过滤分离的最新研究进展 天津大学 化工过程机械 指导教师：谭蔚 教授 报 告 人：冯国红

Content 1. 液体过滤技术的发展 2. 膜过滤技术的发展 3. 气体过滤技术的发展 4. 过滤分离的发展趋势 Tianjin University Tianjin University

世界过滤大会简介 世界过滤大会 World Filtration Congress（WFC） 表1.历届WFC的召开时间和地点 时间 届数 举办地点 2008 10 德国莱比锡 1990 5 法国 尼斯 2004 9 美国新奥尔良 1986 4 比利时奥斯坦德 2000 8 英国布莱顿 1982 3 美国威尔明顿 1996 7 匈牙利布达佩斯 1978 2 英国 伦敦 1993 6 日本古名屋 1974 1 法国 巴黎 Tianjin University

世界过滤大会简介 表2.WFC11与WFC10比较 第十一届 第十届 时间 2012.04 2008.04 地点 奥地利格兰茨 德国莱比锡 参会人数(中国) 600 651（11） 论文总数 320 341 液体过滤技术 118 128 膜过滤技术 93 110 气体过滤技术 104 96 展商 100（12） 133（17） Tianjin University

WFC11基本情况 表3.各国论文发表情况 国家 德国 法国 奥地利 中国 英国 日本 巴西 伊朗 比利时 芬 兰 发表论文数 80 37 30 19 11 10 9 名次 1 2 3 4 5 6 Tianjin University

液体过滤技术的发展 1.1 滤饼过滤技术 滤饼微观结构、滤饼阻力、胶体滤饼或生物组织滤饼的研究。 研究方向 Ates Erk采用核磁共振技术对胶体悬浮液过滤和沉淀过程进行现场测量和三维分析 研究进展 日本Eiji教授提出采用超高压压榨与可逆絮凝相结合的方法改善污泥的脱水效果。 Tianjin University

1.NMR装置 2.过滤单元3.探头4.平衡装置5.数字压力表6.压力阀7.气体进口8.计算机 液体过滤技术的发展 可视化可压缩性滤饼的内部结构，滤饼内部的固体浓度梯度和孔隙梯度 研究目的 图1 NMR测量过滤过程的实验装置 Tianjin University

液体过滤技术的发展 超高压15MPa 洗水量与滤饼孔隙体积相同 最终滤饼固含31% 图2 活性污泥脱水过程 Tianjin University

液体过滤技术的发展 1.2 过滤分离设备的研究进展 通过蒸汽加热滤板，使滤饼在滤室内直接加热进行干燥 图 3热压过滤设备 Tianjin University

液体过滤技术的发展 亲水性微孔半透膜取代真空泵 利用虹吸效应取代滤液泵 过滤压力由“气压真空柱”提供 图 4（a）原真空转鼓过滤设备(b)新型转鼓真空过滤设备 Tianjin University

液体过滤技术的发展 （1）将磁性小球磁化；（2）磁化的小球吸附悬浮液中的铁磁性颗粒；（3）提取附在磁化小球上的颗粒。（4）磁性小球循环使用 磁分离过程 图5离心场中的磁分离过程 Tianjin University

液体过滤技术的发展 纳米分离技术 用途 特点 在传统分离力的基础上引入一种新的分离力，对流传递力，在过滤机中加上热源或使悬浮液存在浓度差。 分离生物产品 特点 分离方法简单但效率低 图6联合不同分离力的分离设备 Tianjin University

液体过滤技术的发展 过滤膜重叠部分的进口和出口处存在一个不连续区域，由于湍流的作用，这些不连续区域会产生有效的局部清洗效果，从而减少了停机清洗时间。 设备原理 图7.自清洁动态错流过滤机的旋转膜结构 Tianjin University

