改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器设计的基础理论*

李晓昆，郭祖鹏

（青海大学化工学院，青海 西宁 810016）

化工装备与设计

改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器设计的基础理论*

李晓昆，郭祖鹏

（青海大学化工学院，青海 西宁 810016）

改变氢氧化镁表面特性和提高氢氧化镁胶体状浆料的固液分离性能，是液相化学法产业化制备高纯超细改性氢氧化镁工艺的关键技术。为了设计超细氢氧化镁湿式改性工艺中的关键设备——固液相分离器，假设了被改性超细氢氧化镁的存在形式，分析了改性集合体的沉浮条件，在建立上浮模型的基础上，提出了改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器设计的基础理论。

超细氢氧化镁；表面改性；固液相分离器设计

氢氧化镁作为一种无卤、绿色阻燃剂已成为无机添加型阻燃剂发展的一个重要方向，中国西部的盐湖镁资源尤为丰富，是生产高端氢氧化镁产品的优质原料。采用盐湖“老卤”液相化学法制备氢氧化镁过程中，随着氢氧化镁粒径的超细化，会使氢氧化镁料浆的固液分离效果变差，最终所得滤饼含水率较高，洗涤困难、用水量大、干燥过程能耗高；同时其颗粒表面“亲水疏油”，加入高聚体后易团聚、难分散、吸湿性强等缺点又要求生产出具有有机化表面改性的氢氧化镁［1-2］。因此，改变氢氧化镁表面特性和提高氢氧化镁胶体状浆料的固液分离性能，是液相化学法产业化制备高纯超细改性氢氧化镁工艺的关键。

超细氢氧化镁的工业化生产工艺技术日臻完善，其表面改性剂由通用性向专一性发展的同时，更强调由单一功能向多功能型发展［3］，而表面改性工艺也主要由干法向湿法转变。湿法工艺的显著特点是包膜均匀，尤其适于超细氢氧化镁的表面处理，同时所形成的活性层，也有效改善了超细氢氧化镁的疏水性能、表观密度和粒径，生产过程中的固液分离效果得到提高［4-5］。笔者为设计改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器提出了基础理论。

1 改性超细氢氧化镁颗粒集合体的存在形式

工业生产中采用的有机“绿色”改性剂主要为偶联剂、脂肪酸及其盐类、各种复配高效表面活性剂等。在改性过程中，改性剂用量极小，却能起到极大的作用。在无机颗粒与改性剂作用的宏观表述中，甚至可以忽略改性剂的存在，如：A→R，欲改性物A加入极少的改性剂后，就会变成表面物、化性能有较大差异的改性物R。在微观上，超细粉体的表面改性非常复杂，其机理也千差万别，但超细粉体与改性剂之间作用的本质，不外乎化学吸附、物理吸附或介于两者之间。为便于分析，将超细氢氧化镁颗粒、改性剂颗粒都简化为球形粒子模型，并假定改性剂颗粒粒径大于超细氢氧化镁颗粒的粒径，其在改性剂颗粒表面为单层均布。所形成的集合体如图1所示。

图1 改性氢氧化镁颗粒集合体示意图

颗粒改性后表观密度的变大势必会抑制布朗运动对分离不完全性的影响，当粒径大到固液悬浮体中极限悬浮粒径时，改性后的颗粒集合体势必会发生相对于液相的运动，固液分离也就发生了。

2 颗粒集合体的沉、浮条件分析

固液分离是通过固相相对于液相上浮或下沉运动实现的。所谓上浮是指颗粒集合体的表观密度小于液体密度时，集合体向上运动，上浮至悬浮液表面，实现两相分离。工艺上的浮选操作就是它的一种特例。反之集合体向下运动，即为沉降过程［6］。如图1所示，取单个颗粒集合体作为研究对象。可见，当集合体中改性剂颗粒粒径和超细氢氧化镁颗粒粒径两者一定时，则改性剂上氢氧化镁颗粒的个数也一定。实验通过比较集合体的表观密度与液相密度的大小得到集合体沉、浮条件。

设ρA、ρm和ρs分别为超细氢氧化镁颗粒、改性剂颗粒和液相的密度，每个改性剂颗粒带的氢氧化镁颗粒个数为k（k＞1），粒径比β＝（dA/dm）（β＜1），β为常数时，则kmax只与β有关。颗粒集合体的表观密度为：

对于液相化学法制备高纯超细改性氢氧化镁时，一般有ρA＞ρs，而对于改性剂则有ρm＞ρs或ρm＜ρs两种可能。

1）当ρA＞ρs，且ρm＞ρs时，显然，总有ρ表观＞ρs，即kβ3（ρA-ρs）＞ρs-ρm，集合体呈下沉趋势，其下沉条件为：

当β一定时，k＞（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］，（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］＜0所以1≤k≤kmax；

