纤维过滤技术的发展历程

纤维过滤技术的发展历程

过滤材料的重要特征是可以简单地在过滤池和过滤中进行清洗。因此，作为纤维过滤材料的发展方向，短纤维形成系统的过滤材料是合理的。采用纤维材料作为过滤材料的一个出发点是鉴于其比石英砂或其他实体颗粒材料具有更大的比表面积和空隙率，由此推断，由纤维材料构成的滤床应具有比常规颗粒过滤材料更大的截污容量，截污容量的提高对过滤器效率的提高具有决定性的意义，因此，采用纤维材料制作过滤材料无疑是明智之举。纤维材料用于去除水中杂质已有几十年的历史了。20世纪80年代初期，研究人员通过短纤维乱堆形成滤床的方法开始了“规格化纤维过滤材料”的研究与开发历程。所谓“规格化纤维过滤材料”是指将纤维按照规定的设计要求制成某种形式的成型体，该成型体材料具有特定的形状和规格，与通用滤布、长丝束过滤材料及“过滤棉”的显著区别是：滤床由在水中呈散落的、无固定约束的单体过滤材料的集合体所构成。在纤维滤料发展的过程当中，纤维过滤器也在不断的改进，不断的发展，在国内出现了应用广泛的纤维球过滤器和纤维束过滤器，短纤维的研究也取得了一定成果，如彗星式纤维过滤器等。笔者就纤维滤料和纤维过滤器的发展进行了论述和评价。1纤维过滤材料的类型(1）单丝短纤维对床清洁材料(2）低粘度纤维椭圆球过滤材料(3）过滤材料“布衣”(4）纤维颗粒(5）纤维中心球(6）卷绕纤维中心的纤维球(7）交叉纤维过滤材料(8）星纤维过滤材料(9）纤维束过滤材料(10）改性纤维过滤材料2纤维球过滤器目前应用于工业水处理的纤维过滤器有很多种，具有代表性的成果有前苏联的滤层高度可调型纤维过滤器、日本的纤维球过滤器、瑞典的刷形纤维过滤器、韩国的扭扭舞型过滤器和中国的胶囊式纤维过滤器、无囊式纤维过滤器等。这些过滤器在设计的方式上有所区别，但是原理基本相同，下面就几种具有明显区别的过滤器作比较。是在容器内填装纤维球形成床层，由于纤维球个体较疏松，在床层中纤维球之间的纤维丝可实现相互穿插，此时纤维球的个体特征已不重要，床层形成了一个整体。床层中纤维球受到的压力为过滤水流的流体阻力、纤维球自身的重力以及截留悬浮物的重力之和（如果水流从上至下通过床层，该力在滤层中沿水流方向是依次递增的）。因纤维球具备一定弹性，在压力下滤层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，滤料的比表面积由小到大渐变分布。这是一种过滤效率由低到高递增的理想过滤方式，直径较大、容易滤除的悬浮物可被上层滤层截留，直径较小、不易滤除的悬浮物可被中层下层滤层截留。在整个滤层中，机械筛分和接触絮凝作用都得到充分发挥，从而实现较高的滤速、截污容量和较好的出水水质。纤维球过滤污水的现场试验数据表明，当运行流速在15～40m/h时截污容量一般在2～12kg/m3之间，运行流速和截污容量均是砂滤池的数倍，出水浊度明显好于砂滤池。该过滤器存在的不足是：因纤维球是呈辐射状的球体，靠近球中心部位的纤维密实，反洗时无法疏松，截留的污物难于彻底清除；用气、水联合清洗时纤维球易流失，用机械搅拌清洗时纤维球易破碎，且不易洗净。(2）北海纤维过滤器(3）纤维束过滤器和纤维球过滤器PCF型纤维过滤器的特点是，体积小、占地面积小，比纤维束和纤维球过滤器的占地面积还要小，且易于实现自动控制。不足之处是，纤维装填量少、运行周期短、反洗频繁。(4）表面过滤主要特点该过滤器的主要特点是：结构简单、操作方便。主要不足：因纤维呈刷状，容易缠在一起，给反洗带来困难，纤维床层一般较薄，过滤性能不稳定，故容易形成表面过滤。