Fizyka zjawiska filtracji
- Szczegóły
Filtracja jest procesem oddzielania cząstek stałych od cieczy lub gazów za pomocą medium filtracyjnego, które zatrzymuje cząstki stałe, jednocześnie przepuszczając ciecz lub gaz. Istnieje kilka systemów filtracji, z których każdy ma swoje zalety i typowe wady ich fizycznej budowy, głównie związane z zasadą działania.
Redukcja pyłu i systemy filtracji
Redukcja pyłu oznacza po prostu usunięcie, w najwyższym możliwym stopniu, pyłu ze strumienia powietrza. W zakładach produkcyjnych powstawanie pyłu jest często zjawiskiem całkowicie naturalnym, wystarczy pomyśleć o zakładach typu mieszalnie proszku, obróbka kamienia i marmuru dla budownictwa lub w procesach obróbki drewna, które powodują uwalnianie do środowiska mniejszych lub większych cząstek, zwykle bardzo uciążliwych dla operatorów i innych pracowników w tych obszarach.
Ale kiedy te proszki zostaną zassane i przeniesione, co robisz? Czy chcesz zaryzykować zwykłe „wyrzucenie ich” na zewnątrz, narażając okliczne sąsiedztwo na nasz pył?
Cyklony
Zasada działania cyklonów opiera się na fizycznej zasadzie siły odśrodkowej. Cyklon zbudowany jest z dwóch koncentrycznych cylindrów. Zewnętrzny zwykle kończy się stożkiem. Część wewnętrzna przekazuje oczyszczony strumień do wylotu. Ta struktura, połączona przy stycznym wlocie, pozwala oczyszczać strumień, tworząc spiralny ruch w wolnej przestrzeni pomiędzy dwoma cylindrami. Następnie gaz jest wypychany przez geometrię układu z wewnętrznego cylindra, gdy wokół niego wytworzy się szereg wirów.
Filtry workowe i wkładowe
Natychmiast wyjaśniamy, że medium filtrujące jest elementem, który aktywnie wykonuje filtrację. Jest wybierany w zależności od rodzaju i jakości wymaganej filtracji. Cząsteczki osadzają się następnie na powierzchni ośrodka, a dzięki odpowiedniemu systemowi czyszczącemu pył gromadzi się w pojemnikach zbiorczych umieszczonych w dolnej części filtra. Wydajności tych maszyn są wyższe w porównaniu z cyklonami, ponieważ medium filtrujące pozwala na obróbkę cząstek rzędu mikronów.
Przeczytaj także: Samorząd gminny a woda pitna – analiza
Dzięki odpowiedniemu doborowi medium oraz jego rodzajowi i właściwościom, takim jak jego rozmiar, materiał, szczegóły obróbki powierzchni, możliwe jest uzyskanie specyfiki realizacji filtra ściśle związanego z ekologicznymi i ekonomicznymi potrzebami klienta. Wybór między workami i wkładami jest dylematem, który może rozwiązać tylko dobry ekspert, dzięki dokładnej ocenie natury zanieczyszczeń i charakteru proszków.
Jak widać na zdjęciu po prawej stronie, filtry te są modułowe.
Skrubery Venturiego
Systemy redukcji zwane skruberami Venturiego są układami oczyszczania strumienia, który wykorzystuje ciecz do oczyszczania zanieczyszczonego strumienia. Skruber Venturi wykorzystuje szczególną geometrię, zwężkę Venturiego dokładnie, gdzie wewnątrz jej przewężenia ciecz i powietrze są w bliskim kontakcie.
Filtry elektrostatyczne
W praktyce różnica indukowanego potencjału między dwiema elektrodami wytwarza pole elektryczne, które jonizuje obszar wokół elektrod. W przypadku filtracji elektrostatycznej strumień zanieczyszczonego powietrza przepływa przez silne pole elektryczne gdzie cząstki ulegają jonizacji czyli otrzymują ładunek dodatni. Tak naładowane cząstki przechodzą w stronę przeciwnie naładowanych elektrod, które zatrzymują je i odseparowują od zaciągniętego powietrza oczyszczając je.
Warto jednak zaznaczyć, że zgodnie z najbardziej rygorystycznymi Włoskimi regulacjami (D.D.U.O. n.12772 of 23/12/11), filtr elektrostatyczny bez filtra HEPA nie spełnia tych wymogów.