当k一定时，β3＞（ρs-ρm）/［k（ρA-ρs）］，（ρs-ρm)/［k（ρA-ρs）］＜0，所以0＜β＜1。

从k和β的取值范围可以看出，当ρA＞ρs，且ρm＞ρs时，则会发生下沉过程，此时改性剂颗粒和超细氢氧化镁颗粒均下沉，改性剂既起到了表面改性作用，也起到了下沉作用。ρA＞ρs时，最好采用ρm＞ρs来沉降以达到固液分离的目的，而且越是多层吸附，下沉趋势越大。

2）当ρA＞ρs，且ρm＜ρs时，k或β的取值范围不同，有两种情况：

①ρ表观＞ρs，即kβ3（ρA-ρs）＞ρs-ρm。当β一定时，k＞（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］，所以（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］＜k＜kmax；当k一定时，β3＞（ρs-ρm）/［k（ρA-ρs）］，所以（ρs-ρm)/［k（ρA-ρs）］＜β3＜1。

一般不希望这种情况发生。因为超细氢氧化镁颗粒下沉，而改性剂颗粒上浮，尽管此时集合体呈下沉趋势，但其下沉驱动力受到削弱。

②ρ表观＜ρs，即kβ3（ρA-ρs）＜ρs-ρm。当β一定时，k＜（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］，所以1≤k＜（ρs-ρm)/［β3（ρA-ρs）］，当k一定时，β3＜（ρs-ρm）/［k（ρA-ρs）］，所以0＜β3＜（ρsρm)/［k（ρA-ρs）］。

虽然超细氢氧化镁颗粒要下沉，改性剂颗粒要上浮，上浮过程还是会发生。若将超细氢氧化镁颗粒自身的团聚控制在一定范围内，改性剂颗粒在超细氢氧化镁颗粒表面“包裹”的个数越多，则集合体上浮的趋势越大，进而采取高度分散的微气泡吸附集合体，固液分离的效果会更好。

综上所述，当ρA＞ρs且ρm＞ρs，即改性剂颗粒与超细氢氧化镁颗粒下沉方向一致时，颗粒沉降得到加强，沉降过程总会发生，实验也给予了证明［4-5］，此时分离器设计可选用沉降器的设计原则［7］。当ρA＞ρs且ρm＜ρs时，尽管改性剂颗粒与超细氢氧化镁颗粒沉、浮方向相反，但选择合适的改性剂不仅可起到良好的表面改性作用，而且预期的上浮作用也会出现。此结果不仅适合硅烷偶联剂对阻燃级氢氧化镁的表面改性［8］，而且也适合硬脂酸钠、铝磷偶联剂及其复配改性剂对纳米碳酸钙的表面改性［9］。笔者在某一最佳改性剂添加量的条件下，对改性超细氢氧化镁颗粒集合体的上浮动力学进行分析，作为上浮式固液相分离器设计的理论依据。

3 颗粒集合体的上浮动力学

实际中改性氢氧化镁颗粒的上浮现象是影响上浮速率变化的不同因素、不同上浮性质共同作用的结果，且这些上浮性质是非均匀的。影响上浮速率变化的因素主要有颗粒粒径、表面特性、形状、密度、料浆浓度、改性剂添加量及搅拌过程中所形成气泡的附着等，这里仅考虑可浮性的液、固两相一次性投料的间歇上浮模型，即对一维分布的上浮速率常数分布模型进行讨论。假设：①各种粒径的氢氧化镁颗粒上浮速率可能不同，即上浮速率常数是呈品级分布的；②各品级氢氧化镁颗粒的上浮动力学遵循一级速率方程；③各品级氢氧化镁颗粒按其自身的上浮速率浮出，互不干涉。

根据假设①，若上浮过程开始后任意时刻（t），槽内剩余欲上浮氢氧化镁颗粒的浓度为cA，用f（k，t）表示t时刻槽内氢氧化镁颗粒的上浮速率常数分布，则槽内速率常数k到dk的氢氧化镁颗粒的浓度为cAf（k，t）dk，这部分氢氧化镁颗粒的上浮速率常数值是单一的，根据假设②，则有：

这是速率常数分布模型的微分形式，其初始条件为：cAf（k，t）dk｜t=0=cA0f（k，0）dk。其中cA0是上浮初始阶段槽内欲上浮氢氧化镁颗粒的浓度。积分后得：

为了得到t时刻槽内剩余氢氧化镁颗粒的浓度cA，根据假设③，将式（3）两边不同的k值叠加，即在两边对k求积分，则有：

由浓度密度函数的性质可知：

由式（4）、（5）可得：

当n=2时，模型为三参数快慢浮两速率常数模型。设慢浮物料的上浮速率常数为ks，快浮物料的上浮速率常数为kF，上浮开始时，慢浮物料的质量分数为θ，则任意时刻槽内剩余氢氧化镁颗粒的浓度表达式为：

