固体废弃物处理与处置论文Word文档格式.docx
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现有的传统固液分离技术主要集中在压滤、过滤、重力沉降等方面。
它广泛的应用于医药卫生、造纸、环境保护、食品、发酵等各大行业[1]。
在许多生产过程中，过滤与分离机构是关键设备之一，其技术水平的高低、质量的优劣直接影响到许多过程实现工业化规模生产的可能性、工艺过程的先进性和可靠性、制品质量和能耗、环境保护等经济和社会效益[2]。
在物料湿法加工过程中，固液分离工艺越来越受到人们重视。
因为工艺不完善首先会影响产品质量，造成物料流失，并且对环境造成的污染也会更加严重，特别是颗粒悬浮液，由于其颗粒小、沉降速率慢、滤饼的孔径小、透气性差、从而导致颗粒悬浮液的分离效率降低[3]。
全球水资源急剧短缺，生存环境日益恶化,人们因此对固液分离工艺也提出了更高的要求[4]世界各国的许多研究者在这方面的也有很多深入的研究。
2、概述
传统固液分离技术在国民经济各部门如化工、轻工、制药、采矿、冶金、能源、环境保护等应用非常广泛。
2.1化工生产
在无机盐工业中常涉及酸解、碱溶、浸出物的过滤和滤饼的洗涤。
如制碱行业中重碱的过滤和氨泥的分离[5]在化肥生产中，磷石膏的过滤、酸不溶物的分离都离不开液固分离操作，其分离的优劣直接影响产品的质量、产量及收率。
近年来精细无机化工产品的迅速发展也对过滤和分离设备提出了新的要求。
染料生产中大部分产品的生产工艺都有过滤、滤饼洗涤和子操过程。
此外在石油化工产品、颜料、涂料、水泥、精细化工产品的生产过程中都要涉及液固分离操作因此液固分离在化工生产中具有举足轻重的地位。
2.2采矿和冶金工业
几乎所有的选矿工艺都与水和矿石分离有关。
冶金工业中，氧化铝和氧化锌的生产及黄金生产、原子能工业中铀的分离、选煤水的回收及煤粉的合理利用都要借助于液固分离操作。
这不仅可解决环境保护问题还能达到能源的综合利用的目的，应用前景非常广阔。
2.3制药工业
生物发酵和生物制品工业:
生物发酵工艺中都有发酵液和菌丝体分离的问题最常用的是过滤和离心分离。
在酶制剂工业中，碱性蛋白酶、脂肪酶和多糖微生物的浓缩分离常用微滤和超滤技术，其操作费用仅为传统方法的一半。
在制药工业中如抗菌素的生产和无菌水的制备等也离不了液固分离工序。
发酵工业中发酵残液的综合利用不但可解决环境污染问题，同时可生产出高质量的饲料具有非常显著的社会和经济效益，而在工业上要实现这一目标，又与高效的固液分离设备密切相关。
2.4环境保护工程
在工业生产和日常生活中都会产生大量的污水，如不经处理直接排放，将造成环境的严重污染，影响人民身体健康，因此污水的综合治理能力已经成为一个国家经济实力和技术水平的重要标志。
生物法治理污水是现阶段的一种重要的方法，它涉及污泥的浓缩、凝聚、脱水的焚烧等过程，其中脱水效果将影响整个处理过程的能耗指标。
再如食品工业中产生大量含蛋白质废水，如直接排放不仅会造成环境污染，又流失了大量的蛋白质，若经过沉降、脱水和膜过滤可节约大量的生产用水，并可回收有价值的蛋白质，可谓一举多得，是目前工业发达国家正在开发的领域。
3、固液分离的基本技术与选型设备
从原理上讲,固液分离过程可以分为两大类:
一是沉降分离,一是过滤分离。
固液分离设备也可以相应地分为两大类。
在此基础上,根据推动力和操作特征进一步细分为若干种固液分离设备,如表1所示。
品种繁多的固液分离设备使得用户有较大的选择范围,对于任意的固液分离向题,一般总可以找到一种最为合适的固液分离设备。
但是,正由于固液分离设备种类很多,而一般用户对各种设备的性能又缺乏深入了解,所以要在各种分离设备中找出最为合适的设备总是存在不少困难。
因设备选型不当而不能满足工艺要求的并不少见。
如何正确合理地选择固液分离设备引起了许多学者的重视,在最近四十多年时间里国外发表了大量有关固液分离设备选型的文献。
详细论述了各种固液分离设备的选型，以及固液分离设备选型的一般方法。
在论述固液分离设备选型的一般方法中,以及固液分离设备选型的方法。
表一固液分离设备主要类型一览表
分离
原理
推动力
操作特征
典型设备
沉降
重力
连续操作
连续沉降槽（鼓）连续浓缩器连续澄清器流化床澄清器斜板分级机螺旋分级机,逆流分级机,泡沫浮选器
间隙操作
间隙沉降槽（鼓）沉降桶澄清池
离心力
静止壁
液固旋流器液液固旋流器Tedman沉降袅置statifug沉降装置
转动壁
连续卸料
