第三章化学助滤剂第一节基本性质一、助滤剂助滤剂（Filter），顾名思义是指那些能提高过滤效率或强化过滤过程的物质。

具体地说，助滤剂分两大基本类型，一类是介质性助滤剂（国内外化工行业习惯称其为助滤剂），另一类为化学助滤剂。

介质性助滤剂是一些分散的不同尺寸分布的固体颗粒和添加物质，如硅藻土、膨胀珍珠岩等。

在过滤过程中，它们实际上起着过滤介质的作用，其主要应用在固体颗粒极小且对滤液有较高要求的场合。

譬如水处理、化工及食品等工业的过滤作业。

二、化学助滤剂分类化学助滤剂（又称预处理剂或脱水助剂）可分两种类型，一种是表面活性剂型助滤剂（Surfactant Dewatering Aids），另一种是高分子絮凝剂型助滤剂（Flocculant Filter Aids）。

它们主要用在提高过滤机的生产能力和希望降低泥饼水分的场合，例如冶金、矿物加工业等用得较为普遍。

1 高分子絮凝剂分类1.1 天然高分子絮凝剂天然高分子絮凝剂主要有甲壳素和壳聚糖等。

近年来，甲壳素和壳聚糖的应用研究已取得巨大进展，目前甲壳素在世界上每年的销售额约达2亿美元，其中用于废水处理的约为1400万美元左右。

1.2人工合成高分子絮凝剂表3.1 人工合成高分子絮凝剂离子性聚合法聚合物名称结构式非离子型乙烯聚合物聚丙烯酰胺聚氧化乙烯阴离子型高分子反应聚苯乙烯磺酸聚丙烯酰胺部分水解物聚磺化甲基化聚丙稀酰胺阳离子型高分子反应开环聚合缩合聚合聚丙烯酸二烷基胺乙酯聚二烯丙基四铵盐聚乙烯吡啶盐聚氨基甲基丙基酰胺聚乙烯咪唑啉聚乙烯亚铵氯甲基氧丙基亚烷基二胺重缩合物聚酰胺基聚胺1.3生物高分子絮凝剂有许多微生物及其衍生物具有一定的线型长度，有的表面具有较高的电荷性和较强的亲水性或疏水性，能与固体颗粒通过离子键、氢键等作用结合，如同高分子聚合物一样起着絮凝作用，我们把具有絮凝功能的微生物及其衍生物称为生物絮凝剂。

生物絮凝剂从研究到开发虽然只有20多年的时间，但至今却已发现有17种以上的微生物具有较好的絮凝功能，其中有霉菌、细菌、放线菌和酵母等，能被微生物絮凝剂处理的对象种类很多，目前主要有含高浓度有机物的废水、有色液体、活性污泥、粉煤灰、高岭土、粪尿水、泥水浆、河底沉积物及印染废水等。

生物絮凝剂有许多一般凝聚剂和有机高分子絮凝剂所无法比拟的优点，例如安全无毒、不产生二次污染、絮凝效率高和絮凝物易过滤等等。

此外，还可通过遗传工程，驯化或培养出有特殊絮凝功能的菌株，它们自身有的可利用废物进行繁殖。

因此生物絮凝剂有着十分美好的发展前景。

2 表面活性剂能显著降低溶剂（一般为水）的表面张力的物质称为表面活性剂。

表面活性剂有两个基本性质，一是在各种界面上的定向吸附，另一个是在溶液内部能形成胶束（Micelle）。

这两个基本性质正是表面活性剂广泛用于国民经济各个领域作为起泡剂、消泡剂、乳化剂、润湿剂、洗涤剂和增溶剂的根据，显然这也是表面活性剂作为助滤剂的基础。

2.1 表面活性剂分类表面活性别是一种异极性化合物，其分子由性质截然不同的两部分组成。

一部分是与油有亲合性的亲油基因（也称疏水基或非极性基），另一部分是与水有亲合性的亲水基团（也称疏油基或极性基）。

表面活性剂的亲油基团一般是碳氢原子团，它们大多数来自天然动植物油脂和合成化工原料，化学结构较为相似，差异主要表现在碳原子数和端基结构的变化，其主要结构有：(1)脂肪族烃基：如十二烷基C12H25－、十六烷基C16H33－、十八烷基H3(CH2)7CH－CH(CH2)7=等；(2)芳香族烃基：如萘基、苯基(3)氨基(4)磷酸基(5)卤基(6)氧乙烯基(7)磺酸基(8)硫氮基(9)硫化泛酸二酯基很显然表面活性剂的性质主要取决于其亲水基因和亲油基团的结构形式。

