自洁式高效膜式过滤器的研究

摘 要: 样气处理系统技术是在线气体分析系统的核心和关键技术,膜式过滤器是样气处理系统的核心基础样气处理部件之一。本文论述分析了一种具有“油水双疏”。纳米特性聚合薄膜的自清洁、高效过滤机理,进而深入介绍，高效自吹洗综合过滤器的专利技术产品,为样气处理的高效“除尘”、“除水”提供了一种新的产品和解决方案。

关键词: 油水双疏 微/纳双重结构 纳米特性过滤薄膜 自吹洗、过滤　膜式过滤器 样气处理系统技术

1 自然界中的疏水表面

　　自然界中存在许多无污染、自清洁的动植物表面，以荷叶最为典型和人所共知，其它还有芋头叶、水稻叶，蝴蝶和水鸟羽毛表面等，它们的共同特点就是具有超疏水表面。进一步的显微研究表明，这种超疏水表面具有微米尺度的细胞和纳米尺度腊状晶体的双层微观结构组成（1），呈现出超疏水特性和自清洁特性，这才有荷叶和荷花的出污泥而不染，水珠在荷叶上的自由滚动。特别是水鸟羽毛，不但超疏水，还有很好的透气性，膜式过滤器的过滤薄膜正需要这样类似的技术特性。

2 微孔过滤技术的基本原理

　　 微孔过滤技术基于微孔过滤薄膜，微孔过滤膜是由孔径在0.1-10um的特种纤维或高分子聚合物及无机材料构成。

　　微孔过滤的微滤（MF）可滤除≥50nm的颗粒，公认微滤的公称孔径是0.2um。超滤（UF）可滤除1-100nm的颗粒（2）。技术概念上的“纳米”尺度是指1-100nm的尺度范围，由此可认为优于100nm，即0.1um的微孔过滤都属于广义的纳米级别的过滤。

　　微孔过滤膜的微孔过滤截留机理分为机械截留，物理作用或吸附截留，架桥截留和网络型膜的内部截留（2）。微孔过滤膜过滤干燥的粉尘颗粒大多属于机械截留过滤，过滤截留微细液雾，更像是液体分子群（分子团或分子链）的架桥截留过滤。不过，最好还是用后述纳米特性聚合膜的疏水特性来解释更有说服力。

3 样气“除尘”、“除水”的苛刻要求

　　在线分析器以在线分析系统形式投放市场和工程应用已成为国内外不可逆转的技术主流，“样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”（3）是本专业正在发生转变的核心观念之一。样气处理的其中两项极为苛刻和困难的任务就是“除尘”和“除水”。

　　样气“除尘”就是样气的粉尘过滤，样气的“除水”应该是指除水和除湿。样气经过“除尘”、“除水”之后，理论上应该是洁净的和干燥的，达到接近标准气般的高品质。如果样气处理能够达到如此协调运行的高境界，那么在线分析系统就不致于发生管路或部件堵塞，气室或接收器污染或腐蚀严重等故障现象，就可在一定程度上避免分析器漂移增大、性能衰变，甚至引起分析器失效，进而使在线分析系统应用中断等严重故障。现在工程界对在线分析系统提出了非常高的要求：两三年内只维护不维修，要有15年的使用寿命周期。实行这一工程设计新理念，就必须有效甚至是彻底解决样气处理的“除尘”、“除水”关键基础技术。

　　某国外公司的高端红外分析器明确规定样气条件的粉尘浓度为≤0.3um、≤10ug/m3。联合国世界卫生组织的空气污染控制标准是（≤0.3-0.5um）、≤20ug/m3。所以样气处理“除尘”的合格标准应推定为≤0.3um、≤10ug/m3。至于“除水”，当然是越干燥越好，经典的除水是气水分离，经典的除湿是压缩机式样气冷凝器再加上蠕动泵自动排放冷凝液。冷凝器设定温度大多为+2.5℃，样气出口温度可能要高于设定温度，特别负压力运行的冷凝器更是如此。

　　有一个微观的技术事实必须指出：样气冷凝器的冷凝分离只分离了液相水，并不能完全分离“气相水”，也就是说微细液雾并没有从出口样气中分离掉，此时样气出口处的样气露点肯定更要高于冷凝器的设定温度，这就不难解释寒冷冬季其后的流量计处偶然出现液态水使样气处理失效的故障原因了。所以样气处理的“除水”必须再深层地推进到除去冷凝器出口样气中的微细液雾（广义概念应包括烟雾、水雾、酸雾和油雾），这是国内业界长期忽视的一个技术难题。

