李文蘋

（美國(guó)ARC公司，路易斯安那州萊克查爾斯市，70615，美國(guó)）

1 過(guò)濾分離技術(shù)的發(fā)展、影響因素及發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)濾分離過(guò)程廣泛地應(yīng)用于石油、化工、煤炭、金屬、礦業(yè)、造紙、汽車、生物、電子等工業(yè)領(lǐng)域，以及環(huán)保、食品、醫(yī)藥、水處理等與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。待分離的顆粒尺寸由離子、分子、納米、微米到毫米級(jí)變化，其分散狀態(tài)可以為懸浮液、膠體、乳液、泡沫、灰塵、汽霧等。由于顆粒大小及其分散系統(tǒng)的狀態(tài)、物理化學(xué)性能以及分離要求的多樣及多變性，具體應(yīng)用過(guò)程中的過(guò)濾分離技術(shù)方法也是多種多樣、千差萬(wàn)別。根據(jù)流體及粒子系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，過(guò)濾分離基本可分為固-液分離、固-氣分離、液-氣分離以及液-液分離4種。不同的過(guò)濾或分離過(guò)程以及所涉及技術(shù)過(guò)程如表1所示[1]。

表1 過(guò)濾分離過(guò)程的分類及技術(shù)設(shè)備舉例

過(guò)濾分離涉及人類生產(chǎn)生活的方方面面。人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致能源、水及其他資源需求的迅速增長(zhǎng)。能源、水及其他資源的開發(fā)利用以及由此產(chǎn)生的環(huán)境保護(hù)需求及相關(guān)法律政策，均導(dǎo)致過(guò)濾分離技術(shù)的提高以及產(chǎn)品市場(chǎng)的迅速發(fā)展。另外，全球氣候變暖的威脅以及人類自身健康意識(shí)的提高也同時(shí)影響了過(guò)濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展。根據(jù)Avedon Capital Partners 市場(chǎng)報(bào)告[2]，2008年全球過(guò)濾市場(chǎng)為600億美元，并以6%的速度逐年遞增。預(yù)計(jì)增長(zhǎng)速度為GDP增長(zhǎng)的兩倍。發(fā)展最快的市場(chǎng)將在中國(guó)、印度及南美，而產(chǎn)品生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)全球化。美國(guó)過(guò)濾分離協(xié)會(huì)市場(chǎng)研究報(bào)告[3]指出，在美國(guó)，由于加工業(yè)、汽車工業(yè)的發(fā)展以及人民消費(fèi)水平的上漲，預(yù)計(jì)到2015年，過(guò)濾市場(chǎng)將增加至126億美元，其在汽車、內(nèi)燃機(jī)及其他工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)的年增長(zhǎng)速度分別為7.9%、7.7%、9.7%。

在以上影響過(guò)濾分離發(fā)展的因素中，人口增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的人類對(duì)能源、水及其他資源的巨大需求，環(huán)境保護(hù)的需求及更加嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策，以及人類持久生存、全球變暖的問題均為影響過(guò)濾分離發(fā)展的外在因素。美國(guó)過(guò)濾分離協(xié)會(huì)2013年5月市場(chǎng)研究報(bào)告[4]分析，目前到2018年，過(guò)濾分離技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展主要驅(qū)動(dòng)力仍為空氣、水和環(huán)境保護(hù)。而貫穿能源、資源、環(huán)境發(fā)展的指導(dǎo)思想則為發(fā)展的可持續(xù)性或持久性（sustainable development）。

聯(lián)合國(guó)Brundtland Commission定義“可持續(xù)發(fā)展”為“development that meets the needs of the present w ithout comprom ising the ability of future generations to meet their own needs”，并在1992年通過(guò)了全球可持續(xù)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃的“二十一世紀(jì)議程”（Agenda 21）。根據(jù)定義，可持續(xù)發(fā)展規(guī)律可以理解為一種全球性、可以世代持續(xù)進(jìn)行下去的不會(huì)影響自然及社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的行為[5]。德國(guó)在1994年制定的“Protection of Mankind and Nature”中所列行動(dòng)計(jì)劃主要包括以下方面[6]：

