| 单词 | 悬浮液固液分离 |
| 释义 | 【悬浮液固液分离】 拼译：solid-liquid separation of suspensions 悬浮液一般指固体颗粒粒度在1μm以上的固液分散体系。这一范围内的固液分离问题，牵涉到化工、环保、矿业、水处理等许多领域，因而具有重要意义。 悬浮液的固液分离过程通常包括两个步骤，首先通过凝聚或絮凝获得浓密体，然后进一步降低浓密体剩余水份。斯瓦罗夫斯基(L．Svarovsky)根据悬浮液中固液两相的不同运动状况，将固液分离方法分为两类(可处理10μm以下悬浮液的微滤法属于膜分离技术)：(1)固体自由、液体受限制，包括浮选、重力沉降、离心沉降。(2)液体自由、固体受限制，包括滤饼过滤、深层过滤、筛分。为加速悬浮液中固体颗粒的沉降而广泛使用了凝聚技术及絮凝技术。胶体化学中的DLVO理论被用来解释悬浮液中加入电解质后微细粒子的凝聚行为。1951年，琼森(C．E．Johnson)首次论述了有机聚合物电解质的絮凝作用；为解释这一作用，1952年鲁威(R．A．Ruehrwein)等提出了著名的桥联理论；1977年，奥迈里亚(Omelia)用图示法形象地阐述了高聚物的架桥机理；在动力学方面，斯莫卢秋斯基(V．Smoluchowski)于1917年提出了描述单分散体系在层流条件下的凝聚速度模型。上述工作大致构成了研究悬浮固液分离中凝聚及絮凝形为的理论基础。悬浮液中颗粒的沉降有4种模式，即单个颗粒沉降、絮团沉降、整体沉降及压缩过程。1916年科依(N．S．Coe)和克里文哥(G．H．Clevenger)关于沉降的著作中提出的浓密面积公式为浓密机的设计奠定了基础，但该公式不适用于絮团沉降，计算结果偏低。金奇(C．J．Kinch，1922)及威尔汉姆(Wilhelm，1979)等分别提出了新的计算公式，前者的计算公式高估了浓密面积；后者的公式更符合实际，但形式比较复杂。浓密体的进一步脱水则主要使用滤饼过滤技术。过滤机是在19世纪中叶为满足处理污水的需要出现的，发展迅速，其理论研究也颇为活跃。1865年，达西(H．P．G．Darcy)发表了描述流体流过多孔床层的Darcy定律，成为后来过滤理论研究的基础；1916年，斯普里(D．R．Sperry)将过滤阻力区分为滤饼阻力和介质阻力；由科茨尼(J．Kozeny，1927)和卡门(P．C．Carman，1938)建立的科－卡方程是描述多孔床层中压力分布、孔隙率、固体比表面、流体粘度、速度之间关系的数学模型；1935年鲁斯(B．F．Ruth)导出的不可压缩滤饼微分方程及后来(1945)引入的压缩－渗透室试验装置至今仍被广泛使用；60年代提勒(F．M．Tiller)等考虑到滤饼内流速的变化、固体运动及过滤面积的改变对滤饼比阻的影响，充实了鲁斯方程中平均比阻的概念。至于在澄清作业中应用的深层过滤方法，1975年阿乌斯(K．J．Lves)曾对其机理有深入的研究。70～80年代，悬浮液固液分离技术的重要进展之一是高分子絮凝剂的广泛使用。以聚丙烯酰胺类为代表的高分子聚合物可大大加快悬浮液中固体颗粒的沉降，并可获得澄清的溢流。但这种方法所得的浓密体含较多的水份，在过滤过程中虽可以提高过滤速率但滤饼水份较高，这一问题迄今尚未获得满意解决。在理论研究方面，1978年格里科里(J．Grecory)分析了颗粒间双电层重叠时的高聚物架桥机制；1986年Kashiki等的研究认为只有当高聚物的平均尺寸大于颗粒间距离时才能有效絮凝。动力学方面虽有研究但进展不大，对絮团结构的探索正在引起重视。从实际观察及计算机的结果来看，絮团形状具有统计自相似性，因此分形理论可能成为研究絮团性质的有力工具。全自动浓密机及过滤机的出现是悬浮液固液分离的又一重要进展。早在1958年，就出现了第1台全自动压滤机，80年代，全自动浓密机问世。