羅安平 都麗紅 吳 芳 朱企新 魯淑群

（1.安徽瑞祥安全環(huán)保咨詢有限公司；2.上?；ぱ芯吭?；3.天津大學化工學院）

為落實新發(fā)展理念、加快推進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，倡導綠色、環(huán)保、低碳、循環(huán)且可持續(xù)的生產(chǎn)（活）方式，加大生態(tài)環(huán)境保護治理力度，是可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是我國發(fā)展面臨的新形勢。 早在20 世紀90 年代，全國就提倡“預(yù)防為主，防治結(jié)合”和“采用無廢少廢工藝”，但污染防治工作主要還是依靠“末端治理”，即三廢處理。前幾年開展清潔生產(chǎn)審核的主要包括化工、石化、電子信息及鋼鐵等重點行業(yè)，僅占全國工業(yè)總量的3.25%， 而其中大部分行業(yè)僅有5%的企業(yè)在進行清潔生產(chǎn)審核工作［1］。 “末端治理”需要追加治理的投資費用，而且不能回收未反應(yīng)的原料和廢物中的有用成分， 致使原材料消耗大，產(chǎn)品成本高，污染治理效果有限，難以實現(xiàn)徹底消除污染的目的。 只有大力開展清潔生產(chǎn)，將“預(yù)防為主”作為主要工作之一，輔以“防治結(jié)合”，才能從根本上解決污染問題［1］。因此，需要研究清潔生產(chǎn)新工藝、開發(fā)預(yù)防污染新途徑、防止生產(chǎn)過程中產(chǎn)生污染或盡可能消除污染物，以確保生產(chǎn)過程綠色、環(huán)保。

過濾與分離是潔凈能源、三廢治理、水的再生和循環(huán)利用中不可或缺的科學技術(shù)，特別在環(huán)境治理方面，如氣體凈化、粉塵防爆和污水處理工藝中也起著舉足輕重的作用［2］。 該技術(shù)也是清潔生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其分離效率的高低和運行模式的好壞，直接與現(xiàn)代化工業(yè)分離、凈化、純化、回收等工序的能耗、物耗及污染等問題相關(guān)。 新的過濾分離技術(shù)逐漸向高效率和高精度的方向發(fā)展， 這將使過濾技術(shù)裝備在節(jié)能減排、開發(fā)綠色資源及循環(huán)利用資源等方面大有作為。

1 優(yōu)質(zhì)機制砂的清潔生產(chǎn)

1.1 機制砂的發(fā)展與現(xiàn)狀

近年來， 建筑市場的砂石需求量迅速增多，開采量不斷加大，天然砂資源正逐年減少，部分地區(qū)天然砂資源已枯竭，加之建設(shè)工程單位對砂石質(zhì)量也提出了新的要求。 隨著天然砂開采量的增加， 能滿足質(zhì)量要求的天然砂也越來越少，普遍存在含泥量高、性能不穩(wěn)定等問題，機制砂就成了建筑用砂的首選。 調(diào)查表明：機制砂成本比天然砂低約50%；將優(yōu)質(zhì)機制砂應(yīng)用于各種混凝土的制備，綜合成本可下降30%～50%。 國外某些工業(yè)發(fā)達國家采用機制砂已有幾十年的歷史，如日本早在20 世紀80 年代，混凝土配制機制砂所占比例就高達80%，德國、英國機制砂產(chǎn)業(yè)也相當發(fā)達［3］。

機制砂（又稱人工砂）以巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣作為原料。 與天然砂相比，機制砂性能更優(yōu)越：其原料多為巖石或礦物，表面能高、親水性好、品質(zhì)優(yōu)且砂粒潔凈；現(xiàn)代化機械生產(chǎn)方式，確保了機制砂質(zhì)量的穩(wěn)定，砂石粒形好，粒度大小級配合理、可調(diào)，能滿足不同需求。 在采礦過程中產(chǎn)生的大量尾礦，一般多達約20%～80%，我國目前堆積有上百億噸的尾礦，不僅占用土地、污染環(huán)境，還易埋下隱患，造成重大事故［4］。