（1）資源使用速率不可以超過(guò)其自身再生或具有同樣功能的替代品生產(chǎn)速率；

（2）廢棄物質(zhì)的釋放不可以超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的容納能力或其自解能力；

（3）避免由人類行為產(chǎn)生的對(duì)自然及人類的危害；

（4）人類對(duì)自然產(chǎn)生危害及影響的時(shí)間度量必須充分符合自然環(huán)境對(duì)此做出反應(yīng)的時(shí)間。

由此可見，以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)提高能源使用效率、減少以及循環(huán)使用資源及原材料、降低污染物的排放為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。BP石油公司在其2013年年度報(bào)告中指出[7]，2011—2030年，雖然世界經(jīng)濟(jì)將增長(zhǎng)一倍，但歸功于技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新，能源的使用效率將提高31%，因此能源需求總量將僅增加36%。能源需求速度小于經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)速度，從而完美地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

在能源資源可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的思想指導(dǎo)下，過(guò)濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展將有以下幾方面趨勢(shì)。

（1）低能耗或高能率 過(guò)濾分離同其他分離過(guò)程，如精餾、蒸發(fā)相比，為一種低能耗過(guò)程。過(guò)濾新材料的開發(fā)以及納米纖維、粒子的使用進(jìn)一步降低了過(guò)程驅(qū)動(dòng)力（過(guò)濾壓降），從而更大地降低了能量的消耗。

（2）低材料消耗，低成本 該趨勢(shì)可以體現(xiàn)在提高產(chǎn)品壽命，減少拋棄型產(chǎn)品用量，降低產(chǎn)品整個(gè)生命循環(huán)的消耗成本。

（3）減少?gòu)U物拋棄 隨著膜材料及技術(shù)的發(fā)展，廢水處理已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的回收利用及零排放。污泥的開發(fā)利用大大減少了污染物對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

（4）過(guò)濾精度不斷提高 工業(yè)中日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量及擴(kuò)大的生產(chǎn)量以及環(huán)境保護(hù)方面越來(lái)越嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致氣體或液體過(guò)濾領(lǐng)域?qū)︻w粒分離精度要求越來(lái)越高。

（5）不斷擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域，耐高溫、耐腐蝕 工業(yè)發(fā)展各方面對(duì)低能耗產(chǎn)品的傾向?qū)е逻^(guò)濾分離的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，并對(duì)過(guò)濾產(chǎn)品、過(guò)濾介質(zhì)的適宜操作條件提出了更高的要求。

（6）系統(tǒng)的高自動(dòng)化、連續(xù)操作、短鏈過(guò)程 低能耗、高效率必然對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化、連續(xù)性提出了更高要求。而縮短過(guò)程操作的步驟，實(shí)施短鏈操作則體現(xiàn)了低能耗、低成本、低污染的指導(dǎo)理念。

（7）技術(shù)產(chǎn)品自身的不斷創(chuàng)新 能源、資源、環(huán)境政策均為過(guò)濾分離發(fā)展的外在因素。而為適應(yīng)不斷擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域、新要求而進(jìn)行的產(chǎn)品自身的更新、創(chuàng)新、發(fā)展則為過(guò)濾分離發(fā)展的內(nèi)在因素。

針對(duì)上述過(guò)濾分離的發(fā)展趨勢(shì)，本文以下部分將通過(guò)過(guò)濾分離技術(shù)及產(chǎn)品在能源、水以及環(huán)境等領(lǐng)域的一些具體應(yīng)用，介紹歐美近年來(lái)涌現(xiàn)的一些過(guò)濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的具體實(shí)例，及其對(duì)以上發(fā)展趨勢(shì)及“可持續(xù)發(fā)展”概念的體現(xiàn)。

