4.1　液體過濾原理

液體過濾是指液—固兩相體系中液體以滲流方式穿過多孔介質孔隙，而固體顆粒物被截留在過濾介質一側或被阻留在其孔隙內，從而實現固體與液體的分離[3]，液體過濾原理按過濾介質的工作方式主要分為表面過濾和深層過濾兩類[4]。

表面過濾又被稱為濾餅過濾，在過濾過程中，液體中固體顆粒通過篩分作用以及“架橋”作用被滯留在介質表面從而形成濾餅，隨著過濾過程的進行，濾餅厚度逐漸增加，介質的過濾阻力也隨之上升，當外加驅動壓力不足以克服濾餅阻力時，整個過濾過程停止，在實際使用過程中，表面過濾一般適用于分離濃度較高的懸浮液體系[5]。

深層過濾是指在液體過濾過程中，固體顆粒被阻留在過濾介質的內部孔隙中，當介質中的孔隙被顆粒填滿后，液體無法滲透介質，整個過濾過程終止，需要對其進行反沖洗處理后方可繼續使用，其主要適用于處理濃度較低的懸浮液體系[1]。深層過濾過程主要包括兩個階段：第一階段為輸送階段，即懸浮液體系中的顆粒逐漸接近過濾介質表面；第二階段為附著階段，即顆粒在重力、剪切力、碰撞力等作用下被過濾介質截留捕獲，總體而言，深層過濾中懸浮液顆粒被介質捕獲的機理主要包括以下五種[6-8]。

（1）截留捕獲。懸浮液中無法擴散的較大顆粒會隨著流體做無擾動流線運動，直至與過濾介質接觸并附著在表面，一般將這種方式稱為截留捕獲。顆粒直徑越大，其被介質截留捕獲的概率越大。

（2）沉積和慣性捕獲。直徑較大的固體顆粒在重力作用下產生沉降，其在沉降過程中逐漸穿過流線并撞擊到過濾介質表面，顆粒的密度和直徑越大，其在重力作用下沉積并碰撞到介質表面的概率越高。

（3）布朗擴散捕獲。固體顆粒在液體中做無序不規則布朗運動，其流動軌跡與流線間具有一定偏移，顆粒的布朗擴散系數D=kBT/（6πμR），式中：kB為波爾茨曼常數；T為熱力學溫度（K，1K=-272.15℃）；μ為懸浮液的黏滯系數（Pa·s）；R為懸浮液顆粒半徑（μm）。顆粒的布朗擴散系數遠小于分子的布朗擴散系數，由擴散系數公式可知，顆粒半徑越大，其擴散系數越小。流體體系中，擴散捕獲僅對直徑小于1μm的固體顆粒才有作用[9]。

（4）流體動力—倫敦引力捕獲。在不考慮靜電斥力及慣性力情況下，懸浮液中的顆粒主要受流體動力與倫敦引力的作用，由于顆粒直徑較小，一般可將過濾介質表面視為平面，而作用在顆粒上的流體流動可分為平面駐點流動與剪切流動，前者形成徑向力Fst，當顆粒與過濾介質表面靠近時，倫敦引力Fad起作用，顆粒最終受到兩個力的徑向合力Fn=Fst+Fad。液體的流動速率越高，其流體動力作用越強；而過濾介質直徑與被捕獲顆粒尺寸的差異越大（介質直徑遠大于顆粒直徑），倫敦引力作用越大。

（5）靜電斥力及其他捕獲。懸浮液中顆粒間存在靜電斥力，靜電斥力大小與顆粒表面電動電位及溶液離子相關，靜電斥力的存在導致介質對顆粒的過濾捕獲效率降低；反之，若顆粒表面電荷符號相反，其相互吸引，有利于過濾介質捕獲效率的提高[10]。

因此，采用多孔過濾介質對懸浮液中的顆粒進行過濾時，大顆粒易被過濾介質攔截并形成濾餅，屬于表面過濾；而小顆粒容易進入到過濾介質內部孔隙中，形成深層過濾[11]。