4 固液分离器体积的设计原则

要得到分离器的体积，在生产能力确定的条件下，关键是决定上浮时间［10］。若假设上浮过程为A→R，欲浮物A的浓度随上浮时间的增加而降低，上浮物R的生成速率则随欲浮物浓度的降低而降低。所以，随时间的延长，无疑会使上浮物的产量增多，但单位操作时间内上浮物产量并不一定增加。所以，以单位操作时间的上浮物产量为目标函数，就必然存在一个最优上浮时间，以使该函数值最大。若上浮物R的浓度为cR时，则单位操作时间的上浮物产量（FR）为：

其中t为上浮时间，t0为辅助时间，将上式对时间求导：

令dFR/dt=0，则由式（10）得：

式（11）即为单位时间上浮物产量最大所必须满足的条件，由此可求出最优上浮时间。

最优上浮时间的图解法举例：首先由实验测得上浮时间与槽内剩余欲浮物料的浓度cA的关系，并利用三参数快慢浮两速率常数模型拟合为式（8）的形式，其次将其换算成t与cR的关系，然后以cR对t作图，如图2中的曲线OMN所示。在横坐标上截取线段OA=t0，自A（－t0，0）作曲线OMN的切线MA，则M点的横坐标OD为最优上浮时间。由图2可知，在最优上浮时间条件下，上浮物的浓度cR=MD；AD=t+ t0；切线的斜率为MD/AD，也等于dcR/dt，所以正好满足式（11）。

图2 间歇上浮式固液相分离器的最优上浮时间

则分离器的体积为：

式中，Q0为单位时间内处理物料的体积，l为装填系数。

5 结语

分析了对超细氢氧化镁颗粒有机化改性过程中下沉与上浮的条件。以上浮为例，对其进行了合理简化，建立了与实际过程等效的一维分布的上浮速率常数分布模型，提出了上浮式固液相分离器优化设计的基础理论。但在实际应用中必须注意以下方面。

1）优化的目标函数不同，则结果不同。也可将最低生产费用作为目标确定最优改性时间，若从单位产品所消耗的最少原料量入手，则改性时间越长，原料单耗越少。2）本设计方法侧重于强调改性剂对超细氢氧化镁颗粒的固液分离效果，而在实际生产中还必须对改性后颗粒的表面特性进行直接表征或间接表征，以此评价有机化表面改性效果的优劣，并对改性时间加以修正。3）由于改性颗粒集合体粒径比氢氧化镁颗粒粒径大，且若用有机化改性剂其表面的疏水性也会有显著提高，所以可以预计在接下来的过滤操作中，滤阻也将会有较大幅度的减小。

［1］李晓昆，陈建军，孙海霞，等.阻燃级氢氧化镁制备过程中表面有机化改性［J］.盐湖研究，2006，14（1）：60-65.

［2］李丽娟，陈大福，聂锋，等.年产2 000吨氢氧化镁阻燃剂关键技术产业化开发研究报告［R］.西宁：中国科学院青海盐湖研究所，2007.

［3］张卫丽，李淑英.表面活性剂的应用和发展［J］.表面腐蚀控制. 2005，19（6）：42-45.

［4］李晓昆，关云山，杨兆娟，等.超细氢氧化镁复合表面改性对过滤性能和洗涤效果的影响［J］.盐业与化工，2011，40（5）：13-15.

［5］李晓昆，关云山，杨兆娟，等.表面改性剂在超细氢氧化镁过滤中的应用［J］.无机盐工业.2011，43（11）：57-60.

［6］袁晓林，羊衍贵，袁惠新.浮选与沉选条件分析［J］.化学工程，2006，34（2）：45-47.

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［8］王春来.阻燃级氢氧化镁的中试制备和表面改性研究［D］.杭州：浙江工业大学化工与材料学院硕士学位论文，2009：44-56.

［9］李晓昆，向兰，向英，等.纳米碳酸钙湿式复合改性工艺探索［J］.材料科学与工程.2002，20（3）：367-370.

［10］中国石化集团上海工程有限公司.化工艺设计手册上册［M］. 3版.北京：化学工业出版社，2003：2-225.

Basic design theory of floating solid-liquid separator for modification of superfine magnesium hydroxide

Li Xiaokun，Guo Zupeng
（School of Chemistry and Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China）

Changing the surface behaviors of magnesium hydroxide and improving the solid-liquid separation performances of the colloidal magnesium hydroxide slurry are the key techniques in industrially producing high-purity superfine magnesium hydroxide.In order to design the key equipment—solid-liquid separator in the wet modification process of superfine magnesium hydroxide，the existence form of superfine magnesium hydroxide to be modified was assumed，and the floatation and sinking conditions of the modified aggregates were analyzed.On the basis of establishing the floating model，the basic design theory of floating solid-liquid separator for modification of superfine magnesium hydroxide was put forward.

superfine magnesium hydroxide；surface modification；solid-liquid separator

TQ132.2

A

1006-4990（2013）02-0053-03

2012-08-11

李晓昆（1969—），男，副教授，主要进行盐湖资源及无机粉体的制备研究，已公开发表文章10余篇。

青海大学中青年科研基金资助项目（2008-QG-01）。

联系方式：lxk0971@yahoo.com.cn