2 過(guò)濾分離在能源領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用

BP石油公司發(fā)表的2030 Outlook報(bào)告中樂觀地指出，歸功于能源使用效率的提高以及可再生能源及頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非傳統(tǒng)能源的開發(fā)使用，到2030年美國(guó)原油進(jìn)口量將降低 70%，并最終實(shí)現(xiàn)99%的能源自給自足。美國(guó)對(duì)石油及煤炭的使用將分別降低19%和16%，從而二氧化碳排放量將降低10%。該推論除了依賴于新技術(shù)帶來(lái)的更高能源使用效率，更大部分則基于美國(guó)近年來(lái)對(duì)非傳統(tǒng)能源的開發(fā)利用以及可再生能源資源的開發(fā)和生產(chǎn)。非傳統(tǒng)能源的開發(fā)為過(guò)濾分離提供了巨大機(jī)遇。全球過(guò)濾設(shè)備在非傳統(tǒng)能源方面市場(chǎng)預(yù)計(jì)將由 2010年的13億美元增至2015年的15億美元。以下僅通過(guò)頁(yè)巖氣開采中采出水處理、生物柴油以及廢物轉(zhuǎn)化為能源3個(gè)例子來(lái)介紹過(guò)濾分離在能源開發(fā)方面的一些應(yīng)用。

2.1 頁(yè)巖天然氣開采中的采出水處理[8]

雖然人類很早便發(fā)現(xiàn)天然氣在頁(yè)巖中的巨大儲(chǔ)量，但由于技術(shù)所限，直到20世紀(jì)90年代，才在美國(guó)德克薩斯州采用水力壓裂技術(shù)成功開采。該技術(shù)利用水壓將巖石層壓裂，從而釋放出其中的天然氣。由于美國(guó)傳統(tǒng)天然氣資源儲(chǔ)量下降，近十年來(lái)頁(yè)巖開采得到迅速發(fā)展。僅 M arcellus地區(qū)，2008年僅有不到200個(gè)鉆井，但到2010年達(dá)到1386臺(tái)，而 2013年該數(shù)目增至 2073臺(tái)。每一臺(tái)井在初始開采過(guò)程中需要注入 200萬(wàn)加侖水（1加侖= 3.78541dm3），其中50萬(wàn)加侖水（frac water）需要返回地面處理。在鉆井運(yùn)作過(guò)程中，每臺(tái)井每天產(chǎn)生4200加侖的產(chǎn)出水（produced water）有待處理。整個(gè)開采過(guò)程中產(chǎn)生的廢水含泥沙、油污以及大量的鹽，總?cè)芙夤腆w（TDS）最高可達(dá)300000mg/L。處理TDS的方法一般為蒸發(fā)結(jié)晶，但耗能巨大；另外一種方法是反滲透（RO），但存在前處理的問題?；诹闩欧诺囊?，以下介紹幾例頁(yè)巖氣開采廢水處理的技術(shù)方法。

Aqua-Pure 公司采用能耗效率非常高的機(jī)械式蒸汽再壓縮（VPR）蒸發(fā)技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣開采產(chǎn)生的廢水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理，解決了高含鹽量廢水處理的問題，實(shí)現(xiàn)了水的回收利用，處理回收量達(dá)每天300000加侖。該公司用于頁(yè)巖氣開采廢水處理的NOMAD系統(tǒng)目前已經(jīng)生產(chǎn)安裝投入使用近14臺(tái)。

以Texas A & M 大學(xué)為主開發(fā)研究了一套用于油氣田開采廢水處理的RO系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作測(cè)試，可以將含鹽量高達(dá)50000mg/L的廢水轉(zhuǎn)化為淡水。但是該技術(shù)需要配套的預(yù)處理，包括離心分離、吸附、微濾以及使用不同抗油污染的膜材料及技術(shù)等。預(yù)處理技術(shù)及裝置增加了過(guò)程裝置及成本，因此目前該技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水處理方面還沒有得到真正的應(yīng)用。

Filter Sure公司針對(duì)該領(lǐng)域廢水開發(fā)了一種多層床深層過(guò)濾技術(shù)，用于固體懸浮物的去除及 RO過(guò)程預(yù)處理，大大降低了預(yù)處理成本。

