過濾分離技術在無機鹽工業清潔生產中的應用

吳　　芳，都麗紅，朱企新（1.上海化工研究院，上海200062；2.天津大學化工學院；3.全國石油和化工行業過濾與分離工程研究中心）

綜述與專論

過濾分離技術在無機鹽工業清潔生產中的應用

吳芳1，3，都麗紅1，3，朱企新2，3
（1.上海化工研究院，上海200062；2.天津大學化工學院；3.全國石油和化工行業過濾與分離工程研究中心）

過濾與分離作為基本的化工生產單元過程之一，在無機鹽生產中不可或缺。清潔生產要求過濾與分離過程能采用先進的工藝技術、高效集成分離設備、新型過濾介質、環保型后處理工藝，并確保過程的高效節能。對氯堿鹽泥、尾礦礦漿過濾與分離過程中的清潔生產技術進行了應用研究。在壓榨過濾工業性試驗中探索了壓榨過濾操作的最適宜起始壓榨點，確保壓榨效果最好、過程用時短、濾餅含液量更低；針對鋁土礦浮選后尾礦的物性，分別采用助過濾、絮凝、凝聚技術等預處理方法對尾礦處理與水的回用過程進行了最適宜的使用條件與方法的探索，應用效果好，處理量高，水回用可達到國家標準，可供工業生產借鑒。

過濾分離；無機鹽；清潔生產；節能；環保

1　中國無機鹽工業發展概況

中國早在春秋戰國時期就已開始生產和應用無機鹽產品，到明代部分無機鹽的生產已經形成了一定的手工業規模，但在很長一段時間內，還一直停留在手工作坊階段。近30 a來，中國無機鹽工業取得了重大進展，無機鹽行業的原料、通用產品生產工業相對成熟。尤其對于部分具有資源優勢的無機鹽產品，新興工藝的應用和高效裝備的引入，實現了規?；a，部分產品生產工藝與裝備水平已達到國際先進水平。新的無機鹽產品不斷出現，并朝著精細化發展，產品品種的系列化工藝開發初見成效；產量上有較大突破，部分產品產量達到世界前列。如中國輕質碳酸鈣的產量為世界第一，且目前大批量出口，有廣闊的國際市場空間［1］；裝備技術上，基本擺脫了早期的作坊式生產，一批批現代化無機鹽生產企業不斷涌現［2］。此外，無機鹽行業生產中資源高效利用、節能降耗、無三廢排放、環保工藝技術等都逐步得到重視，并取得一定成效。

2　清潔生產及發展

2.1清潔生產的定義

《清潔生產促進法》［3］明確定義：清潔生產是指通過采用清潔的能源和原料、改進設計、選擇先進的工藝流程及裝備、綜合利用等，從工藝生產源頭開始就采取削減污染可能產生的措施，提高資源利用，減少或者避免生產過程中污染物的產生，以減輕、消除對人類健康和環境的危害。

2.2國內清潔生產現狀及概況

從中國清潔生產歷程可知，早在20世紀90年代，全國各地都在提倡“預防為主，防治結合”、“采用無廢少廢工藝”，但實施力度不夠，目前來看，污染防治工作主要還是依靠“末端治理”，即三廢處理［4］。這種污染治理方法需要額外增加治理污染的投資費用，還不能有效回收利用未反應的原料和廢物中的有用成分，致使原材料消耗大，產品成本高。此外，目前通用的污染治理方法應用效果非常有限，想通過末端治理實現徹底消除污染還很難。據調查報道，相比污染后采取措施治理，在生產前進行污染防治可大大提高經濟效益。如在日本，若不采取措施直接排放硫氧化物，對造成的空氣污染進行治理所需投入的資金是預防費用的10倍［5］。