Przeczytaj także: Polska: Woda Pitna i Samorządy
Filtry HEPA
Najskuteczniejszym rozwiązaniem pod względem efektywności filtracji mechaniczno-statycznej jest filtr HEPA. W celu osiągnięcia najlepszych rezultatów w zakresie filtracji powietrza konieczne jest zastosowanie filtrów wysokiej (EPA) lub bardzo wysokiej (HEPA) efektywności, których właściwości regulowane są przez europejskie normy EN 1822, zgodnie z załącznikiem 32 - D.D.U.O. n.12772 of 23/12/11 dla regionu Lombardii.
Filtry HEPA o bardzo wysokiej efektywności filtracji do 99.995% dla cząstek > 0.01 mikrona są odpowiednie do pracy z oparami tytoniu, spalanych olejów, drobnych pyłów metalurgicznych, niektórych wirusów i wieloma innymi czynnikami.
Mechanizmy filtracji
Podczas przepływu powietrza lub innych gazów przez materiał filtracyjny (wgłębny lub membranowy) zatrzymujący zanieczyszczenia (cząsteczki oleju, wody oraz cząstki stałe) wykorzystywane są 3 podstawowe mechanizmy filtracyjne:
- Wychwyt bezpośredni
Zjawisko to zachodzi, gdy cząstki uderzają bezpośrednio w powierzchnię medium filtracyjnego i zostają na niej zatrzymane. Mechanizm ten jest dominujący dla cząsteczek o wielkości ok. 1 mikrona i większych.
- Zderzenia inercyjne
Określane także jako bezwładnościowe - następują, gdy cząstki (zanieczyszczenia) nie są zdolne do tego, by przemieszczać się już w kolejnej warstwie w kanalikach medium filtracyjnego. Uderzają więc bezpośrednio w materiał filtracyjny i są na nim zatrzymywane. Dotyczy cząstek o wielkości od 0,3 do 1 mikrona.
Przeczytaj także: Ozonowanie: skuteczna dezynfekcja domu
- Dyfuzja molekularna (ruchy Browna)
Ma miejsce wtedy, gdy bardzo małe cząsteczki w strumieniu filtrowanego gazu - wykorzystując własną energię wewnętrzną - mogą poruszać się wewnątrz medium filtracyjnego. Zderzają się z materiałem filtracyjnym i pozostają zatrzymane w głębi tegoż medium filtracyjnego. Dotyczy to cząstek najmniejszych, poniżej 0,3 mikrona.
Te trzy mechanizmy dotyczą także zatrzymywania mikroorganizmów. W efekcie wieloletnich testów w obszarze bardzo małych cząstek (submikronowym) stwierdzono, że określone cząstki charakteryzują się znacznie większą zdolnością penetracji materiału filtra, niż inne.
Określono je jako MPPS (Most Penetrating Particle Size) - i co istotne szczególnie przy filtrach do sterylizacji gazów (zatrzymywania mikroorganizmów / bakterii) - leżą one w przedziale wielkości 0,1...0,5 mikrona.
Prawdopodobieństwo przejścia takich cząstek MPPS przez materiał filtracyjny jest najwyższe (tzn. usuwanie ze strumienia gazu cząsteczek 0.1...0,5 mic. jest najtrudniejsze). Filtr jednak (zwłaszcza tzw. filtr sterylny) musi niezawodnie i samodzielnie usuwać te krytyczne cząstki z filtrowanego powietrza.
Zatem niezwykle istotne jest korzystanie z materiału filtracyjnego o najwyższej jakości.
Filtry procesowe
Oferta firmy ChemTech obejmuje szeroki asortyment przemysłowych filtrów do różnych mediów (cieczy i gazów). Filtry procesowe do wody oraz do sprężonego powietrza stanowią najbardziej popularną gamę urządzeń filtrujących. Filtr, w zależności od kontekstu może oznaczać wkład filtracyjny lub kompletne urządzenie na które składa się obudowa filtra oraz wkład filtracyjny. Niekiedy, szczególnie w przypadku worków filtracyjnych, istnieje możliwość stosowania samego wkładu filtracyjnego, bez obudowy.
