フィルタープレス

工業用フィルタープレスは、分離プロセス、特に固体と液体を分離するために使用されるツールです。この機械は、多数のフィルター要素を積み重ね、フィルターを簡単に開いて濾過された固体を取り除くことができるようにし、フィルターメディアの簡単な洗浄や交換を可能にします。

フィルタープレスは連続プロセスでは動作できませんが、特に固体中の残留液体を少なくする必要がある場合に非常に高いパフォーマンスを提供できます。他の用途としては、大理石工場で大理石の切断プロセス中に水を再利用するために泥から水を分離するためにフィルタープレスが使用されています。

通常、分離されるスラリーはプレスの中央に注入され、プレスの各チャンバーに充填されます。充填時間を最適にすることで、最初のチャンバーの泥が固まり始める前に、プレスの最後のチャンバーに充填されます。チャンバーが充填されると、濃いスラッジが形成されるため、システム内の圧力が上昇します。次に、加圧空気を使用して、液体をフィルター布で強制的に濾過しますが、前のプロセスから水を再利用する場合など、特定のケースでは、水を使用する方がコスト効率が高くなります。

最初の形式のフィルタープレスは1853 年にイギリスで発明され、圧力セルを使用して種子油を採取するために使用されました。しかし、労働力の多さや不連続プロセスなど、多くの欠点がありました。フィルタープレス技術の大きな発展は 20 世紀半ばに始まりました。1958 年に日本では、栗田健一郎と諏訪誠一が、ケーキの除去効率と水分吸収を改善する世界初の自動水平型フィルタープレスの開発に成功しました。9 年後、栗田工業はフィルターケーキの水分を減らすためにフレキシブルダイヤフラムの開発を開始しました。この装置により、自動濾過サイクル、ケーキの圧縮、ケーキの排出、およびフィルタークロスの洗浄を最適化できるため、さまざまな産業用途の機会が増えました。K. McGrew は、紀元前 1600 年に殷王朝がプレスを使用してツバキの葉から茶を、果実から油を抽出した時代まで遡る詳細な歴史的レビューをまとめました。^[1]

フィルタープレスには、プレートおよびフレーム フィルタープレス、凹型プレートおよびフレーム フィルタープレス、メンブレン フィルタープレス、および (全) 自動フィルタープレスの 4 つの主な基本タイプがあります。

プレートとフレームのフィルタープレスは最も基本的な設計で、「メンブレン プレート フィルター」と呼ばれることもあります。このタイプのフィルタープレスは、一対のレールのサポートで組み立てられた多数の交互のプレートとフレームで構成され、各プレートとフレームのペアの間にフィルター メンブレンが挿入されています。^{[引用が必要]}

• プレートは圧力下でフィルター膜を支え、濾液が膜を通過してプレートに流れ込み、収集システムに排出される狭いスロットを備えています。
• フレームは膜とプレートの間にチャンバーを提供し、そこにスラリーが送り込まれ、フィルターケーキが蓄積されます。

スタックは、各プレートとフレームの間に液密シールを提供するのに十分な力で圧縮され、フィルター膜の端の周りにはシールが組み込まれている場合や、圧縮時にフィルター材料自体がガスケットとして機能する場合もあります。

スラリーが膜を通してポンプで送られると、フィルターケーキが蓄積して厚くなります。フィルター抵抗も増加し、圧力差がプレートが十分に満たされたと判断されるポイントに達すると、プロセスは停止します。

フィルターケーキを除去してフィルターをきれいにするには、プレートとフレームのスタックを分離し、ケーキを膜から落とすか削り取って下のトレイに集めます。^[2]次に、フィルター膜を洗浄液で洗浄し、スタックを再圧縮して次のサイクルを開始する準備を行います。^[3]

