李文蘋

（美國ARC公司，路易斯安那州萊克查爾斯市，70615，美國）

1 過濾分離技術(shù)的發(fā)展、影響因素及發(fā)展趨勢

過濾分離過程廣泛地應用于石油、化工、煤炭、金屬、礦業(yè)、造紙、汽車、生物、電子等工業(yè)領(lǐng)域，以及環(huán)保、食品、醫(yī)藥、水處理等與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。待分離的顆粒尺寸由離子、分子、納米、微米到毫米級變化，其分散狀態(tài)可以為懸浮液、膠體、乳液、泡沫、灰塵、汽霧等。由于顆粒大小及其分散系統(tǒng)的狀態(tài)、物理化學性能以及分離要求的多樣及多變性，具體應用過程中的過濾分離技術(shù)方法也是多種多樣、千差萬別。根據(jù)流體及粒子系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)，過濾分離基本可分為固-液分離、固-氣分離、液-氣分離以及液-液分離4種。不同的過濾或分離過程以及所涉及技術(shù)過程如表1所示[1]。

表1 過濾分離過程的分類及技術(shù)設(shè)備舉例

過濾分離涉及人類生產(chǎn)生活的方方面面。人口增長、經(jīng)濟發(fā)展導致能源、水及其他資源需求的迅速增長。能源、水及其他資源的開發(fā)利用以及由此產(chǎn)生的環(huán)境保護需求及相關(guān)法律政策，均導致過濾分離技術(shù)的提高以及產(chǎn)品市場的迅速發(fā)展。另外，全球氣候變暖的威脅以及人類自身健康意識的提高也同時影響了過濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展。根據(jù)Avedon Capital Partners 市場報告[2]，2008年全球過濾市場為600億美元，并以6%的速度逐年遞增。預計增長速度為GDP增長的兩倍。發(fā)展最快的市場將在中國、印度及南美，而產(chǎn)品生產(chǎn)將實現(xiàn)全球化。美國過濾分離協(xié)會市場研究報告[3]指出，在美國，由于加工業(yè)、汽車工業(yè)的發(fā)展以及人民消費水平的上漲，預計到2015年，過濾市場將增加至126億美元，其在汽車、內(nèi)燃機及其他工業(yè)領(lǐng)域市場的年增長速度分別為7.9%、7.7%、9.7%。

在以上影響過濾分離發(fā)展的因素中，人口增長以及經(jīng)濟發(fā)展導致的人類對能源、水及其他資源的巨大需求，環(huán)境保護的需求及更加嚴格的環(huán)境保護政策，以及人類持久生存、全球變暖的問題均為影響過濾分離發(fā)展的外在因素。美國過濾分離協(xié)會2013年5月市場研究報告[4]分析，目前到2018年，過濾分離技術(shù)及應用的發(fā)展主要驅(qū)動力仍為空氣、水和環(huán)境保護。而貫穿能源、資源、環(huán)境發(fā)展的指導思想則為發(fā)展的可持續(xù)性或持久性（sustainable development）。

聯(lián)合國Brundtland Commission定義“可持續(xù)發(fā)展”為“development that meets the needs of the present w ithout comprom ising the ability of future generations to meet their own needs”，并在1992年通過了全球可持續(xù)發(fā)展行動計劃的“二十一世紀議程”（Agenda 21）。根據(jù)定義，可持續(xù)發(fā)展規(guī)律可以理解為一種全球性、可以世代持續(xù)進行下去的不會影響自然及社會正常運轉(zhuǎn)的行為[5]。德國在1994年制定的“Protection of Mankind and Nature”中所列行動計劃主要包括以下方面[6]：

（1）資源使用速率不可以超過其自身再生或具有同樣功能的替代品生產(chǎn)速率；

（2）廢棄物質(zhì)的釋放不可以超過生態(tài)系統(tǒng)的容納能力或其自解能力；

（3）避免由人類行為產(chǎn)生的對自然及人類的危害；

（4）人類對自然產(chǎn)生危害及影響的時間度量必須充分符合自然環(huán)境對此做出反應的時間。

由此可見，以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)提高能源使用效率、減少以及循環(huán)使用資源及原材料、降低污染物的排放為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。BP石油公司在其2013年年度報告中指出[7]，2011—2030年，雖然世界經(jīng)濟將增長一倍，但歸功于技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新，能源的使用效率將提高31%，因此能源需求總量將僅增加36%。能源需求速度小于經(jīng)濟的增長速度，從而完美地實現(xiàn)了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

