机织滤布的堵塞及单丝滤布的开发应用
胡筱敏 罗 茜 康 勇 王金虎
摘要 从机织滤布的材料性质、孔隙结构及加工工艺等方面出发，讨论了机织滤布的堵理及规律，在此基础上，充分论证了单丝滤布是减轻滤布堵延长滤布过滤周期，提高过滤指标和经济效益的最有效的措施之一，并给出了生产实例的对比。
关键词 堵机织滤布；单丝滤布
前言：
从理论上说，过滤介质作为截留两相流固体颗粒的中介，被固体颗粒堵是伴随过程的进行同时发生而不可避免的。我们从过滤的实践知道，过滤介质尤其是织物类过滤介质的使用周期或其寿命往往并不取决于其被磨损的情况，而是受限于被堵的速度。长期以来，如何减轻过滤 介质一直是过滤实践和过滤理论及工艺的难点和重点。近年来，随着各行业的过滤作业所处理的料浆中的固相颗粒越来越细，过滤的压差越来越大，过滤介质堵问题就更为突出，更引起人们的重视。
表层过滤介质堵塞的表征：
表征介质堵度的方法可以用透气率法、透水速率和透水阻力法、重量法以及它们各种组合法。前两种方法是直接从最终效果上衡量，用透气仪、透水速率计直接测定新介质和被堵的介质的透气率、透水速率、透水阻力，再进行对比。
上述这些方法虽然简单、易行，但不仅不能定量地表示介质被堵（或被污染）的量，而且因为各种过滤 介质必有不同的透气、透水性，因此这些方法能用来比较不同的滤布。Chase等人［1］用同样流速、同一滤饼厚度下，介质加滤饼的压力降ΔPm＋c和清洁介质的压力降Δpm之比R来表明介质堵况，称R为相对介质阻力：
R＝ΔPm＋c／ΔPm
（1）
他们用滤纸、毡和Gore-Tex滤布三种过滤介质，过滤三种不同可压缩性的物料，在所有的情况下，R值均大于1，一般在1～2间，表明介质压降均因堵加大，当然绝大部分情况是R值随滤饼厚度增加而升高。值得注意的是过滤不可压缩和中等可压缩滤饼时，Gore-Tex滤布的R值最小，表明它的堵轻，而在过滤高可压缩滤饼时，在滤饼厚度相同的情况下，毡的R值低于Gore-Tex滤布，虽然其过滤速度很小，更奇怪的是滤饼越厚，其R值越小。这就启示我们应重视小滤孔介质和三维过滤介质。Chase方法虽包含了可比性，但操作较复杂。
本文提出介质相对透过度和介质堵荷或污染负荷的方法来表征介质的堵度，所谓介质相对透过度是堵质的透过度Bd与清洁介质透过度Bq之比，即：
β＝Bd／Bq×100％
（2）
按达西定律，透过度为：
（3）
式中v为厚度为L的介质在压差Δp下的透水速率，μ为水的黏度，在压差、滤布厚度和液体黏度均固定时，相对透过度可表示为
（4）
定义介质堵荷或污染负荷ξ是经过一定过滤时间后，单位介质体积Vf内积累的固体质量M，即：
（5）
图1［2］是一种滤布在过滤一种赤铁矿精矿时的相对透过度和堵荷间的关系（压差为0.3MPa，它表明随着介质堵荷的增加，其相对透过度的变化大致分为三个阶段，对此现象将在下面解释。
图1 介质的堵荷和相对透过度
介质堵塞机理
首先需要明确的是除了金属丝网外，各种过滤介质的孔隙或孔道都是弯曲的、而这些弯曲孔道的孔径也非一致；孔道还又分为贯通孔和盲孔，所以介质被堵仅是必然的，而且堵很难清洗。正因为介质孔隙的复杂性，故虽有众多有关过滤介质堵理的研究，但仍多以单丝介质为基础。对单丝介质的孔径尺寸、流体流动及流阻等已有较精确的计算式，并有验证试验［3］。对深层过滤颗粒的截拦的研究也较多。通常认为颗粒随液流流过介质孔隙或孔道时有三种情况：（1）细小颗粒随液流穿过孔隙；（2）被纤维或纱线直接截拦；基于布朗扩散或其他的扩散力、重力和惯
性，撞到孔壁上，并停留下来，沉积、吸附、黏附在纤维或纱线表面；（3）撞到纤维或纱线又反弹回来（中等颗粒），但在下一次可能就弹不回来。这样，介质的孔径范围越宽，孔隙结构越复杂，能够滞留在其间的颗粒越多，随着堵进展，介质的大孔越来越少，能够随液流流出的颗粒越少，堵会更加严重并加速进行，以致于过滤终止。图1的实验结果恰好和实践相呼应，初始，介质的相对透过度随堵的增加而较迅速的降低，而后在一定范围内，相对透过度的降低幅度较小，在实践上就是所谓滤布的黄金时期，再继续堵相对透过度就迅速大幅度下降至接近于零，过滤终止，实践上该滤布就报废了。