美國(guó)PWA公司推出Osorb?過(guò)濾技術(shù)用于油氣開采產(chǎn)出水[9]。該技術(shù)裝置可以去除水中自由及溶解的油，可以用作膜裝置的預(yù)處理，其具有自動(dòng)、連續(xù)、可再生及體積小等性能，體現(xiàn)了持續(xù)性的特點(diǎn)。

Mycelx?公司的膜預(yù)處理裝置結(jié)合過(guò)濾介質(zhì)及化學(xué)處理用于產(chǎn)出水以及石化煉油廢水處理，主要針對(duì)水中分散相油的去除[10]，適用性及操作彈性比較大，可以應(yīng)付實(shí)際操作過(guò)程中進(jìn)料中油分性能及濃度的變化。該技術(shù)具有連續(xù)自動(dòng)操作、體積小、短鏈操作、效率高的特點(diǎn)，體現(xiàn)了過(guò)濾分離技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

目前世界頁(yè)巖氣儲(chǔ)量高達(dá)16000萬(wàn)億立方英尺（1立方英尺=0.0283168立方米），其中美國(guó)占大約4000萬(wàn)億立方英尺，中國(guó)和印度占3500萬(wàn)億立方英尺。該領(lǐng)域的廢水處理需求為過(guò)濾分離提供了一個(gè)比較大的市場(chǎng)。

2.2 生物柴油中的過(guò)濾吸附劑

生物柴油作為一種可再生能源，在國(guó)家政策刺激下得到發(fā)展。2010年美國(guó)有204家生物柴油生產(chǎn)廠，產(chǎn)量達(dá)到132.3億加侖。全球生物柴油2010產(chǎn)量為229億加侖。生物柴油生產(chǎn)可以以植物、植物油或動(dòng)物油為原料經(jīng)催化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為生物柴油，生產(chǎn)過(guò)程有干法或濕法。圖1所示為一以植物或動(dòng)物油為原料的生產(chǎn)過(guò)程。其中，干洗過(guò)程在催化反應(yīng)后需要經(jīng)過(guò)吸附過(guò)濾去除反應(yīng)過(guò)程中的甘油及脂肪酸鹽等雜質(zhì)，從而得到合格的生物柴油產(chǎn)品。過(guò)程中廣泛使用的吸附材料顆粒非常細(xì)小，濾餅阻力比較大，而且非常容易堵塞過(guò)濾介質(zhì)。MaxFlo?助濾產(chǎn)品（圖2）由于其自身的多孔結(jié)構(gòu)，集過(guò)濾及吸附功能于一身，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸附及有效過(guò)濾，與使用單純的吸附劑和助濾劑相比，操作鏈縮短，成本降低，且固體廢物產(chǎn)出量更低，因此更加符合綠色持久操作的要求。

2.3 生物甲烷氣

美國(guó)Quasar Energy Group 公司開發(fā)了一種將有機(jī)廢物如城市污泥轉(zhuǎn)換為甲烷氣的技術(shù)[11]。該甲烷氣通過(guò)Air Products公司的PRISM?膜分離技術(shù)進(jìn)行凈化處理，然后作為汽車燃料用于市政卡車等車輛。PRISM?膜分離裝置由具有不同選擇滲透性的中空纖維膜組成。該組件可以連續(xù)、有效地過(guò)濾掉生物氣中的雜質(zhì)，產(chǎn)生的甲烷氣純度達(dá)到97%。同其他技術(shù)相比，該膜技術(shù)安全、可靠，能耗低，操作費(fèi)用低，為生物質(zhì)能源開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。

圖1 生物柴油生產(chǎn)過(guò)程

圖2 Agrilectric MaxFlo? 過(guò)濾吸附劑

3 過(guò)濾分離與水資源

近些年來(lái)，無(wú)論是城市廢水/污泥處理、工業(yè)廢水處理，還是純凈水過(guò)程，提高能率、回收利用、低成本、安全可靠、持續(xù)、可再生水資源管理及發(fā)展，均代表了水處理及廢水處理的基本發(fā)展思路。以下介紹幾例在水、污泥或水凈化領(lǐng)域具有這些發(fā)展思路的新技術(shù)及產(chǎn)品。

