研究自清洗过滤器特性与选择原则

  过滤属于流体的净化过程中不可缺的处理手段,主要用于去除流体中的颗粒物或其他悬浮物。自清洗过滤器的原理是利用有孔介质,从流体(液体或气体)中去除污染物,使流体达到所需的洁净度水平。自清洗过滤器经常被人们认为是一种简单的网或筛子,过滤或分离是在一个表面上进行的。这是过去的方式,现在大多自清洗过滤器的滤壁是有一定厚度的,也就是说自清洗过滤器材具有深度,以“弯曲通道”的形式对去除污染物起到了辅助作用。自清洗过滤器是除去液体中少量固体颗粒的设备,当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后,其杂质被阻挡,而清洁的滤液则由自清洗过滤器出口排出,当需要清洗时,旋开支管底部螺塞,排净流体,拆下法兰盖,取出滤筒,处理后重新装入即可。众所周知,自清洗过滤器的核心原件是滤膜,这是一种制备在微孔承托层(支撑体)上的布满更微小孔隙的薄膜。制作滤膜的材料有很多,分为有机膜(如聚砜中空纤维膜)和无机膜(如陶瓷膜)。自清洗过滤器的过滤精度较高,粒径控制比较稳定,而且反冲洗容易恢复性能。因此,使用维护极为方便。

  1 过滤机理与影响因素

  1.1 过滤机理

  流体的过滤机理主要有2种。一种是基于颗粒的大小来分离,例如拦截、筛分和表面捕获等;另一种是吸附,即颗粒在化学/电荷作用下粘附在滤器上。这就要求各个药厂根据自身的实际需要来选择不同的过滤网。

  1.2 影响过滤的因素

  1.2.1 流体的特性

  与流体的特性有关。例如,流体的粘度和化学/离子成分,流体的粘度越大在同样的压力条件下流速越慢,流体与膜之间有较多接触,过滤效果较好;再如,流体和膜的混合/接触时间对过滤效果也有较大影响,混合/接触时间越长则过滤效果越好。此外,需要注意的是,流体的特性只影响膜对流体的吸附截留效果而不影响颗粒大小的排除。

  1.2.2 操作条件

  与实际操作条件有关,如颗粒的流速和过滤压力。要想取得好的过滤效果,一般选择较低的流速,流速越低截留效果越好。实践证明膜的结构移动对过滤是不利的,一旦膜的结构在过滤过程中发生了变化,则颗粒和纤维就能从深层自清洗过滤器析出,影响到过滤效果。但是,速度/压差仅对吸附截留有重要影响,对大小排除影响相当小。

  1.2.3 颗粒类型

  颗粒类型与过滤效果也有很大关系,颗粒分为可变形颗粒和不可变形颗粒2种。在一定的压力下,可变形颗粒会进入过滤网内并导致更多的过滤网孔堵塞,从而影响到过滤效果,如凝胶的过滤。然而,不可变颗粒过滤时则会在滤膜上形成一层类似饼状的物体。

  1.2.4 过滤网类型

  与过滤网的类型有关,不同过滤网的孔径和结构不同,有些膜的结构是刚性的,有些膜的结构是可移动的。预过滤网的额定孔径没有一个统一的国家标准,不同的制造商有自己的定义和方法,所以选择和更换商家时需引起高度注意,同样是0.22μm的预过滤网,选用不同制造商的过滤效果会存在很大差别。而除菌过滤的公共孔径是有法规定义的,各个商家执行的是同一个标准,在选择和更换时就相对要简单一些。

  1.2.5 过滤材质

  与过滤的材质有关,过滤材质按与水的关系分为亲水性(水可浸润)和疏水性(水不可浸润)2种。亲水性的自清洗过滤器主要应用在水或水/有机溶液混合的过滤和除菌过滤,如纤维素材料(再生纤维素、混合纤维素酯)、PVPP聚碳酸酯、PVDF改良聚偏二氟乙烯;疏水性自清洗过滤器是通过水被截流或“引导”进入滤膜,主要应用在溶剂、酸、碱和化学品过滤,罐/设备呼吸器,工艺用气,发酵进气/排气过滤,如PTFE聚四氟乙烯、PVDF聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚砜、聚碳酸酯等。

  2 自清洗过滤器特性与结构

  自清洗过滤器一般分为深层自清洗过滤器(初级过滤)、表面自清洗过滤器(中间过滤)和膜自清洗过滤器(深度过滤)3种。深层自清洗过滤器的纤维时有脱落,不能给出一个确切的孔径,厚度一般在3~20mm,通常有吸附作用,并有较大的承污能力;表面自清洗过滤器的纤维一般用热粘合或膜涂布而成,可以给出额定孔径,比较薄(<1mm),吸附能力较小;膜自清洗过滤器的主要特点是质地坚硬,不易破碎,有曲折的通道和非常高的内表面积,有一定的开孔率,能做完整性测试,常用于深级过滤,如无菌自清洗过滤器。