總結部分發達國家治理污染的實踐經驗，工業過程中應轉換思維模式，逐步認識到只有大力開展清潔生產，將“預防為主”作為企業發展的主要工作之一，輔以“防治結合”，才能根本解決工業過程中產生的包括水、空氣等的污染問題。也就是需要研究清潔生產新工藝、開發預防污染新途徑、應用集成環保新裝備，使過程不產生污染，或在生產過程中盡可能消除污染物，在保證經濟效益的同時，確保生產過程綠色環保。隨著生產的發展和當前日益嚴峻的環境問題，國家大力推進清潔生產工作，對生產過程中的污染治理與控制要求越來越高，出臺和制定各種新的規程和標準，對有毒有害污染物和氣體的排放進行控制。此外，大力加強清潔生產科研項目資金的投入，重視和支持培養清潔生產領域的專業技術人員。清潔生產實施所產生的環境和經濟效益也是相當可觀的。據統計，僅在2008年，國家在實施清潔生產方案方面投入資金總計173.1億元，通過清潔生產方案的實施，得到明顯的資源、能源節省及污染防治成效，大大降低了水、電等能源消耗，也減少了大量的二氧化碳排放，取得100多億元的經濟效益［6］。從長遠來看，清潔生產將會給整個工業帶來革新，在節能環保的同時，使經濟效益提升到一個新的高度，因此大力發展和推進清潔生產是非常有必要的。

目前，在全國范圍內，清潔生產得到的重視程度還不夠，實施力度還不深入，推進工作也還沒有全面展開，在這幾方面，都存在地區、行業不均衡的問題。據報道，截止2010年，開展清潔生產審核的主要包括化工、石化、電子信息、鋼鐵等重點行業，僅占全國工業總量的3.25%，而其中大部分行業僅有5%的企業在進行清潔生產審核工作［6］。

2.3無機鹽行業清潔生產的重要性

近年來，雖然中國無機鹽工業得到了迅速發展，但從總體看仍存在很多問題，在產業結構、技術創新、裝備革新、資源來源、環境保護等方面都有很大的提升空間。

1）產業結構、技術及裝備的不足?？傮w來看，存在生產廠家多、企業規模小的問題，只有很少一部分企業達到國際先進水平，大部分企業結構和技術水平還停留在20世紀。技術上，創新能力不強，研發能力不足，科研投入少，絕大部分企業沒有專業的科研人員，多是憑經驗在生產和管理；生產裝備上，有相當一部分企業為了節省資金，仍沿用陳舊、自動化水平低、勞動強度大的設備，引進和應用先進設備的推進工作慢，導致人力、物力投入大，能源消耗大，產品質量不合格率大；從產品結構來看，存在產品規格少、質量不穩定，且多為通用型產品，多數精細、專業產品還是依賴國外，如二氧化鈦、過氧化氫、碳酸鈣等［6］。

2）資源、能源、環境污染問題。中國無機鹽生產中排放的“三廢”量大，一些易產生污染的產品的生產已成為行業關注的重點，無機鹽產品的原料基本上為固體粉狀天然礦物，生產過程中若不采取任何的污染防治措施，勢必會產生大量粉塵，且廢水、廢渣、廢氣等污染物多，直接排放危害大。加上生產工藝與設備落后，部分未反應的原料沒有得到有效回用，導致生產過程成本高，浪費大量資源和能源。此外，由于末端治理費用高，需要大量的資金投入，加之部分地方政府環保投入和推廣實施力度不夠，很多企業根本不重視這一問題，積極性不高，亂排亂放現象仍然嚴重，或者即使投入設備進行治理，也是沒有經過合理的工藝設計、治理設備不科學，不能解決根本問題，無法達到應有的末端治理效果，甚至產生二次污染?？傮w來說，無機鹽環境污染問題是制約無機鹽產品發展的重要因素之一。