卧螺离心机立螺离心机碟式分离机螺碟离心机管式分离机室式分离机,离心浓缩机
间隙卸料
敝液管离心机刮刀卸料沉降离心机
电磁力
高梯度磁分离器静电分离器电渗析脱水机
过滤
带式过滤器振动筛格栅
重力过滤器砂层过滤器袋式过滤器
真空
转鼓真空过滤机圆盘真空过滤机转台真空过滤翻盘真空过滤机带式真空过滤机
真空吸滤器真空叶滤机努契过滤器
加压
加压转鼓过滤机加压圈盘过滤机加压带式过滤旋叶滤机,连续压滤机,螺旋压滤机,螺旋压榨机,锥盘压榷机旋叶压滤机,带式压
板框压滤机,压滤机,管式压滤貌魏躲加压叶滤机,离心力卸料加压圆盘过滤机,筒式滤机,预涂层过滤机
活塞离心机，离心力卸料离心机，振动离心机进动离心机，螺旋过滤离心，导向通道式过滤离心机
三足式离心机刮刀离心机上悬式离心机
4、固液分离技术的一般流程
4.1明确分离工艺要求
在进行实验研究前,首先必须弄清所要解决的分离问题,明确各项分离工艺要求。
要考虑对设备选型影响很大的一些因素。
诸如卫生要求,有否毒性,是否起泡等。
4.2确定物料的沉降特性
物料沉降特性可通过量筒沉降试验确定,方法是将物料样品放入量筒中摇匀,然后任其沉降，半小时后测量清液层高度,确定沉降速度、24小时后测量沉渣容积比。
4.3确定物料过滤特性
物料过滤特性一般以滤饼增长率表示,可通过布氏漏斗试验确定。
方法是测定过滤一定量样品所需时间,也可以采用顶部进料叶滤装置进行试验,直接测定滤饼厚度,然后计算滤饼增长率。
4.4初选固液分离设备
根据所确定的分离要求和物料分离特性来初选固液分离设备。
5、固液分离技术
5.1凝聚与絮凝
凝聚作用是加入无机电解质通过电性中和作用来解除布朗运动，使微粒能够靠近接触而聚集在一起。
絮凝作用是加入带有许多能吸附微粒的有效官能团的线状高分子化合物，它像一条长绳能将许多微粒吸附在一起形成一个絮团，从而加速了沉降。
长碳链的高分子化合物在微粒之间起联系的桥梁作用，称“架桥”作用[6]。
絮凝剂的研究和开发在固液分离技术中深受重视并取得了较大进展。
如美国内华达大学麦凯矿山学院化学和冶金工程系的A.M雷查等关于生物絮凝剂絮凝粉煤的研究就是一个好的发展方向。
絮凝剂是高分子聚合物，有天然和人工合成两种。
过去广泛采用淀粉、树胶等天然高分子聚合物作絮凝剂，但由于它们分子量较小、聚凝性能较差，现在几乎已全被合成的高分子聚合物取代。
现在应用最多的是聚丙烯酸胺及其衍生物，还有聚乙烯氧化物。
絮凝剂广泛应用于矿浆的浓缩、污水澄清和过滤。
聚丙烯酞胺分非离子型、阴离子型和阳离子型三种，其分子量介于1万至2000万之间。
5.1.1、凝聚理论
1.颗粒受力
细粒分散体系中颗粒受两种力作用（确切讲受两种力支配）：
1）范德华引力。
由构成颗粒的分子综合作用形成。
特点：
属引力，有利于颗粒凝聚；
随颗粒间距减小而显著增大。
力的大小与间距三次方，二次方成反比）。
2）静电作用力。
由颗粒表面荷电而引起的颗粒电性作用力。
静电吸引与排斥，取决于相互作用的颗粒所表现的电性（正负与大小）；
与范德华引力相比，静电作用力属长程力。
2.同相凝聚与异相凝聚
具有相同颗粒表面电位的颗粒之间的凝聚称为同相凝聚。
由于表面电位相同，颗粒之间受静电斥力作用。
同相凝聚过程由DLVO理论加以叙述。
表面电位不同的异类颗粒之间的凝聚为异向凝聚。
异类凝聚的静电作用分两种情况：
1）相反电性（或一方不带电）的颗粒，总受到其静电引力作用；
2）具有相同电性但大小不一的颗粒，相距较远时表现为静电斥力；
而距离变小后又呈现静电吸引。
在两类异相凝聚中，前后为自发过程，而后者则取决于荷电较小的颗粒电量。
在煤泥水体系中，由于煤和矿物质颗粒在正常PH条件下都荷负电，且电位相差不在，因此以同相凝聚为主。
3.DLVO理论
该理论认为一对颗粒之间的相互势能由两部分组成：
（1）双电层静电排斥能VR；
（2）分子作用能VA；
这两方面作用能具有加合性，相互作用总势能VT为：
VT=VA
随着颗粒之间距减少，总能量出现三个极值：
1）第二能谷。
颗粒间距较大，形成准稳态凝聚体，自发过程，
2）能峰（势垒）。
形成稳定凝聚体的能量障碍。
3）第一能谷。
颗粒充分靠近，形成稳态凝聚体，自发过程。
对于微细颗粒体系，无法施加外部能量克服势垒。
只有通过降低势垒的方法使其凝聚。
而势垒主要取决于颗粒静电能，只有通过添加某些离子，改变水中离子数量及构成，降低颗粒电动电位是促成颗粒凝聚的一条有效途径。
这就是凝聚的作用原理，也是不同水质煤泥水为什么处于不同分散状态的原因所在。
