過(guò)濾器的研究進(jìn)展及應用

  過(guò)濾器在系統中是一種*的過(guò)濾裝置，其目的在于過(guò)濾介質(zhì)中的雜質(zhì)，保證介質(zhì)流通順暢及保護系統內部的重要元件［1］。當介質(zhì)進(jìn)入置有過(guò)濾網(wǎng)或其他過(guò)濾部件的濾筒后，雜質(zhì)被阻擋，而其余的介質(zhì)則由過(guò)濾器的出口排出。過(guò)濾器一般用于石油、煤炭、化工、食品、醫藥、造紙、水電廠(chǎng)、壓縮機、農田灌溉、空調制冷、污水處理以及油水分離處理等領(lǐng)域［2］。近年來(lái)，我國越來(lái)越重視環(huán)境保護以及資源的有效利用，不斷加大環(huán)保資金投入，加強政策引導。中共十七大報告指出，必須把建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )放在工業(yè)化、現代化發(fā)展戰略的突出位置，加大節能環(huán)保投入，重點(diǎn)加強水、大氣、土壤等污染防治，改善城鄉人居環(huán)境［3］。因此，這都預示著(zhù)過(guò)濾器巨大的應用前景。
    1· 過(guò)濾器的基本分類(lèi)
    過(guò)濾技術(shù)直接影響著(zhù)過(guò)濾器的發(fā)展，同時(shí)也制約著(zhù)過(guò)濾器的研發(fā)。按照過(guò)濾機理的不同，過(guò)濾技術(shù)一般可分為表層過(guò)濾、涂層過(guò)濾、深層過(guò)濾等。
    表層過(guò)濾：雜質(zhì)的中徑大于濾網(wǎng)的孔隙，過(guò)濾器此時(shí)起到一種篩網(wǎng)作用，雜質(zhì)會(huì )被濾網(wǎng)截留并快速流散到其他地方。
    涂層過(guò)濾：分離過(guò)程中添加一定量的助濾劑，一段時(shí)間后，會(huì )在濾網(wǎng)上形成一層穩定的過(guò)濾涂層，能夠產(chǎn)生較強的過(guò)濾作用。
    深層過(guò)濾：分離過(guò)程只發(fā)生在過(guò)濾器內部，雜質(zhì)的中徑小于內部管道的孔隙，依靠其受到的慣性力與阻力的平衡吸附到管道表面，分離過(guò)程見(jiàn)圖1。
                 
    過(guò)濾器的分類(lèi)較為復雜，在不同的行業(yè)都有著(zhù)不同應用。按照種類(lèi)的不同，過(guò)濾器可分為液壓過(guò)濾器、發(fā)動(dòng)機過(guò)濾器、空壓機過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、流體過(guò)濾器等。
    液壓過(guò)濾器：在液壓系統中，能夠濾除過(guò)濾介質(zhì)中的雜質(zhì)。常見(jiàn)的有吸油過(guò)濾器、壓力管路高壓濾、回油過(guò)濾器、油箱空濾器、雙聯(lián)過(guò)濾器等。
    發(fā)動(dòng)機過(guò)濾器：位于發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣系統中，由一個(gè)或幾個(gè)清潔空氣的過(guò)濾器部件組成的總成。作用是濾除將要進(jìn)入氣缸的空氣中有害雜質(zhì)，以減少氣缸、活塞、活塞環(huán)、氣門(mén)及氣門(mén)座的早期磨損。常見(jiàn)的有燃油過(guò)濾器和機油過(guò)濾器?？諌簷C過(guò)濾器：由空濾總成和濾芯組成，外部通過(guò)接頭和螺紋管連接到空壓機的進(jìn)氣閥，從而濾除進(jìn)入空氣中粉塵，顆粒等雜質(zhì)。常見(jiàn)的有空壓機空濾器、油壓機油濾器和油氣分離過(guò)濾器。
    空氣過(guò)濾器：一般用于潔凈車(chē)間，潔凈廠(chǎng)房，實(shí)驗室及潔凈室，或者用于電子機械通信設備等的防塵。常見(jiàn)的有廂式過(guò)濾器、袋式過(guò)濾器、板式過(guò)濾器、密褶式過(guò)濾器等。