(5）纤维束过滤器用于以下用途(1)胶囊纤维过滤器(2)无袋纤维过滤器(3)自动调节过滤方式纤维束过滤器的特点是截污容量大，过滤周期长，占地面积小。这种靠水和纤维之间的作用力自动调节过滤空隙率的过滤方式，经长时间的运行，纤维形成固定的弯曲轨道时，在运行的时候不再象刚开始运行那样慢慢的弯曲，而是直接按照弯曲的轨道弯曲，一次到位，不能实现在过滤的过程中变空隙率，这样会造成水头损失大，而且截污容量不能充分利用。(6）降低颗粒过滤层过滤效率是由英国Exeter大学分离中心研制的，其特点是采用活塞压缩纤维介质，过滤介质选用富有弹性的纤维材料，如羊毛、碳纤维等，纤维直径1～10μm，滤层厚度20～25cm过滤时，活塞压缩过滤介质形成滤层，活塞对纤维的压缩程度决定可滤除颗粒的细度，反冼时，从底部通入反洗液，活塞上升并在一定高度振荡，可加快滤层的再生速度，并节省反洗液。应用HW过滤器，研究者曾用多种悬浮液对其过滤性能和自洁能力进行过测试，效果很好。从过滤葡萄酒酵母悬浮液的试验数据可以看出，采用碳纤维，滤层厚度0.23m，孔隙度0.88，流速14.8m/h，对3.1μm以上的颗粒过滤效率高达99%。由于滤层密度可调节，故可保持滤液质量的稳定。碳纤维还具有生物和化学方面的惰性及特殊的强度，在350℃极易氧化的环境仍能保持稳定，在一般环境中，2000℃时仍可保持稳定，可以过滤高温有腐蚀性的液体和已熔化的金属和聚合物，因此在医学及化工方面有着广泛的应用。3两种过滤材料的主要特点目前纤维过滤技术已经在工业给水、钢铁生产废水、地下水除铁除锰、含油废水处理、循环水处理、医学用水处理等方面得到了广泛的应用。实践证明纤维滤料比传统的石英砂滤料具有质地软、强度高、对水阻力小、过滤速度快、截污容量大、易于清洗等特点，但是存在着造价高、难于彻底清洗干净等不足，需要进一步研究。以密度大于过滤水的短纤维单丝乱堆方式构成滤床，在过滤器中设置隔离丝网以防止短纤维过滤材料流失，反洗方式为气水联合反冲洗。这种过滤材料的缺点是显而易见的，如短纤维单丝易流失，易缠挂隔离丝网，此外由于纤维与过滤液的密度差小，因而清洗效果差。长5～50mm的无卷缩（低卷曲）纤维丝在液体中搅拌制作成椭球状纤维过滤材料，亦称纤维球。丝径5～100μm，过滤外型为直径5～20mm、厚3～5mm的扁平椭球体。这种过滤材料的特征是制造简便，由于过滤材料在液体中成型，纤维缠绕紧密，因而过滤材料内核较硬，变形小，但过滤材料内部捕捉的粒子反洗时脱落困难，此外，多次运行后从过滤材料上脱落的短纤维较多。将类似与毛毡的无纺布切割成20mm厚，面积为0.5～20cm2的“毡片”，制成过滤材料，特点是纤维牢固不掉丝，但同样存在过滤材料内部捕集的粒子不易清洗干净的缺陷。采用静电植绒法将长2～50mm的纤维植与实心体上，可以通过改变实心体的密度而改善过滤材料床的特性。卷曲度高的纤维丝束结扎、切断后形成球状过滤材料，特点是弹性好，耐机械变形。将卷曲纤维长丝集束，用黏合剂喷雾收束，纤维丝束上的纤维之间形成多点相接，成为一体的棒状，然后切开成定长度的，类似于去外皮的香烟滤嘴形状的过滤材料。这是一种极其规格化的纤维滤料，首先将纤维长丝缠绕成卷，拉直后构成束状，形成纤维束，在过滤设备的填充中，纤维束采用悬挂或者是两端固定的方式。选用纤维球滤料，经过新的化学配方合成的特种纤维丝做成，其主要特点是经过本质的改性处理将纤维滤料由亲油型改变为亲水型。该产品应用于油田含油污水的精细过滤，纤维球不易粘油、便于反洗再生、过滤精度高，而普通纤维球滤料一旦被油污染，纤维球变成一个大油包，无法清洗干净。