1 前言

固液分離技術廣泛應用于各個行業，如選礦、造紙、醫藥衛生、環境保護、食品等。傳統的固液分離技術主要集中在過濾、壓濾、重力沉降、浮選等方面。隨著礦物資源的不斷開采和利用，礦石日趨“貧、細、雜”，有用礦物經選別作業的后期處理日漸困難。許多選礦廠通過助磨劑的添加等措施，解決了微細礦粒的單體解離問題，前段選別作業能夠很好地回收有用礦物，而后期則大大地損失了有用礦物。如東鞍山鐵礦濃縮機溢流跑渾水高達5%的固體含量，其結果一是損失嚴重；二是給附近造成環境污染。同時，全球水資源急劇短缺，生存環境日益惡化，于是，人們對固液分離技術提出了更高要求，并傾注了很多心血去研究開發新的分離技術。

2 傳統分離技術概述

傳統的分離技術中，占主導地位的是過濾、沉降、篩分、干燥和離心沉降技術，其中，沉降技術又分為濃縮和澄清。首先，對于過濾技術，工業上基本使用圓盤過濾機，利用真空使固液分離，形成濾餅，濾液循環再用。盤式真空過濾機結構簡單緊湊、占地面積小、處理量大、價格低、維修工作量小，初期投資比其他脫水方式都低。但對粘性微細粒物料脫水效果差。實驗室內用濾紙分離晶體與濾液。其次，是沉降。沉降技術應用的范圍較廣，在選礦廠、水廠中隨處可見，如各式各樣的沉淀池、澄清池、濃縮池等。沉降過程以及所用的機構機械設備比較簡單，使得重力沉降在各種固液分離技術中是較便宜的。這是因為它用較少的金屬構件，能處理高水流速率，而且溢流常能達到較高的澄清度。有些難于過濾的物料能藉沉降法有效地分離。而干燥分離技術多用于寒冷地區的精礦脫水，以防凍車。篩分分離技術應用較為普遍，主要用于大塊物料的脫水。

如前所述，傳統的固液分離技術雖然對世界各國的工業發展起過非常重要的作用，但時代的發展卻要求有更為先進、更為精確的固液分離技術應用于現代工礦企業乃至家庭生活中。

3 分離技術的新進展

3.1 沉降技術

沉降分離技術的發展除了設計使用不同機械原理的沉淀、澄清、濃縮設備外，主要集中于絮凝劑的開發上。當物料粒度很細時，特別是粒度小于5～10μm的礦泥，細小顆粒之間由于范德華力的相互作用使其吸引，經常呈無選擇的粘附狀態。又由于細粒物料本身具有很大的比表面、質量小、表面能高，屬于熱力學不穩定體系，故細粒微料之間的粘附現象，經常可以自發產生。

絮凝劑的研究和開發在固液分離技術中深受重視并取得了較大進展。如美國內華達大學麥凱礦山學院化學和冶金工程系的A.M雷查等關于生物絮凝劑絮凝粉煤的研究就是一個好的發展方向。

為了生產符合標準質量的煤以及提高粉煤的脫水性能，以前就研究過煤絮凝。其中大多數人的研究重點放在合成聚合絮凝劑的使用上。已用于煤處理的絮凝劑包括：部分水解的聚丙烯酰胺、非離子型的聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸鹽、含有螯合基和絡合基團的聚丙烯酰胺。在許多情況下，需同時用表面活性劑與聚和絮凝劑來提高煤的疏水性。如果不在適當條件下使用，合成絮凝劑就傾向于沒有選擇性。生物絮凝劑則正相反，在自然狀態有選擇性，并可在較寬的pH范圍內作用，而且比合成絮凝劑的濃度要低。

該研究所用生物絮凝劑為微生物分支桿菌屬，呈一種凍干細菌培養的狀態。作為對比所用的兩種合成聚合絮凝為聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）。在這項研究中考察了時間、濃度、pH和不同絮凝劑對于粉煤的絮凝影響。

