多层滤材配置方案在高效板式密闭过滤器中的匹配与选型指南

概述

高效板式密闭过滤器（High-Efficiency Plate and Frame Filter Press）作为一种广泛应用于化工、制药、食品饮料、环保水处理及冶金等领域的固液分离设备，其核心性能在很大程度上依赖于滤材的科学配置。随着工业对过滤精度、通量稳定性及运行成本控制要求的不断提升，传统的单层滤布已难以满足复杂工况需求。因此，多层滤材配置方案应运而生，通过组合不同材质、孔径和结构的滤材层，实现对颗粒物的分级拦截、延长使用寿命并提升整体过滤效率。

本文旨在系统阐述多层滤材在高效板式密闭过滤器中的匹配原则与选型方法，结合国内外权威研究数据与实际工程经验，提供可操作的技术指导，并列举主流产品参数以供参考。

高效板式密闭过滤器工作原理

高效板式密闭过滤器采用“板框式”结构，由多个交替排列的滤板和滤框组成，在高压泵驱动下，待处理液体从进料口进入滤室，固体颗粒被截留在滤材表面或内部，澄清液体则透过滤材经出液通道排出。当滤饼积累至一定厚度后，设备停止运行，进行卸饼与清洗。

其工作流程包括：

进料阶段：悬浮液注入滤腔；
压滤阶段：施加压力（通常为0.6–2.0 MPa），实现固液分离；
吹干阶段（可选）：用压缩空气进一步脱水；
卸料阶段：拉开滤板，清除滤饼；
清洗与复位：自动或手动清洗滤布，准备下一轮循环。

该过程的关键在于滤材的选择与配置，直接影响过滤速度、截留率、压降增长速率及设备维护周期。

注：根据《化工单元操作》（王志魁主编，化学工业出版社，2018）所述，合理设计滤材系统可使过滤效率提升30%以上，同时降低能耗15%-25%。

多层滤材系统的基本构成

多层滤材系统通常由2–4层具有不同功能特性的材料复合而成，各层协同作用，形成“梯度过滤”效应。典型的结构如下：

层级	功能定位	常见材料
表层（迎液面）	初级粗滤，拦截大颗粒，防止堵塞深层	聚丙烯（PP）、尼龙（Nylon）
中间层（过渡层）	分级拦截中等粒径颗粒，增强容污能力	聚酯（PET）、玻璃纤维（GF）
深层（精滤层）	实现高精度过滤，捕获微米级粒子	PTFE覆膜、纳米纤维层
支撑层（背衬层）	提供机械强度，防止滤材变形破裂	不锈钢丝网、聚乙烯（PE）骨架

引用自：Zhang et al., "Multilayer composite filter media for industrial separation: A review", Separation and Purification Technology, 2021, Vol. 267, p. 118603.

这种结构不仅提高了单位面积的纳污容量，还有效延缓了压差上升速度，从而延长了连续运行时间。

常见滤材类型及其性能对比

以下表格汇总了当前主流滤材的物理化学特性与适用场景：

滤材类型	材质	孔径范围（μm）	耐温性（℃）	耐酸碱性	截留效率（≥1μm）	典型应用场景
聚丙烯（PP）	合成纤维	1–50	≤90	良好（耐稀酸碱）	70–85%	化工母液过滤、食品加工
聚酯（PET）	涤纶	0.5–30	≤130	优良（耐有机溶剂）	80–90%	油漆、染料、废水处理
尼龙（Nylon 6/66）	聚酰胺	0.2–10	≤120	差（不耐强酸）	90–95%	生物制药、精密液体过滤
玻璃纤维（GF）	无机纤维	0.1–5	≤260	极佳（除氢氟酸外）	95–99.5%	高温烟气、航空燃油
PTFE覆膜滤布	聚四氟乙烯	0.1–1.0	≤260	卓越（几乎耐所有化学品）	≥99.9%	半导体清洗液、强腐蚀介质
不锈钢烧结网	金属	1–100	≤600	极佳	85–98%	高温熔融金属、催化剂回收

数据来源：

American Filtration & Separations Society (AFSS), "Filter Media Selection Guide", 2020.