    流體過(guò)濾器：具有自潔作用的濾筒型過(guò)濾器，適用于清除流體中的雜質(zhì)顆粒。常見(jiàn)的有板框式過(guò)濾器、藍式過(guò)濾器、筒式過(guò)濾器、管式過(guò)濾器、盤(pán)式過(guò)濾器、帶式過(guò)濾器、立式過(guò)濾器、針式過(guò)濾器、微孔過(guò)濾器、網(wǎng)式過(guò)濾器、Y型過(guò)濾器、U型過(guò)濾器、T型過(guò)濾器、自沖洗過(guò)濾器、袋式過(guò)濾器、機械過(guò)濾器等。
    過(guò)濾器內部的濾芯是其zui重要的過(guò)濾元件。濾芯的主要材料是過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾網(wǎng)主要是編織網(wǎng)、紙制濾材、玻璃纖維濾材、化學(xué)纖維濾材以及金屬纖維濾材［4］，濾芯的基本結構見(jiàn)圖2。
               
    盡管過(guò)濾器有著(zhù)結構簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但隨著(zhù)人們對機械性能要求的不斷提高，傳統過(guò)濾器的局限性也日益凸顯。為了加快國家工業(yè)化進(jìn)程，提高社會(huì )綠色化發(fā)展，增強人民節能化意識，開(kāi)發(fā)新型過(guò)濾器迫在眉睫。本文主要介紹了過(guò)濾器的發(fā)展過(guò)程及在相關(guān)行業(yè)中的應用，闡述了各種過(guò)濾技術(shù)及其的科研動(dòng)態(tài)，明確了其未來(lái)發(fā)展趨勢。
    2· 過(guò)濾器的研究進(jìn)展
    公元105年，蔡倫總結前人經(jīng)驗，發(fā)明了造紙術(shù)，將植物纖維紙漿蕩于致密的細竹簾上，水經(jīng)竹簾縫隙濾過(guò)，一層薄濕紙漿留于竹簾面上，干后即成紙張。在一世紀的羅馬，人們在提純水銀的時(shí)候用粗麻制成的面具對自身進(jìn)行保護。zui早的過(guò)濾大多為重力過(guò)濾，后來(lái)為提高過(guò)濾速度采用了加壓過(guò)濾，進(jìn)而又出現了真空過(guò)濾。一戰期間，由于各種生化武器的使用，以石棉纖維過(guò)濾紙作為濾煙層的防毒面具應運而生［5］。二戰期間，為滿(mǎn)足空中堡壘B-17轟炸機液壓油過(guò)濾的需要，英國人為波音公司發(fā)明了疊片過(guò)濾器，并獲得了。20世紀60~70年代，動(dòng)態(tài)過(guò)濾器的出現，使其能夠去除難以過(guò)濾的雜質(zhì)［6］，其穩定的運轉、安全的工作、無(wú)須助濾器等優(yōu)點(diǎn)得到業(yè)內界*。20世紀80年代，瑞士的Rosenmund公司首先推出了一款名為Nutrex的多功能過(guò)濾器，主要用于精細化工生產(chǎn)。20世紀90年代，生物過(guò)濾器的發(fā)展，使其對VOCs的去除率可達95%，對惡臭物質(zhì)的去除率可達99%［7］。近些年，我國的新型過(guò)濾器的研究雖然取得一定成果，在相關(guān)行業(yè)都有著(zhù)不俗的表現，但與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比仍有差距。
    2.1 自清洗過(guò)濾器的研究
    自清洗過(guò)濾技術(shù)是新型的過(guò)濾技術(shù)，該技術(shù)是利用水壓自動(dòng)清洗且不停止過(guò)濾［8］。而自清洗過(guò)濾器是一種將過(guò)濾介質(zhì)中的雜質(zhì)在一定條件下自動(dòng)過(guò)濾的裝置［9］，其優(yōu)點(diǎn)與傳統過(guò)濾器相比不言而喻。