5.1.2、絮凝原理
絮凝原理是和絮凝剂的结构相关联。
絮凝剂通常是有机高分子化合物，它有两部分构成：
高分子骨架，活性基因。
絮凝作用是由它们共同完成的。
活性基因与颗粒表面通过各种键合作用，使得颗粒与絮凝剂结合。
它决定了絮凝剂的键合类型以及键合的颗粒种类（即絮合的选择性）。
高分子骨架起到一种架桥作用，把粘结颗粒的絮凝剂分子联系在一起，形成絮团。
分子大小与絮团结构及大小密切关系，因此，絮凝剂分子量对絮凝效果影响很大。
5.2过滤
过滤操作的基本慨念：
利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离。
过滤的方式很多，适用的物系也很广泛，固-液、固-气、大颗粒、小颗粒都很常见。
采用膜过滤（膜分离技术）可以分离10nm尺度的大分子量蛋白质和病毒粒子等。
无论采用何种过滤方式，均需使用过滤介质，在很多情况下，过滤介质是影响过滤操作重要因素。
过滤过程的机理：
滤饼过滤（表面过滤）：
过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔径可大于最小颗粒的粒径。
过滤初期，部分小颗粒可以进入或穿过介质的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。
被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透过滤饼层的则是被净化了的滤液。
随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过滤介质本身，故称作滤饼过滤。
滤饼过滤主要用于含固量较大（>
1%）的场合。
过滤设备：
过滤是化工、轻工、食品、制药和粉体材料等许多生产领域应用最为广泛的单元操作之一，既有各种不同类型的系列化、大型化、通用化的过滤设备载于手册与样本之中，更有许多结构新颖的过滤装置随过程工业的发展而不断问世，非教材所能列数。
板框压滤机
结构：
由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。
板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活调节。
组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。
通过直接给悬浮液加压，迫使其穿过过滤介质来实现过滤的目的。
其历史最久且已有超过100种以上的结构，最为常见的是板框式压滤机。
过滤操作：
过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；
也可汇总后排出，称为暗流式。
洗涤操作：
洗涤液由洗涤板上的通道进入其两侧与滤布形成的凹凸空间，穿过滤布、滤饼和滤框另一侧的滤布后排出。
洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。
洗涤终了，若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过滤机卸出滤饼，结束一次过滤操作。
然后清洗、整理、重新组装、准备下一次操作。
滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前较为广泛使用的材料。
常用规格的板框其厚度为25~60mm,边框长为0.2~2.0m，框数由生产所需定，由数个至上百个不等。
板框压滤机的操作压强一般在0.3~1.0Mpa之间。
优点：
结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。
缺点：
间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。
板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。
板框压滤机：
板框式压滤机属于间歇式加压过滤机，具有压力高并可获得较低含水率滤饼，对物料适用性强，占地少等优点。
但旧式板框压滤机需人工卸渣及清洗滤布、劳动强度大、操作条件差。
七十年代以后开发了全自动板框压滤机对结构进行了改进，在压滤机上装备了开板装置、滤饼排出装置，又在滤板材料上使用了性能优越的耐腐蚀轻型聚丙烯树脂，其压滤板的进液口部分密封用固定的零件，并采用滤布自动洗净装置和滤饼自动脱落装置相结合方法，即配有用利刀直接落下的滤饼剥离装置，成为高性能高精度化的固液分离设备。