百度百科词条“过滤材料”（更新于2023年）

《膜科学与技术》期刊，第40卷第3期，2020年

值得注意的是，PTFE覆膜滤材因其超低表面能和优异的非粘附性，特别适用于易结垢或高粘度物料的过滤，已在德国BOKELA公司、日本Torrax株式会社的高端过滤设备中广泛应用。

多层滤材配置策略

1. 按颗粒分布特征配置

根据待滤物料中颗粒的粒径分布（PSD），应采取“前粗后精”的层级布局。例如：

若原料中>10μm颗粒占比超过60%，建议采用“PP粗滤层 + PET中间层 + PTFE精滤层”三明治结构；
对于亚微米级悬浮液（如纳米二氧化钛浆料），宜使用“GF预滤层 + 纳米纤维增强层”双层组合。

参考：Li et al., "Optimization of multilayer filter media based on particle size distribution", Chemical Engineering Research and Design, 2019, Vol. 145, pp. 112–121.

2. 按化学兼容性选材

必须确保每层滤材均能耐受工艺流体的pH值、溶剂类型及氧化还原环境。例如：

在pH=1–2的硫酸废水中，禁用尼龙材料；
在含氯漂白剂环境中，避免使用普通PET滤布，应选用抗氯改性聚酯。

3. 按操作压力匹配支撑结构

高压工况（>1.5 MPa）下，需强化支撑层设计。常见做法是将不锈钢烧结网作为底层骨架，再复合聚合物滤膜，既保证强度又兼顾过滤精度。

操作压力区间（MPa）	推荐支撑方式
<0.8	PE网格支撑
0.8–1.5	双层PET织物夹心
>1.5	不锈钢烧结网（316L）

选型关键参数与技术指标

在进行多层滤材选型时，需综合评估以下技术参数：

参数名称	定义说明	测定标准	推荐范围
过滤精度（β值）	βx = 上游浓度 / 下游浓度（x为粒径）	ISO 16889	β₁₀ ≥ 100
纳污容量（g/m²）	单位面积所能容纳的污染物质量	ASTM F795	≥500 g/m²
透气量（L/m²·min）	空气透过率，反映通透性	GB/T 5453-1997	100–800
水通量（L/m²·h）	清水条件下单位时间流量	自定义测试	≥800
抗拉强度（N/5cm）	经纬向最大承受拉力	GB/T 3923.1	≥800 N
孔隙率（%）	材料内部空隙体积占比	汞 intrusion porosimetry	60–85%
泡点压力（bar）	最大孔径对应的突破压力	ASTM F316	≥1.5 bar

注：泡点压力可用于间接估算滤材的最大孔径，公式为：
$$
d = frac{4γcosθ}{P}
$$
其中，$d$为孔径（μm），$γ$为表面张力（dyne/cm），$θ$为接触角，$P$为泡点压力（Pa）。

此外，还需考虑反冲洗再生性能。多层滤材若不可清洗，则运行成本显著上升。目前市场上已有支持CIP（就地清洗）的可再生复合滤材，如美国Donaldson公司的UltraWeb®系列，其寿命可达传统滤布的3倍以上。

国内外典型应用案例分析

案例一：中国某锂电正极材料生产企业（磷酸铁锂浆料过滤）

工况条件：固含量约35%，粒径0.5–15 μm，pH=6.5–7.0，操作压力1.2 MPa
原方案：单层PET滤布，更换频率每2天一次
优化方案：三层复合滤材（PP+PET+PTFE覆膜）
效果：
- 过滤周期延长至7天；
- 滤液浊度由NTU 8降至NTU 0.5；
- 年节省滤材费用约42万元。

数据来源：《电池工业》，2022年第6期，“多层滤材在锂电浆料过滤中的应用实践”

案例二：德国BASF化工厂（有机颜料洗涤液过滤）

挑战：高粘度、强着色性、易堵塞
解决方案：采用BWF公司提供的四层梯度过滤系统（Nylon预滤 + GF中间层 + PTFE膜 + 不锈钢支撑）
结果：
- 压差增长率下降60%；
- 滤饼含水率从45%降至32%；
- 设备自动化程度提高，减少人工干预。

引用：BASF Technical Report on Solid-Liquid Separation Optimization, 2020.