使用不同絮凝劑時，時間對煤樣沉淀量的影響也不同。較好的結果是使用從微生物中取得的生物聚合物獲得的。隨時間而增加的沉淀量在約2min內達到98%，然后隨著時間進一步延長，沉淀量保持恒定。在使用合成聚合絮凝劑（PEO和PAM）時，4min之后才達到80%左右的沉淀量。使用生物絮凝劑，可以獲得較快的沉降速率，因為絮團的形成非常迅速，并且很快沉降。使用合成絮凝劑時，絮團慢慢地形成，結合松散的絮團緩慢沉降。

研究了絮凝劑的濃度對煤樣絮凝效率的影響。絮凝時間保持在3min。使用生物絮凝劑，當增加濃度時，絮凝效率顯著地增加，在50×10-6的濃度下，達到大約0.98的絮凝效率，然后在更高濃度下保持恒定，用PEO和PAM絮凝劑表明，在150×10-6濃度下絮凝效率只有0.8。增加PEO濃度不影響絮凝效率。然而PAM在較高濃度下，絮凝效率卻降低。這可能是因為顆粒之間的空間穩定性導致親水表面的形成。另一方面，用生物絮凝劑提高了絮凝效率，達到一種顯示煤表面疏水的平穩狀態。用于該項研究的合成絮凝劑的用量比文獻中報道的用量高得多。合成絮凝劑在中性pH下效果較好，而生物絮凝劑在pH為3～5的酸性范圍內有選擇性。

3.2 過濾技術

在金屬礦山中，隨著選礦工業的發展，礦產資源日益貧化、細化，一些選礦廠采用了細磨工藝，細粘物料日益增加，使浮選過濾變得更加困難。選煤也是如此，小于0.5mm粒級煤的含量逐年增加。因此精礦和精煤脫水問題日益突出，是亟待解決的問題，引起有關人員的關注。國內外有關科研院所、制造廠和使用部門在不斷改進連續真空過濾機，連續加壓過濾機在許多公司得到成功應用。而且在工藝和節能方面得到某些優化和改進的基礎上，發展了蒸汽加壓過濾技術和陶瓷過濾技術，出現了新型過濾機。這些新型連續式過濾設備具有濾餅水分低、形成快、處理能力大、壓氣消耗少、能耗低等優點，在生產時間中取得了良好的效果。

3.2.1 盤式真空過濾機

盤式真空過濾機結構簡單緊湊、占地面積小、處理量大、價格低、維修工作量小，初期投資比其他脫水方式都低。但對粘性微細物料脫水效果差。為此，挪威海德拉力夫特（HYdraliftA/S）公司斯坎梅克（Scanmec）選礦分公司對盤式真空過濾機進行技術改造，將過濾機蝸輪蝸桿驅動裝置改用鏈條驅動；加大管路直徑和頭部外形尺寸；扇形過濾板用聚氨酯或模鑄橡膠制造。從而降低流速，提高過濾效率，降低濾餅水分，便于維修。改造后Scanmec盤式真空過濾機有22臺用于美國明尼蘇達梅薩比（Mesabi）鐵礦區，對鐵精礦過濾，濾餅水分為9.2%。

3.2.2 陶瓷過濾機

陶瓷過濾機首由芬蘭Valmetoy公司研制成功，80年代中期芬蘭Outo Kumpu mintec公司購置制造陶瓷片的專利，九十年代出了以毛細作用為原理的CC系列陶瓷過濾機以來，在世界各地有色金屬選礦廠對銅、鋅、鋁、鉛、鎳及硫等精礦脫水過濾中獲得廣泛應用。該機兼備了常規真空盤式過濾機和壓濾機兩者的優點，結構簡單，濾餅水分低，能耗低，濾液清澈，自動化程度高，處理能力大（一般為圓盤式真空過濾機的三倍），無濾布損耗，減少維修費用，設備結構緊湊，安裝費用低，且生產成本更低。

