摘要：粉末活性炭與炭基粉末催化劑同反應液的精密過濾是化工、醫(yī)藥等工業(yè)生產普遍需要的化工操作。由于這些過濾的要求非常高，而粉末炭微粒非常細，在濾餅層和濾材中易穿移，“漏炭”成為這些化工操作中長期難以解決的難題。本文敘述了粉末炭的特點，簡單介紹了本公司為解決這些難題在最近十年的主要進展。
關鍵詞：粉末活性炭 炭基粉末催化劑 精密過濾
粉末活性炭是脫色效率非常高的脫色吸附劑。炭基粉末催化劑是催化功能很強的粉末催化劑。吸附與催化都是發(fā)生在固液兩相的界面。界面面積愈大，吸附與催化的功能愈大，速度愈快。但是，界面面積愈大，粉末就愈細，后期的固液分離就愈困難。如不將粉末高效分離出來，就會導致終端產品的質量與收率下降。上世紀八十年代至九十年代，我國出口產品退貨的事例很多，“漏炭”導致產品返工現(xiàn)象更多。這些都由于我國企業(yè)粉末活性炭過濾裝置相當落后造成的。工業(yè)發(fā)達國家一般采用三級串聯(lián)過濾裝置，“漏炭”現(xiàn)象基本解決，但操作步驟與裝置增加，操作成本上升。國內企業(yè)除了少數要求很高的領域采用這種多級串聯(lián)技術，大多數企業(yè)不用這種方法。
為了解決這一量大面廣的生產難題，我們于本世紀初開始對這一難題，從超細微粒的過濾機理與過濾規(guī)律，濾材的新配方，精密濾餅過濾機新的結構及工業(yè)生產上的應用技術進行長達十年的全方位研發(fā)，使這一生產上的難題獲得突破性進展。至今，全國已有近兩千多臺不同規(guī)格的新型粉末活性炭過濾機在許多制藥與精細化工企業(yè)長期應用。有兩百多臺新型炭基粉末催化劑過濾機在許多制藥，農藥及精細化工企業(yè)應用，其中直徑大于2.8米至3.3米的大型炭基粉末催化劑過濾機就有二十多臺。十年來，這些新型濾材與新型過濾機已獲得多項發(fā)明專利與實用新型專利。這些技術不僅廣泛用于粉末活性炭與炭基粉末催化劑領域，也在許多其他行業(yè)的超細粉體生產上獲得應用。
1、粉末活性炭與炭基粉末催化劑與液體的過濾分離中的某些特性：
1.1 粉末顆粒中亞微米級微粒的個數占90%以上：
表1給出常用的767藥用粉末活性炭與一種草甘膦生產用的鈀炭的粉體顆粒分別按體積分布與按個數分布的兩種分布的激光粒度分布的測定值。
從表1的數據，767藥用粉末活性炭，按體積分布（亦即按重量分布），其平均粒徑為3.79μm，只有3%的小于0.53μm，10%的活性炭小于0.87μm，粉體中細顆粒重量比例并不大。但從表1中767藥用粉末活性炭按個數分布的測定數據，其平均粒徑為0.17μm，3%的顆粒數小于0.0066μm，10%的顆粒數小于0.022μm，甚至50%顆粒數的活性炭也小于0.056μm，即小于56納米。從表1中的草甘膦生產用的一種鈀炭，按體積分布，平均粒徑為2.92μm，3%的小于0.46μm，幾乎并不太細，但從按個數分布的測定數據，平均粒徑為0.395μm，3%的顆粒數小于0.1μm，50%顆粒數的炭基催化劑小于 0.25μm。從表1的數據可知，兩種粉末炭，90%的顆粒數均小于1微米，這些粉體應屬于亞微米級粉體。
表1 767藥用粉末活性炭與一種草甘膦生產用鈀炭的粉體粒度測定值
|
粉體名稱 |
小于某一粒徑的累計百分比 |
≦3% |
≦6% |
≦10% |
≦16% |
≦25% |
≦50% |
≦75% |
≦84% |
≦90% |
≦97% |
平均粒徑μm |
|
767藥用粉末活性炭 |
按體積分布 μm |
0.53 |
0.71 |
0.87 |
1.10 |
1.49 |
2.89 |
5.17 |
6.58 |
7.83 |
9.3 |
3.79 |
|
按個數分布 μm |
0.0066 |
0.0132 |
0.022 |
0.035 |
0.047 |
0.056 |
0.15 |
0.25 |
0.37 |
0.84 |
0.17 |
|
一種草甘膦生產用鈀炭 |
按體積分布 μm |
0.46 |
0.62 |
0.77 |
0.95 |
1.21 |
2.07 |
3.80 |
4.79 |
5.86 |
8.35 |
2.92 |
|
按個數分布 μm |
0.10 |
0.11 |
0.12 |
0.13 |
0.15 |
0.25 |
0.45 |
0.62 |
0.80 |
1.29 |
0.395 |
1.2 細炭微粒易在濾餅層的毛細孔與濾材的毛細孔內穿移：