1.2 機制砂生產(chǎn)及其后處理過程存在的問題

機制砂生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 機制砂生產(chǎn)工藝流程框圖

目前，制砂廠工藝流程及其設(shè)備選型大多較落后，投資高、耗時長且分離效率低，污染防治工作主要還是依靠“末端治理”。 機制砂生產(chǎn)過程中的砂石破碎和清洗工序均需消耗大量水資源，下游會排出大量的含泥污水，高固含量的污水不經(jīng)任何處理直接排入河道中，導致河床抬高，淤泥量增多，嚴重破壞河道湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡。 由于機制砂污水量大，污水中固含量高、顆粒粒度分布范圍大，污水處理有一定難度，必須進行預(yù)處理。 據(jù)調(diào)查，預(yù)處理中化學助濾劑的選擇、添加量和添加方式方法都不盡合理，為后續(xù)過濾和濾餅含濕量的降低增大了難度［3～5］。 如何正確選型、優(yōu)化操作，實現(xiàn)過程的高效、節(jié)能，確保濾餅更干、濾液更清，對于污泥的進一步干化至關(guān)重要。

1.3 機制砂的清潔生產(chǎn)方法與優(yōu)質(zhì)化的思考

機制砂的清潔生產(chǎn)對液固、氣固物系分離技術(shù)有新的要求：采用無毒、無害的原料和輔料，避免造成環(huán)境污染；確保過程節(jié)能降耗、綠色高效；采用集成工藝解決生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物 （水）問題，并進行有效的回收或綜合利用。

機制砂產(chǎn)品質(zhì)量主要受破碎機、 篩分機、洗砂機和旋流器分離效率的影響。 若要得到的機制砂粒形較好，配料粒度大小合適，正確選擇和合理配置粗碎、細碎與振動篩是關(guān)鍵。 另外，還需通過洗砂機水洗去除砂石中的雜質(zhì)和泥粉，減少含泥量，才能確保機制砂的品質(zhì)。

1.4 污泥脫水強化過濾技術(shù)的探討

針對機制砂生產(chǎn)污水中泥粉多、 固體顆粒小、處理量大且難度高的現(xiàn)狀，考慮采用科學的預(yù)處理技術(shù)，便于后續(xù)污水處理與回收。 分析機制砂污水中固體顆粒的物性特征，以便選用高效的預(yù)處理方法。 另外，污泥脫水強化過濾中還需重視殘留凝聚劑和絮凝劑的影響。

無機金屬鹽類凝聚劑添加量一般可達泥漿中固含量的30%～40%以上， 絕大部分凝聚劑皆沉淀在泥餅中，雖然鋁鹽、鐵鹽不具有生物劇毒性，但市場上供應(yīng)的凝聚劑通常是廉價工業(yè)的副產(chǎn)品，常夾雜諸如各類重金屬（如鉻）不純物，使得后續(xù)處理困難。 此外，澄清操作后也會有部分凝聚劑殘留于澄清液中，澄清液排放后對飲用者的健康形成威脅。

雖然高分子絮凝劑在污泥處理中的添加比例非常少，但經(jīng)過脫水后濾餅中所殘留的比例可能會增加到1%～5%以上（圖2），殘留絮凝劑會對后續(xù)處理過程（棄置、焚燒及堆肥等）造成不良影響。 一般情況下，陽離子高分子在生物降解時其產(chǎn)物具有較大的毒性，目前還無法確定有機合成的高分子絮凝劑對人體和環(huán)境的長遠影響［6］。

圖2 高分子絮凝劑在泥餅中殘留比例示意圖

1.5 高效節(jié)能壓榨技術(shù)的應(yīng)用

一種能耗低、 脫液效果好的壓榨過濾方法，其能耗只有熱力脫液（干燥）的1/20 左右，經(jīng)機械隔膜壓榨后，濾餅濕含量可降低，如果壓榨過濾后濾餅含水量降低3%（即由30%下降至27%），則可以使干燥設(shè)備的處理能力由10.0t/h （干固）提高到11.5t/h（干固）［7，8］。 為此，應(yīng)從不同的物料特性出發(fā)，充分了解顆粒粒徑及其分布、濃度大小、比阻、可壓縮性、要求達到的處理量、含濕量大小以及功耗等，來決定過濾壓力、過濾時間、壓榨壓力及壓榨時間等，才能做到高效節(jié)能和優(yōu)化操作。

2 纖維納米濾膜過濾集成技術(shù)

2.1 非對稱纖維納米陶瓷濾膜

非對稱纖維納米陶瓷濾膜是用低密度陶瓷纖維制成的（圖3），可用于液體、固體與高溫氣體的過濾，其優(yōu)點是耐熱、耐物理沖擊，孔隙率高，壓降低，重量輕、成本低，過濾精度高［9，10］。