液体过滤技术的发展 1.3过滤分离CFD模拟 研究过滤器内的流体流动行为，优化过滤器设计。 CFD模拟的作用 CFD模拟的发展方向 宏观尺度模拟软件SuFiS CFD模拟软件 微观尺度模拟软FilterDict和GeoDict Tianjin University

液体过滤技术的发展 GeoDict FilterDict 建立过滤介质微观结构模型 模拟微观尺度颗粒输运和沉积 微观尺度模拟软件 颗粒输运过程 拉格朗日、欧拉模型描述 颗粒沉积 惯性沉积、拦截和扩散 颗粒与过滤介质发生碰撞时便沉积下来，沉积的颗粒在过滤单元局部形成多孔介质层。 Tianjin University

液体过滤技术的发展 图8真实尼龙 图9 GeoDict产生的尼龙 Tianjin University

液体过滤技术的发展 微观尺度模拟软件局限性 FilterDict只适应于低速、低颗粒浓度、圆 形颗粒的情况 受计算机能力限制，只能模拟小部分过滤介质上的颗粒运动和沉积。 FilterDict只适应于低速、低颗粒浓度、圆 形颗粒的情况 Tianjin University

液体过滤技术的发展 SuFiS 宏观尺度模拟软件 专门用来计算工业过滤器内流体流动 特点 采用的并行算法与其它的CFD程序相比更快速更准确，适合于过滤设备的设计优化 特点 对于层流、不可压缩的流体流动，通过求解N-Stokes-Brinkman方程计算过滤单元内流场 计算 原理 模型局限 不能提供颗粒或微孔尺度上的信息 Tianjin University

液体过滤技术的发展 微观和宏观尺度模拟软件都有各自的局限性因此需要宏观与微观模拟耦合起来进行过滤器的设计研究 宏观模拟与微观模拟耦合过程 Tianjin University

膜过滤技术的发展 2.1新的膜分离过程 法国Jean-Louis把膜过滤与高电压放电技术相结合提取压榨油饼中的植物油。 2. 将油饼与水混溶并置于高压电场中，在电场作用下生成油水乳状液 1.将亚麻籽、棕榈果进行压榨，得含油30%的油饼 3.离心分离乳状液 4.动态膜过滤系统破乳回收油 Tianjin University

膜过滤技术的发展 图10 高压电场放电装置 Tianjin University

膜过滤技术的发展 2.2 膜集成工艺 超薄纳米孔硅膜的制备 特点 由低应力的氮化硅制成 厚度小：100nm，孔径小：30-500nm，孔密度 高：1010-1011个/cm2（与核孔膜相比，提高了两个数量级） 与标准高分子膜相比氮化硅的生物相容性好、热化学稳定性好，且易于后续功能改进 。 Tianjin University

膜过滤技术的发展 图11超薄纳米孔硅膜的制作过程 制作规整的排列紧密的纳米微结构 对低应力氮化硅层进行刻蚀 高速定向电子束发射器在氮化硅晶片形成一层薄薄的铬膜 对低应力氮化硅层进行刻蚀 通过超声波或机械抛光技术微团或球体与氮化硅脱离 释放膜 图11超薄纳米孔硅膜的制作过程 Tianjin University

膜过滤技术的发展 2.3膜技术在水处理中的最新应用 标准膜组件尺寸较小:100-300mm 缺点 密集程度高、安装简易 优点 中空纤维膜的特点 扩大规模时需要大量的膜组件、连接件、膜组件支撑物等。 新膜组件 直径：600mm，高：1.5m，过滤面积：540m2 Tianjin University

2.膜过滤技术的发展 水入口和出口分布在膜组件顶部 只需更换纤维束不需要更换膜组件容器 图13膜组件拆卸 图12膜组件结构图 Tianjin University

2.膜过滤技术的发展 该水处理系统的优点 生产能力提高五倍； 单位膜面积安装成本降低了20%； 连接管道数量降为原来的 20%； 连接管道数量降为原来的 20%； 减少占地面积； 过滤单元可以单独移除； 图14 水处理工艺过程示意图 Tianjin University