在能源資源可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護的思想指導下，過濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展將有以下幾方面趨勢。

（1）低能耗或高能率 過濾分離同其他分離過程，如精餾、蒸發(fā)相比，為一種低能耗過程。過濾新材料的開發(fā)以及納米纖維、粒子的使用進一步降低了過程驅(qū)動力（過濾壓降），從而更大地降低了能量的消耗。

（2）低材料消耗，低成本 該趨勢可以體現(xiàn)在提高產(chǎn)品壽命，減少拋棄型產(chǎn)品用量，降低產(chǎn)品整個生命循環(huán)的消耗成本。

（3）減少廢物拋棄 隨著膜材料及技術(shù)的發(fā)展，廢水處理已經(jīng)實現(xiàn)了進一步的回收利用及零排放。污泥的開發(fā)利用大大減少了污染物對環(huán)境帶來的負擔。

（4）過濾精度不斷提高 工業(yè)中日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量及擴大的生產(chǎn)量以及環(huán)境保護方面越來越嚴格的要求，導致氣體或液體過濾領(lǐng)域?qū)︻w粒分離精度要求越來越高。

（5）不斷擴展的應用領(lǐng)域，耐高溫、耐腐蝕 工業(yè)發(fā)展各方面對低能耗產(chǎn)品的傾向?qū)е逻^濾分離的應用領(lǐng)域逐漸擴大，并對過濾產(chǎn)品、過濾介質(zhì)的適宜操作條件提出了更高的要求。

（6）系統(tǒng)的高自動化、連續(xù)操作、短鏈過程 低能耗、高效率必然對系統(tǒng)的自動化、連續(xù)性提出了更高要求。而縮短過程操作的步驟，實施短鏈操作則體現(xiàn)了低能耗、低成本、低污染的指導理念。

（7）技術(shù)產(chǎn)品自身的不斷創(chuàng)新 能源、資源、環(huán)境政策均為過濾分離發(fā)展的外在因素。而為適應不斷擴展的應用領(lǐng)域、新要求而進行的產(chǎn)品自身的更新、創(chuàng)新、發(fā)展則為過濾分離發(fā)展的內(nèi)在因素。

針對上述過濾分離的發(fā)展趨勢，本文以下部分將通過過濾分離技術(shù)及產(chǎn)品在能源、水以及環(huán)境等領(lǐng)域的一些具體應用，介紹歐美近年來涌現(xiàn)的一些過濾分離技術(shù)及產(chǎn)品的具體實例，及其對以上發(fā)展趨勢及“可持續(xù)發(fā)展”概念的體現(xiàn)。

2 過濾分離在能源領(lǐng)域的發(fā)展和應用

BP石油公司發(fā)表的2030 Outlook報告中樂觀地指出，歸功于能源使用效率的提高以及可再生能源及頁巖氣、頁巖油等非傳統(tǒng)能源的開發(fā)使用，到2030年美國原油進口量將降低 70%，并最終實現(xiàn)99%的能源自給自足。美國對石油及煤炭的使用將分別降低19%和16%，從而二氧化碳排放量將降低10%。該推論除了依賴于新技術(shù)帶來的更高能源使用效率，更大部分則基于美國近年來對非傳統(tǒng)能源的開發(fā)利用以及可再生能源資源的開發(fā)和生產(chǎn)。非傳統(tǒng)能源的開發(fā)為過濾分離提供了巨大機遇。全球過濾設(shè)備在非傳統(tǒng)能源方面市場預計將由 2010年的13億美元增至2015年的15億美元。以下僅通過頁巖氣開采中采出水處理、生物柴油以及廢物轉(zhuǎn)化為能源3個例子來介紹過濾分離在能源開發(fā)方面的一些應用。