圖3 非對稱纖維納米陶瓷濾膜

將開發(fā)的纖維狀納米濾膜應(yīng)用于中藥藥液的分離與提純，研究該過程的可行性、分離效果的影響因素與規(guī)律， 纖維狀納米濾膜的污染機理、清洗及再生等問題，確定適宜的工藝條件和纖維狀納米過濾集成系統(tǒng)的可行性方案。

2.2 非對稱無機陶瓷納米濾膜性能測定

采用國家納米基地測試中心的德國LEO-1530VT 場發(fā)射掃描電鏡進行測定， 測得纖維狀無機納米濾膜的表層圖像和端面圖像，采用計算機顯微技術(shù)處理圖像后得到的表層開孔率分別為58.06%、62.62%［9］。

依據(jù)美國材料協(xié)會標準ASTMEI128-99，采用美國PMI 多孔材料性能測試平臺測定陶瓷基體板涂膜后陶瓷濾膜（試樣直徑40mm）的孔徑參數(shù)（表1）。

測試兩種非對稱多孔陶瓷納米濾膜的膜表觀狀態(tài)平均孔徑和平均透水率，結(jié)果列于表2。由表2 可以看到，兩種濾膜的膜表觀狀態(tài)平均孔徑均小于235nm 時，纖維狀陶瓷納米濾膜的平均透水率遠大于顆粒狀陶瓷納米濾膜的。

表2 兩種非對稱多孔陶瓷納米濾膜工藝與性能比較

對過濾分離金銀花提取液后污染的陶瓷膜進行再生性能的研究，結(jié)果表明：纖維狀陶瓷納米濾膜的清洗再生性能要明顯優(yōu)于顆粒狀陶瓷納米濾膜（圖4）。

圖4 兩種濾膜清洗后膜通量恢復(fù)情況

2.3 濾膜滲透通量的分析

濾膜滲透通量隨時間的下降分為兩個階段：階段1（過濾的初始階段）——濾膜滲透通量的迅速下降，是由濾膜所受污染導致；階段2——濾膜滲透通量的平緩衰減，是由濃差極化和凝膠層的形成所致。 模擬濾膜滲透通量的衰減模型為：

J=J∞+（J0-J∞）exp（-αt）

J=（J0-J∞1）exp（-αt）+（J∞1-J∞2）exp（-βt）+J∞2

模型中的參數(shù)J0、J∞1、J∞2、α、β 可以通過對實驗數(shù)據(jù)的非線性最小二乘擬合得到。 在溫度25℃、操作壓力0.6MPa、循環(huán)流速0.055m/s 和料液濃度50mg/mL 的條件下，濾膜滲透通量隨時間的變化如圖5 所示。

圖5 纖維狀陶瓷濾膜滲透通量隨時間的變化

從圖5 可以看出， 隨著過濾時間的增加，滲透通量不斷減小， 主要表現(xiàn)在開始過濾的20min內(nèi)，由于此時濃差極化層的建立、濾膜表面沉積層的形成使過濾阻力急劇增加，20min 后衰減趨于平緩。

以孔徑為30nm 的纖維狀陶瓷納米濾膜為過濾介質(zhì)，在溫度35℃、操作壓力為0.5MPa、循環(huán)流速0.068 1m/s 和料液濃度25mg/mL 的條件下，對某中藥水提液進行8h 的連續(xù)過濾， 考察纖維狀陶瓷納米濾膜滲透通量的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 纖維狀陶瓷納米濾膜滲透通量穩(wěn)定性考察結(jié)果

由圖6 可知，過濾1h 后，濾膜滲透通量基本維持在7.5L/（m2·h）［10］。

2.4 應(yīng)用效果

所制備的纖維狀陶瓷納米濾膜與現(xiàn)有氧化鋁陶瓷顆粒制備的非對稱多孔陶瓷濾膜相比，相同條件下，平均透水率提高1 倍以上。 纖維狀陶瓷納米濾膜相比于顆粒狀陶瓷納米濾膜，不僅藥液雜質(zhì)的去除率高，而且精制效果明顯好，還優(yōu)于傳統(tǒng)的水醇法， 避免了有機溶劑乙醇的使用，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。

長時間運行下，纖維狀陶瓷納米濾膜的膜通量穩(wěn)定性好，經(jīng)過1.5h 后膜通量基本穩(wěn)定，再生方便、效率高，可使其純水滲透通量恢復(fù)到初始水通量的86%，而顆粒狀陶瓷納米濾膜的純水滲透通量能恢復(fù)到71%。

3 氣固分離用過濾介質(zhì)

