一般过滤
过滤是一种通过过滤介质*1)将浆料*2)分离成固体和液体的操作。通过对过滤介质表面加压或从过滤介质的反面抽吸来进行过滤。过滤介质的表面所形成的滤饼层能够捕获浆液中的粒子，分离出清澈滤液（液体）。在化学，食品和材料工业等广泛领域中, 过滤这一操作过程尤其重要。
如图1所示，就一般的加压（抽吸）过滤装置而言，随着过滤操作的进行，附着在过滤介质表面的滤饼层厚度也不断增加。在这种情况下，液体通过滤饼层的阻力增强并且过滤速度急剧下降。若要恢复过滤速度，必须拆卸过滤装置，并且用刮刀将内部的滤饼层去除。
*1) 过滤介质：滤布，滤纸，金属网和膜片被广泛使用。
*2) 原料浆液：有固体粒子悬浮着的浑浊液体。
旋转式过滤机和多孔陶瓷板旋转式过滤机
在常规过滤中，随着滤饼层逐渐沉积，过滤速度下降。而在使用旋转式过滤机（RF）和多孔陶瓷板旋转式过滤机（CRF）进行过滤操作的过程中，由于在靠近过滤介质的表面施加剧烈的搅拌，抑制了滤饼层的沉积并保持长时间高效的过滤速度。
(1) 原理
如图2所示，在RF的过滤操作中，滤材表面的滤饼层厚度薄。通过搅拌板的旋转，原料浆液在与过滤介质平行的方向上高速流动，这种动态横流使得过滤介质上的滤饼层厚度薄且恒定。
这种过滤方法能抑制滤饼层的成长，保持薄且稳定的滤饼层。即使长时间运转，仍可保持约1毫米至几毫米的厚度，实现稳定且高实现稳定且高速的过滤。
(2) 内部构造
■ 旋转式过滤机 (RF)
RF适用于过滤亚微米级至100μm的细粒子。 图3显示了RF的结构。在完全密封的过滤室中过滤板和搅拌板以狭窄的间隔交替形式布置，并且搅拌板在操作期间连续旋转。原料浆液被加压并从过滤室的一侧进料。浆液在流经过滤室的同时被过滤和浓缩，其浓缩液或糊状饼从过滤室另一侧的排放阀处排出。
■ 多孔陶瓷板旋转式过滤机 (CRF)
CRF适用于过滤从纳米到亚微米尺寸的超细粒子。该设备和陶瓷过滤板的结构如图4所示。在完全密封的过滤室中，中空的盘状陶瓷过滤板安装在旋转轴上，并于过滤操作期间高速旋转。原料浆液被加压并从过滤室的一侧进料。被过滤的滤液通过空心轴的轴心排放到外部。
(3) 特征及优势
■ 旋转式过滤机 (RF)
1. 运转时间长，过滤速度快，可捕获的粒子至亚微米
由于过滤介质表面的乱流使滤饼层保持较薄的状态，因此在过滤数微米至亚微米大小的粒子的浆液时，即使过滤数天或数月，依然可以保持较高的过滤速度。
2. 适合清洗(清除)浆液中含有的杂质(溶解盐)
由于其较高的过滤速度，与其他工艺相比，RF可以较快的去除溶解在浆料中的杂质（例如氯和碱离子）。另外，在进行循环清洗时，浆液中的粒子处于分散状态，从而在能短时间内实现良好的洗净效果。
3. 被排出的滤饼始终保持恒定的浓度和流动性
排出滤饼时不需要拆卸过滤装置。所有过程都可保持在完全密封的条件下进行。排出的滤饼具有流动性，在后处理（例如干燥）过程中较方便。
■ 多孔陶瓷板旋转式过滤机(CRF)
1. 能过滤纳米粒子，且滤液清澈
孔径范围7 nm～2μm的多孔陶瓷过滤板可用来过滤纳米粒子，这是传统技术难以做到的。这项技术能够连续收集清澈的滤液。
| 孔径大小 | 2.0μm | 0.5μm | 0.2μm | 60nm | 30nm | 7nm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 材质 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3 ZrO2 | TiO2 | MgAl2O4 |
2. CRF可以应用于易堵塞过滤介质的浆液
陶瓷过滤板的孔径远远小于粒子尺寸，因此可以防止过滤介质堵塞。CRF非常适用于容易发生堵塞的细粒子浆液，也适用于难以形成滤饼层的浆液。
3. 高速过滤纳米粒子浆料，且性能稳定
多孔陶瓷过滤板通过高速旋转保持薄而稳定的滤饼层。对应过滤难度高或低过滤率浆料的过滤处理，与其他普通过滤机相比，CRF提供更优质的性能。因此，即使是过滤纳米粒子的浆料，CRF也可以提供稳定的过滤速度。
■ RF和CRF的共同特点
1. 自动化过滤实现高效的质量控制管理，降低生产成本
RF / CRF工艺的自动化可以轻松实现对质量的控制，还能检测与控制清洁度和浆液浓度。过滤后，可以选择自动模式对机器进行反洗。这有助于提高产量，减少所需的人力并降低生产成本。
2. 过滤装置完全密闭，且工作环境良好