2.1 頁巖天然氣開采中的采出水處理[8]

雖然人類很早便發(fā)現(xiàn)天然氣在頁巖中的巨大儲量，但由于技術(shù)所限，直到20世紀90年代，才在美國德克薩斯州采用水力壓裂技術(shù)成功開采。該技術(shù)利用水壓將巖石層壓裂，從而釋放出其中的天然氣。由于美國傳統(tǒng)天然氣資源儲量下降，近十年來頁巖開采得到迅速發(fā)展。僅 M arcellus地區(qū)，2008年僅有不到200個鉆井，但到2010年達到1386臺，而 2013年該數(shù)目增至 2073臺。每一臺井在初始開采過程中需要注入 200萬加侖水（1加侖= 3.78541dm3），其中50萬加侖水（frac water）需要返回地面處理。在鉆井運作過程中，每臺井每天產(chǎn)生4200加侖的產(chǎn)出水（produced water）有待處理。整個開采過程中產(chǎn)生的廢水含泥沙、油污以及大量的鹽，總?cè)芙夤腆w（TDS）最高可達300000mg/L。處理TDS的方法一般為蒸發(fā)結(jié)晶，但耗能巨大；另外一種方法是反滲透（RO），但存在前處理的問題?；诹闩欧诺囊螅韵陆榻B幾例頁巖氣開采廢水處理的技術(shù)方法。

Aqua-Pure 公司采用能耗效率非常高的機械式蒸汽再壓縮（VPR）蒸發(fā)技術(shù)對頁巖氣開采產(chǎn)生的廢水進行蒸發(fā)結(jié)晶處理，解決了高含鹽量廢水處理的問題，實現(xiàn)了水的回收利用，處理回收量達每天300000加侖。該公司用于頁巖氣開采廢水處理的NOMAD系統(tǒng)目前已經(jīng)生產(chǎn)安裝投入使用近14臺。

以Texas A & M 大學為主開發(fā)研究了一套用于油氣田開采廢水處理的RO系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過大量實驗室及現(xiàn)場實際操作測試，可以將含鹽量高達50000mg/L的廢水轉(zhuǎn)化為淡水。但是該技術(shù)需要配套的預處理，包括離心分離、吸附、微濾以及使用不同抗油污染的膜材料及技術(shù)等。預處理技術(shù)及裝置增加了過程裝置及成本，因此目前該技術(shù)在頁巖氣廢水處理方面還沒有得到真正的應用。

Filter Sure公司針對該領(lǐng)域廢水開發(fā)了一種多層床深層過濾技術(shù)，用于固體懸浮物的去除及 RO過程預處理，大大降低了預處理成本。

美國PWA公司推出Osorb?過濾技術(shù)用于油氣開采產(chǎn)出水[9]。該技術(shù)裝置可以去除水中自由及溶解的油，可以用作膜裝置的預處理，其具有自動、連續(xù)、可再生及體積小等性能，體現(xiàn)了持續(xù)性的特點。

Mycelx?公司的膜預處理裝置結(jié)合過濾介質(zhì)及化學處理用于產(chǎn)出水以及石化煉油廢水處理，主要針對水中分散相油的去除[10]，適用性及操作彈性比較大，可以應付實際操作過程中進料中油分性能及濃度的變化。該技術(shù)具有連續(xù)自動操作、體積小、短鏈操作、效率高的特點，體現(xiàn)了過濾分離技術(shù)發(fā)展的趨勢。

目前世界頁巖氣儲量高達16000萬億立方英尺（1立方英尺=0.0283168立方米），其中美國占大約4000萬億立方英尺，中國和印度占3500萬億立方英尺。該領(lǐng)域的廢水處理需求為過濾分離提供了一個比較大的市場。