3）因此，在無機鹽工業中亟需推進清潔生產，在生產過程中采用新技術、新工藝、先進設備，從源頭上提高生產效率、節約資源、減少污染物排放，以確保無機鹽工業生產的整體經濟和社會效益。首先是要加強無機鹽產品潔凈生產技術、工藝開發和綜合利用的基礎研究。加強科研投入力度、重視人才、鼓勵技術創新，獲得有自主知識產權的核心技術。其次，改進技術裝備水平，提高資源利用率，確保生產節能環保。大力推廣高效節能環保型集成裝備的應用，摒棄能耗高、污染大、自動化程度低的單元過程設備，進行內部廢物、廢熱回用，減少污染排放，節省能源資源，提高原輔材料的綜合利用水平。此外，應推進生產過程自動化全控制，加強生產過程監控能力，提高企業的生產和管理水平，確保企業整體經濟效益。

2.4清潔生產中對非均相物系分離技術的要求

大部分工業生產過程離不開液固、氣固等物系的分離，據不完全統計，僅化工領域中，就有80%左右的產品包含有過濾與分離過程；而幾乎所有的無機鹽工業中都涉及液固、氣固物系的過濾分離過程［7-8］。

清潔生產對液固、氣固物系分離技術有新的要求，如采用無毒、無害的原料和輔料，避免造成環境污染或二次污染；采用資源利用率高、污染物產生少的工藝技術，確保工藝過程節能降耗、綠色高效；采用集成工藝解決難過濾物料的過濾與分離；對生產過程中產生的廢物、廢水和余熱等進行回收或綜合利用；研發和推廣自動化成套集成設備，減少人力投入，提升分離效率。此外，過濾介質決定設備的過濾效果，過濾介質的好壞在很大程度上可以衡量過濾分離效果，必須重視新的、具有多功能的新型過濾介質的研發、推廣和應用，確保分離過程高效節能，滿足清潔生產的要求。

3　高效節能過濾分離技術在無機鹽行業中的應用

3.1過濾分離機械的優化操作舉例

加壓壓榨過濾機是20世紀60年代左右研發的應用于液固分離的節能型壓濾機，與無壓榨功能的壓濾機相比，它可以得到更干的濾餅，為后續干燥工藝節能降耗，在某種程度上甚至可以替代干燥過程。中國在20世紀80年代中后期，通過引進、消化、創新后，到90年代中后期，加壓壓榨過濾機（又稱廂式隔膜壓濾機）逐步在國內推廣。隨著中國制造業水平的不斷提高，不僅大大減少了廂式隔膜壓濾機的進口，而且目前已出口到歐美工業發達國家和發展中國家。在三廢處理、污泥脫水、貧礦提純、機制砂生產等領域均有應用［9］。

在無機鹽行業，以鈦白粉生產為例，湖南中鹽株洲化工集團有限公司在年產1.5萬t鈦白粉生產工藝中用國產廂式隔膜壓濾機代替真空葉濾機用于一、二次水洗，不僅可行，而且具有投資成本低、能耗低、產能高、占地面積小等優點［10］；山東某鈦白粉廠也采用隔膜壓濾機代替真空葉濾機（又稱摩爾過濾機）對生產工藝及設備進行了優化和改造，增加過濾壓力，提高分離效率、洗滌速率，減少耗水、耗電，縮短了工藝流程和時間，得到的濾餅更干，已在多個鈦白粉企業推廣應用［11］。此外，加壓壓榨過濾機可應用于液固分離且需要洗滌的類似化工工藝生產中。

從一般過濾到壓榨過濾是從技術到裝備的一大進步，但如何能進一步科學使用實現優化操作，使之充分發揮隔膜壓濾機的優越性，還應繼續下功夫。壓榨過濾操作存在一個最適宜的起始壓榨點，在該適宜操作點進行壓榨過濾，可以得到最好的過濾效果，一方面，保證過程最短（即過濾、壓榨過程累積用時最短），另一方面，分離效果最優（即獲得盡可能多的濾液，得到的濾餅含水率最低）［12］。

以氯堿鹽泥為例，物料含水率為80%以上，含鹽成分為KCl、K2CO3、BaSO4等，pH為9～11，物料密度為1 200 kg/m3。采用廂式壓榨型壓濾機進行處理，運行周期為53 min，過濾壓榨時間合計25 min（其中過濾20 min，壓榨5 min），其余28 min包括壓緊、洗滌、松板、卸料等操作。