Hydrok（www.hydrokuk.co.uh）公司與Me-cana Umwelttechnik GmbH公司聯(lián)合推出了一種以過(guò)濾介質(zhì)為基礎(chǔ)的、可自動(dòng)反清洗的深層過(guò)濾器[12]。該產(chǎn)品的核心為Pile Cloth Media。該過(guò)濾介質(zhì)由于其特殊纖維及形成技術(shù)，在整個(gè)介質(zhì)厚度層內(nèi)都可以收集截流微小固體顆粒，操作周期長(zhǎng)，分離效率高，同一般的砂濾器相比，過(guò)濾精度高，同時(shí)可以處理固體含量較高的物料，可用于廢水處理中的二級(jí)或三級(jí)處理。該產(chǎn)品具有能耗低且效率高的特點(diǎn)。

Biowater Technology公司生產(chǎn)的 Moving Bed Biofilm Reactor用于城市廢水處理[13]。同一般的生物膜反應(yīng)器相比，該技術(shù)具有設(shè)備緊湊、節(jié)能、操作成本低等特點(diǎn)。挪威Roros市采用該技術(shù)對(duì)其城市污水處理系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，減少了絮凝劑用量，同時(shí)減少了CO2排放量。

Modern Water 公司使用正滲透技術(shù)進(jìn)行水脫鹽處理[14]。正滲透過(guò)程由于其特殊的技術(shù)，滲透壓力與純水自然流動(dòng)方向一致，過(guò)程操作壓力只需要克服膜的阻力，同反滲透相比節(jié)能達(dá)40%，而且膜污染程度低，具有更好的水處理效果；同時(shí)由于膜污染程度低，膜壽命較長(zhǎng)。

工業(yè)應(yīng)用中由于酸堿中和或操作過(guò)程中帶來(lái)的高鹽含量的水一般比較難處理。Ghyselination等[15]最近發(fā)表了結(jié)合電解及具有選擇性的雙極膜電解分離技術(shù)處理工業(yè)鹽水的研究。該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，成功地去除了水中的鈉、鉀離子以及硫、鈣等結(jié)垢雜質(zhì)，同時(shí)除掉50%的氯離子。該雙極膜電解技術(shù)的膜壽命較長(zhǎng)，操作連續(xù)、可靠，操作成本低，在未來(lái)工業(yè)水處理回收應(yīng)用方面應(yīng)該可以得到發(fā)展。

World Water Works Inc.設(shè)計(jì)了一種依靠水藻生物進(jìn)行廢水處理同時(shí)生產(chǎn)再生能源的技術(shù)過(guò)程。該技術(shù)的思路是利用細(xì)菌及水藻共生，同時(shí)結(jié)合移動(dòng)床膜反應(yīng)去除廢水中的雜質(zhì)，進(jìn)行廢水處理。細(xì)菌和海藻的引入使廢水處理操作費(fèi)用降低達(dá) 40%～60%。該過(guò)程還可以結(jié)合海藻收獲技術(shù)，收獲海藻用于可再生能源生產(chǎn)。

4 過(guò)濾分離與環(huán)境

自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，隨著電力、石油煉制以及汽車工業(yè)的發(fā)展，廢水廢氣的排放使人類生存的環(huán)境、生態(tài)、氣候遭到了前所未有的破環(huán)。工業(yè)廢氣、汽車尾氣等污染源的氣體處理以及室內(nèi)空氣過(guò)濾的需求為過(guò)濾分離開拓了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。同其他過(guò)濾分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)一樣，氣體過(guò)濾的發(fā)展也是更加趨向于高效、高精度以及低能耗。納米纖維的開發(fā)使用使高精度及低能耗成為可能。以下介紹幾例不同領(lǐng)域氣體過(guò)濾的應(yīng)用。