2.2 生物柴油中的過濾吸附劑

生物柴油作為一種可再生能源，在國家政策刺激下得到發(fā)展。2010年美國有204家生物柴油生產(chǎn)廠，產(chǎn)量達到132.3億加侖。全球生物柴油2010產(chǎn)量為229億加侖。生物柴油生產(chǎn)可以以植物、植物油或動物油為原料經(jīng)催化反應轉(zhuǎn)換為生物柴油，生產(chǎn)過程有干法或濕法。圖1所示為一以植物或動物油為原料的生產(chǎn)過程。其中，干洗過程在催化反應后需要經(jīng)過吸附過濾去除反應過程中的甘油及脂肪酸鹽等雜質(zhì)，從而得到合格的生物柴油產(chǎn)品。過程中廣泛使用的吸附材料顆粒非常細小，濾餅阻力比較大，而且非常容易堵塞過濾介質(zhì)。MaxFlo?助濾產(chǎn)品（圖2）由于其自身的多孔結(jié)構(gòu)，集過濾及吸附功能于一身，同時實現(xiàn)吸附及有效過濾，與使用單純的吸附劑和助濾劑相比，操作鏈縮短，成本降低，且固體廢物產(chǎn)出量更低，因此更加符合綠色持久操作的要求。

2.3 生物甲烷氣

美國Quasar Energy Group 公司開發(fā)了一種將有機廢物如城市污泥轉(zhuǎn)換為甲烷氣的技術(shù)[11]。該甲烷氣通過Air Products公司的PRISM?膜分離技術(shù)進行凈化處理，然后作為汽車燃料用于市政卡車等車輛。PRISM?膜分離裝置由具有不同選擇滲透性的中空纖維膜組成。該組件可以連續(xù)、有效地過濾掉生物氣中的雜質(zhì)，產(chǎn)生的甲烷氣純度達到97%。同其他技術(shù)相比，該膜技術(shù)安全、可靠，能耗低，操作費用低，為生物質(zhì)能源開發(fā)做出了貢獻。

圖1 生物柴油生產(chǎn)過程

圖2 Agrilectric MaxFlo? 過濾吸附劑

3 過濾分離與水資源

近些年來，無論是城市廢水/污泥處理、工業(yè)廢水處理，還是純凈水過程，提高能率、回收利用、低成本、安全可靠、持續(xù)、可再生水資源管理及發(fā)展，均代表了水處理及廢水處理的基本發(fā)展思路。以下介紹幾例在水、污泥或水凈化領(lǐng)域具有這些發(fā)展思路的新技術(shù)及產(chǎn)品。

Hydrok（www.hydrokuk.co.uh）公司與Me-cana Umwelttechnik GmbH公司聯(lián)合推出了一種以過濾介質(zhì)為基礎(chǔ)的、可自動反清洗的深層過濾器[12]。該產(chǎn)品的核心為Pile Cloth Media。該過濾介質(zhì)由于其特殊纖維及形成技術(shù)，在整個介質(zhì)厚度層內(nèi)都可以收集截流微小固體顆粒，操作周期長，分離效率高，同一般的砂濾器相比，過濾精度高，同時可以處理固體含量較高的物料，可用于廢水處理中的二級或三級處理。該產(chǎn)品具有能耗低且效率高的特點。

Biowater Technology公司生產(chǎn)的 Moving Bed Biofilm Reactor用于城市廢水處理[13]。同一般的生物膜反應器相比，該技術(shù)具有設(shè)備緊湊、節(jié)能、操作成本低等特點。挪威Roros市采用該技術(shù)對其城市污水處理系統(tǒng)進行升級，減少了絮凝劑用量，同時減少了CO2排放量。

Modern Water 公司使用正滲透技術(shù)進行水脫鹽處理[14]。正滲透過程由于其特殊的技術(shù)，滲透壓力與純水自然流動方向一致，過程操作壓力只需要克服膜的阻力，同反滲透相比節(jié)能達40%，而且膜污染程度低，具有更好的水處理效果；同時由于膜污染程度低，膜壽命較長。

工業(yè)應用中由于酸堿中和或操作過程中帶來的高鹽含量的水一般比較難處理。Ghyselination等[15]最近發(fā)表了結(jié)合電解及具有選擇性的雙極膜電解分離技術(shù)處理工業(yè)鹽水的研究。該研究通過實驗及現(xiàn)場測試，成功地去除了水中的鈉、鉀離子以及硫、鈣等結(jié)垢雜質(zhì)，同時除掉50%的氯離子。該雙極膜電解技術(shù)的膜壽命較長，操作連續(xù)、可靠，操作成本低，在未來工業(yè)水處理回收應用方面應該可以得到發(fā)展。

