1 前言

固液分离技术广泛应用于各个行业，如选矿、造纸、医药卫生、环境保护、食品等。传统的固液分离技术主要集中在过滤、压滤、重力沉降、浮选等方面。随着矿物资源的不断开采和利用，矿石日趋“贫、细、杂”，有用矿物经选别作业的后期处理日渐困难。许多选矿厂通过助磨剂的添加等措施，解决了微细矿粒的单体解离问题，前段选别作业能够很好地回收有用矿物，而后期则大大地损失了有用矿物。如东鞍山铁矿浓缩机溢流跑浑水高达5%的固体含量，其结果一是损失严重；二是给附近造成环境污染。同时，全球水资源急剧短缺，生存环境日益恶化，于是，人们对固液分离技术提出了更高要求，并倾注了很多心血去研究开发新的分离技术。

2 传统分离技术概述

传统的分离技术中，占主导地位的是过滤、沉降、筛分、干燥和离心沉降技术，其中，沉降技术又分为浓缩和澄清。首先，对于过滤技术，工业上基本使用圆盘过滤机，利用真空使固液分离，形成滤饼，滤液循环再用。盘式真空过滤机结构简单紧凑、占地面积小、处理量大、价格低、维修工作量小，初期投资比其他脱水方式都低。但对粘性微细粒物料脱水效果差。实验室内用滤纸分离晶体与滤液。其次，是沉降。沉降技术应用的范围较广，在选矿厂、水厂中随处可见，如各式各样的沉淀池、澄清池、浓缩池等。沉降过程以及所用的机构机械设备比较简单，使得重力沉降在各种固液分离技术中是较便宜的。这是因为它用较少的金属构件，能处理高水流速率，而且溢流常能达到较高的澄清度。有些难于过滤的物料能藉沉降法有效地分离。而干燥分离技术多用于寒冷地区的精矿脱水，以防冻车。筛分分离技术应用较为普遍，主要用于大块物料的脱水。

如前所述，传统的固液分离技术虽然对世界各国的工业发展起过非常重要的作用，但时代的发展却要求有更为先进、更为精确的固液分离技术应用于现代工矿企业乃至家庭生活中。

3 分离技术的新进展

3.1 沉降技术

沉降分离技术的发展除了设计使用不同机械原理的沉淀、澄清、浓缩设备外，主要集中于絮凝剂的开发上。当物料粒度很细时，特别是粒度小于5～10μm的矿泥，细小颗粒之间由于范德华力的相互作用使其吸引，经常呈无选择的粘附状态。又由于细粒物料本身具有很大的比表面、质量小、表面能高，属于热力学不稳定体系，故细粒微料之间的粘附现象，经常可以自发产生。

絮凝剂的研究和开发在固液分离技术中深受重视并取得了较大进展。如美国内华达大学麦凯矿山学院化学和冶金工程系的A.M雷查等关于生物絮凝剂絮凝粉煤的研究就是一个好的发展方向。

为了生产符合标准质量的煤以及提高粉煤的脱水性能，以前就研究过煤絮凝。其中大多数人的研究重点放在合成聚合絮凝剂的使用上。已用于煤处理的絮凝剂包括：部分水解的聚丙烯酰胺、非离子型的聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸盐、含有螯合基和络合基团的聚丙烯酰胺。在许多情况下，需同时用表面活性剂与聚和絮凝剂来提高煤的疏水性。如果不在适当条件下使用，合成絮凝剂就倾向于没有选择性。生物絮凝剂则正相反，在自然状态有选择性，并可在较宽的pH范围内作用，而且比合成絮凝剂的浓度要低。

该研究所用生物絮凝剂为微生物分支杆菌属，呈一种冻干细菌培养的状态。作为对比所用的两种合成聚合絮凝为聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）。在这项研究中考察了时间、浓度、pH和不同絮凝剂对于粉煤的絮凝影响。

使用不同絮凝剂时，时间对煤样沉淀量的影响也不同。较好的结果是使用从微生物中取得的生物聚合物获得的。随时间而增加的沉淀量在约2min内达到98%，然后随着时间进一步延长，沉淀量保持恒定。在使用合成聚合絮凝剂（PEO和PAM）时，4min之后才达到80%左右的沉淀量。使用生物絮凝剂，可以获得较快的沉降速率，因为絮团的形成非常迅速，并且很快沉降。使用合成絮凝剂时，絮团慢慢地形成，结合松散的絮团缓慢沉降。