从过滤处理，到收集制品，清洗装置的过程中，无需拆卸过滤装置。因此，可以将所有处理阶段工作保持在完全密封的条件下。这有助于提供清洁的工作环境，减少额外的清洗工序，并降低生产成本。此外，它还可以防止泥浆飞散，异味扩散以及有害物质的外露。
RF和CRF的应用示例
RF和CRF的洗净，浓缩或脱水的操作流程图如图5所示。这些操作也可组合执行。在浆液洗净，浓缩或脱水后能进行收集。
(1) 洗净操作
在浆液材料的制作过程中，浆液中会混杂着各种化学添加剂或者化学反应后残留的杂质。为了提高产品的质量，需要去除浆液中的杂质。 因此，过滤被广泛应用于洗净浆料或者去除溶解于浆液中的杂质。
如图6所示，一般的加压过滤装置的洗净操作中，先对浆液进行加压过滤，由此在滤材表面形成滤饼层。然后，向滤饼层添加洗净水，当洗净水穿透过饼层时，可以洗净杂质。然而，由于洗净操作中粒子处于固结状态，因此不能完全洗涤粒子。此外，由于滤饼层较厚，过滤速度较低，洗净所需的时间较长。
如图5所示，通过循环原料浆液，使得浆液通过RF或CRF进行过滤处理，与此同时，根据滤液的排出量向浆液供给罐中添加适量的洗净水，从而稀释浆液降低溶解盐浓度。溶解的盐透过滤饼层和过滤介质流出系统，其浓度随着洗净水的添加而减少。由于固体粒子处于分散的状态，引起能对浆液进行均匀的洗净。此外，由于过滤速度快，洗净时间也短。
图7示出了含有氯化钠的碳酸钙浆液洗净实例。为降低氯化钠浓度，使用RF所需的时间仅为普通间歇式过滤机所需时间的1/3。
其他洗净实例如下:
| 应用领域 | 固体物质 | 杂质 | 清洁度 |
|---|---|---|---|
| 磁性材料 | Fe2O3 | Cl | Cl- 10% → <0.1% |
| -〃- | -〃- | H2SO4 | pH <1 → 4.5 |
| -〃- | -〃- | NaOH | pH 12.4 → <9 |
| 精细陶瓷 | ZrO2 | Cl | Cl- 3.4% → <0.5% |
| 光学材料 | SiO2 | Cl | Cl- 1000ppm → <10ppm |
| 建筑材料 | Ca3(PO4)2 | NH4Cl | pH 9 → 7.6 |
| 光触媒 | TiO2 | NH4Cl | Cl- 32g/L → <1g/L |
| 化工产品 | Al(OH)3 | NH4Cl | Cl- 2% → 0.01% |
| 电解箔 | Cu | HCl | pH 0.78 → 4 |
| 油漆涂料 | 颜料 | NaCl | Cl- 10% → 2% |
(2) 浓缩 / 脱水操作
在普通的加压过滤装置中，浆料脱水后，需要拆卸过滤机并取出滤饼。而使用RF装置，过滤的整个过程完全密封。当滤饼积聚到一定程度时，电动机扭矩传感器能检测积聚在过滤室中固体的状态，并且当检测到扭矩超过预设值时，滤饼排出阀将打开并排出滤饼。通过这种自动检测的排出系统，预期水分含量的滤饼被连续排出。
使用CRF以循环方式过滤浆料时，循环罐中浆液的固体浓度逐渐增加，且能够收集液状的浓缩液。RF和CRF在收集滤饼或浓缩液时，由于不需要拆卸过滤装置，因此可实现完全密封式的自动化操作。
| 应用领域 | 固体物质 | 滤饼层浓度 (mass%) |
|---|---|---|
| 磁性材料 | 氧化铁・铁氧体 | 60–70 |
| 光触媒, 多层陶瓷电容器 | 钛相关 | 40–60 |
| 精细陶瓷 | 陶瓷 | 30～70 |
| 建材，食品添加剂 | 钙化合物 | 25–50 |
| 矿物质 | 镁化合物 | 25–30 |
| 磨料，阻燃材料 | 铝化合物 | 15–20 |
| 涂料 | 颜料・染料 | 25–30 |
| 核电设备 | 活性炭 | 35–40 |
| 涂料，涂层材料 | 树脂类 | 20–25 |
| 二次电池 | 正极材料 | 60–70 |
(3) 纳米粒子的过滤操作
CRF多孔陶瓷板旋转式过滤机能够过滤纳米粒子。而常规使用的滤布过滤方法难以将纳米粒子从浆液中分离出来。
图8示出了氧化钛纳米粒子的过滤实例。
可以看出，用CRF过滤浆液时，过滤板旋转时的过滤速度是过滤板静置时的20倍。并且滤液清澈，说明了纳米粒子被CRF中的超微孔陶瓷过滤板完全过滤。
产品信息
| 机种 | 旋转式过滤机 [ RF ] |
多孔陶瓷板旋转式过滤机 [ CRF ] |
|---|---|---|
| 适用粒子 | 细粒子 | 超细粒子 |
