典型液体过滤材料的选择和应用

2.4.3.1　血液过滤材料

（1）血液组成介绍

血液是在心血管系统内流动的一种黏稠性液体，属结缔组织。它由细胞成分和非细胞成分两部分组成。其中，细胞成分包括红细胞、白细胞和血小板，统称为血细胞。血细胞约占血液总量的45%。而非细胞成分则包括胶体成分和晶体成分，即所谓的血浆成分，也称无形成分。血浆内含有蛋白质、脂质、无机盐、纤维素、酶等一百多种成分。由于血液中的白细胞具有防御保护、机体免疫等功能，如果将献血者的血液直接输入病人体内，极易引起献血者与受血者白细胞抗原的同种异体反应，甚至导致病毒的传播。因此，在输血之前通常需要对血液进行过滤，以去除部分白细胞，预防输血不良反应的发生。正常成人血液中白细胞总数为4000～10000个/mm3。正常人体内白细胞的数量相对比较稳定，在急性炎症等特殊情况下，白细胞数量会急剧增加，但是当人体恢复正常后，白细胞的数量便会迅速恢复到正常水平。

红细胞属无核细胞，平均直径为7.2μm，形状类似四圆碟形，周边稍厚。正常的红细胞具有变形能力，在血液流动过程中，因其可塑性变形可通过毛细血管和血窦孔隙。血小板呈圆形或卵圆形，平均直径为2～4µm，体积比红细胞和白细胞小。

与无核的红细胞相比，白细胞具有细胞核和胞浆，一般呈球形。根据白细胞的胞质有无特殊颗粒，可将其分为有粒白细胞和无粒白细胞两类。有粒白细胞又可以进一步根据其颗粒的嗜色性，分为中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞。无粒白细胞有单核细胞和淋巴细胞两种。嗜酸性粒细胞占白细胞总数的0.5%～3%，细胞呈球形，直径为10～15μm；中性粒细胞占白细胞总数的50%～70%，是白细胞中数量最多的一种，直径为10～12μm；嗜碱性粒细胞占白细胞总数的0～1%，细胞呈球形，直径为10～12μm。单核细胞占白细胞总数的3%～8%，是白细胞中体积最大的细胞，直径为14～20μm；淋巴细胞占白细胞总数的20%～30%，呈圆形或椭圆形，大小不等。直径为6～8μm的是小淋巴细胞、直径为9～12μm的是中淋巴细胞、直径为13～20μm的是大淋巴细胞。白细胞、红细胞和血小板如图2-41所示（彩图见插页）。

图2-41　白细胞、红细胞和血小板

从上述内容可以看出，绝大多数白细胞在体积上比红细胞和血小板要大。另外，带核白细胞很难变形，其粗糙表面使其容易被过滤材料孔壁吸附。而红细胞则容易变形，容易从过滤材料的孔隙中通过。因此，可以采用机械过滤的方法，将白细胞从血液中滤除。

（2）血液过滤

标准YY 0329—2009《一次性使用去白细胞滤器》规定，过滤后血液中残留的白细胞数应不大于2.5×106个/L。虽然说理论上可以采用离心法、洗涤法、冰冻去甘油法和机械过滤法等进行血液过滤，但机械过滤法则是迄今为止最有效的去除血液中白细胞的方法，而熔喷非织造材料则是主要的血液过滤材料。血液流经过滤器后，变形能力小、尺寸相对较大的白细胞被熔喷非织造过滤材料拦截，而大部分红细胞和血小板则可顺利通过，从而实现对白细胞的滤除。常见血液过滤器的外观如图2-42所示。

熔喷非织造材料的纤维直径基本在2～5μm范围内，容易制成平均孔径低于8μm的微孔过滤材料，被广泛用作血液过滤材料。当血液流经过滤材料时，白细胞几乎不能通过熔喷非织造材料的孔隙，而红细胞则通过变形极易通过。另外，红细胞柔软，形状为两侧内凹，内部无核，因此在过滤过程中一般沿着微孔轴线流动。根据流体力学原理，微孔轴线流速在整个流体中速度最快。而白细胞由于变形能力差，流动性较差，因此会被推向微孔孔壁，增大了其黏附到过滤材料孔壁的概率，这一现象称为边缘效应。

图2-42　血液过滤器

纤维过滤材料对白细胞的滤除效果主要受纤维表面的润湿性、化学基团、表面电荷特性等因素影响。研究发现，淋巴白细胞的过滤主要以机械筛滤为主，而单核白细胞的过滤则以机械筛滤和吸附两种方式为主，有粒白细胞的过滤除了机械过滤和直接被吸附在纤维上外，部分有粒细胞白细胞会被间接吸附在血小板上。聚对苯二甲酸丁二醇酯熔喷非织造材料由于具有良好的生物相容性，被广泛用作血液过滤材料，但为了提高其对白细胞的过滤效率，还需要进行接枝改性、电晕放电和低温等离子体刻蚀等表面改性，以提高其对血液的润湿性。引入的极性基团还可以增加其对白细胞的选择吸附性。