叶滤机
结构与原理：
由起过滤作用的滤叶和起密闭作用的筒体构成，操作为间歇式。
滤叶有圆形和矩形等多种形式，由金属丝网组成的框架上覆以滤布构成，使用时可将多块平行排列的滤叶组装成一体插入箱体内。
操作：
悬浮液被加压送入或借真空泵进行抽吸，滤液穿过滤布进入丝网构成的中空部分并汇集于下部总管流出，颗粒则沉积在滤布上形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时停止过滤。
视悬浮液的性质和操作压强的大小，滤饼厚度通常在5~35mm之间。
过滤结束后，根据要求可通入洗涤液对滤饼进行洗涤，洗涤液的行程和流通面积与过滤终了时滤液的行程和流通面积相同，在洗涤液与滤液的性质接近的情况下，洗涤速率约为过滤终了时速率。
可用振动或压缩空气及清水等反吹卸滤渣。
过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。
不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。
结构比较复杂，造价较高。
转筒真空过滤机
转筒的多孔表面上覆盖滤布，内部分隔成互不相通的若干扇形过滤室。
转动盘与机架上的固定盘紧密贴合构成分配头，转筒回转时各过滤室通过分配头依次与真空抽滤系统、洗水抽吸回收系统和压缩空气反吹系统相通。
为了不使这些系统彼此串通，在固定盘上设有不与任何通道相通的非开孔区。
连续操作。
转筒旋转一周，每一个扇形过滤室依次完成真空过滤、洗涤、脱水、吸干滤饼和压缩空气吹松、刮刀卸料、反吹清洗表面等全部操作，相应分为过滤区、洗涤脱水区、卸料区和表面再生区等几个不同的工作区域。
转筒转速多在0.1～3r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占总表面的30～40%。
滤饼厚度范围大约3～40mm。
连续进料，操作自动化，便于在转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。
过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。
3.2带式压滤机带式压滤机的工作原理与一般过滤机不同，是利用两根平行运动的多孔滤带绕过辊筒时的挤压作用使滤饼脱水。
整个过滤过程分为矿浆预絮凝、重力过滤、低压脱水、高压脱水四个阶段，最后卸出滤饼和清洗滤带。
操作压力一般为0.2MPa最大可达0.4~0.7MPa。
产品水份比真空过滤机低1/3，可达10%以下。
前广泛应用于工业污泥、煤泥水、水冶厂浸渣、管道输送矿浆的过滤。
我国已能生产带宽500mm至3150mltt各种规格的带式压滤机。
5.3萃取
在生物合成工业上，萃取也是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作，这是为萃取法具有：
（1）传质速度快、生产周期短、便于连续操作，容易实现自动控制；
（2）分离效率高，生产能力大等一系列优点，所以，应用得相当普遍。
不仅对抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物常采用有机溶剂萃取法进行提取，而且近年来又开发了不使酶等蛋白质失活的双水相萃取法，已成功地应用了提取甲酸脱氢酶，α-葡糖苷酶等，但因为聚乙二酵、葡聚糖等价格较贵，所以，还未广泛使用，下面对几种萃取方法稍加介绍：
（1）有机溶剂萃取法：
依靠有水和有机溶剂中的分配系数差异进行分离的萃取法。
适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质，反胶团系统较适于生物活性物质萃取，但萃取条件严格，安全性低，活性收率低。
淮北煤炭师范学院化学系的邓凡政，石影，马丽华对Ｆｅ3+、Ａｌ3+、Ｍｇ2+、Ｃａ2+的非有机溶剂萃取分离进行了研究，水溶性高聚物的水溶液在无机盐存在下能分成两相，并提出了用此现象分离金属离子的某些条件。
利用高聚物水溶液的非有机溶剂萃取分离与传统的有机溶剂萃取分离相比，具有不挥发、无毒、安全、分离速度快、操作简便等特点，为萃取分离法开拓了新的应用前景。
（2）双水相萃取法：
依靠分离物在不相容性的高分子水溶液形成的两相中的分配系数不同而分离，它的特点是：