| 分离粒子的粒径 | 亚微米至 100 μm | 纳米到亚微米 |
| 功能 | 洗净，浓缩和脱水 | 洗净和浓缩 |
| 过滤介質 | 滤布 | 多孔陶瓷过滤板 |
| 过滤速度※１) | 200–2000 L/m2hr | 20–500 L/m2hr |
| 过滤室的标准材料※２） | SUS304 | SUS304 |
| 应用领域 | 1.电子零件材料 (例如：多层陶瓷电容器和磁性材料) 2.二次电池材料 3.金属氢氧化物，氧化物 4.颜料 (例如：碳粉和彩色滤光片抗蚀剂) 5.化妆品材料 (例如：碳酸钙和氧化钛) 6.金属回收 7.核电站废水处理 |
1.功能材料 (无机纳米粒子) 2.去除冷却液中的固体 3.乳胶 4.饮料，食物 (去除葡萄酒，啤酒等中的沉淀物) |
*1) 过滤率是每单位过滤面积的滤液排放量
*2）过滤室（接液部分）可以由SUS 304，SUS 316，SUS 316L，钛和聚丙烯（耐酸型）等材料制成，具体取决于浆液的特性。
不同型号信息
| 型号 | 过滤面积 (m2) |
电动机 (kW) |
长 (m) |
宽 (m) |
高 (m) |
约重 (kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RF-02 | 0.18 | 3.7 | 0.95 | 0.60 | 0.95 | 550 |
| RF-1 | 1 | 5.5-7.5 | 1.50 | 0.80 | 1.20 | 750 |
| RF-2.5 | 2.5 | 11-15 | 1.70 | 0.90 | 1.40 | 1200 |
| RF-5 | 5 | 22-30 | 2.00 | 1.30 | 1.60 | 1700 |
| RF-10 | 10 | 37-45 | 3.20 | 2.00 | 1.40 | 3900 |
| RF-20 | 20 | 45-55 | 3.50 | 2.30 | 1.95 | 5800 |
| RF-30 | 30 | 55-90 | 3.90 | 2.40 | 2.10 | 8000 |
| 型号 | 过滤面积 (m2) |
电动机 (kW) |
长 (m) |
宽 (m) |
高 (m) |
约重 (kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CRF-0 | 0.03 | 2.2-3.7 | 1.0 | 0.6 | 1.2 | 500 |
| CRF-1 | 1 | 3.7-5.5 | 1.5 | 0.8 | 1.2 | 650 |
| CRF-2 | 2 | 3.7-5.5 | 1.5 | 0.8 | 1.5 | 750 |
| CRF-5 | 5 | 7.5-11 | 1.5 | 0.8 | 2.2 | 1200 |
（参考文献）
1. M. Ikyo, “Introduction of nanoparticle dispersing device developed utilizing experience of filtration and centrifugation and application example,” Filtration and separation symposium 2009, Vol. 101-108 (2009)
2. Y. Tokunaga, M. Inkyo, “Development of super-precision filtering machine Ceramic Rotary Filter (CRF),” Filtration and separation symposium 2009, Vol. 139-142 (2009)
3. Y. Tokunaga, “Application of closed-type automatic continuous pressure filtering machine Rotary Filter,” Filtration and separation symposium 2013, Vol. 52-56 (2013)
4. Y. Tokunaga et al, “Proper method of filter scale-up and success examples,” Chapter 5, 1-6 (2014)