原來落后的“三足式離心機+攪拌打漿罐”工藝，每批處理90kg超細干粉體，代替了老工藝的4臺SS-800離心機，二臺800升的攪拌打漿罐，二臺W-7離心泵，二臺φ1.2米真空吸濾盤，6只1000升的沉淀桶。氫氧化鉭與氫氧化鈮很細，0.5～2μm占90%以上，需氨水洗滌粉體中的氟離子。采用新過濾技術后呈現以下幾大優越性：
a. 完全解決超細粉體在過濾過程中大量穿漏這一致命傷（原工藝雖有沉淀桶與真空吸濾盤等回收裝置，由于受外來塵埃等污染，回收的粉體只能重新加工或作次品處理）；
b. 原來工藝，需四次洗滌，固體濾餅在攪拌打漿罐與離心機之間來回四次，不僅麻煩勞累，產品還易受外界污染，現在新工藝的過濾洗滌與壓干均在一臺過濾機內，完全密閉操作，直至出料，不需反復來回倒騰；
c. 該產品需用氨水洗滌，老工藝全是敞口操作，車間氨氣彌漫，嚴重影響工人健康，生產環境極為惡劣，現完全密閉，澈底解決了勞動保護問題；
d. 老工藝設備多，占地面積大，新技術的設備少，節省廠房面積60%，每年節電12.2萬kw。
上海躍龍化工廠的超細粉體的過濾、洗滌與壓干操作成功應用三年后，該應用技術推廣到上海感光膠片廠，成功用于硫酸鋇的超細粉體的過濾與洗滌。硫酸鋇更細，小于0.5～0.6μm的微粒的重量超過60%。該廠每天需生產1500kg硫酸鋇漿，原工藝采用二臺20m2的板框壓濾機進行過濾與機內洗滌（洗去硫酸鋇中的氯離子）。每天三班24小時生產，才能滿足生產需要。經采用二臺與上海躍龍化工廠同樣結構的10m2高分子精密微孔過濾機取代二臺20m2的板框壓濾機后，立即產生以下明顯效益：
a. 原板框壓濾機過濾與洗滌時，濾液渾如牛奶，大量細硫酸鋇穿漏，每年損失60多噸；采用新的精密微孔過濾機后，一開始過濾，濾液就清如水，每年不再損失；
b. 板框壓濾機的洗滌效果很差，時間長，洗滌水用量大，二臺20m2的板框壓濾機三班24小時生產，還滿足不了生產要求；新的精密微孔過濾機的洗滌效果好，時間短，兩臺10m2的過濾機，只需二班16小時生產，產量就滿足要求。此兩臺微孔精密過濾機由于洗滌效率提高，產量增加33%，每年節省無離子水7250噸；
c. 新的過濾機完全機械化操作，不需板框壓濾機那樣繁重體力勞動，節省勞動力5人，勞動生產率提高50%。
上海躍龍化工廠連續應用十年，直到該產品無原料來源才停產；上海感光膠片廠從1979年連續應用整整二十年，直至工廠轉產才停止使用。可見這種新的微孔精密過濾機不僅性能優越，而且非常穩定，可以連續應用十年至二十年。
⑵含超細微粒的液體溶液的大規模精密澄清過濾：
1975年，上海某一重點大學開發一項“中性水溶液電解法清除鋼板鐵銹”的新技術，以取代嚴重污染環境的“鹽酸法鋼板除鐵銹”的傳統技術。新技術遇到一大瓶頸是電解液中氫氧化鐵超細微粒的濃度不斷增加，使電壓不斷上升，因而電耗亦不斷增加。氫氧化鐵都小于0.5μm，接近膠體，用其他方法很難高效、方便又較經濟地去除。經采用我們的微孔精密過濾機就相當迅速的解決了這一問題。當時專門設計了一臺過濾面積為30m2精密微孔過濾機，首先在上海第四冷軋廠成功應用，每小時過濾溶液量可達4～5米3,過濾后溶液清徹透明。該技術又推廣到上海第十鋼鐵廠，應用規模比第四冷軋廠大幾倍。后由于上海市區改造與企業調整等原因，該應用沒有繼續。
⑶重金屬廢水的精密微孔過濾：
上世紀七十年后期至八十年代，我國開始重視廢水治理，首先重點解決重金屬廢水。國內外治理此類廢水最早采用吸附法（從活性炭吸咐到離子交換），至七十年代中期，吸咐法逐漸讓位于化學沉淀法。我國的化學沉淀法基本上采用氫氧化鈉中和法，因為成本最低，但卻遇到過濾難題，因為中和后形成的各種重金屬氫氧化物沉淀都是又細又很粘的微粒，分離極為困難，如沉降，石英砂過濾，板框壓濾機過濾等，由于分離效率低，細顆粒難以完全截留住，以致廢水很難達到國家規定的排放標準。1976年，上海江南造船廠在“電鍍液循環凈化過濾”與“電鍍廢水化學中和法處理”二個項目中都采用高分子精密微孔過濾機。在電鍍廢水處理這一項目中又有“含鉻廢水”與“含鋅廢水”兩種。1979年，“電鍍液循環凈化過濾”與“含鉻廢水中和法處理”二項目都通過鑒定。從此以后，此兩應用項目開始在國內推廣。尤其電鍍廢水處理，由于過濾效率高，無論鉻、銅、鎳、鋅、鉛、鎘等重金屬離子廢水經化學中和后，通過高分子精密微孔過濾機，流出的都是清徹如自來水的濾液，水中的有害的重金屬離子殘留濃度遠低于國家規定值。如銅、鎳等離子，國家規定為1mg/L，只要化學處理合格，經本過濾技術過濾，一般水中的這些離子濃度均不超過0.1mg/L。不僅過濾效率高，而且操作簡便，占地面積小，動力消耗省。從本過濾機上部流出的是合格的排放清水，從本過濾機底部定期排出較干的重金屬氫氧化物濾餅（濾餅可繼續處理，提取其中重金屬，因為這些濾餅中重金屬的濃度都很高）。該處理技術在國內獲得廣泛推廣，當時，在上海就有六十多家電鍍，無線電與金屬制品等行業中的中型以上工廠選用近200多臺精密微孔過濾機過濾重金屬廢水。在國內其他地區，也在大規模推廣。如廣東中山小欖鎮，一港資線路版廠，每臺為100m2的大型精密微孔過濾機有四十多臺，從上世紀九十年代初一直用到現在，每天處理含銅與含氟水近一萬噸。電鍍廢水處理的第一家用戶——上海江南造船廠從1976年一直用到現在，已連續應用33年。可見精密微孔過濾技術既高效長效，又很可靠穩定。
