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填料在水處理中的應用,填料的種類有多少?

填料泛指被填充于其他物體中的物料。在化學工程中,填料指裝于填充塔內的惰性固體物料,例如鮑爾環和拉西環等,其作用是增大氣-液的接觸面,使其相互強烈混合。在化工產品中,填料又稱填充劑,是指用以改善加工性能、制品力學性能并(或)降低成本的固體物料。在污水處理領域,主要用于接觸氧化工藝,微生物會在填料的表面進行累積,以增大與污水的表面接觸,對污水進行降解處理。

填料也稱作填充劑、增量劑。某些填料同時又是體質顏料。微紐的填料具有良好的遮蓋力,常用于涂料行業。

填料可用于多種聚氨酯制品,例如聚氨酯涂料、密封膠:聚氨酯漿料、特殊彈性體聚氨酯泡沫塑料。三聚氰胺植物纖維聚合,皂參多元醇等,有機填料可用于聚氨酯泡沫塑料;碳酸鈣高嶺土(陶土、瓷土),分子篩粉末滑石粉硅灰石滟技鈦白粉重晶石粉(硫酸鋇)等微細無機粉末二般可用作聚氨酯密封膠,聚氨酯軟泡聚氨酯彈性體,膠黏劑,聚氨酯涂料等的填料。

泛指被填充于其他物體中的物料。在化學工程中,填料指裝于填充塔內的惰性固體物料,例如鮑爾環和拉西環等,其作用是增大氣-液的接觸面,使其相互強烈混合。在化工產品中,填料又稱填充劑,是指用以改善加工性能、制品力學性能并(或)降低成本的固體物料。其中可顯著提高制品強度的填料,如長纖維和晶須等常專稱增強材料,炭黑稱補強填充劑。藥品片劑、化妝品和去垢劑中常加入固體物料和碳酸鈣等作填充劑,但其目的是調節劑量和濃度而不是改善性能,所以應稱稀釋劑。塑料增塑劑、橡膠充油以及紡絲油劑等,雖可改善性能,也能影響成本,但習慣上把這些液態物料視為加工助劑。

在高分子化工中,填料(填充劑)是用量至大的添加劑,幾乎所有的塑料(包括熱塑性和熱固性塑料)、天然橡膠和涂料都使用大量填料。例如,制造塑料時加入木粉、陶土或碳酸鈣等,不僅能改善制品力學性能,增加硬度,而且還可降低成本;用石墨、磁粉或云母作填料,可提高塑料的導電、通磁和耐熱性;橡膠中加入炭黑或二氧化硅(白炭黑)可顯著提高制品的物性;紡絲液中加入鈦白粉(二氧化鈦)可以遮光和染色。在涂料工業中常加入白色或帶色填料(如鈦白粉、滑石粉、碳酸鈣、硫酸鋇等)以改善涂料的光學、物理和化學性能,這類用途的填料(填充劑)稱為體質顏料或展色料。

填料性能優劣

主要取決于:

①有較大的比表面積(m2/m3填料層);

②液體在填料表面有較好的均勻分布性能;

③氣流能在填料層中均勻分布;

④調料具有較大的空隙率(m3/m3填料層)。

另外,選擇填料時還應考慮其機械強度、來源、制造及價格等因素。

填料作用

填料使得物料黏度增加,特別是纖維填料使黏度明顯增加。添加前的填料需經過脫水處理,以避免消耗掉部分異氰酸酯。必須注意生成二氧化碳會導致樹脂出現發泡現象,影響聚氨酯樹脂的物性。

為了能夠加快填料潤濕速度,同時降低體系黏度或者在聚氨酯樹脂中添加更多的填料,有時需預先在樹脂中添加潤、濕分散劑。

模內漆是具有涂料、色漿和脫模劑三種功能的助劑。它均勻噴涂在模具內,漆膜干燥后,即可模塑聚氨酯鞋底、自結皮泡沫塑料、聚氨酯軟泡、硬泡制品脫模后,色漆附著在成型周化的制品上。

填料的作用機理:填料作為添加劑,主要是通過它占據體積發揮作用,由于填料的存在,基體材料的分子鏈就不能再占據原來的全部空間,使得相連的鏈段在某種程度上被固定化,并可能引起基體聚合物的取向。由于填料的尺寸穩定性,在填充的聚合物中,聚合物界面區域內的分子鏈運動受到限制,而使玻璃化溫度上升,熱變形溫度提高,收縮率降低,彈性模量、硬度、剛度、沖擊強度提高。

填料的作用:

①降低成型制件的收縮率,提高制品的尺寸穩定性、表面光潔度、平滑性以及平光性或無光性等;

②樹脂粘度有效的調節劑;

③可滿足不同性能要求,提高耐磨性、改善導電性及導熱性等,大多數填料能提高材料沖擊強度及壓縮強度,但不能提高拉伸強度;

④可提高顏料的著色效果;

⑤某些填料具有極好的光穩定性和耐化學腐蝕性;