陶瓷過濾機獨特之處是利用毛細效應原理用于脫水過濾，用親水性材料，燒結氧化鋁制成陶瓷過濾板上布滿了直徑1.5μm和2μm小孔，每小孔即相當一個毛細管。這種過濾板經與真空系統連接后，當水澆注到陶瓷過濾板時液體將從微孔中通過，直到所有游離水消失為止。而微孔中水阻止氣體通過，形成了無空氣消耗的過濾過程，當陶瓷過濾板浸入過濾礦漿中時，在無外力作用下，借助毛細效應產生自然力進行脫水過程，過濾板堆積固體顆粒形成濾餅，濾液通過過濾盤進入濾液管連續排出，直到排干為止。整個過程只需一臺很小的真空泵，就能取得處理能力大，濾餅水分低的效果。

目前又開發出加壓型陶瓷過濾機以滿足高海拔地區使用。其過濾機理和工藝效果有新的突破。我國是能源相對短缺的國家，開發低能耗陶瓷過濾機，潛在市場很大，勢在必行。

3.2.3 蒸汽過濾技術與設備

蒸汽過濾是為解決細粘物料在常溫下過濾效率低的問題而提供的一種新的過濾途徑，可以進一步降低濾餅水份，從而節省干燥作業費用。

3.2.3.1 帶蒸汽罩的真空過濾機

1962年，Burton首次將有100℃過濾蒸汽直接施加到用于浮選精煤的旋轉真空過濾機的脫水區，可使細粒煤濾餅水分含量減少一半，每除去1kg水約0.75kg蒸汽，同時減少濾餅厚度與細顆粒含量均能提高蒸汽的有效作用。當蒸汽所受壓差大于濾餅孔隙的毛細壓力時，蒸汽便進入濾餅的孔隙中，排出濾餅孔隙中的自由水。當濾餅中水分被高溫蒸汽加熱，使濾液溫度升高，從而降低水的粘度和表面張力。一般15℃水的粘度為1.14MPa·s，當溫度升高到80℃時水的粘度下降到0.351Mpa·s，強化了脫水過程。蒸汽的高溫也會使濾餅內部水分蒸發，從而極大地降低濾餅水分。

美國Eimco公司曾對硫化礦的浮選精煤，已脫泥后金屬礦物、細磨過的金屬礦物和洗煤廠的尾煤用真空過濾機進行蒸汽脫水試驗，加蒸汽真空過濾機濾餅水分比真空過濾機濾餅水分分別降低了2.6%、3.9%、4.6%和5.5%。并得出蒸汽脫水與熱力干燥法比較，在過濾費用、所占廠房面積、所需設備等方面具有明顯優越性。

為解決過濾機受蒸汽腐蝕相當嚴重，塑料元件不能耐高溫的問題，科佩茲研制了一臺用高強度耐腐蝕材料制造的60㎡真空過濾機，配以高強度耐腐蝕的蒸汽罩。進行脫水試驗表明：與普通真空過濾機相比，濾餅水分顯著降低，在運轉可靠性和使用壽命上不低于普通真空過濾機。

3.2.3.2 蒸汽加壓過濾技術

蒸汽加壓過濾機是把機械和熱力過程結合到同一過濾設備上，在溫度較低的濾餅表面，蒸汽冷凝形成冷層，進而從濾餅中排出毛細水。

德國BOKELA機械工藝技術工程師協會的博特博士進行了蒸汽加壓過濾機實驗研究。他將真空過濾機置于加壓容器中，驅動裝置安裝在壓力容器外部，對高溫引起變化要格外注意，如過濾機控制頭、濾布、濾餅、排出機構等。在壓力容器中充以壓縮空氣，蒸汽室充以蒸汽，并減少了熱輻射而引起蒸汽損失。通過壓差控制使蒸汽室蒸汽壓力稍高于壓力容器中壓氣壓力，以防止進入蒸汽過濾區域。壓力容器內儀器設施不接觸高溫與蒸汽室相隔離。容器中懸浮液的表面只與壓氣接觸，并主要靠壓氣過濾形成濾餅，這樣就較大限度降低了由于冷凝而損失的蒸汽。