静电纺丝是一种广受学术界关注的超细纤维制备方法，静电纺纳米纤维过滤材料有较高的比表面积，但其机械强度不高，纤网的稳定性需要进一步提高。许多人探索了其在血液过滤方面的应用，有人将其与熔喷非织造材料复合后进行血液过滤，发现其白细胞滤除率可以提高一个数量级。但同时也损失了部分红细胞，红细胞的回收率由90%下降到87%。复合过滤器结构示意图如图2-43所示。(www.xing528.com)

图2-43　静电纺丝/熔喷复合非织造血液过滤材料结构示意图

2.4.3.2　熔喷滤芯液体过滤材料

通过改变纤维收集方式，可以将熔喷非织造材料直接成形为三维结构的滤芯状过滤材料，其结构如图2-44所示（彩图见插页）。熔喷滤芯的过滤精度有1μm、3μm、5μm、10μm、20μm、30μm等多种规格，可以广泛用于医药工业（各种针剂、药液及针剂洗瓶水的预过滤，大输液以及各种抗菌素、中药注射剂的预过滤）、食品行业（酒类、饮料、饮用水的过滤）、电子工业（纯水、超纯水的预过滤）、石油及化学工业（各种有机溶剂、酸、碱液的过滤）。还可以通过成形工艺的调整，使滤芯中的纤维细度和纤网致密程度沿着滤芯厚度方向呈梯度变化，以优化其过滤精度、纳污量、过滤阻力等性能参数。

图2-44　熔喷滤芯

过滤时，液体首先流经纤维较粗、致密程度较弱的滤芯外表面层，继续沿着滤芯厚度方向流动，溶液中的不溶物逐渐被各层纤维截留，洁净的滤液最终从滤芯内层表面流入中心集液腔，最后引至滤芯外部，实现净化过滤。

2.4.3.3　化工生产等液固分离等领域的应用

化工生产由多种单元装置串联组成，化工企业生产的终端产品质量、收率、成本、生产效率、污染程度等均与单元装置的质量、效率及操作情况等密切相关。精密预处理可显著提高化工装置的效率、收率、处理物质量和劳动生产率，同时降低成本并减轻对环境的污染。所有预处理技术中，液固非均相分离（即液体过滤）最关键，目前普遍使用非织造等过滤材料进行初滤。非织造过滤材料也广泛用于超滤、纳滤、反渗透、精馏及吸收等装置前的精密预处理，大规模用于离子交换、电渗析及层析等分离装置的精密预处理，确保离子交换树脂、电渗析膜及层析介质等不被细颗粒物污染，提高分离介质的寿命与处理产品的质量。当然，普通的非织造过滤材料只能滤除液相中大于5µm的固相微粒，小于5µm的绝大多数微粒仍大量进入后续单元装置中。常见液体过滤袋如图2-45所示。

例如，在氧化铝生产蒸发工序中，需要将拜尔法或烧结法的种分母液浓缩到符合生产要求的浓度，同时需要利用过滤材料滤除浓缩液中的其他杂质。其过滤条件十分苛刻，过滤液pH值为10～12，温度为90～135℃，过滤过程中还会受到大于2200N的高压气流冲击作用。目前所使用的过滤材料大多为基布增强的针刺非织造过滤材料，单位面质量约为620g/m2，面层为丙纶，中间增强基布为玻璃纤维长丝机织布，经纬密度为88根/10cm×60根/10cm。该过滤材料具有尺寸稳定性好、断裂强力大、耐碱、使用寿命长、过滤效果好等优点。目前全球氧化铝年产量在6000万吨左右，我国的氧化铝年产量约1000万吨，属于有一定规模的非织造液体过滤材料应用领域。

图2-45　液体过滤袋

相对于空气过滤材料来说，液体过滤用非织造材料方面的研究报道较少。有人尝试采用0.9dtex（0.8旦）、1.6dtex（1.4旦）和2.2dtex（2旦）三种不同线密度的涤纶共混成网后水刺，再涂覆不同含量的聚丙烯酸酯黏合剂，黏合剂含量对过滤效率的影响如图2-47所示。结果发现，随着黏合剂含量的增加，滤料的平均孔径和孔隙率逐渐减小，过滤阻力先缓慢增长、后急剧增长。粗纤维的添加增大了水刺非织造布的平均孔径，但其过滤阻力也相应下降。细纤维对平均孔径的影响不大，但孔径分布更趋于一致。最优纤维混合比为1.4旦和2旦涤纶各40%、0.8旦涤纶为20%。图2-46为不同黏合剂含量的水刺非织造过滤材料的过滤效率（ε为孔隙率）。

图2-46　不同黏合剂含量的水刺非织造过滤材料的过滤效率