為確定最適宜的起始壓榨點，進行了現場試驗，在不改變過濾壓力和壓榨壓力的前提下，在不同時間點進行提前壓榨，即改變不同起始壓榨點，對每次試驗結束后得到的濾餅質量和含水率進行測定，得到試驗數據見表1。

表1　氯堿壓榨過濾工業性試驗［13］

從表1可以看出，常規過濾濾餅含水率最高，采用提前壓榨過濾所得濾餅含水率最低。當壓榨時間提前5 min時，壓榨過濾效果最好，濾餅含水率達到最低（29.62%）；與壓榨過濾方式相比，提前5 min壓榨濾餅含水率降低了5.38%，每個濾室的濾餅量從37.51 kg降低到34.64 kg，減少濾餅運輸量7.65%；與常規過濾方式相比，濾餅含水率從50%降低到29.62%，降低了 20.38%，每個濾室的濾餅量從48.77 kg降低到34.64 kg，減少濾餅運輸量28.97%。過濾壓榨時間由原來的25 min減少到20 min，生產效率提高了20%。由此可見，針對氯堿鹽泥過濾，最適宜的起始壓榨點是提前5 min壓榨，可以得到更干的濾餅，減少濾餅運輸量，提高過濾效果。

3.2尾礦處理和尾礦廢水回用——鋁土浮選礦分離和水再生利用

尾礦浮選后含有大量水，重視浮選后對尾礦與水的分離，既可以大量節約水資源，還能提高經濟效益。采用傳統的重力沉降方法進行尾礦脫水，存在投資大，占地面積大、操作維護難且耗功耗時，分離效率不理想等問題。尾礦的水處理核心問題是廢水中的固體懸浮物和部分重金屬離子，通常采用加入絮凝劑或凝聚劑的方法對物料進行預處理，再采用過濾的方法進行尾礦脫水比較適宜。

鋁土礦浮選后尾礦成分復雜，尾礦漿濃度低，平均含固量為22.1%，顆粒粒徑小，平均粒徑為6.74μm，小顆粒（0.15～3.09 μm）占51.10%，黏度較大（1.70× 10-2Pa·s），濾餅阻力會很大，不易脫水，屬于難過濾物料；由于小粒徑的顆粒比例高（小于1 μm的顆粒占17.28%），不能直接采用陶瓷過濾介質進行過濾。

因此考慮采用加入助濾劑改變濾餅結構，提高濾餅的脫水性。根據助濾劑的選擇要求初選40#、60#助濾劑，采用D1陶瓷微濾膜進行試驗，結果表明不加助濾劑，過濾過程無法進行；加入兩種助濾劑后都能達到較好的過濾效果，透水容易，且透過液濁度不大。考慮到60#助濾劑的顆粒大小與尾礦中顆粒大小比較接近，選擇60#助濾劑進行處理。

過濾介質類型對過濾效果好壞起著直接作用，無機陶瓷膜具有毛細作用及微孔陶瓷膜的親水性，脫水容易、功耗低、處理量大、濾餅含水少、截留精度高、分離效率高，因此選用陶瓷膜作為過濾介質。尾礦過濾擬分別采用D0（孔徑為25～38 μm）、D1（孔徑為2～3 μm）兩種不同孔徑的陶瓷微濾膜進行試驗。由于陶瓷膜孔徑大，阻力小，剛開始過濾，小于膜孔徑的顆粒進入孔內、甚至穿過微濾膜的可能性就大，有的可能堵塞陶瓷微濾膜，增加堵塞幾率。孔徑小，毛細管壓力降上升，液體通過的阻力上升，濾速慢。