氣-固分離是在化工、冶金、煤炭、水泥及環(huán)保等行業(yè)中頻繁涉及的分離過程，特別是氣體中PM2.5 的去除、 高溫氣體中固態(tài)粒子的脫除和回收。 這就對氣-固分離用過濾介質(zhì)的高效、可靠、耐溫和安全性提出了更高的要求［11］。

3.1 高溫過濾元件

高溫氣體過濾除塵技術(shù)的核心是高溫過濾材料，由于在高溫、高腐蝕性氣體中工作，因此對過濾材料要求很高，必須滿足過濾特性、使用壽命及價格等多方面的要求。

3.1.1 金屬燒結(jié)過濾介質(zhì)

由金屬多孔材料制成的試管式過濾元件可分為金屬粉末燒結(jié)、金屬纖維燒結(jié)及金屬絲網(wǎng)燒結(jié)等類型。 金屬粉末燒結(jié)過濾元件的孔隙率約為30%～35%， 有單層均質(zhì)結(jié)構(gòu)和雙層非對稱結(jié)構(gòu)。例如在鐵鋁材粉末材料濾管表面加上氧化鋁膜層既可以避免細粉塵沉積，也可防止濾管支撐體腐蝕。 金屬纖維燒結(jié)過濾元件是由直徑2～40μm的金屬短纖維燒結(jié)而成，其孔隙率達50%～87%，可在600℃下長期使用， 還可通過折疊增加單根濾管的過濾面積。 金屬絲網(wǎng)燒結(jié)過濾管是由金屬板網(wǎng)、 粗金屬纖維和細金屬纖維3 層復(fù)合組成，經(jīng)高溫真空燒結(jié)成一體的過濾元件，具有易于脈沖反吹清灰、過濾阻力低及過濾精度高等特點［12］。

3.1.2 多孔陶瓷過濾介質(zhì)

陶瓷材料因具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性， 可在高達1 000℃工況下工作， 并且在氧化、還原等高溫環(huán)境中具有很好的抗腐蝕性而成為高溫氣體除塵的優(yōu)良選材［13］。

陶瓷纖維類過濾元件可分為陶瓷濾袋和剛性陶瓷濾管。 陶瓷濾袋由于脈沖反吹引起振動而影響其使用壽命，一般適用于370℃的工況。 剛性陶瓷濾管具有孔隙率較高、質(zhì)量較輕、阻力較小及不易受到熱沖擊等特點，可耐850℃高溫，實際使用溫度多在500℃以下。 陶瓷纖維種類有氧化鋁纖維、莫來石纖維、堇青石纖維、碳化硅纖維及硅酸鋁纖維等。 表3 是K D Noss/Tri-mer 公司給出的陶瓷纖維過濾器在5 種生產(chǎn)工藝中對微粒子與PM2.5 的截留效率。

表3 陶瓷纖維過濾器對微粒子與PM2.5 的截留效率

3.1.3 催化過濾介質(zhì)

近年來， 針對煙氣中顆粒物分離和降低NOx排放的要求， 利用氨法選擇性催化還原（NH3-SCR）技術(shù)，以粉末燒結(jié)陶瓷過濾管為載體，研制出了具有催化與過濾雙重功能的過濾管，可以同時去除高溫氣體的氮氧化物和顆粒物。 Pall 公司在試管式濾管支撐體外表面覆上一層TiO2-V2O5-WO3催化劑，然后再在催化劑層外面覆上過濾膜層，以避免氣體中的顆粒在催化劑內(nèi)沉積，采用該濾管（圖7）實現(xiàn)了250～350℃范圍內(nèi)氣體中顆粒物分離和脫硝一體化，即圖8 所示的催化過濾過程，在煙氣處理、生物質(zhì)氣化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［14］。

圖7 催化與過濾復(fù)合管結(jié)構(gòu)

圖8 催化過濾過程示意圖

3.2 非織造濾料

3.2.1 結(jié)構(gòu)特點

非織造濾料為采用非織造技術(shù)直接將纖維制成的濾料，通過機械、化學、熱壓或其組合方式將纖維結(jié)合成布狀物。 纖維互相交叉，形成的孔隙不規(guī)則，孔隙率有的可高達80%。 如表面進行特殊處理， 可形成形狀多樣而排列不規(guī)則的孔。由于纖維互相交叉排列，形成三維結(jié)構(gòu)，就能在低壓差下過濾截留微小顆粒，截留精度高，阻力小，納污量大。