World Water Works Inc.設(shè)計了一種依靠水藻生物進行廢水處理同時生產(chǎn)再生能源的技術(shù)過程。該技術(shù)的思路是利用細菌及水藻共生，同時結(jié)合移動床膜反應去除廢水中的雜質(zhì)，進行廢水處理。細菌和海藻的引入使廢水處理操作費用降低達 40%～60%。該過程還可以結(jié)合海藻收獲技術(shù)，收獲海藻用于可再生能源生產(chǎn)。

4 過濾分離與環(huán)境

自19世紀末到20世紀初，隨著電力、石油煉制以及汽車工業(yè)的發(fā)展，廢水廢氣的排放使人類生存的環(huán)境、生態(tài)、氣候遭到了前所未有的破環(huán)。工業(yè)廢氣、汽車尾氣等污染源的氣體處理以及室內(nèi)空氣過濾的需求為過濾分離開拓了廣闊的應用領(lǐng)域。同其他過濾分離技術(shù)的發(fā)展趨勢一樣，氣體過濾的發(fā)展也是更加趨向于高效、高精度以及低能耗。納米纖維的開發(fā)使用使高精度及低能耗成為可能。以下介紹幾例不同領(lǐng)域氣體過濾的應用。

美國AAF公司推出了其專利的NELIOR過濾技術(shù)，用于電子或制藥行業(yè)室內(nèi)空氣過濾。NELIOR是一種膜過濾材料，其中膜是由均勻分布的納米等級的纖維組成的。該膜分離技術(shù)可以降低將近50%的過濾壓降，同時滿足顆粒分離效率的要求。實驗證明該材料還具有優(yōu)越的力學性能，從而保證較長的使用壽命。雖然不同的過程應用具有不同的操作要求，但 AAF公司生產(chǎn)的采用 NELIOR技術(shù)的HEPA、ULPA產(chǎn)品可以滿足不同工業(yè)中的操作要求。

英國Cam fil Farr公司生產(chǎn)的Hi-Flo濾袋式空調(diào)空氣過濾器同傳統(tǒng)過濾器相比，能耗降低了40%，同時具有更高的有害顆粒去除效率，實現(xiàn)更好的空氣質(zhì)量。該裝置可以選擇單級或雙級操作，以實現(xiàn)更高的能效或更高的分離效果。該公司生產(chǎn)的用于工業(yè)除塵的HemiPleat?Extreme 納米纖維過濾器具有分離效率高、耐久性好、抗脈沖清理的特點，因此具有更長的使用壽命以及更低的操作及能耗費用。該過濾器對 0.5μm介質(zhì)的分離效率可達到99.999%。結(jié)構(gòu)上采用 3層纖維，在基礎(chǔ)層上有 2層多孔納米纖維層，從而防止了固體顆粒對過濾介質(zhì)內(nèi)層的堵塞，提高了介質(zhì)的壽命。另外，在極其惡劣的操作環(huán)境下可以對過濾介質(zhì)表面進行特殊涂層處理，以保證長期低壓降操作。

Freudenberg過濾公司開發(fā)了以納米纖維作襯里的聚酯材料過濾介質(zhì)，可用于非常微小、難過濾顆粒的處理。該材料具有分離效率高、過濾阻力低、能耗低以及不需要初始預敷便可直接達到高分離效率的特點。

比利時 Bekaert公司的金屬燒結(jié)纖維材料及Bekiflow HG?濾芯用于工業(yè)氣體過濾。其1μm顆粒過濾效率可以達到99.9995%，可以滿足工業(yè)氣體排放小于 1mg/m3的要求，并具有高孔隙率、低壓降的特點。其金屬材料介質(zhì)耐高壓，操作溫度可以達到 800℃，以滿足石油化工生產(chǎn)中高溫高壓的要求[16]。