3.2.4 帶式壓榨過濾機

帶式壓榨過濾機是世界上一種發展較快的污泥脫水設備，它結構簡單、操作方便、能耗低、噪音小、可連續作業，因而美國、英國、德國以及奧地利等國相繼對它進行了研究和開發應用。應用范圍除了城市下水污泥處理外，已普及到造紙和紙漿、選礦、選煤、化工、食品等行為，以及工業廢水污泥處理。

提高自動化操作水平始終是帶式壓榨過濾機高效率化的重要研究課題。因此，近幾年國外一些公司進行了以調節污泥性狀為主的、監控脫水操作過程的自動控制系統的研究，如美國Von Roll公司和日本（株）神戶制鋼所，它們研究出了由微機輔助的自動控制系統。這種自動控制系統由傳感原件和控制臺所組成，用來控制和調節絮凝劑的添加量，污泥的投放量以及脫水操作過程等。

濾帶再生效果的好壞將影響到濾餅剝離和脫水效率。傳統采用高壓水噴洗濾帶的方法。這種方法的缺點是用水量大，每小時需5～10t/m（水壓0.8～160MPa），清洗下來的污泥混入清洗液回流，增加了水處理系統的負荷。國外開發出了一種濾帶超聲波清洗新技術。這種超聲波清洗機構裝置在濾帶返回的一定部位，部分返回濾帶浸入清洗水槽內，由超聲波發振裝置發出的振波從行走著的濾帶反面（非濾帶承載面）向濾帶輻射，使附著在濾帶面上的污泥浮離于水槽水中，然后由設在超聲波發振器后的高壓清洗噴嘴輔助噴洗，使濾帶完全再生。

目前，帶式壓榨過濾機已由普及型向高效率化方向發展。這一發展趨勢的主要標志是：（1）整機結構的緊湊化；（2）濾餅低含液量及脫水操作的高效化；（3）自動控制系統化等。

3.3 膜分離技術

膜分離技術發明后，隨著新型高分子材料的開發，分離功能材料在功能高分子材料中已占有十分重要的地位。1994年世界分離膜的總產值已達22億美元。并以12%～15%年需求增長速率向前發展。膜分離技術是用人工或天然合成的高分子分離膜，借助于化學位差或外界能量的推動力對雙組份或多組份的溶質和溶劑進行分離、提純和富集的方法，以壓力差為推動力的膜分離過程可分為微濾、超濾、反滲透等。由于使傳統的分離工序發生革命性的變化，所以高分子分離膜，廣泛地應用于化學工程、生物技術、醫學、食品工業、環境保護、石油探測等眾多領域內，在當代高新技術領域內，膜分離技術將作為開發的重點，對其研究的主要方向集中在膜材的研制和膜應用的研究。

3.3.1 新型膜材

（1）聚砜超濾膜

聚砜膜為一種性能優良的膜，膜厚＜40μm，內層空隙率高，孔規則且無致密外層的特點。聚砜膜可制成三層結構的膜，錠狀孔的內表層，圓形孔的外表層和枝形孔的中間層。使用氯甲基化聚砜為原料，采用干一濕法紡制中空纖維膜。采用聚砜反滲透膜成功地用于工業廢水和廢液處理，是它比較有希望的應用領域之一。

（2）納濾膜

納濾膜介于反滲透與超濾膜之間，由于該過濾過程的膜孔徑處在納米級內，截留分子是在百量級，因此成為：“納濾”。其對NaCl的截留率為50%～70%，對有機物的截留率為90%。

（3）聚乙烯醇膜

聚乙烯醇由聚乙酸乙烯醇解制成，我國為世界聚乙烯醇生產的第一大國。具有原料易得的生產優勢。聚乙烯醇膜的制備可分為交聯法和交聯前先共聚兩種，采用的共聚單體可以是甲醛丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯腈等。