已查明，沉积在介质上的颗粒将以镶嵌、架桥、栓以及夹层滞留等方式堵介质的孔隙或孔道中［2］，其中前两种情况主要发生在孔隙或孔道入口处；栓生在弯曲的孔道内；显见，第4种情况是发生在纱线间及纤维间。
由于研究工作比较困难，故对滤布堵 的研究尚多属定性，且更多的是研究影响因素。
机织滤布性质对其被堵塞的影响因素
1.滤布的原材料
众所周知，现用机织滤布的原料主要是合成纤维，它们除了比原来使用的棉布更结实外，还有表面光滑、收湿性低、卸饼率高、不易堵优点。因此，虽然棉布可能比合成纤维便宜，但除特殊情况，已不常用。
2.机织滤布的孔隙构成
机织滤布所用纤维基本上分为单丝和复丝，再细分为长丝、短丝。主要的或基本的编织方法是：平纹、斜纹和缎纹以及在此基础上为减小孔径和提高织物强度所作的一些改变。
目前，最常用的是复丝纤维，用这种纤维编织的滤布一般有四种孔隙或孔洞；纤维内的、纤维中的、纤维间的和纱线间的即织物内的，这些孔洞或孔隙有的是盲孔有的是贯通孔；前两类的孔径一般为0.05～0.6微米，较小的只有1.0～100纳米。盲孔的比例较大，但占总孔隙比例很少，因此我们着重研究后两类，介质的堵主要是由这两类孔隙引起的。纱线内纤维间的横向孔隙尺寸一般为0.2～200微米，大部分为1.0～60微米，大部分孔隙是贯通的；织物内纱线间的横向孔隙尺寸一般为5.0～1000微米，都是贯通孔。
有关这两孔隙的比例的数据不多，且差别很大，例如据Grace［4］的测定，，机织滤布有30％～50％的孔隙尺寸小于10微米，他判断这部分孔隙可能是纱线内纤维间的孔隙，即若忽略纤维内的孔隙或孔洞，织物中有30％～50％的孔隙是来自纤维间的；我们计算了平纹和斜纹两种滤布，它们的纱线捻度基本相同，平纹编织的织物的总孔隙率为27.8％，斜纹的为45.3％；平纹的纱线间的孔隙率占其总孔隙率的20.79％，纤维间的占79.21％；斜纹织物的纱线间孔隙率则占其总孔隙率的54.66％，纤维间孔隙率占45.34％；即编织方法对两类孔隙的比例影响很大。斜纹编织有飞数，纱线间的孔隙相对比较大。显然，纤维间的孔隙必然
更易形成夹层充填、镶嵌，将更难清洗，从这点看，斜纹优于平纹。
3.孔隙的尺寸
关于介质的孔隙尺寸和其被堵关系，我们已进行了专门论述［6］，论证了减小介质孔径有利于防止堵在此不再赘言。
编织的滤布通常都有后处理过程，包括砑光、热定型等，滤布经过砑光后，其孔径将减小，和减小介质孔径的作用类似，虽然使其透气性降低，例如据资料［5］，碾压后使该滤布的透气率由112 1／m2.s降低至51 1／m3.s，却有利于减少堵
4.孔隙的形态
介质的堵除与织物孔隙尺寸有关外，孔隙的形态或形式也不容忽视，影响它们的主要因素有：
（1） 纤维的形态
各种纤维的横断面不一样，例如棉纤维的断面为腰圆形，中心有一个干枯了的空腔；羊毛断面为不规则的圆形，外层有鱼鳞片；粘胶纤维断面为锯齿形；维纶为扁平马蹄形；涤纶，锦纶，丙纶为圆形等，实际上可以将化纤纤维作成各种形状。表1列出了与介质堵有关的、不同断面形状纤维的一些参数数据。
表1［6］ 不同断面纤维的性能
|
指 标 |
聚酰胺纤维（尼龙，锦纶） |
聚酯纤维（涤纶） |
|||||
|
圆形 |
三角形 |
菱形 |
星形 |
豆形 |
圆形 |
三角形 |
|
|
静摩擦系数μs |
0.39 |
0.37 |
0.44 |
0.48 |
0.45 |
0.25 |
0.45 |
|
动摩擦系数μ |
0.31 |
0.28 |
0.35 |
0.39 |
0.37 |
0.22 |
0.39 |
|
抗曲挠刚度（dy／cm） |