非織造濾料以其優(yōu)良的過濾效率、 高產(chǎn)量、低成本，與其他濾料復(fù)合容易在生產(chǎn)線上進行打褶、 折疊以及模壓成型等深加工處理的優(yōu)點，在除塵方面得到廣泛應(yīng)用［11，15］。

3.2.2 發(fā)展狀況［11，15，16］

為避免粉塵爆炸，防靜電濾料、阻燃濾料的開發(fā)和應(yīng)用越來越廣。 其原理是將導電鋁膜、導電高分子及導電纖維（不銹鋼金屬纖維絲、碳纖維）等覆于濾材表面或混紡于濾材層中，將需處理的含靜電粉塵的靜電導入大地；在濾料中加入阻燃劑，使濾料具有阻燃性能。

過濾精度高、再生性能好的覆膜濾料的開發(fā)應(yīng)用。 覆膜濾料是用兩種或兩種以上各具特點濾料復(fù)合成一體， 常用的覆膜濾料主要有聚酯（PET）、聚丙烯（PP）、芳綸（Nomax）、聚四氟乙烯（PTFE）及玻璃纖維等針刺氈（或機織布基底上）覆以聚四氟乙烯膨體微孔薄膜，覆合方式分為黏合劑覆合和熱壓覆合。 在針刺濾料或機織濾料表面覆以微孔薄膜濾料可實現(xiàn)表面過濾，使粉塵只停留于表面、容易脫落，提高了過濾物的剝離性。覆膜濾料性能優(yōu)異，截留精度高，壓降小、高通量、易清灰且壽命長。

耐溫非織造濾料的應(yīng)用。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中， 高溫含塵氣體的凈化除塵領(lǐng)域十分廣泛，滿足日益增長的高溫煙塵過濾的要求，有著重要的意義。 目前，耐高溫非織造濾料主要采用耐高溫纖維制成的針刺過濾材料，這類濾材多呈三維結(jié)構(gòu)，孔隙小而孔隙率大，過濾效率高，因此應(yīng)用越來越廣泛。 可耐200～300℃溫度范圍的耐溫非織造濾料主要有：芳香族聚酰胺（芳綸）、聚酰亞胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯纖維（PTFE，Teflon）、聚砜酰胺纖維（芳砜綸，PST）及玻璃纖維等。 另外，還有不同耐溫纖維復(fù)合在一起的濾料。

3.2.3 性能測試方法的技術(shù)標準

為了解決我國一直沒有針對分離機械用非織造濾料性能測試方法的技術(shù)標準， 出現(xiàn)在研發(fā)、制造、質(zhì)檢、選擇及應(yīng)用等環(huán)節(jié)中無據(jù)可依、無章可循的問題。2015～2016 年，在對非織造濾料類過濾介質(zhì)的研究和大量驗證測試工作的基礎(chǔ)上，以上?；ぱ芯吭?、天津大學和合肥通用院為主的多家單位參加起草《分離機械用柔性非織造過濾介質(zhì)過濾性能測試方法》 標準，2018 年得以發(fā)布，該標準涉及測試方法的項目包括［17］：

a. 孔徑及孔徑分布；

b. 液固分離用非織造過濾介質(zhì)性能——透水阻力，流量-壓降性能，納污量，截留精度，再生性能；

c. 氣固分離用非織造過濾介質(zhì)性能——容塵量和計重效率，透氣阻力，風量-壓降，截留效率，在線再生性能。

4 結(jié)束語

我國機制砂生產(chǎn)設(shè)備大都存在分離效率不高、能耗大等問題，加之生產(chǎn)工藝所涉及的固體物質(zhì)的爆破、粉碎、篩分及輸送等機械過程會產(chǎn)生大量的粉塵，波及面大，既危害人體健康，又影響級配工序中優(yōu)質(zhì)機制砂的質(zhì)量。 因此，必須采用高效氣體除塵技術(shù)減少或避免顆粒污染物的直接排放。

納米過濾技術(shù)的開發(fā)和運用，對推動我國過濾與分離機械行業(yè)技術(shù)進步作用重大。 在許多工業(yè)領(lǐng)域（高品質(zhì)水處理、中藥藥液的澄清、飲料及制酒等）， 納米過濾技術(shù)與相關(guān)的集成工藝配合可以獲得廣泛應(yīng)用，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。

過濾介質(zhì)是過濾設(shè)備的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響過濾分離過程的優(yōu)劣。 隨著環(huán)保要求的日趨嚴格，對過濾介質(zhì)的可靠性、高效性、多功能性和安全性均提出了更高的要求，也給過濾介質(zhì)的發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)與機遇。