研究了絮凝剂的浓度对煤样絮凝效率的影响。絮凝时间保持在3min。使用生物絮凝剂，当增加浓度时，絮凝效率显著地增加，在50×10-6的浓度下，达到大约0.98的絮凝效率，然后在更高浓度下保持恒定，用PEO和PAM絮凝剂表明，在150×10-6浓度下絮凝效率只有0.8。增加PEO浓度不影响絮凝效率。然而PAM在较高浓度下，絮凝效率却降低。这可能是因为颗粒之间的空间稳定性导致亲水表面的形成。另一方面，用生物絮凝剂提高了絮凝效率，达到一种显示煤表面疏水的平稳状态。用于该项研究的合成絮凝剂的用量比文献中报道的用量高得多。合成絮凝剂在中性pH下效果较好，而生物絮凝剂在pH为3～5的酸性范围内有选择性。

3.2 过滤技术

在金属矿山中，随着选矿工业的发展，矿产资源日益贫化、细化，一些选矿厂采用了细磨工艺，细粘物料日益增加，使浮选过滤变得更加困难。选煤也是如此，小于0.5mm粒级煤的含量逐年增加。因此精矿和精煤脱水问题日益突出，是亟待解决的问题，引起有关人员的关注。国内外有关科研院所、制造厂和使用部门在不断改进连续真空过滤机，连续加压过滤机在许多公司得到成功应用。而且在工艺和节能方面得到某些优化和改进的基础上，发展了蒸汽加压过滤技术和陶瓷过滤技术，出现了新型过滤机。这些新型连续式过滤设备具有滤饼水分低、形成快、处理能力大、压气消耗少、能耗低等优点，在生产时间中取得了良好的效果。

3.2.1 盘式真空过滤机

盘式真空过滤机结构简单紧凑、占地面积小、处理量大、价格低、维修工作量小，初期投资比其他脱水方式都低。但对粘性微细物料脱水效果差。为此，挪威海德拉力夫特（HYdraliftA/S）公司斯坎梅克（Scanmec）选矿分公司对盘式真空过滤机进行技术改造，将过滤机蜗轮蜗杆驱动装置改用链条驱动；加大管路直径和头部外形尺寸；扇形过滤板用聚氨酯或模铸橡胶制造。从而降低流速，提高过滤效率，降低滤饼水分，便于维修。改造后Scanmec盘式真空过滤机有22台用于美国明尼苏达梅萨比（Mesabi）铁矿区，对铁精矿过滤，滤饼水分为9.2%。

3.2.2 陶瓷过滤机

陶瓷过滤机首由芬兰Valmetoy公司研制成功，80年代中期芬兰Outo Kumpu mintec公司购置制造陶瓷片的专利，九十年代出了以毛细作用为原理的CC系列陶瓷过滤机以来，在世界各地有色金属选矿厂对铜、锌、铝、铅、镍及硫等精矿脱水过滤中获得广泛应用。该机兼备了常规真空盘式过滤机和压滤机两者的优点，结构简单，滤饼水分低，能耗低，滤液清澈，自动化程度高，处理能力大（一般为圆盘式真空过滤机的三倍），无滤布损耗，减少维修费用，设备结构紧凑，安装费用低，且生产成本更低。

陶瓷过滤机独特之处是利用毛细效应原理用于脱水过滤，用亲水性材料，烧结氧化铝制成陶瓷过滤板上布满了直径1.5μm和2μm小孔，每小孔即相当一个毛细管。这种过滤板经与真空系统连接后，当水浇注到陶瓷过滤板时液体将从微孔中通过，直到所有游离水消失为止。而微孔中水阻止气体通过，形成了无空气消耗的过滤过程，当陶瓷过滤板浸入过滤矿浆中时，在无外力作用下，借助毛细效应产生自然力进行脱水过程，过滤板堆积固体颗粒形成滤饼，滤液通过过滤盘进入滤液管连续排出，直到排干为止。整个过程只需一台很小的真空泵，就能取得处理能力大，滤饼水分低的效果。