この初期の例としては、ドイツのハレのALGデーン（1832-1906）によって開発されたデーンフィルタープレスがあり、19世紀後半から20世紀初頭にかけて、テンサイやサトウキビから砂糖を抽出したり、鉱石スラリーを乾燥したりするために広く使用されていました。その大きな欠点は、操作に多くの労力がかかることでした。^[4]

自動フィルタープレスは、プロセス全体が完全に自動化されている点を除いて、手動フィルターやフレームフィルターと同じ概念を持っています。^[5]これは、機械的な「プレートシフター」を備えた大型のプレートとフレームフィルタープレスで構成されています。^{[引用が必要]}プレートシフターの機能は、プレートを移動させ、プレート間に蓄積されたフィルターケーキを迅速に排出できるようにすることです。また、フィルタープレートにダイヤフラムコンプレッサーが含まれており、フィルターケーキをさらに乾燥させて動作条件を最適化するのに役立ちます。^{[引用が必要]}

全自動フィルタープレスは、高度な自動化を実現すると同時に、中断のない操作も提供します。たとえば、同時フィルタープレート開放システムのオプションは、特に高速なケーキ放出を実現し、サイクル時間を最小限に抑えるのに役立ちます。その結果、フィルターの単位面積あたりの生産量を増やすことができる高速フィルタープレスが実現します。このため、これらのマシンは、高い濾過速度が求められる、濾過性の高い製品を扱う用途で使用されます。これには、たとえば、鉱業の濃縮物や残留物が含まれます。全自動操作にはさまざまなシステムがあります。たとえば、振動/振とう装置、スプレッダークラ​​ンプ/スプレッダークロスバージョン、またはスクレーピング装置が含まれます。全自動フィルタープレスの無人運転時間は、24時間年中無休です。^{[引用が必要]}

凹型プレートフィルタープレスはフレームを使用せず、代わりに各プレートにフィルタークロスを置くための傾斜エッジのある凹みがあり、フィルターケーキは2枚のプレートの間の凹部に直接蓄積され、プレートを分離すると、傾斜エッジにより最小限の労力でケーキが落ちます。^[6]構造と使用を簡素化するために、プレートには通常、中央に穴が開いており、フィルタークロスを貫通して周囲が密閉されているため、スラリーは各プレートの端から内側に流れるのではなく、各プレートの中央を通ってスタックを下って流れます。この方法は清掃が簡単ですが、クロスの交換時間が長くなること、紙などの湾曲した凹みに適合しないフィルターメディアを収容できないこと、不均一なケーキが形成される可能性があることなどの欠点があります。^[7]

メンブレン フィルター プレスは、フィルター プレート内の膨張式メンブレンを使用して、プレートを開く前にフィルター ケーキの残りの液体を圧縮することにより、固体の乾燥度に大きな影響を与えます。従来のろ過プロセスと比較して、フィルター ケーキ内の残留水分値が最も低くなります。これにより、メンブレン フィルター プレスは強力で広く使用されているシステムになります。脱水度に応じて、メンブレン プレートで圧縮することにより、フィルター ケーキ内のさまざまな乾物含有量 (乾物含有量 - フィルター ケーキ内の乾燥物質の重量パーセント) を実現できます。達成可能な乾物含有量の範囲は、30 パーセントから 80 パーセント以上に及びます。メンブレン フィルター プレスは、脱水度が非常に高いという利点があるだけでなく、懸濁液に応じて、ろ過サイクル時間を平均 50 パーセント以上短縮します。これにより、サイクル時間とターンアラウンド時間が短縮され、生産性が向上します。膜膨張媒体は、圧縮空気または液体媒体 (水など) のいずれかで構成されます。