粉末炭顆粒表面無水化層，壓縮性很小，基本屬亞剛性顆粒。由這些炭粉形成的濾餅基本為不可壓縮性。按體積分布計，50%的粉末炭其顆粒粒徑不小于2μm。這些炭顆粒過濾時形成的濾餅層，其平均比阻一般不會大。表2給出六種化學脫色液與粉末活性炭及一種化學反應液與鈀炭過濾時所形成的炭粉濾餅層的平均比阻測定值。除了某一發(fā)酵液的濾液與粉末活性炭過濾時所形成的濾餅的平均比阻較大，達1015數量級，（這是由于該發(fā)酵液濾液在脫色過濾時，濾液中的可溶性蛋白質大量析出），其他基本只有1013和1014數量級。每一個濾餅層的平均比阻值，都可有一個該濾餅層的平均毛細孔徑值，根據我們多年的測定，濾餅層的平均比阻與濾餅層的平均毛細孔徑基本上在表3的數量級范圍內。
表2六種粉末活性炭與脫色液及一種鈀炭與反應液在不同壓差下的平均比阻值
|
被過濾的固體粉末 |
被分離的液體名稱 |
不同過濾壓差（kg/cm2）下的濾餅的平均比阻（1/m2）測定值 |
|
粉末活性炭 |
安乃近液，乙醇 |
壓差
（kg/cm2） |
0.132 |
0.227 |
0.395 |
|
平均比阻（1/m2） |
2.74×1013 |
8.57×1013
|
1.49×1014
|
|
對苯二酚 |
壓差 |
0.136 |
0.272 |
0.544 |
|
比阻 |
6.24×1013 |
9.17×1013 |
1.05×1014 |
|
糖化液 |
壓差 |
1 |
1.414 |
2 |
|
比阻 |
9.97×1013 |
1.04×1014 |
1.33×1014 |
|
某一發(fā)酵液濾液 |
壓差 |
0.5 |
0.707 |
1 |
|
比阻 |
1×1015 |
1.27×1015 |
1.41×1015 |
|
葡萄糖水解液 |
壓差 |
0.5 |
0.707 |
1 |
|
比阻 |
3.4×1013 |
4.20×1013 |
5.94×1013 |
|
某一口服液 |
壓差 |
0.5 |
0.707 |
1 |
|
比阻 |
0.96×1014 |
1.15×1014 |
1.20×1015 |
|
炭基粉末鈀炭 |
某一藥液 |
壓差 |
0.4 |
0.8 |
1.4 |
|
比阻 |
2.38×1013 |
7.05×1013 |
1.4×1014 |
表3 濾餅層的平均比阻與濾餅層的平均毛細孔徑之間的數量級關系
|
濾餅層的平均比阻數量級（1/m2） |
濾餅層的平均毛細孔徑的數量級（μm） |
|
1013 |
5~10 |
|
1014 |
3~5 |
|
1015 |
1~3 |
在過濾初期，這些濾餅層的平均毛細孔徑不會小于1μm，一般都大于3μm。由表1數據可知，小于1μm的亞微米級細顆粒的重量并不多，但按顆粒個數分布數可知，小于1μm的亞微米級顆粒數占總的顆粒數的90%以上。過濾起動后不久，濾餅層逐漸加厚，但濾餅層的毛細孔徑都比較大，這些亞微米級的細顆粒，尤其小于0.5微米的細顆粒，在濾液流的推動下，都會在濾餅層的毛細孔內向前滑移，很容易穿過整個濾餅層，進入濾材的毛細孔內，不僅會堵塞濾材，一些細顆粒會穿濾材的毛細孔，進入濾液內，導致生產上最頭痛的“漏炭”事故。
1.3 過濾溫度較高，不僅易于“漏炭”，濾材也易于損壞：
活性炭脫色與鈀炭的催化反應的溫度都較高，一般都大于100℃，脫色后與催化反應后的過濾分離階段，操作溫度不會低于80~100℃。過濾階段溫度高，液體粘度減少，液體的表面張力也減少，這些都使細顆粒在濾餅層與濾材的毛細孔內滑移速度加快，易發(fā)生“漏炭”事故。
脫色液與催化反應液多數為有機溶劑、酸、堿、鹽等化學液體，溫度高，這些化學液體對濾材的損壞作用加速，如果濾材是金屬，某些陶瓷，或有機纖維，都易造成金屬，某些陶瓷及有機纖維的腐蝕與纖維脫落。
2、精密過濾技術的最新進展：
粉末活性炭與炭基粉末催化劑在化工、制藥、農藥等工業(yè)生產上應用面很廣，由“漏炭”造成的產品質量惡化，收率下降的發(fā)生率很大。從1978年開始，我們的技術人員就在國內從事粉末活性炭精密過濾的技術研發(fā)。到上世紀八十年代初，先后開發(fā)成功的微孔PE與微孔PA兩類新型濾材及早期精密過濾機，成功用于不少企業(yè)的粉末活性炭的精密過濾。跟原來廣泛使用的以濾布、濾網為濾材的過濾機比較，新的濾材與過濾機對提高產品質量，防止“漏炭”事故方面已有重大進展，但新的濾材與過濾機是我們自主開發(fā)，國內外別人還沒有，誕生時間很短，研發(fā)深度還很淺，設計、生產與應用的技術積累還很少，以致雖在應用中表現(xiàn)出很好的固有特性，但新技術的早期的幼嫩性與不完善性也逐漸暴露出來，如濾材質量不穩(wěn)定，精密過濾機結構過于簡單等等，這些都制約了這個技術的進一步推廣。從2000年開始，我們?yōu)榇讼铝巳?，從濾材的機械性能與過濾性能的全面檢測與改善，精密過濾機的新型結構以及生產上的應用與服務等諸方面進行全方位研發(fā)，經過十多年的努力，取得重大突破，濾材與過濾機已獲一系列發(fā)明專利與實用新型專利。