目前又开发出加压型陶瓷过滤机以满足高海拔地区使用。其过滤机理和工艺效果有新的突破。我国是能源相对短缺的国家，开发低能耗陶瓷过滤机，潜在市场很大，势在必行。

3.2.3 蒸汽过滤技术与设备

蒸汽过滤是为解决细粘物料在常温下过滤效率低的问题而提供的一种新的过滤途径，可以进一步降低滤饼水份，从而节省干燥作业费用。

3.2.3.1 带蒸汽罩的真空过滤机

1962年，Burton首次将有100℃过滤蒸汽直接施加到用于浮选精煤的旋转真空过滤机的脱水区，可使细粒煤滤饼水分含量减少一半，每除去1kg水约0.75kg蒸汽，同时减少滤饼厚度与细颗粒含量均能提高蒸汽的有效作用。当蒸汽所受压差大于滤饼孔隙的毛细压力时，蒸汽便进入滤饼的孔隙中，排出滤饼孔隙中的自由水。当滤饼中水分被高温蒸汽加热，使滤液温度升高，从而降低水的粘度和表面张力。一般15℃水的粘度为1.14MPa·s，当温度升高到80℃时水的粘度下降到0.351Mpa·s，强化了脱水过程。蒸汽的高温也会使滤饼内部水分蒸发，从而极大地降低滤饼水分。

美国Eimco公司曾对硫化矿的浮选精煤，已脱泥后金属矿物、细磨过的金属矿物和洗煤厂的尾煤用真空过滤机进行蒸汽脱水试验，加蒸汽真空过滤机滤饼水分比真空过滤机滤饼水分分别降低了2.6%、3.9%、4.6%和5.5%。并得出蒸汽脱水与热力干燥法比较，在过滤费用、所占厂房面积、所需设备等方面具有明显优越性。

为解决过滤机受蒸汽腐蚀相当严重，塑料元件不能耐高温的问题，科佩兹研制了一台用高强度耐腐蚀材料制造的60㎡真空过滤机，配以高强度耐腐蚀的蒸汽罩。进行脱水试验表明：与普通真空过滤机相比，滤饼水分显著降低，在运转可靠性和使用寿命上不低于普通真空过滤机。

3.2.3.2 蒸汽加压过滤技术

蒸汽加压过滤机是把机械和热力过程结合到同一过滤设备上，在温度较低的滤饼表面，蒸汽冷凝形成冷层，进而从滤饼中排出毛细水。

德国BOKELA机械工艺技术工程师协会的博特博士进行了蒸汽加压过滤机实验研究。他将真空过滤机置于加压容器中，驱动装置安装在压力容器外部，对高温引起变化要格外注意，如过滤机控制头、滤布、滤饼、排出机构等。在压力容器中充以压缩空气，蒸汽室充以蒸汽，并减少了热辐射而引起蒸汽损失。通过压差控制使蒸汽室蒸汽压力稍高于压力容器中压气压力，以防止进入蒸汽过滤区域。压力容器内仪器设施不接触高温与蒸汽室相隔离。容器中悬浮液的表面只与压气接触，并主要靠压气过滤形成滤饼，这样就较大限度降低了由于冷凝而损失的蒸汽。

3.2.4 带式压榨过滤机

带式压榨过滤机是世界上一种发展较快的污泥脱水设备，它结构简单、操作方便、能耗低、噪音小、可连续作业，因而美国、英国、德国以及奥地利等国相继对它进行了研究和开发应用。应用范围除了城市下水污泥处理外，已普及到造纸和纸浆、选矿、选煤、化工、食品等行为，以及工业废水污泥处理。

提高自动化操作水平始终是带式压榨过滤机高效率化的重要研究课题。因此，近几年国外一些公司进行了以调节污泥性状为主的、监控脱水操作过程的自动控制系统的研究，如美国Von Roll公司和日本（株）神户制钢所，它们研究出了由微机辅助的自动控制系统。这种自动控制系统由传感原件和控制台所组成，用来控制和调节絮凝剂的添加量，污泥的投放量以及脱水操作过程等。

滤带再生效果的好坏将影响到滤饼剥离和脱水效率。传统采用高压水喷洗滤带的方法。这种方法的缺点是用水量大，每小时需5～10t/m（水压0.8～160MPa），清洗下来的污泥混入清洗液回流，增加了水处理系统的负荷。国外开发出了一种滤带超声波清洗新技术。这种超声波清洗机构装置在滤带返回的一定部位，部分返回滤带浸入清洗水槽内，由超声波发振装置发出的振波从行走着的滤带反面（非滤带承载面）向滤带辐射，使附着在滤带面上的污泥浮离于水槽水中，然后由设在超声波发振器后的高压清洗喷嘴辅助喷洗，使滤带完全再生。

目前，带式压榨过滤机已由普及型向高效率化方向发展。这一发展趋势的主要标志是：（1）整机结构的紧凑化；（2）滤饼低含液量及脱水操作的高效化；（3）自动控制系统化等。