    對于自清洗過(guò)濾器的研究，國外比較早并起始于20 世紀中后期，比如Vehashkaya Amiad Si?nun較早提出了一種自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，Anon很早就對自清洗過(guò)濾器有了很深的研究，JanHermene針對一種自清洗連續過(guò)濾系統，解決了濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題等［10-15］。目前像美國、以色列、德國、日本等具有不少研制和生產(chǎn)自清洗過(guò)濾器的公司和廠(chǎng)家，它們出品的自清洗過(guò)濾器擁有著(zhù)各種型號和種類(lèi)［16-22］。國內對自清洗過(guò)濾器的研究較晚，起始于21世紀初，比如李亞雄等人研制了一種自動(dòng)清洗網(wǎng)式過(guò)濾器，楊萬(wàn)龍等人研制了一種灌溉用疊片式自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，張振軍等人研制了一種全自動(dòng)吮吸式自清洗過(guò)濾器，成玉彪等人研制一種全自動(dòng)清洗過(guò)濾器等［23-26］。國內外過(guò)濾器的相關(guān)參數見(jiàn)表1。

    隨著(zhù)引進(jìn)*過(guò)濾器產(chǎn)品數量的增多，國內相關(guān)人士對自清洗過(guò)濾器的研究有著(zhù)進(jìn)一步的深入。郭米［27］等人研制的LZ型立式自清洗過(guò)濾器解決了臥式過(guò)濾器的占地面積大、制作成本高等缺點(diǎn)，提高過(guò)濾效率，使過(guò)濾精度≤120 μm。于明言［28］等人在自清洗過(guò)濾器中添加了西門(mén)子S7-200PLC電控系統，在水處理應用中效果，濾后水質(zhì)良好，不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了該過(guò)濾器的穩定可靠性和抗干擾能力。翟國亮［29］等人對微灌用砂石過(guò)濾器反沖洗參數進(jìn)行了試驗研究，雖然這些成果從一定程度上完成了過(guò)濾雜質(zhì)的自動(dòng)清洗，但其清理機構和傳動(dòng)機構仍需外力驅動(dòng)，進(jìn)而增加了過(guò)濾器的制造和使用成本。滕守容、榮劍波［30］等人研制的臥式水力驅動(dòng)自清洗過(guò)濾器，只需水力驅動(dòng)便可自動(dòng)清洗。中國農業(yè)大學(xué)的李光永［31］等人研制的全自動(dòng)自吸附反沖洗網(wǎng)式過(guò)濾器，利用水流反作用力實(shí)現污物吸附，無(wú)須利用液壓驅動(dòng)。張晶晶［32］等人研制的輻射自清洗過(guò)濾器，其實(shí)際處理效果明顯優(yōu)于模擬實(shí)驗的處理效果。潘子衡［33］等人通過(guò)ANSYS建立有限元模型，導入CFX軟件，對改進(jìn)后的自清洗過(guò)濾器吸污器進(jìn)行計算流體動(dòng)力學(xué)分析，結果表明改進(jìn)后的過(guò)濾器的過(guò)濾效率明顯提高。
    2.2 石油化工過(guò)濾器的研究
    2006年我國石油凈進(jìn)口1.6億噸，同年中國原油產(chǎn)量在1.84億噸，據估計，到2020年zui多能達到2億噸［34］。在石油行業(yè)如此如火如荼的形勢下，石油化工過(guò)濾器在其中的應用也日漸顯現出來(lái)。
    為了滿(mǎn)足各種油層條件對注入水質(zhì)的要求，近些年開(kāi)發(fā)出了各式各樣的過(guò)濾器，比如石英砂過(guò)濾器、輕質(zhì)濾料過(guò)濾器、主微孔陶瓷過(guò)濾器、膜過(guò)濾器、纖維介質(zhì)過(guò)濾器等［35］。隨著(zhù)過(guò)濾器在油田應用的不斷深入，一些新型的石油化工過(guò)濾器也應運而生。李濤［36］設計的低壓反沖洗過(guò)濾器，是在原石英砂過(guò)濾器的基礎上改進(jìn)而來(lái)的，該技術(shù)降低了反沖洗壓力，保證了反沖洗流量，提高了反沖洗效果，確保了濾后水質(zhì)達標，改進(jìn)后的結構見(jiàn)圖3。
                