4 纳米特性聚合过滤薄膜

　　4.1　纳米特性

　　根据纳米技术的专业概念，所谓纳米尺度是指1-100nm，所谓纳米特性的很典型的专业术语是“油水双疏”或“油水双亲”，很容易识别。

　　本文介绍的纳米特性聚合膜就有“疏水和一定疏油特性”的纳米特性。可作如下演示性试验：

　　将6000mL矿泉水细水长流地淋在倾斜45°的膜片上，膜片不被浸湿，完好无损。

　　4.2　技术特性

　　0.4mm厚，抗张强度高，不易破损;

　　透气性好，气流阻力小：如∮50mm膜片在60L/h流量下的气流阻力≤7mmH2O;

　　粉尘过滤精度：≥0.05um　99%　（≥0.3um时，最高可达99.999%以上）;

　　液雾过滤精度：有阻止或拦截液雾通过的能力（透过率优于0.001%）;

　　最高使用温度：200℃（样气温度）;

　　自洁式、不易污染特性;疏水特性是自洁式的必备条件;

　　高效综合过滤功能：指既能高精度过滤粉尘，又能阻止微细液雾通过，而且不影响良好的透气性。

　　4.3 正确使用与维护

　　纳米特性聚合膜的高效过滤功能和良好的透气性是基于先进过滤膜元件材料的疏水纳米特性，这性能来源于材料的疏水表面，这表面具有微细的表面粗糙度和微/纳双重结构，“微”指微米尺度、“纳”指纳米尺度。

　　本纳米特性聚合膜有网格纹的一面为正面，应正对样气过滤的入口侧。膜片在保管、施工使用过程中，其表面不得受到任何污染、损伤，不允许有折痕和压痕，也就是膜材料表面的特殊微/纳双重结构不能受到损伤。只要样气阻力没有增大到样气流量调节不到规定流量的程度，即使膜片观察起来有污染（指变色）和积污现象，也可以不必急于更换默片。

5 膜式过滤器技术的现状

　　膜式过滤器是样气处理系统技术的核心基础样气处理部件之一，普及到每套系统都必备。

　　国内分析仪器专业公司此前的最好水平早已达到0.3um，但不少公司仍停留在1um左右的保守水平不思改进。更大的潜在问题是，对样气中的残留液，即悬浮状态的微细液雾无能为力，如果偶遇样气“逃液”现象，过滤薄膜被水浸湿就立即扩散到整片薄膜（呈现某种程度的“亲水”特性），不但阻力增大不透气，还很容易因膜片破损失效，造成工程应用中断的严重故障。技术上不得以的选择，是设计带湿度报警（实际上是水分报警）功能的膜式过滤器。

　　国外有不少专业生产样气处理产品的公司，膜式过滤器技术水平都很高，最关键的是采用了疏水特性的高精度过滤薄膜。其中Balston/Parker过滤系统公司的39系列薄膜过滤器，采用疏水的PTFE薄膜，过滤粒经最小0.01um（即10nm）（4），残留液可以从旁流端排出。

　　美国A+（爱杰克）公司200系列Genis分离器，干脆叫分离器而不叫过滤器，足见非常强调凝结分离样气中悬浮微细液雾的功能,过滤精度是0.02um。

　　德国的M&C公司CLF系列气溶胶筒式过滤器过滤精度也是0.02um，所谓气溶胶（aeosol）是指粒径<1um的悬浮液体微粒，如烟雾、挥发性有机构（WOCS）、水雾和油雾等，被过滤元件拦截后并凝结成液滴，在重力作用下滴落。

　　采用“溶胶-凝胶”工艺方法所获得的微/纳双重结构材料（1）：有大量的纳米级精微气孔，其上表层微米尺度的平均尺寸是0.2um,下表层纳米尺度的平均直径为13nm（0.013um）,所以能过滤≥0.02um的颗粒粉尘，又能疏水除去悬浮液雾。

6 新型高效自洁式膜式过滤器

　　6.1　LKP303型高效自吹洗综合过滤器

　　LKP303型高效自吹洗综合过滤器是重庆凌卡分析仪器有限公司2008年推出的专利技术产品，其外形结构及安装尺寸图如下图所示。

　　

　　过滤器采用序4节所述的纳米特性聚合过膜薄膜，规格是∮50mm,0.4mm厚，有效过滤面积为17cm2,死体积（总内容积）≤7cm3,60L/h样气流量下的气流阻力≤7mmH2O。