基于環(huán)境保護的理念，未來汽車發(fā)展會趨向于低排放或零污染排放。氫氣動力車采用PEM 能源電池，電池中采用了陰極空氣過濾器以及離子交換過濾器。其中陰極空氣過濾器過濾掉固體顆粒及對能源電池有害的氣體，離子交換過濾器則保證電池中介質(zhì)的純度及傳導性能。德國Mann+Hummel公司研究開發(fā)PEM Fuel Cell用于零污染排放的氫氣動力車的使用。

5 基礎(chǔ)研究及計算模擬

過濾基礎(chǔ)研究的目的在于建立基本數(shù)學物理模型，從而模擬操作過程，分析預測過濾性能，指導產(chǎn)品設(shè)計或優(yōu)化控制過程操作。由于過濾分離過程的復雜性以及待處理物料的多變多樣性，目前過濾各領(lǐng)域理論基本仍為半經(jīng)驗型。理論的應用及過程設(shè)計仍大量依賴于實驗數(shù)據(jù)。實驗研究一般具有較大的局限性，而且比較昂貴，耗費大量的時間和人力，影響產(chǎn)品的開發(fā)周期及費用。

近年來，隨著計算機及操作程序的發(fā)展，計算機流體動力學（CFD）與有限元（DEM）模擬在過濾分離產(chǎn)品設(shè)計及過程操作優(yōu)化方面得到了廣泛的應用。該領(lǐng)域CFD是在Navier-Stokes質(zhì)量及動量傳遞公式基礎(chǔ)上，通過計算小空間區(qū)域的數(shù)值分析的方法，結(jié)合必要的過程參數(shù)利用計算機程序計算模擬流場內(nèi)流體的運動和傳質(zhì)，并由此計算膜阻力、過濾速率、濾餅孔隙率、分離效率等過濾性能數(shù)據(jù)[17-21]。以下介紹幾例CFD或CFD結(jié)合DEM在絲網(wǎng)過濾介質(zhì)設(shè)計、凝聚過程以及絮凝顆粒濾餅過濾中的應用。

金屬編織絲網(wǎng)在石油化工應用領(lǐng)域是一種比較重要的過濾介質(zhì)。其編織方法、形狀結(jié)構(gòu)直接影響過濾介質(zhì)的過濾操作性能。了解絲網(wǎng)形狀結(jié)構(gòu)對過濾性能的影響從而指導產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、達到最佳應用效果，對產(chǎn)品生產(chǎn)商至關(guān)重要。德國 GKD-Gebr.Kufferath AG 絲網(wǎng)公司使用GeoDict CFD 模擬軟件實現(xiàn)了這一目的[20]。該數(shù)學模擬程序可以生成并顯示三維的由不同材料、形狀以及不同編織方法制造的不同絲網(wǎng)的幾何形狀及結(jié)構(gòu)，并計算過濾壓降、過濾效率、污染物承載能力、最大孔徑及孔徑分布。該模型結(jié)合 LayerGeo以及WeaveGeo便可以用于多絲多層絲網(wǎng)的模擬。經(jīng)該模型模擬，絲網(wǎng)與實際編織產(chǎn)品的幾何形狀結(jié)構(gòu)精確吻合。圖3顯示計算空氣滲透性與計算壓降與實際樣品的測量值也十分接近。

德國Mann+Hummel公司自2006年開始使用GeoDict程序?qū)τ瓦^濾介質(zhì)進行模擬計算，用于過濾介質(zhì)產(chǎn)品設(shè)計[22]。該公司 2006年實現(xiàn)了對不同纖維結(jié)構(gòu)過濾介質(zhì)的視覺模擬，2008年實現(xiàn)了過濾介質(zhì)多次過濾后介質(zhì)的顆粒截留能力計算，2010年進行了CFD計算空間區(qū)域大小優(yōu)化的研究，到2012年利用以上研究成果，結(jié)合顆粒之間的作用力以及顆粒形狀，成功地計算了油過濾過程介質(zhì)初始過濾效率，計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果高度吻合（圖4）。

圖3 GKD-Gebr.Kufferath AG絲網(wǎng)公司CFD計算及實驗測試結(jié)果比較[20]

圖4 Mann+Hummel CFD 計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較[22]