一般来说，表面活性剂亲水基团的结构变化及其对表面活性剂性质的影响远大于亲油基团，所以表面活性剂的分类也主要以亲水基团的结构为依据。

第二节化学助滤剂作用机理絮凝剂和表面活性剂两大助滤剂的助滤行为具有不同的规律。

显然，它们的作用机理也完全不同。

一、絮凝剂作用机理絮凝剂的助滤作用主要在于提高成饼阶段的过滤速度，对其机理的认识人们比较一致，普遍认为，高分子聚合物依靠分子中长链的吸附、桥联细粒物料使之成聚团，改变物料的视在粒度组成，防止微细粒子堵塞过滤介质和滤饼沿厚度方向的分层沉积、形成渗透性好，有利于滤饼快速脱水。

关于对聚凝剂提高过滤速率的更进一步纳解释，是把滤饼中曲折无规的孔隙简化成一束束毛细管，添加絮凝剂使颗粒粒度变粗的同时致使滤饼中毛细管径增大，毛细压力降低，过滤速度提高。

总之，絮凝后滤饼结构的变化是絮凝剂影响过滤过程的主要原因。

二、表面活性剂作用机理表面活性剂可降低滤液表面张力，使滤饼孔隙中的毛细压力降低，从而强化滤饼的脱水过程，除此之外，在滤饼脱水阶段由于表面活性剂降低了(空)气一水界面的张力，因而可提高空气驱带滤饼毛细孔残留水和颗粒之间相互接触所夹持的钟摆状态水的效率，其机理如图模型所示：图 3.1 表面活性剂驱带毛细管滞留水分示意图a－刚开始脱水；b－毛细管击穿；c－驱带滞留水；d－形成液柱滤饼在刚开始脱水时，毛细管中充满着液体（图 3.1a）；没有表面活性利存在时，在一定的压差下，空气可能会击穿某些毛细管，毛细管中空气不断穿过，滞留在壁上的水并不流动（图 3.1b）；由于表面活性剂的作用，有可能亲水基与上的水管壁接触，疏水基与流动空气接触，由于空气一液体界面张力降低，空气在流动时驱带管壁周围的水（图 3.1c）；表面活性剂的驱带作用下，残留在管壁的水流动逐渐在毛细管的下部形成液柱（图 3.1d），在压力的持续作用下进一步排出。

第三节化学助滤剂的助滤行为化学助滤剂分为高分子絮凝剂和表面活性剂两大类。

在多数情况下，人们总是希望不改变现场已有的过滤条件，通过添加各种絮凝剂或表面活性剂来达到提高过滤机的生产能力和降低滤饼残留水分的目的。

本着这种愿望，人们总是习惯于针对某一特定的物料，在特定的过滤条件下，例如：特定过滤压差、过滤时间等，采用各种絮凝剂或表面活性剂作广泛的试验探索，有的甚至于就现场限定的过滤条件下进行工业试验。

这种情况下得到的试验结果很难正确反映化学助滤剂的助滤规律，甚至会相互矛盾。

实际上任何一种助滤剂的助滤效果均与所处理的物料性质、颗粒粒度及分布、过滤压差、时间等因素有关。

一、絮凝剂的助滤行为常见的用作助滤剂的高分子絮凝剂并不太多，主要是人工合成的各种分子量的、不同极性的聚丙烯酰胺及各种天然高分子的改性产品。

用得最多的还是非离子型和阴离子型的，分子量在5×105至5×l06之间的聚丙烯酰胺。

关于絮凝剂在过滤脱水过程中的作用，至今还有争论，主要焦点又是添加絮凝剂究竟有益于还是有碍于降低滤饼水分。

常常可以见到文献报道不同的实验结果或生产实践。

我们认为，这种矛盾的认识主要是由于缺乏对絮凝剂助滤的基础研究造成的。

对于过滤条件如物料粒度性质、过滤压力、时间等对絮凝剂在过滤过程中的作用阴影以及絮凝剂的种类用量等与滤饼水分之间的内在规律认识不清，所有这些都制约着絮凝剂在固液分离中的应用。