美國(guó)AAF公司推出了其專利的NELIOR過(guò)濾技術(shù)，用于電子或制藥行業(yè)室內(nèi)空氣過(guò)濾。NELIOR是一種膜過(guò)濾材料，其中膜是由均勻分布的納米等級(jí)的纖維組成的。該膜分離技術(shù)可以降低將近50%的過(guò)濾壓降，同時(shí)滿足顆粒分離效率的要求。實(shí)驗(yàn)證明該材料還具有優(yōu)越的力學(xué)性能，從而保證較長(zhǎng)的使用壽命。雖然不同的過(guò)程應(yīng)用具有不同的操作要求，但 AAF公司生產(chǎn)的采用 NELIOR技術(shù)的HEPA、ULPA產(chǎn)品可以滿足不同工業(yè)中的操作要求。

英國(guó)Cam fil Farr公司生產(chǎn)的Hi-Flo濾袋式空調(diào)空氣過(guò)濾器同傳統(tǒng)過(guò)濾器相比，能耗降低了40%，同時(shí)具有更高的有害顆粒去除效率，實(shí)現(xiàn)更好的空氣質(zhì)量。該裝置可以選擇單級(jí)或雙級(jí)操作，以實(shí)現(xiàn)更高的能效或更高的分離效果。該公司生產(chǎn)的用于工業(yè)除塵的HemiPleat?Extreme 納米纖維過(guò)濾器具有分離效率高、耐久性好、抗脈沖清理的特點(diǎn)，因此具有更長(zhǎng)的使用壽命以及更低的操作及能耗費(fèi)用。該過(guò)濾器對(duì) 0.5μm介質(zhì)的分離效率可達(dá)到99.999%。結(jié)構(gòu)上采用 3層纖維，在基礎(chǔ)層上有 2層多孔納米纖維層，從而防止了固體顆粒對(duì)過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)層的堵塞，提高了介質(zhì)的壽命。另外，在極其惡劣的操作環(huán)境下可以對(duì)過(guò)濾介質(zhì)表面進(jìn)行特殊涂層處理，以保證長(zhǎng)期低壓降操作。

Freudenberg過(guò)濾公司開發(fā)了以納米纖維作襯里的聚酯材料過(guò)濾介質(zhì)，可用于非常微小、難過(guò)濾顆粒的處理。該材料具有分離效率高、過(guò)濾阻力低、能耗低以及不需要初始預(yù)敷便可直接達(dá)到高分離效率的特點(diǎn)。

比利時(shí) Bekaert公司的金屬燒結(jié)纖維材料及Bekiflow HG?濾芯用于工業(yè)氣體過(guò)濾。其1μm顆粒過(guò)濾效率可以達(dá)到99.9995%，可以滿足工業(yè)氣體排放小于 1mg/m3的要求，并具有高孔隙率、低壓降的特點(diǎn)。其金屬材料介質(zhì)耐高壓，操作溫度可以達(dá)到 800℃，以滿足石油化工生產(chǎn)中高溫高壓的要求[16]。

基于環(huán)境保護(hù)的理念，未來(lái)汽車發(fā)展會(huì)趨向于低排放或零污染排放。氫氣動(dòng)力車采用PEM 能源電池，電池中采用了陰極空氣過(guò)濾器以及離子交換過(guò)濾器。其中陰極空氣過(guò)濾器過(guò)濾掉固體顆粒及對(duì)能源電池有害的氣體，離子交換過(guò)濾器則保證電池中介質(zhì)的純度及傳導(dǎo)性能。德國(guó)Mann+Hummel公司研究開發(fā)PEM Fuel Cell用于零污染排放的氫氣動(dòng)力車的使用。

