亚微米勃姆石工业生产中的清洗与过滤工艺优化_王程民.pdf

清 洗 世 界Cleaning World专论与综述专论与综述专论与综述专论与综述第39卷第3期2023年3月文章编号：1671-8909（2023）3-0072-004亚微米勃姆石工业生产中的清洗与过滤工艺优化王程民（上海百图高新材料科技有限公司，上海 201206）摘要：勃姆石作为阻燃材料在传统氧化铝制备开发中已经十分成熟，但随着锂电新能源产业的发展，尤其锂电隔膜对于亚微米勃姆石的需求日益突出，开发高纯亚微米勃姆石产品需求十分迫切。由传统勃姆石发展到亚微米勃姆石过程中，生产环节中清洗与浓缩问题是制约行业发展的重要难题，本文通过对板框压滤机、带式真空过滤机、卧式离心机、陶瓷膜（平板膜与管式膜）装备与工艺的试验与讨论，找到未来克服亚微米勃姆石清洗与过滤的工艺方法，并提出优化控制方案。关键词：亚微米勃姆石；清洗；浓缩；纯度；过滤机中图分类号：TB383.2；TM912 文献标识码：A作者简介：王程民（1983-），男，中级工程师，博士在读，研究方向：高性能无机纳米粉体材料开发与产业化建设，高活性多孔氧化铝材料，高纯纳米氧化物等。收稿日期：2023-01-09。0 引言德国化学家约翰勃姆于 1925 年首次提出勃姆石化合物，1927 年德拉帕兰特证实了这一推测，并将矿石正式命名为勃姆石。从此勃姆石作为一种易合成、形貌可控、可规模化生产的产品进入了工业化发展时代。制备勃姆石的工艺现在有溶胶-凝胶法、铝直接水解法、凝胶转化法、水热法、蒸汽转晶法、晶种诱导法、矿化法等。无论何种工艺方法，都是利用羟基氢铝脱水转变成勃姆石形态化合物的过程。由于勃姆石具有良好的稳定结构，同时自带羟基具有阻燃性，具有较低硬度的层状结构，制备工艺环境友好，产品形貌可控的优势，作为精细氧化铝产品的前驱体及其他功能材料领域应用也越来越广泛，其广泛应用于催化、阻燃材料、电池隔膜、光学材料、液晶、医学、传感器等领域。随着锂电新能源产业发展需求，锂电池的安全性显得尤为重要。勃姆石具有阻燃特性的优势被锂电隔膜涂覆及正极片涂覆领域所看重，与氧化铝材料共同作为锂电隔膜涂覆使用的陶瓷层材料。传统行业所需的勃姆石产品粒度较大，多是微米级别的，主要作为阻燃材料添加剂使用。实际生产中，传统的压滤机即可满足工业生产（各大氧化铝 企业多采用此种装置生产）；随着锂电隔膜涂层行业的发展，要求勃姆石制备的粒度满足 D50 在 0.8 1 m，D99 控制在 5 m 以内，面对规模化亚微米勃姆石的制备，公司万吨级锂电隔膜涂覆用新型勃姆石项目一期工程围绕着亚微米勃姆石的清洗与过滤问题，联系国内及合作的设备厂家，通过板框压滤机、带式真空过滤机、卧式离心机、陶瓷膜（平板膜与管式膜）进行试验，观察对亚微米勃姆石产品清洗与过滤效果，并结合成品的形貌与纯度等参数，优选出合适的满足工业化生产的亚微米级别产品的清洗与过滤方案，并投入到一期产线建设中。1 不同清洗与过滤设备的作用机理及试验效果1.1 板框压滤机试验效果板框压滤机就滤板形式而言，有厢式和板框式之分；就滤板放置方位不同，有立式和卧式之分；其工作原理是采用一侧施加压力压紧后通入原料浆液在滤布上形成滤饼层，过滤完毕后通入清水洗涤，并卸料，试验采用国产山能重装鲁中装备制造有限73第 39 卷王程民.亚微米勃姆石工业生产中的清洗与过滤工艺优化公司的立式压滤机实验机进行。实验方案将 5 kg 重 D50=0.9 m 的勃姆石前驱体按照质量浓度 30%，用纯水配置成料浆，分别常温 25 和加热至 60 后，进行压滤。压滤完成后，在设备内对滤饼进行在线洗涤直到成品电导率在 30S/cm。观察洗涤用水量。其实验参数与结果如表 1 所示，温度的提高有利于降低清洗后物料的电导率，但不是特别明显，并从图 1 发现，浆液注入后即开始跑料，随着浆液的不断注入，滤饼厚度增加，跑液减缓，但进行隔膜挤压和吹风干燥后，跑液再次明显，最终风干后的滤饼层含水率达80%左右。