过滤器的研究进展及应用

  过滤器在系统中是一种*的过滤装置，其目的在于过滤介质中的杂质，保证介质流通顺畅及保护系统内部的重要元件［1］。当介质进入置有过滤网或其他过滤部件的滤筒后，杂质被阻挡，而其余的介质则由过滤器的出口排出。过滤器一般用于石油、煤炭、化工、食品、医药、造纸、水电厂、压缩机、农田灌溉、空调制冷、污水处理以及油水分离处理等领域［2］。近年来，我国越来越重视环境保护以及资源的有效利用，不断加大环保资金投入，加强政策引导。中共十七大报告指出，必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，加大节能环保投入，重点加强水、大气、土壤等污染防治，改善城乡人居环境［3］。因此，这都预示着过滤器巨大的应用前景。
    1· 过滤器的基本分类
    过滤技术直接影响着过滤器的发展，同时也制约着过滤器的研发。按照过滤机理的不同，过滤技术一般可分为表层过滤、涂层过滤、深层过滤等。
    表层过滤：杂质的中径大于滤网的孔隙，过滤器此时起到一种筛网作用，杂质会被滤网截留并快速流散到其他地方。
    涂层过滤：分离过程中添加一定量的助滤剂，一段时间后，会在滤网上形成一层稳定的过滤涂层，能够产生较强的过滤作用。
    深层过滤：分离过程只发生在过滤器内部，杂质的中径小于内部管道的孔隙，依靠其受到的惯性力与阻力的平衡吸附到管道表面，分离过程见图1。
                 
    过滤器的分类较为复杂，在不同的行业都有着不同应用。按照种类的不同，过滤器可分为液压过滤器、发动机过滤器、空压机过滤器、空气过滤器、流体过滤器等。
    液压过滤器：在液压系统中，能够滤除过滤介质中的杂质。常见的有吸油过滤器、压力管路高压滤、回油过滤器、油箱空滤器、双联过滤器等。
    发动机过滤器：位于发动机进气系统中，由一个或几个清洁空气的过滤器部件组成的总成。作用是滤除将要进入气缸的空气中有害杂质，以减少气缸、活塞、活塞环、气门及气门座的早期磨损。常见的有燃油过滤器和机油过滤器。空压机过滤器：由空滤总成和滤芯组成，外部通过接头和螺纹管连接到空压机的进气阀，从而滤除进入空气中粉尘，颗粒等杂质。常见的有空压机空滤器、油压机油滤器和油气分离过滤器。
    空气过滤器：一般用于洁净车间，洁净厂房，实验室及洁净室，或者用于电子机械通信设备等的防尘。常见的有厢式过滤器、袋式过滤器、板式过滤器、密褶式过滤器等。
    流体过滤器：具有自洁作用的滤筒型过滤器，适用于清除流体中的杂质颗粒。常见的有板框式过滤器、蓝式过滤器、筒式过滤器、管式过滤器、盘式过滤器、带式过滤器、立式过滤器、针式过滤器、微孔过滤器、网式过滤器、Y型过滤器、U型过滤器、T型过滤器、自冲洗过滤器、袋式过滤器、机械过滤器等。
    过滤器内部的滤芯是其zui重要的过滤元件。滤芯的主要材料是过滤网，过滤网主要是编织网、纸制滤材、玻璃纤维滤材、化学纤维滤材以及金属纤维滤材［4］，滤芯的基本结构见图2。
               
    尽管过滤器有着结构简单、造价便宜、使用方便等优点，但随着人们对机械性能要求的不断提高，传统过滤器的局限性也日益凸显。为了加快国家工业化进程，提高社会绿色化发展，增强人民节能化意识，开发新型过滤器迫在眉睫。本文主要介绍了过滤器的发展过程及在相关行业中的应用，阐述了各种过滤技术及其的科研动态，明确了其未来发展趋势。
    2· 过滤器的研究进展
    公元105年，蔡伦总结前人经验，发明了造纸术，将植物纤维纸浆荡于致密的细竹帘上，水经竹帘缝隙滤过，一层薄湿纸浆留于竹帘面上，干后即成纸张。在一世纪的罗马，人们在提纯水银的时候用粗麻制成的面具对自身进行保护。zui早的过滤大多为重力过滤，后来为提高过滤速度采用了加压过滤，进而又出现了真空过滤。一战期间，由于各种生化武器的使用，以石棉纤维过滤纸作为滤烟层的防毒面具应运而生［5］。二战期间，为满足空中堡垒B-17轰炸机液压油过滤的需要，英国人为波音公司发明了叠片过滤器，并获得了。20世纪60~70年代，动态过滤器的出现，使其能够去除难以过滤的杂质［6］，其稳定的运转、安全的工作、无须助滤器等优点得到业内界*。20世纪80年代，瑞士的Rosenmund公司首先推出了一款名为Nutrex的多功能过滤器，主要用于精细化工生产。20世纪90年代，生物过滤器的发展，使其对VOCs的去除率可达95%，对恶臭物质的去除率可达99%［7］。近些年，我国的新型过滤器的研究虽然取得一定成果，在相关行业都有着不俗的表现，但与国外同类产品相比仍有差距。
    2.1 自清洗过滤器的研究
    自清洗过滤技术是新型的过滤技术，该技术是利用水压自动清洗且不停止过滤［8］。而自清洗过滤器是一种将过滤介质中的杂质在一定条件下自动过滤的装置［9］，其优点与传统过滤器相比不言而喻。
    对于自清洗过滤器的研究，国外比较早并起始于20 世纪中后期，比如Vehashkaya Amiad Si?nun较早提出了一种自动反冲洗过滤器，Anon很早就对自清洗过滤器有了很深的研究，JanHermene针对一种自清洗连续过滤系统，解决了滤网堵塞问题等［10-15］。目前像美国、以色列、德国、日本等具有不少研制和生产自清洗过滤器的公司和厂家，它们出品的自清洗过滤器拥有着各种型号和种类［16-22］。国内对自清洗过滤器的研究较晚，起始于21世纪初，比如李亚雄等人研制了一种自动清洗网式过滤器，杨万龙等人研制了一种灌溉用叠片式自动反冲洗过滤器，张振军等人研制了一种全自动吮吸式自清洗过滤器，成玉彪等人研制一种全自动清洗过滤器等［23-26］。国内外过滤器的相关参数见表1。