2.1 濾材的最新進展：
2.1.1 管型濾材一次成型為2米，并達到相當高的均勻度：
以往，無論微孔PE或微孔PA，一次成型長度最長為1米，如果需1.5米或2米，必須采用熱熔融法粘結，致使連接處易斷。如一次成型達到1.5米，每一根過濾管其不同部分的毛細孔徑，孔隙率等上下差別較大，尤其微孔PA過濾管，它是多元粉體原料混合物的制品，上下差別更大。經過長達八年的不斷改進，于2007年，微孔PE管一次成型可達2米，于2008年微孔PA管一次成型達2米。
2009年，我們特對所有不同配方，不同孔徑規(guī)格的微孔PA與微孔PE管制成54根，每一根均為2米，每一根從上到下截成18段樣品，每一段分別測其平均毛細孔徑，平均孔隙率，平均比阻，抗拉強度與彈性模數等數據，以了解不同配方，不同型號的2米長的微孔PA與微孔PE管的均勻度。（管式過濾機內的管式濾材，其上下均勻度是確保整個過濾裝置質量的基礎。）共測得5832個數據。特舉一個毛細孔徑很細的2米長的微孔PA上下18段的平均毛細孔徑與平均孔隙率，列于表4。
表4 一根微孔PA管從頂部至下部連續(xù)測定的平均毛細孔徑與平均孔隙率
|
測定數據 |
從頂部至下部的順序號 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
平均毛細孔徑μm |
12.63 |
12.91 |
13.83 |
13.88 |
13.41 |
13.30 |
13.36 |
13.19 |
13.29 |
13.29 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
平均孔隙率% |
35.57 |
36.58 |
36.64 |
36.46 |
36.65 |
36.83 |
36.96 |
37.33 |
37.40 |
37.02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
測定數據 |
從頂部至下部的順序號 |
平均值 |
最大偏差 |
|
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
平均毛細孔徑μm |
13.20 |
13.11 |
13.10 |
12.97 |
13.33 |
13.69 |
13.26 |
13.06 |
13.27 |
4.6% |
|
平均孔隙率% |
37.34 |
37.03 |
37.22 |
37.59 |
37.21 |
37.09 |
36.27 |
35.70 |
36.8 |
5.4% |
由表4數據知，2米的小毛細孔徑微孔PA管，其上下平均毛細孔徑與平均孔隙率的波動都在5%左右。小毛細孔徑的原料相當細，又是多元組分混合，上下平均偏差一般為20%，我們是經過反復改進，才達到如此高的均勻度。
微孔過濾機
相關資料：
PE微孔管過濾機理及反沖洗的微觀動態(tài)特性研究;
工業(yè)生產上水處理用微孔精密過濾機;
精密微孔過濾機在超細粉末過濾與洗滌應用;
精密微孔過濾機在氫氧化鈷生產中的應用;
微孔精密過濾器在不同工況中的過濾應用;
聚乙烯微孔管過濾機簡介;
半導體生產中的廢水過濾;
超純氣體的過濾應用;
超純水制備的過濾應用;
催化劑回收中的過濾過程;
微孔過濾機---PEPA管系列操作使用說明書及尺寸選型;
超細粉體的外在過濾特性;
幾種過濾方式介紹;
流體中超細粉體的過濾、洗滌;
有色金屬工業(yè)生產上的顆粒雜質過濾;
針劑藥液的過濾應用;
關于發(fā)酵液的過濾應用；
精密微孔過濾機在二次鹽水中的過濾應用；
當前我國工業(yè)生產上的固液分離技術的概況；
技術支持：
如何選擇過濾設備—工況調查表
常見流體的粘度；
常見顆粒物的大小及設備選型參考；
常見流體化學適應性表；
選擇過濾精度時微米和目數的關系；
常見管道尺寸對照表；
如何挑選合適的過濾袋-過濾芯；
過濾機理和形式；
過濾行業(yè)中的常用術語；
過濾行業(yè)常見的單位換算；
過濾的種類及模式；
過濾行業(yè)中的一些名詞定義；
常見顆粒物粒徑大小；
常用壓濾機濾布分類；
過濾機理；
幾種過濾方法能耗分析；
幾種金屬顆粒和化合物粒徑分布；
顆粒尺寸和對應的過濾分離方式;