考虑到形成滤饼困难，跑料问题，因此，独立的压滤机并不能完全胜任微纳米勃姆石的清洗与过滤工作。高生产效率，降低运行成本，极大减轻工人劳动强度，改善工作环境。相比于板框压滤机，该设备的滤网精度更高，采用国外进口滤网目数可达 10 000目，占地面积小，清洗与排料自动化程度高，采用国内青岛核盛智能环保设备有限公司试验设备进行 工作。表 1 板框压滤机在不同温度下清洗实验数据与结果实验物料浆液固含/%水温/洗涤 5min 后电导率洗涤 100min 后电导率用水量/kg滤液状态勃姆石前驱体31.352524534.124.57跑料勃姆石前驱体30.876023132.324.54跑料表 2 真空带式过滤机在不同温度下清洗实验数据与结果实验物料浆液固含/%水温/洗涤 5min 后电导率洗涤 110min 后电导率用水量/kg滤液状态勃姆石前驱体30.652526134.621.57kg浑浊勃姆石前驱体31.136023430.821.56kg浑浊1.2 带式真空过滤机试验效果带式真空过滤机如图 2 所示是一种高效过滤固液分离设备。自动化程度高；下料、过滤、洗涤、吸干、卸料、滤布清洗均为连续自动化，提实验方案将 5 kg 重 D50=0.9 m 的勃姆石前驱体按照质量浓度 30%，用纯水配置成料浆，分别常温 25 和加热至 60 后，进行抽滤。抽滤完成后，在设备内对滤饼进行在线洗涤直到成品电导率在 30 S/cm。观察洗涤用水量。其实验参数与结果如表 2 所示，温度的提高有利于降低清洗后物料的电导率，但不是特别明显，关键还是与用水量直接相关。大约 110 min 左右，25 和 60 下纯水都可以将电导洗到 30S/cm 左右，60 下清洗时间较短。物料洗液带部分原料，虽有浑浊但是基本是清液了，形成滤饼层较厚，含水率可达 75%左右。1.3 卧式离心机试验效果卧式离心机是采用离心分离的原理，悬浮液从进料管进入卧式离心机，在转鼓的高速旋转下，比重大的固体被甩向转鼓壁，比重轻的液体被挤向转鼓中心。在转鼓外壁形成滤饼层，通过清洗、甩干、刮料、拉袋将滤饼排出，实现清洗与过滤功能。该图 1 不同时期下立式压滤机的跑料情况注浆后滤饼形成后吹风干燥后图 2 真空带式过滤机示意图卸料M物料工艺水压缩空气真空泵母液罐排液罐排液罐真空盒74第 3 期清 洗 世 界设备占地面积小，可自动化清洗及出料控制，效率高，在很多污水及固液分离行业具有一定优势。试验采用江苏华大离心机制造有限公司的 PLD拉袋式刮刀下卸料离心机，由于该设备采用布袋进行过滤，受国内市场上超细布袋的局限性，最细采用 7 0008 000 目的布袋，实验下来还是跑料严重，形成的滤饼层较板框压滤机和真空带式过滤机相比，成型较差，不能形成致密的滤饼层，微纳米浆料透过率高，最终滤饼含水率高，只能达到55%60%。1.4 陶瓷膜试验效果陶瓷膜采用无机陶瓷粉体材料烧结而成的，多以氧化铝材料为主。根据膜的结构形式分为平板膜与管式膜两种。无论平板膜还是管式膜都是通过一定压力下，原料浆液渗透膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶和微生物等大分子物质通过。陶瓷膜具有耐酸碱性好，机械强度高、分离效率高、再生能力强、维护成本低的优势，近些年随着微纳米粉体浆液的兴起，逐渐进入无机功能粉体水洗领域，具有非常大的优势。本项目采用雅安沃克林环保科技有限公司生产的 100 nm 膜孔的平板膜与淄博东强膜科技有限公司生产的 100 nm 膜孔的管式膜进行对比实验，根据前面压滤机和真空过滤机的实验数据，本次实验同样采用微纳米勃姆石前驱体浆液优先 60纯水中进行，实验数据与结果如表 3 所示。从表 3 中我们发现，采用膜洗设备洗涤效率高，大约 6070 min 即可洗到电导率 30S/cm，其中管式膜最大原料浓度为25%，超过此浓度容易堵膜，需要反冲洗操作，但是低浓缩下不易堵膜，出水清澈可以直排；平板膜进料浓度可达 30%以上，但是由于平板膜固定容易底部积料，长期使用容易堵膜，并且有部分的跑料，水质略显浑浊。