⑥有增容作用,可降低成本,提高產品在市場上的競爭能力。

環氧地坪漆中填料的目的

環氧地坪漆中的填充劑也稱為填料,一般是指添加到環氧樹脂液體中,作為環氧地坪漆其中的組份,以改變環氧樹脂膠液的性能和降低成本的材料。

在環氧地坪漆中使用填料的目的有以下幾個方面:

1 降低成本,抑制反應熱,絢麗顏色。

2 延長樹脂混合物的適用期。

3 降低樹脂固化物的收縮性。

4 改善樹脂固化物的耐熱性。

5 降低樹脂固化物的熱膨脹系數,降低樹脂固化物的吸水性,改善固化物的耐老化性及耐化學品性。

6 提高樹脂固化物的抗壓強度,但抗拉強度及抗沖韌性會降低。

7 改善樹脂固化物的耐電弧性及提高其它電性能。

8 改善樹脂固化物的耐磨損性。

填料選用準則

對于某種特殊應用,填料填料的至佳標準是根據復合材料所期望達到的性能而定,但必須考慮到下述基本原則。

1、填料在加工過程中必須保持其原有結構,并保持惰性、不溶性、熱穩定性、不揮發性、無催化活性和低的吸附性。

2、填料必須與基材能夠相容,無腐蝕性。

3、容易處理,堆積密度高,水分含量低,低塵,無毒性。

4、必須易得,貨源充足,價格適中,質量穩定。

填料的種類

填料的種類很多,鋁粉、鋅粉銅粉、銀粉等金屬粉末可用作導電填料。水泥、粉煤灰等也可用作填料。木粉、淀粉等植物性粉末也可用作填料。氟化鈣可少量用于聚氨酯膠黏劑和密封膠體系;兼具二氧化碳吸收劑的作用。

一般來說,微細的粉末填料或改性的微細填料,以及纖維狀、片狀填料,少量使用可提高其整體性能,例如對彈性聚合物(如橡膠、聚氨酯彈性體)有一定的補強作用,增加模量、強度、耐磨性、耐熱性,改善其尺寸穩定性,對硬質制品也能適當提高強度、耐老化性。但使用量過大則使得物性降低,并且填料摻量大時操作困難。填料有以下幾種:根據裝填方式的不同,可分為散裝填料和規整填料。

散裝填料

是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體,一般以隨機的方式堆積在塔內,又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點不同,又可分為環形填料、鞍形填料、環鞍形填料及球形填料等。

現介紹幾種較為典型的散裝填料:

拉西環、鮑爾環、階梯環、弧鞍填料、矩鞍填料、金屬環矩鞍填料、球形填料

拉西環

(1)拉西環填料

于1914年由拉西(F. Rashching)發明,為外徑與高度相等的圓環。拉西環填料的氣液分布較差,傳質效率低,阻力大,通量小,工業上已較少應用。

鮑爾環

(2)鮑爾環填料

是對拉西環的改進,在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔,被切開的環壁的一側仍與壁面相連,另一側向環內彎曲,形成內伸的舌葉,諸舌葉的側邊在環中心相搭。鮑爾環由于環壁開孔,大大提高了環內空間及環內表面的利用率,氣流阻力小,液體分布均勻。與拉西環相比,鮑爾環的氣體通量可增加50%以上,傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料[1] 。

階梯環

(3) 階梯環填料

是對鮑爾環的改進,與鮑爾環相比,階梯環高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少,使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短,減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度,而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主,這樣不但增加了填料間的空隙,同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點,可以促進液膜的表面更新,有利于傳質效率的提高。階梯環的綜合性能優于鮑爾環,成為所使用的環形填料中優良的一種。

弧鞍填料

(4) 弧鞍填料

屬鞍形填料的一種,其形狀如同馬鞍,一般采用瓷質材料制成。弧鞍填料的特點是表面全部敞開,不分內外,液體在表面兩側均勻流動,表面利用率高,流道呈弧形,流動阻力小。其缺點是易發生套疊,致使一部分填料表面被重合,使傳質效率降低。弧鞍填料強度較差,容破碎,工業生產中應用不多。

矩鞍填料

(5) 矩鞍填料 

將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面,且兩面大小不等,即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊,液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成,其性能優于拉西環。國內絕大多數應用瓷拉西環的場合,均已被瓷矩鞍填料所取代。

金屬環矩鞍填料

(6) 金屬環矩鞍填料 

環矩鞍填料(國外稱為Intalox)是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料,該填料一般以金屬材質制成,故又稱為金屬環矩鞍填料。環矩鞍填料將環形填料和鞍形填料兩者的優點集于一體,其綜合性能優于鮑爾環和階梯環,在散裝填料中應用較多。

球形填料

(7) 球形填料

一般采用塑料注塑而成,其結構有多種。球形填料的特點是球體為空心,可以允許氣體、液體從其內部通過。由于球體結構的對稱性,填料裝填密度均勻,不易產生空穴和架橋,所以氣液分散性能好。球形填料一般只適用于某些特定的場合,工程上應用較少。

除上述幾種較典型的散裝填料外,不斷有構型獨特的新型填料開發出來,如共軛環填料、海爾環填料、納特環填料等。

規整填料

規整填料是按一定的幾何構形排列,整齊堆砌的填料。規整填料種類很多,根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。