连续或批式萃取，设备简单，萃取容易，操作稳定，极易放大，适合大规模应用，将离子交换基团，亲和配基，疏水基团结合到高分子载体上形成的萃取剂可改进分配系数及萃取专一性。
但成本较高，纯化倍数较低，适合粗分离。
Ｍｏｄｌｉｎ等[8]利用新型的ＵＣＯＮ50-ＨＢ-5100/羟丙基淀粉（ＰＥＳ）温度诱导双水相体系从菠菜中提取上述两种蜕皮甾族化合物。
Ｍｉｓｈｉｍａ等[9]报道了用ＰＥＧ6000-Ｋ2ＨＰＯ4-Ｈ2Ｏ的双水相体系对黄芩苷和黄芩素进行萃取实验,由于黄芩苷和黄芩素都有一定的憎水性,被主要分配在富含ＰＥＧ的上相,且分配系数Ｋ随结线长度ＴＬＬ增加近似表现为Ｌｎｋ-ＴＬＬ的线形关系,两种物质的Ｋ值最大可达30和35,分配系数随温度升高而降低,且黄芩苷的降幅比黄芩素大。
李伟等[7]考察了黄芩苷在伴有温度诱导效应的ＥＯＰＯ/ＫＨＰ双水相系统中的分配行为,并实验分析了添加盐对黄芩苷分配状态的影响。
上述两法的设备有：
搅拌混合或柱混合离心分离机，离心萃取机，逆流萃取仪等。
（3）超临界萃取：
它是利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时具有很高的扩散系数和很低的粘度，但具有与流体相似的密度的性质，对一些流体或固体物质进行萃取的方法。
它的特点是：
萃取能力大、速度大，且可通过控制操作压力和温度，使其对某些物质具有选择性，正开始应用于生物工程中。
缺点是设备条件要求高，规模较小。
超临界萃取技术的原理及特点超临界萃取技术（supercriticslfluidextraction,SFE）,是近二三十年发展起来的一种新型分离技术。
超临界流体具有许多与普通流体相异的特性,如其密度接近于液体的密度,这就使得其对液体、固体物质的溶解能力与液体溶剂相当;
其粘度却接近于普通气体,自扩散系数比液体大100倍,从而其运动速度和溶解过程的传质速率比液体溶剂提高很多。
超临界流体还具有很强的可压缩性,在临界点附近,温度和压力的微小变化会引起超临界流体密度的较大变化,由此可调节其对物质的溶解能力。
由于物质在超临界流体中的溶解度随其密度增大而增大,所以萃取完成后稍微提高体系温度或降低压力,以减小超临界流体的密度,就可以使其与待分离物质分离。
所选的超临界流体介质与被萃取物的性质越相似,对它的溶解能力就越强。
因此,正确选择不同的超临界流体作萃取剂,可以对多组分体系进行选择性萃取,从而达到分离的目的。
SFE有许多传统分离技术不可比拟的优点,诸如过程易于调节、达到平衡的时间短、萃取效率高、产品与溶剂易于分离、无有机溶剂残留、对热敏性物质不易破坏等,因此,ＳＦＥ在众多领域有着广阔的应用前景。
但由于CO2是一对称分子,偶极距为0,极化率只有25.6×
10-26,且极性随压力增大无明显增加,故用单一的CO2作萃取剂时只表现出对低极性、亲脂性化合物较强的溶解能力,大多数极性较强的组分则难溶于超临界状态下的CO2之中,于是研究者们又提出了在超临界CO2中加入极性溶剂的混合超临界流体萃取技术,即第二类CO2-SFE技术。
MoraesMD等.用10%CH3OH-CO2超临界体系萃取西番莲科植物中的黄酮类化合物,并与传统溶剂提取法进行了比较。
LopezavilaV等用15%C2H5OH-CO2超临界体系进行了胡椒属植物中内酯类化合物的萃取研究。
（4）反胶束萃取法：
反胶束或逆胶束是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的纳米尺度的一种聚集物。
反胶物溶液是透明的，热力学稳定的系统，若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，可使其浓度超过临界胶束浓度（CMC），便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体称为反胶束[8]。
影响反胶束萃取蛋白质的主要因素有：
水相pH值，离子强度，表面活性剂类型，表面活性剂浓度，离子种类等。
其萃取蛋白质的应用主要有：
分离蛋白质混合物，浓缩α-淀粉酶，从发酵液中提取胞外酶、直接提取胞内酶，用于蛋白质重性等，可见，反胶束萃取技术为蛋白质的分离提取开辟了一条具有工业开发前景的新途径。
如Rahaman等采用浓度为0.25mol/Ｌ的AOT/异辛烷反胶束溶液,研究
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