フィルタープレスは、鉱物採掘スラリーの脱水から血漿の精製まで、多種多様な用途に使用されています。^[3]同時に、フィルタープレス技術は、超微粉炭の脱水や石炭選鉱工場での濾液回収に広く利用されています。G.Prat 氏によると、「フィルタープレスは、今日の要件を満たす最も効果的で信頼性の高い技術であることが証明されています」。^[8]一例として、パイロットスケールプレートフィルタープレスが挙げられます。これは、石炭スラリーの脱水に特化しています。2013 年に、鉱業、冶金、探査協会は、この特定の用途に焦点を当てた記事を発表しました。^[9]フィルタープレスの使用は、超清浄な石炭を製品として脱水し、機器の洗浄に使用できるように除去された水の品質を向上させるため、工場の運用に非常に有益であると述べられています。^[10]

自動膜フィルタープレスの他の産業用途としては、都市廃棄物の汚泥脱水、^[11]レディーミックスコンクリートの水回収、^[12]金属濃縮物の回収、大規模なフライアッシュ池の脱水などがあります。^[13]

現在、さまざまな業界で使用されているさまざまなタイプのフィルタープレスには、多くの特殊な用途が関連しています。プレートフィルタープレスは、非常に高い効率と信頼性を備えているため、カナダのメープルシロップの生産などの糖化作業で広く使用されています。M.Isselhardtによると、「外観はメープルシロップの価値と顧客の品質認識に影響を与える可能性があります」。^[14]これにより、生のシロップのろ過プロセスは、高品質で魅力的な形状の目的の製品を実現するために非常に重要になり、フィルタープレス方法が業界でどれほど高く評価されているかを再び示しています。

廃水処理に適用される処理操作に使用される一般的なフィルタープレスの計算を以下に示します。

S= (B x 8.34 lb/gal xs) ⁄ A
ただし、

Sはポンド単位の固体負荷率である。+h ⁄ ft 2 .<r />
B はバイオソリッド（ガロン/時間）で、 
s は固形物の割合（%/100）です。A
はプレート面積（平方フィート）です。

${\displaystyle NFY={\frac {S\times P}{TCT}}}$

どこ：

• NFY は、 kg/h/m ²単位の純フィルター収量です。
• Sはkg/h/m2単位の固形物負荷率^です。
• P は h の周期です。
• TCT は合計サイクル時間（時間単位）です。

（S×P）はフィルターの実行時間を与える。^[15]

${\displaystyle u={\frac {1}{A}}{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu \times (R_{c}+R_{f})}}}$

どこ：

• uは布とケーキを通過する濾液の流量（m/s）です。
• dV/dtは容積濾過速度（m ³ /s）であり、
• R _{c は}濾過ケーキの抵抗（m-1）であり、
• R _{f は}フィルターの初期抵抗（ケーキ、フィルター布、プレート、チャネルの初期層の抵抗）（m-1）です。
• μは濾液の粘度（N·s/m ²）である。
• ΔPは、フィルター媒体の片側から他側にかけて加えられる圧力差（N/m ^{2 ）である。}
• Aは濾過面積（m ²）である。

これらは濾過速度に影響を与える最も重要な要因です。濾液がフィルタープレートを通過すると、固形物の堆積が形成され、ケーキの厚さが増加します。これにより、Rfが一定であると仮定した場合、Rcも増加します。^[16]ケーキとフィルター媒体からの流動抵抗は、それらを通過する濾過の流量を計算することによって調べることができます。

流量が一定であれば、圧力と時間の関係が得られます。ろ過は、細孔の目詰まりによる流動抵抗の増加に対処するために、圧力差を増加させて操作する必要があります。^[16]ろ過速度は、主にろ液の粘度と、ろ板とケーキの抵抗によって影響を受けます。

薄いケーキを製造すれば高い濾過速度が得られる。しかし、従来のフィルタープレスはバッチシステムであり、フィルターケーキを排出してプレスを再組み立てするためにプロセスを停止する必要があり、時間がかかる。実際には、布の抵抗を考慮してケーキを排出してプレスを再組み立てするのにかかる時間よりも濾過時間が長い場合に、最大の濾過速度が得られる。^{[16]フィルターケーキの特性は濾過速度に影響し、}凝集剤 を使用して細孔が詰まるのを防ぐために、粒子のサイズはできるだけ大きいことが望ましい。実験から、フィルター媒体を通過する液体の流量は圧力差に比例する。^[17]ケーキ層が形成されると、システムにかかる圧力が増加し、濾液の流量は減少する。^[7]固体が必要な場合は、ケーキの洗浄と空気乾燥によって固体の純度を高めることができる。^[18] フィルターケーキのサンプルをさまざまな場所から採取し、重量を量って、全体の物質収支を使用して水分含有量を決定することができる。^[9]