（4）中空纖維富氧復合膜

中空纖維復合膜直徑小，可緊密排列，在膜分離器內裝填密度大，可使設備更加小型化，結構簡單化。由于中空纖維具有大的比表面積和自我支撐特點，適于制成小型裝置，特別適應于醫藥和生物工程中等不同物質的分離。中空纖維富氧復合膜具有高的富氧能力，其通量遠大于均質中空纖維膜和不對稱中空纖維膜，且耐壓性好，為中空纖維膜。

3.3.2 膜的應用

在膜的應用方面，與膜流場相對應，有兩種膜過濾形式：死端過濾和十字流過濾。由于十字流過濾具有膜污染程度較小，膜通量大，能持續運行而得到廣泛應用，微濾技術因為開發早，應用較廣泛。因此，十字流微濾技術成為膜分離領域較受重視的一項技術，但困擾膜分離技術應用和發展的一個關鍵問題是由于濃差極化和膜污染而造成膜過濾通量下降。膜的污染是指由于濃差極化在膜的表面形成濾餅層，或由于顆粒的沉積，堵塞膜孔，使膜過濾通量下降。為了使過濾能持續高效的運行，必須減小濃差極化現象和顆粒的沉積。人們采用了一些不同方法來解決膜的污染問題，比如采用反向沖洗技術、外加電場、增加流動不穩定、脈沖進料等方法，但這些方法的共同特點是膜本身是靜止的，因此總是存在著濾餅層。1978年，A·Magraritis和C.R.Wilke提出了旋轉動態膜過濾，由于它的膜是運動，濾餅層較難形成，所以成為一種很有應用前景的分離技術，也成強化過濾方法研究較多的結構。旋轉動態膜結構一般分為兩種形式：一種是圓筒式（管式）結構，內筒為膜管或內外均為膜管，內筒旋轉；另一種是圓盤式結構，旋轉件為膜面或緊鄰膜面處加旋轉件。相對而言，旋轉管式動態膜比旋轉盤式動態膜研究更多一些，這是由于旋轉管式動態膜的內管旋轉在管環隙間形成泰勒渦二次流，強化過濾效果明顯。

雖然動態膜分離有諸多好處，但由于其研究時間較短，自身也存在產量小，能耗相對較高等缺點，因此，它還沒有得到廣泛的應用。但很多學者對其賦予很高的期望，并做了大量的工作，使其能得到廣泛應用有了理論和實驗基礎。

3.4 超聲分離技術

在化學研究和化工生產中常常要把浮在液體中的固體粒子清除，為此需要相應的分離技術。傳統的方法是使用各種類型與規格不同的過濾膜或過濾網，濾除粒子；或者是采用離心分離器、旋流分離器，利用離心力分離固體粒子。前者因常常出現過濾阻塞，因此不得不定期清理或更換過濾膜；后者因為要使液體產生高速運動，所以能耗較大，特別在分離細小粒子時就更為困難。如果能使固液分離過程避免過濾阻塞，保持連續工作，又能使分離所用能耗較大幅度降低，這將會帶來明顯的經濟效益。應用功率超聲可為解決這個問題提供理想的途徑，超聲分離能夠徹底革除過濾這道工序，因此與過濾阻塞有關的一切問題自然不復存在，超聲分離無需使液體產生高速運動，故而能耗較低。

超聲分離的原理是利用液體中兩個不同頻率、振動方向、相對方向傳播的兩個平面聲波，在傳播過程中疊加，產生若干個振動速度為零的點，并且此點以一定速度向某一方向移動。而液體中的固體粒子在聲波作用下總是在振動速度為零處聚集，并隨此點運動而運動，聚集在裝置的一側，從而使固液分離得以實現。