2 清洗与浓缩方案的优化设计经过对现有工业生产中几种常用的清洗装置的试验，我们得到如表 4 所示数据。从表 4 中我们看到现有试验数据中，带式真空过滤机和管式膜表现较佳，可以满足亚微米勃姆石工业化的清洗与过滤工作。离心机工作跑料严重，很难形成稳定滤饼层，板框压滤机具有形成稳定滤饼层的能力，但是工作时间较长，而且有部分跑料现象，反观带式真空过滤机，占地面积小，效率较高，处理量大，除轻微的漏料外，耗水量也适中，可以作为清洗亚微米勃姆石产品的主要备选设备之一。平板膜虽然也可以清洗过滤亚微米产品，但由于平板膜固定的运行方式，物料很容易沉降并堵住平板膜，需要长时间在清水中清理，生产中故障率高，不适合清洗亚微米勃姆石产品。管式膜由于进料浓度不高，基本在 20%25%左右，虽然清洗效率高，而且清洗液清澈可以不用沉降直排到废水处理装置中，效果理想，但是考虑管式膜的陶瓷膜管成本高，处理浆液浓度较低，单体设备不如带式真空过滤机效率高。综合考虑，在满足亚微米勃姆石产品清洗要求，同时满足环评对于废水的排放处理要求，可以采取带式真空过滤机+管式膜的组合方式运行，由带式真空过滤机承担主体清洗过滤任务，管式膜负责对于漏料进一步浓缩回收，并排出清液满足生产 要求。3 不同清洗方式下对于产品形貌的影响如 SEM 图 3 所示，不同清洗方式后经过水热处理形成亚微米勃姆石成品的 SEM 图像。从图中表 3 微纳米勃姆石浆液在平板膜与管式膜中清洗实验数据与结果微纳米勃姆石前驱体膜设备浆液固含/%水温/洗涤 5min 后电导率洗涤 70min 后电导率用水量/kg滤液状态设备状态D50=0.9um平板膜30.656025130.620.37浑浊堵膜D50=0.9um管式膜25.566023925.819.26清澈不堵膜表 4 不同工业清洗装置的实验数据表实验物料清洗装备浆液浓度/%水温/物料用水比滤液状态设备情况亚微米勃姆石板框压滤机30601 5跑料可以形成滤饼，但是跑料严重亚微米勃姆石真空带式过滤机30601 4.2浑浊可以形成滤饼，效率较高亚微米勃姆石卧式离心机30601 5跑料滤饼太稀亚微米勃姆石平板膜30601 4浑浊底部容易堵膜亚微米勃姆石管式膜30601 3.5清澈定期反冲洗，效果不错75第 39 卷王程民.亚微米勃姆石工业生产中的清洗与过滤工艺优化我们可以看到板框压滤机方式清洗的物料经过进一步的水热处理，由于压滤方式滤饼较厚较结实，对亚微米勃姆石的形貌有一定影响，同时大颗粒表面有很多细小颗粒，是由于清洗不均匀造成的；采用卧式离心机处理的清洗物料，效果不太理想，没有很有效洗涤掉浆液中的杂质成分，经过水热长大的勃姆石形貌发育较差。其它如带式真空过滤机、平板膜、管式膜清洗的物料后经过水热处理后，形貌发育完整，颗粒表面干净无细小颗粒附着，满足下游客户对于产品的需求。化的重要技术问题。本项目根据现有工业化清洗装备如板框压滤机、带式真空过滤机、卧式离心机、板框膜、管式膜分别进行清洗试验，发现带式真空过滤机和管式膜可以很好的解决这一难题。考虑项目规模及产业化，考虑采用带式真空过滤机+管式膜组合方式进行亚微米勃姆石产品的清洗工作。通过不同清洗装备处理后再经水热处理的成品 SEM图，我们清楚看到压滤机和离心机清洗效果不理想，其他方式清洗后的物料制备的成品都表面清洁，颗粒清晰，满足下游客户需求，为公司万吨级微纳米勃姆石产业化项目解决了清洗装备与工艺问题。参考文献：1 车洪生，谢庚彪，刘现民，等勃姆石制备过程与机理研究 J.轻金属，2022,25(3):24-27.2 范 伟 东，李 旺 兴，韩 东 战，等.粒 度 对 氢 氧化 铝 低 温 相 变 动 力 学 的 影 响 J.化 工 进 展，2020,39(3):1101-1107.3 高珊，朱晓辉，张一凡，等.基于板框压滤机的污泥深度脱水影响因素研究 J.广东化工，2022,49(21):171-173+179.4 李松.新型带式真空过滤机在某磷尾矿浓度提升中的应用 J