フィルタープレスの種類の選択は、液相または固相の値によって異なります。液相を抽出したい場合は、フィルタープレスが最も適切な方法の1つです。^[19]

現在、フィルタープレートはポリマー製またはポリマーでコーティングされた鋼で作られています。これらはフィルタークロスに優れた排水面を提供します。プレートのサイズは10×10cmから2.4×2.4mまで、フレームの厚さは0.3cmから20cmまであります。^[18]

典型的な布面積は、実験室規模では1m ²以下、生産環境では1000m ^{2の範囲ですが、プレートは最大2000m 2}のフィルター面積を提供できます。通常、プレートとフレームのフィルタープレスは最大50mmのケーキ厚を形成できますが、極端な場合には最大200mmまで押し出すことができます。凹型プレートプレスは最大32mmのケーキ厚を形成できます。^[7]

都市廃棄物バイオソリッド処理業界でプレス機が使われ始めた当初は、布にケーキがくっつくという問題があり、多くの処理施設では効果の低い遠心分離機やベルトフィルタープレス技術を採用していました。それ以来、布の品質と製造技術が大幅に向上し、この問題はなくなりました。^[20] 米国とは異なり、アジアでは自動膜フィルター技術が都市廃棄物バイオソリッドの脱水に最も一般的な方法です。水分は通常10～15%低く、必要なポリマーも少なくて済むため、トラック輸送と全体的な処分コストを節約できます。

運転圧力は、金属の場合、通常最大 7 bars です。^[18]技術の改良により、16 bar の圧力で大量の水分を除去し、30 bars で運転することが可能になりました。^[3]ただし、木製またはプラスチック製のフレームの場合、圧力は 4～5 bars です。^[18] 供給タンク内の固形物の濃度が、固形粒子が互いに付着するまで増加する場合、フィルタープレスに可動ブレードを設置して、スラリーを通る液体の流れの抵抗を減らすことができます。^{[21]ケーキ排出前のプロセスでは、透過性が 10 −11}～ 10 ⁻¹⁵ m ² のケーキにエアブローが使用されます。^[9]

固体懸濁液が沈殿している場合は、濾過前にスラリーの前処理が必要です。前処理として凝固を行うと、濾過ケーキの多孔度が高まり、濾過が速くなるため、フィルタープレスの性能が向上します。温度、濃度、pH を変えることで、凝集物のサイズを制御できます。さらに、濾過ケーキが不浸透性で濾液の流れが困難な場合は、前処理プロセスに濾過助剤化学物質を追加して、ケーキの多孔度を高め、ケーキ抵抗を減らし、より厚いケーキを得ることができます。ただし、濾過助剤は、物理的または化学的処理のいずれかによって濾過ケーキから除去できる必要があります。一般的な濾過助剤は、0.85 の空隙率を与える珪藻土です。^[21]

ケーキ処理の面では、バッチ式フィルタープレスは大量のケーキを収容するために大きな排出トレイサイズを必要とし、同じ出力の連続式フィルタープレスに比べてシステムが高価になります。^[3]