　　该过滤器用于样气处理系统的后级，对粉尘的过滤精度是0.05um 99%，也能有效阻止和拦截偶然“逃液”的液态水和液雾通过液雾，透过率优于0.001%，能有效保护其后流量计和分析器，是分析器进而是在线分析系统可靠性和长寿命的可靠保证。

　　过滤器为有机玻璃材质滤体结构，可清晰观察过滤膜片是否污染。过滤器壁式安装，有三个∮6mm的不锈钢双卡套接头：上端是样气入口，左侧是样气出口，下端是“旁路流”出口。

　　该过滤器与国外先进过滤器相比有个技术亮点，就是可以在线更换过滤膜片，即在不拆下其它部件和管路接头的条件下，只要旋开右侧旋盖，就可以很方便快速地更换过滤膜片，1分钟就可搞定。序5节的两种国外膜式过滤器都不能在线维护，更换过滤膜片时，需要拧下6个螺钉才能打开过滤器外盖，这一操作需要5分钟，拆开连接管道次数多了，还有可能造成气路密封不可靠。

　　如果样气含水分或液雾的危险很小，可以改用没有旁路结构的LKP301型过滤器。

　　6.2 诠释过滤器的自清洁功能

　　纳米特性聚合过滤薄膜具有自清洁、不易污染的技术特性。膜片在过滤器腔体中垂直设置，过滤腔的左侧为过滤室，右侧为样气室，过滤室上端有样气入口，下端有旁路流出口，样气室与样气出口相通，但样气出口以巧妙的气路结构设在左侧过滤腔体上，更换膜片时，就可以不必拆下管道接头而只旋开右侧旋盖即可。样气经样气入口从过滤室上方进入过滤室，穿透过滤膜片的那部分样气经过有效的“除尘”和“除水”，以高品质的洁净形态，从样气出口以60L/h的流量输送至分析器检测。进入过滤室又没有穿过膜片的大部分样气，大约是出口样气的2-4倍，称为“旁路流”，从旁路流出口排放。入口样气如有“逃液”，这些少量的水，会在旁路流中落下随旁路流排放掉，膜片因疏水特性不会对液态水的排放产生任何不利影响。入口样气必然不同程度含有“气相水”，以悬浮的微细液雾形态存在，粒度大多≤1um。气体分子和水蒸气分子（气态水）很容意穿过任何精微孔的薄膜，因为水分子的直径只有几个A（<1nm）。但是即使最小的液体分子群，疏水薄膜都不会允许其通过，因为液体的表面张力将液体分子紧紧约束在一起形成的分子群可能是讲不清形状的分子团或很长的分子链，他们一起运动，无法通过薄膜微孔。入口样气中再微细的液雾，一旦碰上疏水的薄膜，因为凝结作用，这种凝结作用因液体分子的表面张力，本来就存在，加之膜片疏水特性，使凝结作用加剧，看不见的微细液雾逐渐凝结成较大粒度的液雾，再增大成小液滴，这种聚集成的小液滴在垂直膜片上根本“粘”不住，不是因为其重量太重，而是膜片的疏水特性使然。膜片上逐渐聚集的粉尘和细小液滴，因旁路流自伤而下的持续自吹洗从而实现了自清洁功能，残留液会随旁路流排出。不用担心分析器的可靠性、稳定性、以及灵敏度会受到样气湿度和含有残留粉尘的影响。

7 总束语

　　样气经过电子冷凝器之后再“过滤”微细液雾，是样气处理系统技术进步的客观需要。LKP303型高效自吹洗综合过滤器突破传统，将“除尘”、“除水”有效结合起来。要保证在线分析系统15年的使用寿命周期，现在不必再担心传输给分析器样气中的粉尘和湿度的影响因素了。

　　高效的样气处理部件是样气处理系统技术、进而是在线析系统最急需的基础技术，脚踏实地地加强基础技术，是在线分析工程技术应用及发展的方向之一。

参考文献

　　1　李小兵、刘莹、材料工程，2008（4）， 74-81

　　2 　杨铁主编，分析样品预处理及分离技术，北京，化学工业出版社，2007

　　3　金义忠、曹以刚，在线分析工程技术导论，分析仪器，2008（5）

　　4 ｛美｝罗伯特·E·谢示曼著，冯泉耕\高长春译，过程分析仪样品处理系统技术，北京工业出版社,2004