案例三：日本东京污水处理厂（污泥深度脱水）

使用Torrax公司开发的耐高温多层滤布（PET+陶瓷涂层），可在180℃蒸汽消毒下反复使用。
寿命达18个月，远超普通滤布的6–8个月。
实现污泥含水率<60%，符合日本JIS K 3801排放标准。

影响滤材匹配的主要因素

1. 物料性质

包括：

固相浓度（<5%宜用精细滤材，>20%需优先考虑容污能力）；
颗粒形状（针状颗粒更易刺穿滤材）；
粘度（高粘度流体需更大孔径起始层）。

2. 工艺参数

进料温度：高于100℃时应避免使用PP、尼龙；
循环周期：频繁启停系统要求滤材具备良好抗疲劳性；
是否允许添加助滤剂（如硅藻土、珍珠岩），若有，则可适当放宽滤材精度要求。

3. 经济性考量

尽管高性能滤材初期投入较高，但全生命周期成本（LCC）往往更低。以下为某项目五年成本对比：

项目	单层PET滤布	多层PTFE复合滤材
初始采购价（元/m²）	80	320
更换频率	每月4次	每半年1次
年耗材成本（万元）	3.84	0.77
停机损失（万元/年）	12.5	2.1
总LCC（5年）	81.9万	14.9万

计算依据：过滤面积50 m²，年运行300天

可见，高端多层滤材虽单价高，但长期经济效益显著。

产品推荐与参数对照表

以下列出全球主要厂商的部分代表性多层滤材产品，供选型参考：

型号	厂商	国家	结构组成	过滤精度（μm）	耐温（℃）	适用行业	参考价格（元/m²）
BWF EcoFlow MTL-3	BWF Group	德国	PP/PET/PTFE	1.0	130	化工、制药	420
Donaldson UltraWeb 500	Donaldson Company	美国	PET+ePTFE膜	0.5	150	食品、生物	480
Torrax CeramiX 800	Torrax Co., Ltd.	日本	PET+陶瓷涂层	2.0	180	污水、污泥	390
Zhejiang Tianrui TR-MF200	天瑞环保科技	中国	PP/GF/PE支撑	5.0	90	冶金、陶瓷	160
Freudenberg LAVIPLUS	Freudenberg Filtration	德国	Nylon/PET/PTFE	0.3	120	电子、涂料	510
Shandong Liangyou LY-COMP4	良友过滤器材	中国	PET/PP/不锈钢网	10.0	160	石油、天然气	280

注：价格为2023年市场调研均价，实际采购需根据订单规模协商。

此外，国内如浙江津膜科技、江苏久吾高科等企业也在开发基于陶瓷-聚合物复合的新型多层滤材，具备更高热稳定性和抗污染能力，正处于工业化推广阶段。

参考文献

王志魁. 《化工单元操作》. 北京：化学工业出版社，2018.
Zhang Y., Wang H., Liu X. "Multilayer composite filter media for industrial separation: A review". Separation and Purification Technology, 2021, 267: 118603.
Li J., Chen G., Zhao M. "Optimization of multilayer filter media based on particle size distribution". Chemical Engineering Research and Design, 2019, 145: 112–121.
American Filtration & Separations Society (AFSS). Filter Media Selection Guide. 2020.
BASF SE. Technical Report on Solid-Liquid Separation Optimization in Pigment Production. Ludwigshafen, Germany, 2020.
《膜科学与技术》编辑部. “高性能过滤材料研究进展”. 膜科学与技术, 2020, 40(3): 1–10.
百度百科. “过滤材料” [在线]. 可访问：https://baike.baidu.com/item/过滤材料，2023年更新.
国家标准化管理委员会. GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》.
ISO 16889:2018 Hydraulic fluid power – Filters – Evaluation of filtration performance using multi-pass method.
Donaldson Company, Inc. UltraWeb® Filter Media Product Brochure. 2022.
BOKELA GmbH. Multilayer Filter Cloths for High-Performance Filter Presses. Technical Catalogue, 2021.
中国电池工业协会. 《电池工业》杂志，2022年第6期，“多层滤材在锂电浆料过滤中的应用实践”.

（全文约3,680字）

多层滤材配置方案在高效板式密闭过滤器中的匹配与选型指南

多层滤材配置方案在高效板式密闭过滤器中的匹配与选型指南

目录

概述

高效板式密闭过滤器工作原理

多层滤材系统的基本构成

常见滤材类型及其性能对比