洗浄には「単純洗浄」と「徹底洗浄」の 2 つの方法があります。単純洗浄では、洗浄液がスラリーと同じチャネルを高速で流れ、入口付近のケーキの浸食を引き起こします。そのため、形成されたチャネルは常に拡大し、通常、不均一な洗浄が得られます。より優れた技術は徹底洗浄です。徹底洗浄では、洗浄液は、洗浄プレートと呼ばれるフィルター クロスの後ろにある別のチャネルから導入されます。洗浄液は、最初は反対方向にケーキの厚さ全体を流れ、次に濾液と同じ方向に流れます。洗浄液は通常、濾液と同じチャネルから排出されます。洗浄後、余分な液体を除去するために圧縮空気を供給することで、ケーキを簡単に取り除くことができます。^[18]

現在、フィルタープレスは多くの産業で広く使用されていますが、さまざまなタイプの廃棄物も生成します。染料産業からの有毒化学物質などの有害廃棄物や、廃棄物の流れからの病原菌は、廃棄物ケーキに蓄積される可能性があるため、それらの廃棄物を処理するための要件は異なります。したがって、廃棄物の流れを環境に排出する前に、後処理を適用することが重要な消毒段階になります。これは、廃棄物（フィルターケーキ）を扱っている地域住民や労働者の健康リスクを防ぎ、生態系への悪影響を防ぐためです。フィルタープレスは大量の廃棄物を生成するため、埋め立てによって処分する場合は、鉱山地域など、植生の開発や固定が不可能な大幅に変更された地域に処分することをお勧めします。別の方法は焼却であり、有機汚染物質を破壊し、廃棄物の質量を減らします。これは通常、制御された炎を使用して密閉された装置で行われます。^[2]

フィルタープレスは最も古い機械駆動式脱水装置の一つであったため、フィルタープレスが現在および将来にわたって現代の装置と競合するのに十分であるかどうかについては多くの議論がなされてきた。現代のフィルタープレスが最適な特性を持つ多くの用途では効率改善が可能であるが、多くの機械的な改善がなされたにもかかわらず、フィルタープレスは発明当初と同じコンセプトで動作し続けている。効率改善の進展がないこと、およびフィルタープレスを取り巻く関連問題の克服に関する研究が不足していることから、性能不足の可能性が示唆されている。同時に、他の多くのタイプのフィルターは、プレスフィルターと同等またはそれ以上の性能を発揮できる可能性がある。場合によっては、特性と性能を比較することが極めて重要である。^[22]

フィルタープレスは幅広い用途に利用されていますが、その主な特徴の1つは、比較的小さな設置面積で大きな濾過面積を提供できることです。利用可能な表面積は、濾過プロセスにおいて最も重要な要素の1つであり、濾過流量と濾過能力を最大化します。標準サイズのフィルタープレスは216 m ²の濾過面積を提供しますが、標準ベルトフィルターは約15 m ²しかありません。^[22]

フィルタープレスは金属加工工場で高固形分スラリーの脱水によく使用されますが、この作業に使用できるプレスフィルター技術の 1 つにロータリー圧力フィルター方式があります。この方式では、圧力によってろ過が行われる単一ユニットで連続生産が可能です。ただし、高固形分スラリーの固形分濃度が高すぎる場合 (50% 以上) は、連続インデックス真空ベルトフィルターなどの真空ろ過を使用してこれらのスラリーを処理する方が適切です。スラリーの固形分濃度が高いと圧力が上昇し、圧力が高すぎると機器が損傷したり、効率が低下したりする可能性があるためです。^[22]

将来、現代の濾過産業に対する市場の要求は、特に材料リサイクル、省エネ、グリーンテクノロジーの目的で、より細かく、より高度な分離が求められます。濾過が難しい材料からのより高度な脱水に対する高まる要求を満たすには、超高圧フィルターが必要です。したがって、自動フィルタープレスの圧力を高める傾向は、今後も発展し続けるでしょう。

従来のフィルタープレス機構は、通常、機械的圧縮と空気を使用して脱水しますが、低水分ケーキの製造効率には限界があります。ケーキの脱水に空気の代わりに蒸気を使用する代替方法が導入されました。蒸気脱水技術は、低水分ケーキの製品を提供するため、競争力のある方法です。^[23]

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