31.8 |
39.4 |
34.9 |
44.0 |
38.1 |
112.6 |
131.5 |
|
透气性（ml／cm2s） |
36 |
41 |
43 |
47 |
52 |
|
|
|
折皱回复（％） |
78 |
81 |
75 |
78 |
76 |
78 |
68 |
显然，摩擦系数大、抗曲挠刚度小，即易变形的纤维形成的孔隙必容易被堵从这点出发，聚酯（涤纶）纤维优于尼纶（锦纶），圆形聚酯优于三角形的。
（2）纱线的类型和捻度
纱线是用纤维捻制的，由一根（有时也可3—6根）纤维形成的纱线就是单丝纱，否则就是复丝，是由几十根以上的纤维捻成。复丝和单丝均称为长丝。短纤维是有一定纤度和有限长度的纤维，其长度从几厘米至几十厘米。
纱线的捻度是纱线间的紧密程度，它决定了纤维间的孔隙尺寸和形状。如上述，例如，据Smith［7］的研究，当长丝纱线的捻度为1.5 in-1～3．0 in-1（61．2 m-1～122 m-1）时，全部滤液的95％～98％是通过纤维间，即纱线内流出，当将捻度提高至15 in-1（612 m-1时，则有30％的滤液通过纱线间，70％通过纤维间流出。这组数据表明捻度对织物孔隙的影响也很大，低捻度纱线的纤维间孔隙比例大，被堵的机率大，清洗难度大；显然，纱线的捻度越高，越接近单丝纤维。纱线结构与其被堵的难易有如下关系：纱线尺寸越小、捻度越大，越不容易被堵［8］。
实践表明用不同的类型纱线编织的滤布的抗堵能力不同，如下表
表2 纱线类型与滤布性能（包括堵塞趋势）
|
流动阻力 |
抗堵能力 |
卸饼难易程度 |
滤液浓度 |
|
单丝，小 |
单丝，大 |
单丝，易 |
短纤，低 |
|
复丝，中 |
复丝，中 |
复丝，较难 |
复丝，中 |
|
短纤，大 |
短纤，小 |
短纤，难 |
单丝，高 |
由上表可见，单丝滤布的流动阻力最小、抗堵能力最大，主要是因为这种滤布没有纱线间的孔隙。
（3）编织方法
已如上述，机织布有三种基本编织方法，称为三种原组织。它们的主要特征见表3。
表3［9］ 三种编织方法织物的结构特征
|
结构 |
原组织内一 |
交织点 |
孔隙率 |
透气度 |
强 度 |
|
平纹 |
2 |
多 |
最小 |
最小 |
大 |
|
斜纹 |
3～4 |
中 |
小 |
小 |
中 |
|
缎纹 |
＞5 |
少 |
中 |
中 |
中 |
此表表明，由于缎纹组织的飞数大（即组织点不连续的经线数，缎纹组织有八线三飞和八线五飞），故织物的交织点少，孔隙率和透气度均较大；但由此其滤液浓度则高，织物强度最低，所以一般多用取居中的斜纹织物。
实践表明，各种编织方法滤布的透水速度、过滤阻力和堵大致有表4、5所示关系。
表4 介质编织方法的和堵塞趋势的关系
|
变化趋势 |
流动阻力 |
堵趋势 |
|
低 |
缎纹 |
缎纹 |
|
中 |
斜纹 |
斜纹 |
|
高 |
平纹 |
平纹 |
表5［10］ 恒压下不同结构玻璃纤维织物的透水速度
|
结构 |
经密×纬密 |
流速 |
经密×纬密 |
流速 |
|
平纹 |
22×20 |
0.135 |
20×20 |
0.243 |
|
2／2斜纹 |
22×20 |
0.207 |
20×20 |
0.256 |
|
5／3 |
22×20 |
0.245 |
20×20 |
0.280 |
以上的数据表明平纹的孔隙率最低、孔隙最小、通过的液流速度最低，最容易被堵斜纹适中。
（4）孔隙的形态
理论上我们希望织物的孔隙或孔道最好是倒喇叭形，即上口小，使颗粒不易进入，下口大，液流易流出。
普通平纹、斜纹和缎纹编织的织物的开孔基本上是正方或长方形，但这种织物的强度低，能截留的颗粒不够细。为了得到过滤阻力小、强度高、截留能力大的织物，国外很注意发展荷兰纹滤布，而所谓荷兰纹就是用不同粗细的经纬线做平纹或斜纹编织，由于经纬线粗细不同，就能形成两种孔隙：条缝和三角形的，镶嵌在三角形孔中的粒状颗粒很容易被反洗掉。但胶状、浆状颗粒易堵角形孔。ZBF［11］公司开发出一种双面非对称密斜纹滤布，上面光滑，下面有漏斗状孔，就不易被堵