    随着引进*过滤器产品数量的增多，国内相关人士对自清洗过滤器的研究有着进一步的深入。郭米［27］等人研制的LZ型立式自清洗过滤器解决了卧式过滤器的占地面积大、制作成本高等缺点，提高过滤效率，使过滤精度≤120 μm。于明言［28］等人在自清洗过滤器中添加了西门子S7-200PLC电控系统，在水处理应用中效果，滤后水质良好，不仅降低了生产成本，还提高了该过滤器的稳定可靠性和抗干扰能力。翟国亮［29］等人对微灌用砂石过滤器反冲洗参数进行了试验研究，虽然这些成果从一定程度上完成了过滤杂质的自动清洗，但其清理机构和传动机构仍需外力驱动，进而增加了过滤器的制造和使用成本。滕守容、荣剑波［30］等人研制的卧式水力驱动自清洗过滤器，只需水力驱动便可自动清洗。中国农业大学的李光永［31］等人研制的全自动自吸附反冲洗网式过滤器，利用水流反作用力实现污物吸附，无须利用液压驱动。张晶晶［32］等人研制的辐射自清洗过滤器，其实际处理效果明显优于模拟实验的处理效果。潘子衡［33］等人通过ANSYS建立有限元模型，导入CFX软件，对改进后的自清洗过滤器吸污器进行计算流体动力学分析，结果表明改进后的过滤器的过滤效率明显提高。
    2.2 石油化工过滤器的研究
    2006年我国石油净进口1.6亿吨，同年中国原油产量在1.84亿吨，据估计，到2020年zui多能达到2亿吨［34］。在石油行业如此如火如荼的形势下，石油化工过滤器在其中的应用也日渐显现出来。
    为了满足各种油层条件对注入水质的要求，近些年开发出了各式各样的过滤器，比如石英砂过滤器、轻质滤料过滤器、主微孔陶瓷过滤器、膜过滤器、纤维介质过滤器等［35］。随着过滤器在油田应用的不断深入，一些新型的石油化工过滤器也应运而生。李涛［36］设计的低压反冲洗过滤器，是在原石英砂过滤器的基础上改进而来的，该技术降低了反冲洗压力，保证了反冲洗流量，提高了反冲洗效果，确保了滤后水质达标，改进后的结构见图3。
                
    朱之锦［37］等人研制的PTI-500精细过滤器，具有耐腐性能高、使用寿命长、综合成本低、过滤面积大等优点，悬浮物颗粒直径能达到0.5 μm以下。尹先清［38］等人研制的双滤料过滤器是为了解决低渗漏油田回注污水水质不达标的问题，滤后水质指标为悬浮物固体含量≤3 mg/L，油含量≤5 mg/L，颗粒粒径≤3 μm（占总颗粒体积的85%以上）。胡子斌［39］设计的微孔精细过滤器由过滤介质与机体结构两大部分构成，经过检测，悬浮物固体含量＜1.0 mg/L，滤后水中机杂粒度中值≤1.0 μm。为了更好的处理油水分离，杨庆忠［40］提出了两种新型过滤器，即改性纤维球过滤器和碰撞聚结式油水分离器。改性纤维球过滤器具有亲水曾油性，反洗再生能力强等特点，有着更好的过滤效果；碰撞聚结式油水分离器由碰撞、聚油、过滤三部分原件组成，滤后含油量＜10mg/L，悬浮物＜17 mg/L，颗粒中径＜4 μm，过滤效果较好。刘兴宇［41］通过对油田注聚含油污水纤维滤料过滤器的性能研究，发现滤后水中含油均值为8 mg/L，悬浮物含量均值为2 mg/L，粒径中值≤2.0 μm。
    2.3 污水处理过滤器的研究
    我国的水资源相对匮乏，并且水的污染问题也较为严重。不管在什么行业，对于污水的处理一直都是该行业的头等大事。因此，推广合适的过滤器对污水进行处理是节约水资源、提高水资源利用率的有效途径，尤其是在水资源紧缺的西北地区。
    叠片式过滤器是一种较为常见的污水处理过滤器（见图4），它具有占地面积小、自动化程度高、运行维护费用低等特点，是当前污水处理领域中的先进技术［42］。
                