2.膜过滤技术的发展 2.4膜污染与清洗 滤膜机械清洗的技术思想 在活性污泥中加入球状微粒，并共同在膜旁边向上流动。利用向上流动的颗粒减小膜上污染层的厚度。 微粒特性 无孔、有生物惰性、密度1000g/L 图15 膜生物反应器机械清洗过程示意图 Tianjin University

2.膜过滤技术的发展 机械清洗过程 化学清洗过程 图16 有机械清洗MBR与没有机械清洗的MBR渗透率变化 Tianjin University

表4 标准MBR与有机械清洗的MBR经济评估 2.膜过滤技术的发展 表4 标准MBR与有机械清洗的MBR经济评估 标准MBR 有机械清洗的MBR 使用寿命（年） 8 平均流量（L/m2.h） 13.9 16.7 膜面积（m2） 6,000 5,000 膜年度费用（欧元/年） 33,750 28,125 能耗（欧元/年） 36,500 28,077 化学清洗成本（欧元/年） 15,075 机械清洗成本（欧元/年） 5,863 总成本（欧元/年） 85,325 62,065 成 本 下 降 Tianjin University

气体过滤技术的发展 3.1过滤介质的再生 降低灰尘滤饼与过滤介质之间的结合力 增强灰尘滤饼颗粒之间的结合力 提高过滤介质再生方法 增强灰尘滤饼颗粒之间的结合力 通过增强滤饼颗粒间的范德华力来提高颗粒层的整体凝聚力，使在卸饼过程中不易破碎。 “后涂层” 新技术原理 滤饼卸除之前，过滤气溶胶从而滤饼主体上形成一层比主体滤饼颗粒更细的颗粒层 “后涂层” 新技术方法 Tianjin University

气体过滤技术的发展 增加“后涂 层”的滤饼层的结构 传统卸饼与增加“后涂层”的卸饼对比 Tianjin University

3.2 过滤介质表面改变技术—等离子处理 利用等离子与过滤介质材料表面发生物理或化学作用，来改变介质的表面性质。 等离子处理原理 改变合成纤维的亲水性、疏水性、接触角及结构，提高介质的静电性质，改善介质的表面清洁度。 等离子处理作用 等离子处理优点 该技术干燥、清洁，节能、减少原料的使用 Tianjin University

3.气体过滤技术的发展 采用疏水等离子涂层处理后滴加邻苯二甲酸二辛酯 亲水等离子涂层处理后滴加30%碱性溶液 图18亲水等离子涂层处理聚丙烯熔喷非织造滤布 图17疏水等离子涂层处理聚丙烯熔喷非织造滤布 Tianjin University

过滤分离的发展趋势 目前国际上过滤与分离技术的创新主要体现在对高可压缩性、高粘度性和高分散性物料的分离上。 牛顿流体发展到非牛顿流体； 分离对象 单纯的固体颗粒 包括硬颗粒、超微细颗粒、软颗粒、胶体、胶状物(不定形固体) 处理固相 Tianjin University

过滤分离的发展趋势 颗粒表面结构及颗粒行为的研究 过滤与分离机械技术的研究方向 加强流变学在改变工业悬浮液性质中的应用研究 加强多相物料分离技术研究 水处理和水资源应用研究和膜过滤研究 具有复合作用的新型过滤介质的研究 加强集成工艺技术研究 Tianjin University

过滤分离的发展趋势 大型带式压滤机 大型压力离心机 据到2020 年基础产业的发展趋势和市场预测产品发展方向 大型螺旋卸料离心机 污水行业 大型压力离心机 据到2020 年基础产业的发展趋势和市场预测产品发展方向 石油化工行业 大型螺旋卸料离心机 大型淀粉分离机 大型船用油分离机 大型隔膜压榨厢式压滤机 开发膜过滤系统特别是纳滤系统 Tianjin University

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