液体过滤原理及深层过滤的作用机理

液体过滤是指液—固两相体系中液体以渗流方式穿过多孔介质孔隙，而固体颗粒物被截留在过滤介质一侧或被阻留在其孔隙内，从而实现固体与液体的分离［3］，液体过滤原理按过滤介质的工作方式主要分为表面过滤和深层过滤两类［4］。

表面过滤又被称为滤饼过滤，在过滤过程中，液体中固体颗粒通过筛分作用以及“架桥”作用被滞留在介质表面从而形成滤饼，随着过滤过程的进行，滤饼厚度逐渐增加，介质的过滤阻力也随之上升，当外加驱动压力不足以克服滤饼阻力时，整个过滤过程停止，在实际使用过程中，表面过滤一般适用于分离浓度较高的悬浮液体系［5］。

深层过滤是指在液体过滤过程中，固体颗粒被阻留在过滤介质的内部孔隙中，当介质中的孔隙被颗粒填满后，液体无法渗透介质，整个过滤过程终止，需要对其进行反冲洗处理后方可继续使用，其主要适用于处理浓度较低的悬浮液体系［1］。深层过滤过程主要包括两个阶段：第一阶段为输送阶段，即悬浮液体系中的颗粒逐渐接近过滤介质表面；第二阶段为附着阶段，即颗粒在重力、剪切力、碰撞力等作用下被过滤介质截留捕获，总体而言，深层过滤中悬浮液颗粒被介质捕获的机理主要包括以下五种［6-8］。

（1）截留捕获。悬浮液中无法扩散的较大颗粒会随着流体做无扰动流线运动，直至与过滤介质接触并附着在表面，一般将这种方式称为截留捕获。颗粒直径越大，其被介质截留捕获的概率越大。

（2）沉积和惯性捕获。直径较大的固体颗粒在重力作用下产生沉降，其在沉降过程中逐渐穿过流线并撞击到过滤介质表面，颗粒的密度和直径越大，其在重力作用下沉积并碰撞到介质表面的概率越高。(www.xing528.com)

（3）布朗扩散捕获。固体颗粒在液体中做无序不规则布朗运动，其流动轨迹与流线间具有一定偏移，颗粒的布朗扩散系数D=kBT/（6πμR），式中：kB为波尔茨曼常数；T为热力学温度（K，1K=-272.15℃）；μ为悬浮液的黏滞系数（Pa·s）；R为悬浮液颗粒半径（μm）。颗粒的布朗扩散系数远小于分子的布朗扩散系数，由扩散系数公式可知，颗粒半径越大，其扩散系数越小。流体体系中，扩散捕获仅对直径小于1μm的固体颗粒才有作用［9］。

（4）流体动力—伦敦引力捕获。在不考虑静电斥力及惯性力情况下，悬浮液中的颗粒主要受流体动力与伦敦引力的作用，由于颗粒直径较小，一般可将过滤介质表面视为平面，而作用在颗粒上的流体流动可分为平面驻点流动与剪切流动，前者形成径向力Fst，当颗粒与过滤介质表面靠近时，伦敦引力Fad起作用，颗粒最终受到两个力的径向合力Fn=Fst+Fad。液体的流动速率越高，其流体动力作用越强；而过滤介质直径与被捕获颗粒尺寸的差异越大（介质直径远大于颗粒直径），伦敦引力作用越大。

（5）静电斥力及其他捕获。悬浮液中颗粒间存在静电斥力，静电斥力大小与颗粒表面电动电位及溶液离子相关，静电斥力的存在导致介质对颗粒的过滤捕获效率降低；反之，若颗粒表面电荷符号相反，其相互吸引，有利于过滤介质捕获效率的提高［10］。

因此，采用多孔过滤介质对悬浮液中的颗粒进行过滤时，大颗粒易被过滤介质拦截并形成滤饼，属于表面过滤；而小颗粒容易进入到过滤介质内部孔隙中，形成深层过滤［11］。