    崔春亮［43］等人对国内外叠片过滤器的性能进行比较，研究结果表明，国内自主研发的叠片过滤器，其过流性能、抗压能力和过滤精度均达到了国外同类产品的的技术水平。在工业污水处理中，还有一种zui为常见的是盘式过滤器，其过滤机理［44］是通过压紧的塑料盘片实现表面过滤与深层过滤的组合。刘广容［45］等人将国产、进口的盘式过滤器进行了工艺性能对比试验，结果表明，在相同试验条件下，两种过滤器的工艺性能和出水水质都相近，国内相关产品与国外同类产品的差距逐步缩小。郭沂林［46］等人研制了一种节水灌溉用新型水力旋喷自动吸附过滤器，较传统过滤器而言，其具有工作寿命长、工作效率高、自动化程度高等特点。郑春生［47］通过研究发现，压力式滤料过滤器在污水悬浮物较多的情况下能确保滤后水质的质量。其具有过滤速度高、处理水量大、占地面积小、操作简单省力、不易出现故障，并且能实现单台或者多台过滤器系统PC自控等优点。在循环供水系统中使用可改善水质，提高水的循环利用率，以达到节约新水用量的目的，是当前工业水处理设施中*的设备。陈颖敏［48］等人研制彗星纤维滤料过滤器在过滤和反洗时均有其*的优点。过滤时，能提高滤床的截污能力；反洗时，能提高滤料的洗净度。
    2.4 其他过滤器的研究
    对于流化床颗粒层过滤器的过虑性能，国内外都有一定的研究。Joseph S. Mei［49］等人对采用方柱形过滤元件的二维流化床颗粒层过滤器的过滤性能进行测试。数据表明，滤后的气流中，灰尘的平均尺寸大约为1.5 μm。华中理工大学的张世红［50］等人在实验室规模的三维冷态试验台上，用黄砂作床料，滤后的清洁气流中，灰尘的平均粒径为5 μm左右。针对矿井下水质差、环境恶劣，徐双用［51］研制了一种新型反冲洗过滤器，设计采用了棘轮控制方式，具有结构紧凑、过流量大、操作简单及成本低廉等优点。PALL公司研制的S1501过滤器［52］是高温高压的灰尘过滤设备，由于Shell煤化气产生的灰尘从气化炉排出，为保证下游压缩机及催化剂的健康运行，该过滤器是否正常工作是Shell气化装置稳定的一个制约因素。Gabriel Beko［53］等人通过对F7袋式过滤器的研究，将活性炭与该过滤器结合，大大提高了其过滤性能。跟传统玻璃纤维过滤器做对比，后者的过滤性能仅为前者的50%。
    3 ·过滤器未来的发展趋势
    过滤器作为一个系统的重要部件，在未来的科技发展过程中拥有一个全新的地位，它将逐渐走向成熟，成为一个公共的研究对象。随着我国机械化进程的不断加快，过滤器在未来的发展会有以下几个趋势：
    （1）集成智能化［47］通过在过滤器上添加集成电路、电子芯片等一些装置，使得过滤器拥有可识别功能，对即将过滤的介质进行仔细扫描，筛选出可通过的物质，对于其它物质予以阻止，达到快速过滤的效果，从而提高过滤的效率及准确度，避免二次过滤。
    （2）精密大型化随着竞争的不断加大，我国的机械设备逐渐向大型化方向发展，同时其对过滤器的要求也会不断提高。为了便于过滤器适用于不断大型化的机械设备上，使其能够更好的跟机械设备相兼容，在选材、整体设计和结构分配上也会十分苛刻。
    （3）系统编程化由于一些特定的要求，过滤器会演变成为一个可编程化的系统出现，编程控制在其身上会充分体现。通过编程，过滤系统会在特定的时间、特定的温度、特定的光线对输送的介质进行过滤，对于排放出的物质会充分回收并再次过滤，以达到过滤的标准。
    4 ·结束语
    过滤器在各行各业都具有广泛应用，然而在重要场合使用的过滤器多为国外制造，国内拥有自主知识产权的产品依然很少，现如今，低碳的概念悄然进入人们的生活，这对于国内过滤器以及整个行业是个严峻挑战，培养相关人才和扩大产业规模是该行业的当务之急。面对国外相关产品对本国市场的强烈冲击，产业的合理化建设尤为必要。1992年美国厂商供应*的评定过滤器性能用的“实验粉末"的停产以及1999年评定液压过滤器标准ISO4572的“寿终"，无疑是对过滤器行业的一次震撼，因此，发展本国评定标准及改变相关产业结构显得十分重要。