2、 最近十多年的成功應用：
上世紀八十年代末至九十年代末，本技術向國內基本化工，精細化工，生物化工，制藥化工與食品化工等行業進行全面推廣。無論含固量多的超細粉體的精密濾餅過濾（如超細粉末活性炭，超細固體催化劑與超細結晶體等），或含固量少的但液體量較大的液體精密澄清過濾（如氯堿生產飽和鹽水的精密澄清過濾，化纖生產的硫酸凝固酸浴精密澄清過濾，食用油的精密過濾，許多化工生產的原料液，中間液及成品液的精密澄清過濾等，制備食品級磷酸與磷酸鹽，就有多道中間液過濾與成品液過濾），都已大規模推廣應用。如超細粉末活性炭過濾，超細催化劑過濾，飽和鹽水過濾，硫酸凝固酸浴過濾等。至二十一世紀初，本技術又向有色金屬生產開始大規模推廣應用。
⑴ 超細金屬粉末的精密濾餅過濾、洗滌與壓干：
已成功應用的有白鎢細粉體，氫氧化鋯超細粉體，球形氫氧化亞鎳超細粉體，氫氧化鈦超細粉體，氫氧化鋁超細粉體，碳酸鎳超細粉體，草酸鎳超細粉體，草酸鈷超細粉體，超細銀粉，超細鈦酸鉀晶須等超細金屬粉體的精密微孔過濾、洗滌與壓干。上述應用均是工業規模，每天處理的粉體都在1噸以上，有的每天有幾噸。上述的超細粉體的精密微孔過濾機的結構比二十多年前早期的過濾機結構有很大改進。按照超細粉體的特性不同，有幾種不同的內部結構與不同的濾餅洗滌方法。這些不同結構都已獲得國家專利，有的已連續應用六年以上。
⑵ 金屬鹽溶液的精密澄清過濾：
已大規模地成功應用于硫酸鎳、硫酸銅、氯化鎳與氯化鈷等有色金屬生產上的金屬鹽溶液的精密澄清過濾。對一些液體量很大，被過濾的顆粒既細又粘的物料，我們研發的精密微孔澄清過濾機的過濾面積均相當大，并采用自動薄層過濾技術，既保持過濾能力較大，又投資成本相對較低。如在我國一個鎳鈷生產基地，每臺過濾面積為150m2的PGRF-150C的精密微孔過濾機有16臺，每臺過濾面積為300m2的PGRF-300B的精密微孔過濾機有二臺。這些全自控的大型精密微孔過濾機都已長期應用，濾液非常清，過濾機內的高分子微孔管可用壓縮空氣與純水定時進行反吹清洗，定期進行密閉化學再生，可使其完全恢復過濾性能。這些精密澄清過濾機與使用濾布的板框壓濾機或管式過濾機相比，濾液質量高，精密微孔過濾機一開機，就不需長期循環。有色金屬生產上難濾物料主要是微米級與亞微米級，而不是納米級，對這類物料本過濾技術相當適合。
⑶ 在有色金屬的選礦生產上的應用：
由于有色金屬礦資源日益貧乏，礦石中有用礦物的結晶粒度變細，傳統的精礦粉分離濃縮的濃密機很難完全回收極細的精礦微粒。現在國內許多有色金屬選礦廠都已建成濃密機，以致每天有大量有色精礦微粒被排到江湖中，貴重的資源成為危害環境，最后損害人畜的污染源。為了提高現有濃密機的回收率，我們與國內有關企業合作，將濃密機的溢流液直接泵送至高分子精密微孔過濾機進行回收凈化過濾。已在鎳精礦、銅精礦與錫精礦等生產上進行長期試驗，都取得明顯效果。于2008年，云南錫業集團特地安裝了二臺每臺過濾面積為35m2的PGF-35C精密微孔過濾機，用于銅精礦濃密機溢流液的回收凈化過濾。至今已連續運行近兩年，每天24小時連續運行，每天過濾液體約800m3，過濾前溢流液中銅精礦的濃度約250～300mg/L，過濾后液體中測不出銅精礦粉體微粒。每四天從二臺過濾機底部排一次銅精礦的濾餅，可得約1m3銅精礦粉，干度為75%。可見采用高分子精密微孔過濾機用于現有濃密機的溢流復濾，可回收很細的精礦粉，還可使溢流液全部回用，具有顯著經濟效益。即使過濾后的液體排放，也是清徹透明的清水，不會污染環境，也有顯著的社會效益。
四、 結束語
亞剛性的高分子精密微孔過濾技術是有自主知識產權的完全自主創新的新型液固過濾技術，具有高效、長效與低成本的特點，只要溫度不超過100℃，不是強氧化劑，在工業生產上均可選用，都可在節能減排方面產生顯著效果。在有色冶金生產，已在不少企業獲得成功應用。
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