单丝滤布
以上的分析充分证明单丝滤布的抗堵最强，除了纤维表面光滑外，最根本的原因是这种滤布没有纤维间的细小孔隙，介质孔隙的孔径范围窄。国外的大滤布公司都致力于开发各种单丝滤布。前几年，我国的单丝生产水平不高，限制了单丝滤布的开发；另外，为了生产出有相当强度和好质量的单丝滤布，也必须开发出相应的纺织技术。苏州的四方滤布公司经过几年的努力，开发出几种单丝滤布，有Z53、Z1518等型。已获国家专利局“实用新型专利”证书。1997年获国际新世纪、新技术、新产品博览会“世纪杯金奖”。
Z53单丝滤布是用锦纶单丝，采用5枚3飞缎纹编织，再经特殊高温热处理，使孔径定型，达到表面光滑、质地薄而又很高的强度（可达100 N／cm2以上），正常使用可经受上万次的反复劳损，寿命长。这种滤布已在多家选煤厂使用，效果均很好。据一些用户反映它接近国外同类产品水平。本文以该滤布在酒钢选矿厂的使用为例说明其优越性。
酒钢选矿厂在用圆盘真空过滤机代替原用的内滤式圆筒过滤机后，出现了滤布迅速被堵严重问题，曾先后试验了多种滤布，而后试验了单丝滤布，如表6所示，效果很好
表6［12］ 单丝滤布在酒钢的使用
|
项 目 |
无纺布 |
钢丝网 |
锦纶布 |
单丝锦纶 |
单丝锦纶 |
|
给矿浓度 ％ |
45.1 |
49.90 |
49.40 |
53.81 |
51.67 |
|
水分 ％ |
13.44 |
14.50 |
13.87 |
14.57 |
14.36 |
|
过滤效率 t／m2．h |
0.69 |
0.671 |
0.376 |
0.757 |
0.757 |
|
滤饼厚度 mm |
14.2 |
18～21 |
9 |
16～20 |
12～20 |
|
圆盘转速 Rpm |
0.8 |
0.64 |
0.64～0.48 |
0.72 |
0.64～0.72 |
|
真空度 MPa |
0.064 |
0.057 |
0.064 |
0.072 |
0.044 |
|
滤液浊度 ％ |
…… |
2.50 |
2.47 |
2.47 |
2.96 |
|
使用时间 h． |
120 |
491 |
491 |
611 |
1064 |
|
卸饼方式 |
刮刀 |
刮刀＋反吹 |
反吹 |
反吹 |
反吹 |
该厂使用和试验的上述多种滤布，以无纺布堵严重，据称在使用3天后即严重堵且无法清洗；钢丝网的堵最轻，但强度不够；锦纶布堵快、清洗困难；单丝滤布在滤饼水分基本相同或略有增加的情况下，不仅处理量增加了一倍余，而且使用时间大幅度延长，并容易清洗。
这种锦纶单丝滤布目前的价格为42元／平方米，比一般锦纶滤布贵（但其价格仅为同类进口滤布的1／20～1／7），但由于其使用时间长，据酒钢计算，和锦纶布比较，仍有很大的经济效益。
表7 单丝Z1518滤布与锦纶长丝滤布性能比较
|
滤 布 |
透气率 |
透水速率 m3／m2.s×10-2 |
透水阻力1／m×109（长丝）×108（单丝） |
||||||
|
水柱高度cm |
水柱高度cm< | ||||||||
|
10 |
20 |
40 |
60 |
10 |
20 |
40 |
60 |
||
|
锦纶长丝 |
47.5 |
0.156 |
0.402 |
1.094 |
1.754 |
0.63 |
0.496 |
0.358 |
0.342 |
|
单丝 |
62.0 |
0.490 |
0.750 |
1.048 |
1.447 |
2.05 |
2.67 |
3.82 |
4.15 |