    朱之錦［37］等人研制的PTI-500精細過(guò)濾器，具有耐腐性能高、使用壽命長(cháng)、綜合成本低、過(guò)濾面積大等優(yōu)點(diǎn)，懸浮物顆粒直徑能達到0.5 μm以下。尹先清［38］等人研制的雙濾料過(guò)濾器是為了解決低滲漏油田回注污水水質(zhì)不達標的問(wèn)題，濾后水質(zhì)指標為懸浮物固體含量≤3 mg/L，油含量≤5 mg/L，顆粒粒徑≤3 μm（占總顆粒體積的85%以上）。胡子斌［39］設計的微孔精細過(guò)濾器由過(guò)濾介質(zhì)與機體結構兩大部分構成，經(jīng)過(guò)檢測，懸浮物固體含量＜1.0 mg/L，濾后水中機雜粒度中值≤1.0 μm。為了更好的處理油水分離，楊慶忠［40］提出了兩種新型過(guò)濾器，即改性纖維球過(guò)濾器和碰撞聚結式油水分離器。改性纖維球過(guò)濾器具有親水曾油性，反洗再生能力強等特點(diǎn)，有著(zhù)更好的過(guò)濾效果；碰撞聚結式油水分離器由碰撞、聚油、過(guò)濾三部分原件組成，濾后含油量＜10mg/L，懸浮物＜17 mg/L，顆粒中徑＜4 μm，過(guò)濾效果較好。劉興宇［41］通過(guò)對油田注聚含油污水纖維濾料過(guò)濾器的性能研究，發(fā)現濾后水中含油均值為8 mg/L，懸浮物含量均值為2 mg/L，粒徑中值≤2.0 μm。
    2.3 污水處理過(guò)濾器的研究
    我國的水資源相對匱乏，并且水的污染問(wèn)題也較為嚴重。不管在什么行業(yè)，對于污水的處理一直都是該行業(yè)的頭等大事。因此，推廣合適的過(guò)濾器對污水進(jìn)行處理是節約水資源、提高水資源利用率的有效途徑，尤其是在水資源緊缺的西北地區。
    疊片式過(guò)濾器是一種較為常見(jiàn)的污水處理過(guò)濾器（見(jiàn)圖4），它具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、運行維護費用低等特點(diǎn)，是當前污水處理領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)［42］。
                
    崔春亮［43］等人對國內外疊片過(guò)濾器的性能進(jìn)行比較，研究結果表明，國內自主研發(fā)的疊片過(guò)濾器，其過(guò)流性能、抗壓能力和過(guò)濾精度均達到了國外同類(lèi)產(chǎn)品的的技術(shù)水平。在工業(yè)污水處理中，還有一種zui為常見(jiàn)的是盤(pán)式過(guò)濾器，其過(guò)濾機理［44］是通過(guò)壓緊的塑料盤(pán)片實(shí)現表面過(guò)濾與深層過(guò)濾的組合。劉廣容［45］等人將國產(chǎn)、進(jìn)口的盤(pán)式過(guò)濾器進(jìn)行了工藝性能對比試驗，結果表明，在相同試驗條件下，兩種過(guò)濾器的工藝性能和出水水質(zhì)都相近，國內相關(guān)產(chǎn)品與國外同類(lèi)產(chǎn)品的差距逐步縮小。郭沂林［46］等人研制了一種節水灌溉用新型水力旋噴自動(dòng)吸附過(guò)濾器，較傳統過(guò)濾器而言，其具有工作壽命長(cháng)、工作效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。鄭春生［47］通過(guò)研究發(fā)現，壓力式濾料過(guò)濾器在污水懸浮物較多的情況下能確保濾后水質(zhì)的質(zhì)量。其具有過(guò)濾速度高、處理水量大、占地面積小、操作簡(jiǎn)單省力、不易出現故障，并且能實(shí)現單臺或者多臺過(guò)濾器系統PC自控等優(yōu)點(diǎn)。在循環(huán)供水系統中使用可改善水質(zhì)，提高水的循環(huán)利用率，以達到節約新水用量的目的，是當前工業(yè)水處理設施中*的設備。陳穎敏［48］等人研制彗星纖維濾料過(guò)濾器在過(guò)濾和反洗時(shí)均有其*的優(yōu)點(diǎn)。過(guò)濾時(shí)，能提高濾床的截污能力；反洗時(shí)，能提高濾料的洗凈度。
    2.4 其他過(guò)濾器的研究