3.3 膜分离技术

膜分离技术发明后，随着新型高分子材料的开发，分离功能材料在功能高分子材料中已占有十分重要的地位。1994年世界分离膜的总产值已达22亿美元。并以12%～15%年需求增长速率向前发展。膜分离技术是用人工或天然合成的高分子分离膜，借助于化学位差或外界能量的推动力对双组份或多组份的溶质和溶剂进行分离、提纯和富集的方法，以压力差为推动力的膜分离过程可分为微滤、超滤、反渗透等。由于使传统的分离工序发生革命性的变化，所以高分子分离膜，广泛地应用于化学工程、生物技术、医学、食品工业、环境保护、石油探测等众多领域内，在当代高新技术领域内，膜分离技术将作为开发的重点，对其研究的主要方向集中在膜材的研制和膜应用的研究。

3.3.1 新型膜材

（1）聚砜超滤膜

聚砜膜为一种性能优良的膜，膜厚＜40μm，内层空隙率高，孔规则且无致密外层的特点。聚砜膜可制成三层结构的膜，锭状孔的内表层，圆形孔的外表层和枝形孔的中间层。使用氯甲基化聚砜为原料，采用干一湿法纺制中空纤维膜。采用聚砜反渗透膜成功地用于工业废水和废液处理，是它比较有希望的应用领域之一。

（2）纳滤膜

纳滤膜介于反渗透与超滤膜之间，由于该过滤过程的膜孔径处在纳米级内，截留分子是在百量级，因此成为：“纳滤”。其对NaCl的截留率为50%～70%，对有机物的截留率为90%。

（3）聚乙烯醇膜

聚乙烯醇由聚乙酸乙烯醇解制成，我国为世界聚乙烯醇生产的第一大国。具有原料易得的生产优势。聚乙烯醇膜的制备可分为交联法和交联前先共聚两种，采用的共聚单体可以是甲醛丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯腈等。

（4）中空纤维富氧复合膜

中空纤维复合膜直径小，可紧密排列，在膜分离器内装填密度大，可使设备更加小型化，结构简单化。由于中空纤维具有大的比表面积和自我支撑特点，适于制成小型装置，特别适应于医药和生物工程中等不同物质的分离。中空纤维富氧复合膜具有高的富氧能力，其通量远大于均质中空纤维膜和不对称中空纤维膜，且耐压性好，为中空纤维膜。

3.3.2 膜的应用

在膜的应用方面，与膜流场相对应，有两种膜过滤形式：死端过滤和十字流过滤。由于十字流过滤具有膜污染程度较小，膜通量大，能持续运行而得到广泛应用，微滤技术因为开发早，应用较广泛。因此，十字流微滤技术成为膜分离领域较受重视的一项技术，但困扰膜分离技术应用和发展的一个关键问题是由于浓差极化和膜污染而造成膜过滤通量下降。膜的污染是指由于浓差极化在膜的表面形成滤饼层，或由于颗粒的沉积，堵塞膜孔，使膜过滤通量下降。为了使过滤能持续高效的运行，必须减小浓差极化现象和颗粒的沉积。人们采用了一些不同方法来解决膜的污染问题，比如采用反向冲洗技术、外加电场、增加流动不稳定、脉冲进料等方法，但这些方法的共同特点是膜本身是静止的，因此总是存在着滤饼层。1978年，A·Magraritis和C.R.Wilke提出了旋转动态膜过滤，由于它的膜是运动，滤饼层较难形成，所以成为一种很有应用前景的分离技术，也成强化过滤方法研究较多的结构。旋转动态膜结构一般分为两种形式：一种是圆筒式（管式）结构，内筒为膜管或内外均为膜管，内筒旋转；另一种是圆盘式结构，旋转件为膜面或紧邻膜面处加旋转件。相对而言，旋转管式动态膜比旋转盘式动态膜研究更多一些，这是由于旋转管式动态膜的内管旋转在管环隙间形成泰勒涡二次流，强化过滤效果明显。

虽然动态膜分离有诸多好处，但由于其研究时间较短，自身也存在产量小，能耗相对较高等缺点，因此，它还没有得到广泛的应用。但很多学者对其赋予很高的期望，并做了大量的工作，使其能得到广泛应用有了理论和实验基础。

3.4 超声分离技术

在化学研究和化工生产中常常要把浮在液体中的固体粒子清除，为此需要相应的分离技术。传统的方法是使用各种类型与规格不同的过滤膜或过滤网，滤除粒子；或者是采用离心分离器、旋流分离器，利用离心力分离固体粒子。前者因常常出现过滤阻塞，因此不得不定期清理或更换过滤膜；后者因为要使液体产生高速运动，所以能耗较大，特别在分离细小粒子时就更为困难。如果能使固液分离过程避免过滤阻塞，保持连续工作，又能使分离所用能耗较大幅度降低，这将会带来明显的经济效益。应用功率超声可为解决这个问题提供理想的途径，超声分离能够彻底革除过滤这道工序，因此与过滤阻塞有关的一切问题自然不复存在，超声分离无需使液体产生高速运动，故而能耗较低。