5 基礎(chǔ)研究及計(jì)算模擬

過(guò)濾基礎(chǔ)研究的目的在于建立基本數(shù)學(xué)物理模型，從而模擬操作過(guò)程，分析預(yù)測(cè)過(guò)濾性能，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或優(yōu)化控制過(guò)程操作。由于過(guò)濾分離過(guò)程的復(fù)雜性以及待處理物料的多變多樣性，目前過(guò)濾各領(lǐng)域理論基本仍為半經(jīng)驗(yàn)型。理論的應(yīng)用及過(guò)程設(shè)計(jì)仍大量依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究一般具有較大的局限性，而且比較昂貴，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，影響產(chǎn)品的開發(fā)周期及費(fèi)用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及操作程序的發(fā)展，計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（CFD）與有限元（DEM）模擬在過(guò)濾分離產(chǎn)品設(shè)計(jì)及過(guò)程操作優(yōu)化方面得到了廣泛的應(yīng)用。該領(lǐng)域CFD是在Navier-Stokes質(zhì)量及動(dòng)量傳遞公式基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算小空間區(qū)域的數(shù)值分析的方法，結(jié)合必要的過(guò)程參數(shù)利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算模擬流場(chǎng)內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)和傳質(zhì)，并由此計(jì)算膜阻力、過(guò)濾速率、濾餅孔隙率、分離效率等過(guò)濾性能數(shù)據(jù)[17-21]。以下介紹幾例CFD或CFD結(jié)合DEM在絲網(wǎng)過(guò)濾介質(zhì)設(shè)計(jì)、凝聚過(guò)程以及絮凝顆粒濾餅過(guò)濾中的應(yīng)用。

金屬編織絲網(wǎng)在石油化工應(yīng)用領(lǐng)域是一種比較重要的過(guò)濾介質(zhì)。其編織方法、形狀結(jié)構(gòu)直接影響過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾操作性能。了解絲網(wǎng)形狀結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)濾性能的影響從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、達(dá)到最佳應(yīng)用效果，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)商至關(guān)重要。德國(guó) GKD-Gebr.Kufferath AG 絲網(wǎng)公司使用GeoDict CFD 模擬軟件實(shí)現(xiàn)了這一目的[20]。該數(shù)學(xué)模擬程序可以生成并顯示三維的由不同材料、形狀以及不同編織方法制造的不同絲網(wǎng)的幾何形狀及結(jié)構(gòu)，并計(jì)算過(guò)濾壓降、過(guò)濾效率、污染物承載能力、最大孔徑及孔徑分布。該模型結(jié)合 LayerGeo以及WeaveGeo便可以用于多絲多層絲網(wǎng)的模擬。經(jīng)該模型模擬，絲網(wǎng)與實(shí)際編織產(chǎn)品的幾何形狀結(jié)構(gòu)精確吻合。圖3顯示計(jì)算空氣滲透性與計(jì)算壓降與實(shí)際樣品的測(cè)量值也十分接近。

德國(guó)Mann+Hummel公司自2006年開始使用GeoDict程序?qū)τ瓦^(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，用于過(guò)濾介質(zhì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[22]。該公司 2006年實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同纖維結(jié)構(gòu)過(guò)濾介質(zhì)的視覺模擬，2008年實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾介質(zhì)多次過(guò)濾后介質(zhì)的顆粒截留能力計(jì)算，2010年進(jìn)行了CFD計(jì)算空間區(qū)域大小優(yōu)化的研究，到2012年利用以上研究成果，結(jié)合顆粒之間的作用力以及顆粒形狀，成功地計(jì)算了油過(guò)濾過(guò)程介質(zhì)初始過(guò)濾效率，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高度吻合（圖4）。

圖3 GKD-Gebr.Kufferath AG絲網(wǎng)公司CFD計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較[20]

圖4 Mann+Hummel CFD 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較[22]

澳大利亞Curtin University 流體動(dòng)力學(xué)研究組利用CFD對(duì)氣液過(guò)濾中液滴聚結(jié)進(jìn)行了研究[23-24]。該研究以半經(jīng)驗(yàn)的單絲過(guò)濾效率理論（SFE）為基礎(chǔ)計(jì)算過(guò)濾介質(zhì)對(duì)液滴的采集效率，并在Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定現(xiàn)象理論基礎(chǔ)上通過(guò)定義一極限液膜厚度預(yù)測(cè)被采集的液滴在過(guò)濾介質(zhì)上的凝聚。研究計(jì)算采用的程序?yàn)镺pen Field Operation and Manipulation（OpenFOAM）。該程序自身具有Lagrangian 追蹤算法，可以理想地用于每一顆顆粒的追蹤，同時(shí)該程序與VOF（Volume of Fluid）方法結(jié)合，將由單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)整個(gè)流體的計(jì)算，從而成功地計(jì)算模擬了氣體液滴過(guò)濾過(guò)程中顆粒被截留進(jìn)而被凝聚的過(guò)程。該方法可以用于計(jì)算液滴在單根或多根纖維上的截流、聚集、顆粒破碎、最終發(fā)生凝聚以及大顆粒的流動(dòng)狀態(tài)。圖5顯示了液滴在單根纖維上的凝聚過(guò)程。