以纤维球直径的长度作为节距，用细绳将纤维丝束扎起来，在结扎间的中央处切断纤维束，形成大小一致的球状纤维过滤材料，亦称纤维球。一种不对称构型的过滤材料，一端为松散的纤维丝束，另一端纤维丝束固定在密度较大的实心体内，形状象彗星一样，故命名为彗星式纤维过滤材料。(1）刷形过滤器采用彗核形丝束节作为过滤层及滤料上下支承档板采用深沟窄缝栅网结构，自适应滤料构成的滤层其空隙率沿层高呈梯度分布，下部滤料压实程度高，空隙率相对较小，易于保证过滤精度，整个滤层由下至上逐渐增大，其横断面空隙均匀，这种独特的滤层空隙率分布特性是同时实现高速过滤和高精度过滤的主要原因。对于一定的滤料填充容积，其能够提供的有效过滤容积的大小为容积效率，体现在滤床截污容量方面，过滤周期长，则滤床截污容量大，容积效率也就越高。是用微细且多束的柔软纤维丝，一般采用的是PP、Nylon材质，不是我们常用的丙纶纤维，在过滤器运行的时候施以回转机具或压榨包等去压榨，使其孔隙变小后过滤，清洗时再放松让孔隙舒张，用加压空气和水施以反冲洗以达到去污目的。这种过滤器的运行、反洗方式是纤维滤料与水流的方向呈垂直状态，它是融合了筒式过滤器的精密过滤性能和砂滤反冲洗性能而研制出的新型过滤器。瑞典人HansMuller在20世纪70年代中期发明的刷形过滤器，将纤维长丝制成纤维束，每束纤维可粘或压在支撑板上，长度根据过滤的流体和效率来定，一般为15～300mm。为了提高过滤效率和反洗效果，纤维之间也可编织起来。过滤时，流体压缩纤维束，形成滤层，使通过的液体或气体得到过滤。反洗时，从相反的方向通入反洗液，压紧的纤维束伸展，易于去除其中的杂质。将长纤维束悬挂孔板上，装在过滤设备中，纤维束下挂重锤，纤维层中安装数个软质胶囊，运行时将胶囊充水，横向挤压长纤维，使纤维层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，反洗时先排净胶囊中的水，使长纤维束床层得以疏松，再用气水联合清洗。在挂装的长纤维滤层中安装可充、排水的软质胶囊，解决了纤维层的压实、疏松及纤维流失问题。目前使用中存在的一些问题是设备较复杂，除胶囊外，需设有胶囊充、排水系统及充水计量装置；胶囊易损坏也是困扰用户的难题。将纤维束固定在两块孔板之间，其中一块孔板可以在设备内部上下运动，运行时靠水和纤维之间产生作用力，使活动板压实纤维，反洗时在反向力的作用下孔板与运行时反向运动，拉直纤维，在气水的联合反洗作用下，使截留在纤维中的悬浮物得以清除。所谓自压，是指不依靠其他装置，仅靠水流和纤维层相对运动产生的作用力实现对纤维层的压缩。实际上，长纤维丝的纵向刚度很小，只要对纤维进行适当处理并保持适宜的装填密度，依靠滤层和水流之间产生的作用力，就完全可以将纤维层压缩。当水流自上向下通过纤维层时，纤维承受向下的纵向压力且越往下纤维所受的向下压力越大。由于纤维束是一种柔性滤料，当纵向压力足够大时就会产生弯曲，进而纤维层会整体下移，最下部纤维首先弯曲并被压缩，此弯曲、压缩的过程逐渐上移，直至作用力相互平衡。由于纤维层所受的纵向压力沿水流方向依次递增，所以纤维层沿水流方向被压缩弯曲的程度也依次增大，滤层孔隙率和过滤孔径沿水流方向由大到小分布，这样就达到了高效截留悬浮物的理想床层状态。英国EricC.Greek公司研制的一种纤维过滤器，纤维一般采用尼龙、聚酯、丙纶等，纤维直径1～50μm，长度0.3～2.0mm，纤维两端编织起来制成薄片，缠在接头上，再用夹紧或黏结的方法固定。过滤时，通过传动机构推动活接头向下滑动，并旋转一定角度使纤维缠绕在内筒上，形成