因此，對尾礦漿的脫水與回收，需進行凝聚及絮凝的可行性試驗，以使顆粒成長，防止陶瓷微濾膜被堵塞。通過添加絮凝劑，可以很好地提高尾礦漿的可濾性，但添加有機絮凝劑后，陶瓷微濾膜易堵塞。因此加入凝聚劑進行凝聚試驗，發現添加適量的凝聚劑后，采用D0、D1兩種陶瓷微濾膜進行過濾分離，再生情況都很好，其中用D1陶瓷微濾膜濾液澄清度、濾餅濕含量均優于D0。

尾礦漿添加助濾劑，再經過凝聚或絮凝處理后，采用陶瓷膜過濾器進行過濾所得濾液符合國家相關污水排放標準，見表2。

表2　尾礦水處理結果及國家相關標準［14］

將研究結果用于實際生產中，即在尾礦漿中加入60#助濾劑后，按一定濃度加入2#凝聚劑進行凝聚，采用30 m2陶瓷過濾機過濾，尾礦水處理結果達到生活用水及污水回用國家標準，處理量為29.57～32.14 t/h，出水量為20.7～22.5 m3/h。

4　結論

1）近30 a來，中國無機鹽工業取得了重大進展，發展的同時也帶來了很多問題，環境問題首當其沖。隨著環境問題的日趨嚴峻，對無機鹽行業清潔生產的要求越來越高，無論從經濟效益還是社會效益來看，預防都是大大優于治理的。而清潔生產要求過濾分離過程高效節能，包括原材料無毒無害、工藝技術與設備全套集成、資源利用率高、污染物產生少以及三廢的綜合利用。

2）研究了氯堿鹽泥的過濾分離過程，對氯堿鹽泥的壓榨過濾操作的最適宜起始壓榨點進行探索，并與常規單一過濾以及單室壓榨過濾效果進行對比，結果表明在過濾壓力、壓榨壓力都不變的情況下，提前壓榨過濾技術存在一個最適宜的操作點，在該時間提前進入壓榨階段，可以得到最好的壓榨效果，且確保過程用時短、濾餅含水量低。

3）考慮到鋁土礦浮選后尾礦的物性特征，分別采用添加助濾劑，絮凝、凝聚預處理或兩者混用的方法對尾礦進行處理，并采用陶瓷膜過濾介質進行過濾分離，對尾礦處理與水回用過程的最適宜使用條件與方法進行了探索。研究結果表明，陶瓷膜再生情況良好，尾礦處理量大、速度快、水處理結果滿足國家相關標準。

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聯系方式：1127736232@qq.com

Application of filtration and separation technology in cleaner production of inorganic salts industry

Wu Fang1，3，Du Lihong1，3，Zhu Qixin2，3
（1.Shanghai Research Institute of Chemical Industry，Shanghai 200062，China；2.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University；3.National Petroleum and Chemical Industry Filtration and Separation Engineering Research Center）

Filtration and separation，as one of the basic chemical production processes，is indispensable in the inorganic salt industry.Cleaner production has special requirements for filtration and separation process，such as，adopting advanced technology，high-efficient integrated separation equipment，new filtration medium，and environment friendly post-treatment technology，and ensuring the process with high efficiency and energy saving.The application of cleaner production technology in the separation of chlor-alkali salt silt and tailings pulp was studied.The most appropriate initial press point was obtained in the industrial press filtration test so as to make sure that the separation effect was the best，time was the shortest，and filter cake liquid content was the lowest.In view of the properties of flotation tailings of bauxite，the optimum conditions and methods for the tailings treatment and water reuse were investigated by adopting different pretreatment methods，for example，filter aid，coagulation-flocculation，and aggregation etc..The process was proved with high treatment capacity and good industrial application effect.Meanwhile，water reuse could meet the national standard.Therefore，it could be used for the reference of industrial production.

filtration and separation；inorganic salts；cleaner production；energy saving；environmental protection

TQ028

A

1006-4990（2016）04-0001-05

2016-01-19

吳芳（1987—），女，碩士，主要從事過濾與分離技術的研究。

朱企新