超声分离的原理是利用液体中两个不同频率、振动方向、相对方向传播的两个平面声波，在传播过程中叠加，产生若干个振动速度为零的点，并且此点以一定速度向某一方向移动。而液体中的固体粒子在声波作用下总是在振动速度为零处聚集，并随此点运动而运动，聚集在装置的一侧，从而使固液分离得以实现。

超声频率、声强的选择是相关联的。一定频率、一定声强的波作用于液体，有时会产生超声空化，从而使液体中的固体粒子被粉碎，这是分离过程不希望发生的。实验证明：频率越高、声强越小的平面波在液体中越不会产生空化现象，且声强比频率对空化的产生影响较大。但声强较小时，液体对固体粒子的推动力就小，因此两个换能器的频率和声强的选择依据是：

（1）在此频率下，液体中微小质点受声波作用，产生要对运动互相碰撞，使之产生凝聚。

（2）在此频率和声强下，液体不会产生空化现象，固体粒子不会被粉碎。

3.5 磁滤技术

近二十年来，国外高梯度磁过滤技术的研究十分活跃，已用于解决许多环境和工业问题。例如：核反应堆冷却水的过滤，水中磷酸盐的脱除，赤铁矿和铬铁粉末及超细粉末的回收，废水中重金属的脱除等，并从分离强磁性大颗粒发展到去除弱磁性反磁性低浓度小颗粒，因而该技术引起了国内外科技工作者的普遍注意。

高梯度过滤技术（简称HGMF），即让滤浆流过高梯度磁过滤器，利用高梯度磁场产生的强大的磁场力，脱除滤浆中的固相。从滤浆中去除磁性固相，如铁、镍、钴等比较简单，使滤浆直接流过高梯度磁过滤器即可实现。而去除非磁性及反磁性固相，如十氧化硅、有机物、藻类、酵母和细菌，则需先投加磁种（高磁化率的颗粒）与待分离颗粒形成顺磁性凝聚物，然后用高梯度磁过滤器脱除，这个过程称为磁种过滤。

高梯度过滤技术的特点是：

（1）处理滤浆速度快，能力大，效率高。

（2）设备简单，操作简便，维修费用低。

（3）易再生，可在高温下（可达600K）使用。

（4）可减少或不使用化学药品，消除二次污染。

（5）适宜处理固相为微米级的低浓度（可达10-3～10-5mg/kg）悬浮液，且温度及气候的变化不影响处理效果。

为了使高梯度磁过滤技术在分离领域中获得更广泛的应用，以下几个动向值得重视。

（1）目前研究的主要对象是如何改善过滤性能，改善的方法是增加磁场梯度和提高过滤能力，而这两点均与过滤介质材料有关。

（2）用极廉价的顺磁性材料（如炼炉的粉尘）代替强磁材料做磁种处理含非磁性物质的废水，用后与滤渣一并废弃，省去了磁种回收工艺，可以大大节省费用。钢铁生产中的废水，含有磁铁类粒子，特别适合用于高梯度磁过滤过程，这是以废治废的有效措施。

（3）把高梯度磁过滤技术应用到生物分离过程，以简化工艺，提高产品回收率，降低生产成本，将会给生物下游加工技术带来新的发展。

（4）超导磁过滤技术是未来高梯度磁过滤技术的发展方向。通常，提高磁场强度即可提高流速，增加滤浆处理量，而不影响高梯度磁过滤器的性能。但是，随着处理量的增加，过滤器成本与耗电量也显著增加。而且，若超过一定流速，高梯度磁过滤器控制过滤的能力就要下降。超导磁过滤器可克服上述缺陷。其磁场强度可高达14T，由于超导体在临界温度以下无电阻。因此，运行时耗电极低。它能在较大的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场，因而可提高处理量。由于超导磁过滤器能够产生很高的磁场强度，可使悬浮液中的顺磁性颗粒充分极化，从而可直接去除顺磁性固相，而不要投加磁种。

（5）高梯度磁过滤机理模型的构建，改变当前关联各种具体参数的局面，考虑关联一组无因次参数，例如：取无因次速度、雷诺数、无因次长度为一组参数进行关联，事实上这一组参数包括了磁过滤体系所有参数，从而建立起普遍化机理模型。