伴之而起的是描述浓缩与过滤过程的各种数学模型以及机理的研究。在浓缩方面，1990年斯班塞(S．J．Spencer)等用特征曲线法图解Kinch理论，来模拟悬浮液的间断及连续沉降过程；迪克松(D．C．Dixon，1981)、巴斯特(M．C．Bustors，1988)等用有限差分法分析和模拟浓缩中的压缩过程；1987年克劳斯(M．Cross)等从考虑质量与动量平衡的连续性理论出发建立沉降模型，他还研究了多相颗粒流动及其对沉降过程影响的数学模型；1991年约翰斯顿(R．R．M．Johnston)等在理论上全面考虑浓密机中的整个沉降过程，在实验中用r射线测量沉积层密度，用絮团密度仪测量絮团密度及沉降速度，他们建立的浓缩模型与生产数据吻合较好，并可使絮凝技术达到最佳效果。在过滤方面，威克曼(R．J．Wakwman，1978)对描述可压缩滤饼形成及滤饼内液体流动的微分方程进行数值积分，研究了滤饼内孔隙度的分布；1990年Vajda等把过滤过程分为浆体进入、滤饼形成、滤饼过滤及滤饼脱水4个阶段，对每一阶段他们都建立了相应的动力学方程，并在计算机上预测过滤速度与时间的关系，以进一步认识过滤的微观过程；70年代以来，威利斯(M．S．Willis)和托森(I．Tosun)提出并逐渐完善了所谓的多相过滤理论，这种理论从体积平均方法发展而来，它把过滤过程看作是由固相与连续液相组成的绝热过程，从而用两个连续性方程及两个运动方程来描述整个过程。威利斯等认为他们的理论较之于传统的压缩——渗透室试验基础上的经验分析有明显的优越性。悬浮液固液分离的另一进展是各种新技术新设备的开发。例如，1977年提勒等提出延迟滤饼过滤(动态过滤)技术，使颗粒平行于过滤介质表面运动，液体则以某一角度透过介质，这种技术不仅明显提高了过滤速率而且可以使滤饼更为密实；1986年白户纹平等的研究表明用非牛顿流体渗透滤饼进行脱水可获得孔隙度较低的滤饼；1990年威克曼等把交变电场及超声波力场引入微滤过程以防止滤膜堵塞，这种方法对普通过滤机降低介质阻力也有参考价值。再如，过去20年来发展起来的高效浓密机一改传统浓密机中在澄清层与沉降层之间给料的方式，将与絮凝剂溶液充分混合的悬浮液给入沉积层，通过沉积层的渗透作用获得高浓度的底流及更为澄清的溢流。另外，离心分离技术(水力旋流器、离心机沉降、离心过滤)、浮选技术、高梯度磁选分离技术，滤饼洗涤技术都有了相当的发展。纵观悬浮液固液分离技术的发展，其奠基性的工作大都在20世纪50、60年代之前完成。近20～30年来尽管理论及实践上的根本性突破不多，但也有了长足的进步。未来一段时间内的研究热点首先是对固液分离微观过程的深入了解，研究方向为多相过渡理论研究、分形理论与计算机模拟技术的结合、发展连续压滤机及气压过滤技术、新型高效絮凝剂及助滤剂的研究、其它学科的成熟技术移植或消化到固液分离领域等方面。【参考文献】：1 Suttle H K．The Chemical Engineer，1976，10∶675～6822 Svarovsky L．Solid-Liquid Separation，2nd edit．，London，Butterworths，1 9823 唐立夫，等．过滤机．北京：机械工业出版社，19824 Wakeman R J．Chem．Eng．Res．Des．，1986，64∶80～835 Tosun I，et al．Filt．and Sep．，1989，26(4)∶295～2996 Johnston R R M，et al．Minerals Engineering，1991，4∶7～11，699～705(东北工学院徐继润博士撰) |
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