澳大利亞Curtin University 流體動力學研究組利用CFD對氣液過濾中液滴聚結(jié)進行了研究[23-24]。該研究以半經(jīng)驗的單絲過濾效率理論（SFE）為基礎(chǔ)計算過濾介質(zhì)對液滴的采集效率，并在Plateau-Rayleigh 不穩(wěn)定現(xiàn)象理論基礎(chǔ)上通過定義一極限液膜厚度預測被采集的液滴在過濾介質(zhì)上的凝聚。研究計算采用的程序為Open Field Operation and Manipulation（OpenFOAM）。該程序自身具有Lagrangian 追蹤算法，可以理想地用于每一顆顆粒的追蹤，同時該程序與VOF（Volume of Fluid）方法結(jié)合，將由單個顆粒的運動計算轉(zhuǎn)換為對整個流體的計算，從而成功地計算模擬了氣體液滴過濾過程中顆粒被截留進而被凝聚的過程。該方法可以用于計算液滴在單根或多根纖維上的截流、聚集、顆粒破碎、最終發(fā)生凝聚以及大顆粒的流動狀態(tài)。圖5顯示了液滴在單根纖維上的凝聚過程。

圖5 Mullin 液滴凝聚過程CFD模擬[23-24]

德國 Otto-von-Guericke University Magdeburg大學的Stein Soren 結(jié)合CFD和有限元DEM方法，對微米尺寸范圍的凝聚絮凝的顆粒過濾現(xiàn)象進行了模擬研究[25]。該方法將包括固液兩相流中質(zhì)量及動量傳遞的Navier-Stokes公式的程序放入有限元計算軟件中。此程序（CFD）計算出每一小單元中的流體的質(zhì)量動量數(shù)據(jù)，從而計算速度和壓力，并由有限元程序?qū)?shù)據(jù)連續(xù)化。在模擬計算中顆粒被簡化為球狀，過濾中顆粒與過濾器壁的摩擦忽略不計。該研究計算模擬了未絮凝及絮凝顆粒在 200～1000kPa過濾中濾餅形成過程（圖6），并計算出濾餅孔隙率及濾餅滲透率，且與實驗數(shù)據(jù)作了對比，并得到基本滿意的對比結(jié)果，見表2。該研究對揭示濾餅形成及濾餅過濾理論中顆粒之間作用力的影響很有幫助。

6 結(jié) 語

表2 Soren未絮凝及絮凝系統(tǒng)過濾平均孔隙率及濾餅滲透率模擬及測試數(shù)據(jù)[25]

過濾分離在能源、資源及環(huán)境幾大領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動以及可持續(xù)性發(fā)展的思想影響下，其發(fā)展趨勢為低能耗、低材料消耗、低廢物產(chǎn)出以及更精細的過濾及更高的分離效率，過濾材料更加耐高溫、耐腐蝕，材料可再生或再循環(huán)也成為一個發(fā)展趨勢，生產(chǎn)過程趨向于連續(xù)性、自動化、短鏈操作。

圖6 Soren未絮凝及絮凝顆粒形成濾餅模擬[25]

作為過濾分離技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展的內(nèi)在因素、產(chǎn)品或技術(shù)科研及開發(fā)則更多地傾向于過濾材料的研究。納米材料過濾介質(zhì)在一定程度上同時滿足了低能耗及高過濾精度的要求，而具有更精細過濾精度的陶瓷濾材以及耐高溫耐腐蝕的高分子材料的發(fā)展，則滿足了過濾精度及耐高溫、耐腐蝕的要求。膜分離由于膜材料的發(fā)展，其應用范圍越來越廣泛。

過濾分離基礎(chǔ)研究的另外一個重要的發(fā)展是計算機流體動力學（CFD）模擬及有限元（DEM）的開發(fā)和應用。隨著計算機及操作程序的發(fā)展，CFD與DEM已經(jīng)可以成功用來計算及模擬在過濾過程中流體及顆粒運動及傳質(zhì)，從而計算過濾數(shù)據(jù)，預測過濾性能。計算模擬大大減少了所需實驗數(shù)量，從而有效縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期及成本，成為過濾分離產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化及控制的一個有利工具。

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