    對于流化床顆粒層過(guò)濾器的過(guò)慮性能，國內外都有一定的研究。Joseph S. Mei［49］等人對采用方柱形過(guò)濾元件的二維流化床顆粒層過(guò)濾器的過(guò)濾性能進(jìn)行測試。數據表明，濾后的氣流中，灰塵的平均尺寸大約為1.5 μm。華中理工大學(xué)的張世紅［50］等人在實(shí)驗室規模的三維冷態(tài)試驗臺上，用黃砂作床料，濾后的清潔氣流中，灰塵的平均粒徑為5 μm左右。針對礦井下水質(zhì)差、環(huán)境惡劣，徐雙用［51］研制了一種新型反沖洗過(guò)濾器，設計采用了棘輪控制方式，具有結構緊湊、過(guò)流量大、操作簡(jiǎn)單及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。PALL公司研制的S1501過(guò)濾器［52］是高溫高壓的灰塵過(guò)濾設備，由于Shell煤化氣產(chǎn)生的灰塵從氣化爐排出，為保證下游壓縮機及催化劑的健康運行，該過(guò)濾器是否正常工作是Shell氣化裝置穩定的一個(gè)制約因素。Gabriel Beko［53］等人通過(guò)對F7袋式過(guò)濾器的研究，將活性炭與該過(guò)濾器結合，大大提高了其過(guò)濾性能。跟傳統玻璃纖維過(guò)濾器做對比，后者的過(guò)濾性能僅為前者的50%。
    3 ·過(guò)濾器未來(lái)的發(fā)展趨勢
    過(guò)濾器作為一個(gè)系統的重要部件，在未來(lái)的科技發(fā)展過(guò)程中擁有一個(gè)全新的地位，它將逐漸走向成熟，成為一個(gè)公共的研究對象。隨著(zhù)我國機械化進(jìn)程的不斷加快，過(guò)濾器在未來(lái)的發(fā)展會(huì )有以下幾個(gè)趨勢：
    （1）集成智能化［47］通過(guò)在過(guò)濾器上添加集成電路、電子芯片等一些裝置，使得過(guò)濾器擁有可識別功能，對即將過(guò)濾的介質(zhì)進(jìn)行仔細掃描，篩選出可通過(guò)的物質(zhì)，對于其它物質(zhì)予以阻止，達到快速過(guò)濾的效果，從而提高過(guò)濾的效率及準確度，避免二次過(guò)濾。
    （2）精密大型化隨著(zhù)競爭的不斷加大，我國的機械設備逐漸向大型化方向發(fā)展，同時(shí)其對過(guò)濾器的要求也會(huì )不斷提高。為了便于過(guò)濾器適用于不斷大型化的機械設備上，使其能夠更好的跟機械設備相兼容，在選材、整體設計和結構分配上也會(huì )十分苛刻。
    （3）系統編程化由于一些特定的要求，過(guò)濾器會(huì )演變成為一個(gè)可編程化的系統出現，編程控制在其身上會(huì )充分體現。通過(guò)編程，過(guò)濾系統會(huì )在特定的時(shí)間、特定的溫度、特定的光線(xiàn)對輸送的介質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，對于排放出的物質(zhì)會(huì )充分回收并再次過(guò)濾，以達到過(guò)濾的標準。
    4 ·結束語(yǔ)
    過(guò)濾器在各行各業(yè)都具有廣泛應用，然而在重要場(chǎng)合使用的過(guò)濾器多為國外制造，國內擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品依然很少，現如今，低碳的概念悄然進(jìn)入人們的生活，這對于國內過(guò)濾器以及整個(gè)行業(yè)是個(gè)嚴峻挑戰，培養相關(guān)人才和擴大產(chǎn)業(yè)規模是該行業(yè)的當務(wù)之急。面對國外相關(guān)產(chǎn)品對本國市場(chǎng)的強烈沖擊，產(chǎn)業(yè)的合理化建設尤為必要。1992年美國廠(chǎng)商供應*的評定過(guò)濾器性能用的“實(shí)驗粉末"的停產(chǎn)以及1999年評定液壓過(guò)濾器標準ISO4572的“壽終"，無(wú)疑是對過(guò)濾器行業(yè)的一次震撼，因此，發(fā)展本國評定標準及改變相關(guān)產(chǎn)業(yè)結構顯得十分重要。