测定的Z1518滤布的最大孔径为19.7 μm，平均孔径为14．5 μm；由表可见，单丝滤布的透气率大（也较我们测定的其他几种滤布的大），透水速率也较大（测量中存在时间误差），透水阻力更小得多。
结束语
延长滤布使用时间并保持其良好性能是研究和开发滤布的焦点，而焦点的焦点则是防止和减轻滤布的堵本文从机织滤布的性质出发，充分论证了使用单丝滤布是解决此难题的重要手段；大力开发单丝滤布是发展我国机织滤布的重要方向，其最基础的工作是研究、改进我国单丝纤维的生产。
作者单位:1.东北大学 资源与环境工程系，辽宁 沈阳 110006；2.天津大学 化工系，天津 300073；3.四方特种滤布有限公司，江苏 苏州 315101
主要参考文献
［1］ G．G．Chase，J Arconti．The effect of filter cake on filter
medium resistance［J］．Separation science and technology
1994．29（16）．
［2］ 康勇．机织过滤介质污染机理及微孔薄膜复合过滤介质的研究［D］．沈阳：东北大学博士论文．1996．10．
［3］ A．Rushton D．J Green．Flow of fluid in filter cloth［J］．F&S May／June 1968．
［4］ H．P．Grace．Structure and performance of filter
media［J］．AICHE Journal V．2 No3 Sep．1956．
［5］ ［德］T.韦格特，S.里帕格．纤维状过滤介质被堵象对滤布过滤的影响［J］．国外选矿快报，1998，（5）．
［6］ 吴宏仁，吴峰．纺织纤维的结构与性能［M］．北京：纺织工业出版社，1985．
［7］ E.G.Smith．Fabric filter media Chem［J］．Eng．Prog．V．47 No 11 1951．
［8］ C C S Filtration．A comparative analysis of fabrics
used solid-liquid separation．SPST V2 1992．
［9］ 黄齐模 等．纺织品过滤材料［M］．北京：纺织工业出版社，1992．
［10］ G．Barlow，S．J Hacrycki．Measuring the retention efficiency
fabric media［J］．F&S Nov／Dec 1981．
［11］ H．R．Muller．精密合成单丝织物—设计和过滤性能［A］．苏州：第二届中日过滤与分离国际学术讨论会论文集［C］．1994．
［12］ 酒钢选矿厂技术科．ZPG—72型圆盘真空过滤机滤布选型试验报告［R］．1998．4．
编辑：陈传凤
国内单丝滤布应用现状浅析
王金虎 陈学宁 刘青喜 王希锁
摘要 介绍了国内用于固液分离设备的滤布使用情况，着重阐述了单丝滤布的材质、性能及与其他滤布在脱水过滤效果、处理量、使用寿命、卸饼等方面的应用情况比较。
关键词 固液分离 单丝滤布 选型试验 推广应用
1 概 述
在我国选煤、冶金、化工、环保等行业采用盘式真空过滤机、筒式真空过滤机、离心机、带式过滤机及板框式压滤机等对悬浮液进行固液分离时，大多数使用复丝编织滤布和90年代才引进国外设备生产的无纺针刺滤毯进行分离。但国际上，自90年代以来就开始使用单丝滤布进行固液分离，工效明显提高。然而，由于进口单丝滤布价格昂贵，国内仅少数几个对固液分离工艺技术要求很高的单位才使用进口单丝滤布。
2 单丝滤布性能
单丝滤布以合成纤维为原料，由尼龙（PA）、涤纶（PET）、丙纶（PP）和乙烯（PE）单丝编织而成。普通单丝滤布的织造技术并不复杂，国内一般的工业滤布生产厂家都能生产，但要生产出能满足固液分离工艺要求的高密度特种单丝滤布，目前只有江苏省吴县市四方特种滤布有限公司。该公司生产的Z53单丝锦纶滤布在