圖5 Mullin 液滴凝聚過(guò)程CFD模擬[23-24]

德國(guó) Otto-von-Guericke University Magdeburg大學(xué)的Stein Soren 結(jié)合CFD和有限元DEM方法，對(duì)微米尺寸范圍的凝聚絮凝的顆粒過(guò)濾現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究[25]。該方法將包括固液兩相流中質(zhì)量及動(dòng)量傳遞的Navier-Stokes公式的程序放入有限元計(jì)算軟件中。此程序（CFD）計(jì)算出每一小單元中的流體的質(zhì)量動(dòng)量數(shù)據(jù)，從而計(jì)算速度和壓力，并由有限元程序?qū)?shù)據(jù)連續(xù)化。在模擬計(jì)算中顆粒被簡(jiǎn)化為球狀，過(guò)濾中顆粒與過(guò)濾器壁的摩擦忽略不計(jì)。該研究計(jì)算模擬了未絮凝及絮凝顆粒在 200～1000kPa過(guò)濾中濾餅形成過(guò)程（圖6），并計(jì)算出濾餅孔隙率及濾餅滲透率，且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了對(duì)比，并得到基本滿意的對(duì)比結(jié)果，見表2。該研究對(duì)揭示濾餅形成及濾餅過(guò)濾理論中顆粒之間作用力的影響很有幫助。

6 結(jié) 語(yǔ)

表2 Soren未絮凝及絮凝系統(tǒng)過(guò)濾平均孔隙率及濾餅滲透率模擬及測(cè)試數(shù)據(jù)[25]

過(guò)濾分離在能源、資源及環(huán)境幾大領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動(dòng)以及可持續(xù)性發(fā)展的思想影響下，其發(fā)展趨勢(shì)為低能耗、低材料消耗、低廢物產(chǎn)出以及更精細(xì)的過(guò)濾及更高的分離效率，過(guò)濾材料更加耐高溫、耐腐蝕，材料可再生或再循環(huán)也成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，生產(chǎn)過(guò)程趨向于連續(xù)性、自動(dòng)化、短鏈操作。

圖6 Soren未絮凝及絮凝顆粒形成濾餅?zāi)M[25]

作為過(guò)濾分離技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展的內(nèi)在因素、產(chǎn)品或技術(shù)科研及開發(fā)則更多地傾向于過(guò)濾材料的研究。納米材料過(guò)濾介質(zhì)在一定程度上同時(shí)滿足了低能耗及高過(guò)濾精度的要求，而具有更精細(xì)過(guò)濾精度的陶瓷濾材以及耐高溫耐腐蝕的高分子材料的發(fā)展，則滿足了過(guò)濾精度及耐高溫、耐腐蝕的要求。膜分離由于膜材料的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

過(guò)濾分離基礎(chǔ)研究的另外一個(gè)重要的發(fā)展是計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬及有限元（DEM）的開發(fā)和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)及操作程序的發(fā)展，CFD與DEM已經(jīng)可以成功用來(lái)計(jì)算及模擬在過(guò)濾過(guò)程中流體及顆粒運(yùn)動(dòng)及傳質(zhì)，從而計(jì)算過(guò)濾數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)過(guò)濾性能。計(jì)算模擬大大減少了所需實(shí)驗(yàn)數(shù)量，從而有效縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期及成本，成為過(guò)濾分離產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化及控制的一個(gè)有利工具。

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