二、表面活性剂助滤行为表面活性剂的用途十分广泛，不同分子结构的表面活性剂具有不同的用途，就强化物料过滤脱水而言，也并非所有的表面活性剂都合适。

表面活性剂的助滤作用主要表现在滤饼脱水阶段，在一定的时间内，脱水时间越长，助滤效果越好。

这说明表面活性剂的助滤作用唯有在脱水阶段，滤饼中的毛细管处于气、液、固三相接触时，才能充分体现出来。

因为此时降低表面张力使团体表面疏水，有利于降低毛细压力，有利于空气排挤水。

而日前生产上使用的真空过滤机，滤饼脱水时间几乎在1min以内，所以在生产上表面活性剂很难充分发挥作用。

不同类型的表面活性别之间及表面活性剂与絮凝剂之间存在着交互效应，混合使用往往会收到意想不到的效果，实际上有许多助滤剂商品，很多就是几种表面活性剂与絮凝剂的混合。

第四节高效助滤剂的分子设计高分子聚合物可以通过絮凝微细粒子，改变滤饼的结构来提高过滤速度，但因其强烈的亲水性往往不能降低滤饼的水分。

类似于捕收剂常规的表面活性剂虽然可以通过降低滤液表面张力和使固体表面疏水来强化滤饼脱水，但由于其在矿物表面上吸附特点及其结构形式的限制，难以取得良好的助滤结果。

一般的表面活性剂，实际上在矿物颗粒上的吸附都是星星点点且呈双层或多层形式，对破坏颗粒表面的水化膜和使颗粒表面疏水化的贡献均不太大，加之其产生的泡沫对过滤产生的不良影响因而难以起到大幅度地降低滤饼水分的作用。

那么能否通过克服当今常用的两大类助滤剂的不足，按照疏水性絮凝和使颗粒表面“大面积疏水”的构想，开发出新一代高效助滤剂。

一、高效助滤剂的分子设计和研制分子设计的主要内容有：功能设计、结构设计和合成设计：1 功能设计通过对高分子絮凝剂和表面活性剂两大类助滤剂的助滤行为和机理的研究，以及关于助滤性能的关系讨论。

高效助滤剂应具备能吸附于固体物料表面，使颗粒絮凝或团聚，加快过滤速度的功能。

2 PCRE的助滤性能大分子表面活性剂PCRE是高效助滤剂。

图 3.2 PCRF用量与滤饼水分的关系(P＝0.04Mpa)1-H4；2-H2；3-H1 ；4-H0.5图 3.3 PCRF用量与滤饼水分的关系(P＝0.06Mpa)1一H4；2一H2；3一H1 ；4一H0.53 大面积疏水性能3.1 PCRE是具有大分子结构的表面活性剂极性基与矿物表面作用。

理想状态下，覆盖于矿物表面的疏水基是个长1.866nm，宽0.126nm的“疏水面”（按其平均聚合度算）。

3.2 从断面看，PCRE疏水基是一长1.866nm，高为0.410nm的疏水面。

3.3 与普通的表面活性利（如NaOL－油酸钠）在矿物表面的吸附不同，PCRE在矿物表面吸附的疏水基“高度”不大，不易发生双层或多层吸附，而双层或多层吸附会使矿物表面在吸附表面活性剂之后，反而变得亲水。

图3.4 为PCRE赤铁矿的润湿接触角的影响关系曲线。

可见PCRE的吸附确实能使矿物表面强烈疏水。

在低用量下PCRE使矿物疏水的程度不及NaOL，当药剂浓度大至150 mg／L，NaOL开始使接触角减少，而PCRE却继续保持使矿物表面疏水。

且接触角比吸附NaOL的赤铁矿大。

这进一步证实了上面的论述。

图3.4 PCRE 对赤铁矿接触角的影响1, PCRE 2, NAOL4大分子表面活性剂型助滤剂的应用到目前为止，对大分子表面活性剂助滤性能的研究，都是以赤铁矿的重选精矿为对象，且经过了实验室磨矿。

第五节采技服助滤剂应用实例一、名称与分类目前采油技术服务分公司所用助滤剂主要型号为BHZ-01B、BHZ-03、BHZ-04等，主要应用于SZ36－1油田的注水系统。

二、适用对象与条件采技服助滤剂适用于水源井的产水，加药浓度为30ppm左右，能够有效的降低悬浮固定含量和粒度中值。