格柵填料

(1)格柵填料

是以條狀單元體經一定規則組合而成的,具有多種結構形式。工業上應用非常早的格柵填料為木格柵填料。應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等,其中以格里奇格柵填料具代表性。

格柵填料的比表面積較低,主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。

波紋填料

(2)波紋填料

在工業上應用的規整填料絕大部分為波紋填料,它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料,波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種,組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內,相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。

波紋填料按結構可分為網波紋填料和板波紋填料兩大類,其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。

金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式,它是由金屬絲網制成的。金屬絲網波紋填料的壓降低,分離效率很高,特別適用于精密精餾及真空精餾裝置,為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高,但因其性能優良仍得到了廣泛的應用。

金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多f5mm左右的小孔,可起到粗分配板片上的液體、加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋,可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高,耐腐蝕性強,特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。

金屬壓延孔板波紋填料是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區別在于板片表面不是沖壓孔,而是刺孔,用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4~0.5mm小刺孔。其分離能力類似于網波紋填料,但抗堵能力比網波紋填料強,并且價格便宜,應用較為廣泛。

波紋填料的優點是結構緊湊,阻力小,傳質效率高,處理能力大,比表面積大(常用的有125、150、250、350、500、700等幾種)。波紋填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料,且裝卸、清理困難,造價高。

脈沖填料

(3)脈沖填料

是由帶縮頸的中空棱柱形個體,按一定方式拼裝而成的一種規整填料。脈沖填料組裝后,會形成帶縮頸的多孔棱形通道,其縱面流道交替收縮和擴大,氣液兩相通過時產生強烈的湍動。在縮頸段,氣速高,湍動劇烈,從而強化傳質。在擴大段,氣速減到至小,實現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復,實現了“脈沖”傳質過程。

脈沖填料的特點是處理量大,壓降小,是真空精餾的理想填料。因其優良的液體分布性能使放大效應減少,故特別適用于大塔徑的場合。

四氟填料

聚四氟乙烯閥桿填料是以聚四氟乙烯細粉料為原料,采用全新的工藝加工而成的一種柔軟制品。白色,連續繩狀,截面呈圓形。它具有高度的柔順性,極好的填充性、自潤滑性、低摩擦系數、耐腐蝕等性能。

技術參數:

使用溫度 -260~+260 

使用壓力 <20MPa 

適用介質 除元素氟、熔融堿金屬以外的一切化學物質。

優點:

裝填方便快捷。裝填時一般不必拆卸閥門,只需將繩狀填料繞在閥桿上,推入填料函,上緊函蓋帽,填料即被壓成一個密實的整體。

密封性能優異。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀結構賦予該產品很好的柔韌性和模塑性,使它能輕易地將填料函內部空隙,甚至閥桿、函體上的所有凹坑和溝槽填密,這也使腐蝕、磨損的舊閥門避免更換或修理。

使用壽命長。因它長期保持的柔軟塑性,使泄漏缺口隨時被填塞,還因它不被腐蝕,不會老化,可保長期使用。

閥門開閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有較低的摩擦系數和優異的自潤滑性。

不污染管道中的流體。因為它潔白干凈,不會因腐蝕老化而脫落,使它特別適用于醫藥、精細化工、食品等行業。

規格通用性好,減少填料儲存量,節約開支。只需備置幾種粗細規格的閥桿填料,就能滿足大多數閥門之需求。一般選用能用手嵌入的大號這種填料,但較細的該種填料,也可用于大規格的閥門中,壓緊后,也會塑變成型,得到密實的封填體。

塑性填料

塑性填料是經模具壓制成型的填料,使用時不需要像編結填料那樣切斷后盤成環狀,而且是根據軸頸大小制成環形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。

(1)綿狀填料

綿狀填料是把纖維、石墨、云母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結劑相混合后,模壓成環形,再在外層編結一層石棉紗(根據需要也可用金屬絲)。還有一種使用方式是將混合物直接放人填料腔,經壓蓋壓緊后直接使用,由于填料沒有固定尺寸,填料裝填不當容易影響密封性能所以該方法較少使用。可以根據工作條件調節綿狀填料中各種混合料的種類和配比,例如高壓蒸汽密封加人銅粉、酸性介質密封加人鉛粒或鉛片、軸有振動時可加添較多的彈性良好的粘結劑等。由于這種填料不含潤滑劑,所以高壓下其體積變化很小,可用于高速泵類和高壓閥門密封。如加人固體潤滑劑,則可以保證良好的自潤滑性能,且結構致密,有助于提高密封性。另外,綿狀填料有塑性流動性,還可以與金屬填料組合使用。

(2)積層填料

這種填料是在石棉布或帆布的表面上涂敷橡膠,經疊合或者卷繞后熱壓硫化成型,還可以內夾橡膠芯等軟質填料或嵌人彈簧,幾種積層填料的結構。積層填料密封性良好,可用于120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液,主要用作往復運動的軸封和閥桿的密封,無接口的圈裝積層填料還可以用作往復泵活塞環。由于積層填料中所含潤滑劑不足,使用過程中需添加潤滑劑。


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