超聲頻率、聲強的選擇是相關聯的。一定頻率、一定聲強的波作用于液體，有時會產生超聲空化，從而使液體中的固體粒子被粉碎，這是分離過程不希望發生的。實驗證明：頻率越高、聲強越小的平面波在液體中越不會產生空化現象，且聲強比頻率對空化的產生影響較大。但聲強較小時，液體對固體粒子的推動力就小，因此兩個換能器的頻率和聲強的選擇依據是：

（1）在此頻率下，液體中微小質點受聲波作用，產生要對運動互相碰撞，使之產生凝聚。

（2）在此頻率和聲強下，液體不會產生空化現象，固體粒子不會被粉碎。

3.5 磁濾技術

近二十年來，國外高梯度磁過濾技術的研究十分活躍，已用于解決許多環境和工業問題。例如：核反應堆冷卻水的過濾，水中磷酸鹽的脫除，赤鐵礦和鉻鐵粉末及超細粉末的回收，廢水中重金屬的脫除等，并從分離強磁性大顆粒發展到去除弱磁性反磁性低濃度小顆粒，因而該技術引起了國內外科技工作者的普遍注意。

高梯度過濾技術（簡稱HGMF），即讓濾漿流過高梯度磁過濾器，利用高梯度磁場產生的強大的磁場力，脫除濾漿中的固相。從濾漿中去除磁性固相，如鐵、鎳、鈷等比較簡單，使濾漿直接流過高梯度磁過濾器即可實現。而去除非磁性及反磁性固相，如十氧化硅、有機物、藻類、酵母和細菌，則需先投加磁種（高磁化率的顆粒）與待分離顆粒形成順磁性凝聚物，然后用高梯度磁過濾器脫除，這個過程稱為磁種過濾。

高梯度過濾技術的特點是：

（1）處理濾漿速度快，能力大，效率高。

（2）設備簡單，操作簡便，維修費用低。

（3）易再生，可在高溫下（可達600K）使用。

（4）可減少或不使用化學藥品，消除二次污染。

（5）適宜處理固相為微米級的低濃度（可達10-3～10-5mg/kg）懸浮液，且溫度及氣候的變化不影響處理效果。

為了使高梯度磁過濾技術在分離領域中獲得更廣泛的應用，以下幾個動向值得重視。

（1）目前研究的主要對象是如何改善過濾性能，改善的方法是增加磁場梯度和提高過濾能力，而這兩點均與過濾介質材料有關。

（2）用極廉價的順磁性材料（如煉爐的粉塵）代替強磁材料做磁種處理含非磁性物質的廢水，用后與濾渣一并廢棄，省去了磁種回收工藝，可以大大節省費用。鋼鐵生產中的廢水，含有磁鐵類粒子，特別適合用于高梯度磁過濾過程，這是以廢治廢的有效措施。

（3）把高梯度磁過濾技術應用到生物分離過程，以簡化工藝，提高產品回收率，降低生產成本，將會給生物下游加工技術帶來新的發展。

（4）超導磁過濾技術是未來高梯度磁過濾技術的發展方向。通常，提高磁場強度即可提高流速，增加濾漿處理量，而不影響高梯度磁過濾器的性能。但是，隨著處理量的增加，過濾器成本與耗電量也顯著增加。而且，若超過一定流速，高梯度磁過濾器控制過濾的能力就要下降。超導磁過濾器可克服上述缺陷。其磁場強度可高達14T，由于超導體在臨界溫度以下無電阻。因此，運行時耗電極低。它能在較大的空間范圍內提供強磁場及高梯度磁場，因而可提高處理量。由于超導磁過濾器能夠產生很高的磁場強度，可使懸浮液中的順磁性顆粒充分極化，從而可直接去除順磁性固相，而不要投加磁種。

（5）高梯度磁過濾機理模型的構建，改變當前關聯各種具體參數的局面，考慮關聯一組無因次參數，例如：取無因次速度、雷諾數、無因次長度為一組參數進行關聯，事實上這一組參數包括了磁過濾體系所有參數，從而建立起普遍化機理模型。