Filtry świecowe
Jednym z popularnych rodzajów filtra jest tzw. filtr świecowy. Filtry świecowe to inaczej „cartridge filters” czyli w dosłownym tłumaczeniu filtry nabojowe (filtr nabojowy). Dla pewnej klasy filtrów świecowych popularna jest nazwa „filtry patronowe”.
Filtry workowe
Drugą, bardzo szeroką gamą filtrów, są filtry workowe (filtr workowy, worek filtracyjny, worki filtracyjne). Ze względu na zastosowanie, podstawowa klasyfikacja opiera się na podziale na filtry workowe do filtracji mokrej czyli do filtracji cieczy oraz do filtracji suchej czyli odpylania gazów.
Worki filtracyjne wykonane z filcu (niddlefelt) filtracyjnego polipropylenowego (filc polipropylenowy), filcu poliestrowego (filc poliestrowy) nomexu, teflonu, dostępne są dla zakresu filtracji nominalnej od 1 mikrona do 200 mikronów (filtracja wgłębna-wychwytywanie żelków). Innym popularnym materiałem worków filtracyjnych są różnego rodzaju siatki filtracyjne multifilamnetowe i monofilamentowe (NMO NMU PEM PEMU).
Worki filtracyjne mogą posiadać wszytą obręcz (snap ring) lub kołnierz plastikowy polipropylenowy tzw Polylock (Sentinel). Worki filtracyjne w nowoczesnym wykonaniu nie posiadają szycia i są w 100% zgrzewane (zgrzewane worki filtracyjne).
Filtry absolutne i nominalne
Istotnym podziałem filtrów ze względu na skuteczność jest pojęcie filtra absolutnego (absolute rated filter, filtr absolutny). Pojęcie to wprowadziła firma Pall dla określenia skuteczności filtra 99,98% oraz pojęcia współczynnika beta β dla testu OSU F2.
W najprostszym tłumaczeniu współczynnik β (dla danej wielkości cząstek) określa ile statystycznie cząstek (o danej wielkości i większej) zostanie zatrzymanych na filtrze, na każdą cząstkę o danej wielkości, lub większej, która przejdzie przez filtr.
Zależność między skutecznością procentową a współczynnikiem beta wyraża się wzorem:
Skuteczność Procentowa E= (1-1/β)x100%.
Przeciwieństwem filtra absolutnego (filtrów absolutnych, filtry absolutne) jest filtr nominalny (filtry nominalne). Producent arbitralnie nadaje mu efektywność, która najczęściej nie wiele ma wspólnego z rzeczywistą skutecznością. W wielu przypadkach, szczególnie dla zastosowań mikrofiltracyjnych (mikrofiltracji) należy wziąć pod uwagę, że nominalny filtr o efektywności np. 1 µm praktycznie nie jest zdolny zatrzymać żadnej cząsteczki jedno-mikronowej.
Przez długi okres pojęcie filtracji absolutnej było zarezerwowane dla filtrów świecowych. Jednak w ostatnim czasie firmy zaczęły wprowadzać do oferty także filtry workowe absolutne.
Hybrydowe rozwiązania filtracyjne
W wyniku rozwoju technologii filtracji i dążenia do optymalizacji procesów, na rynku pojawiły się rozwiązania, które można nazwać hybrydowymi. Jedną z podstawowych różnic dla filtrów workowych i świecowych był kierunek filtracji: od zewnątrz do środka dla świec filtracyjnych oraz od wewnątrz na zewnątrz dla filtrów workowych (za wyjątkiem worków filtracyjnych odpylających, które naciągane są na druciany szkielet).
W tej chwili istnieją na rynku rozwiązania, cieszące się uznaniem, w postaci jednostronnie otwartych świec z medium filtracyjnym splisowanym oraz filtracją od środka na zewnątrz.
Materiały filtracyjne
Podział klasyfikacyjny filtrów może również zostać dokonany ze względu na materiał filtracyjny, czyli tzw. medium filtracyjne.
Filtry, których medium filtracyjne wykonane jest z włókniny (nonwowens) są to generalnie filtry, które odznaczają się wgłębnym mechanizmem filtracji (zanieczyszczenia wnikają w strukturę filtra). Mogą one posiadać formę zarówno filtrów świecowych typu rurowego, wyprodukowanych techniką melt-blown, spun bonded lub prostych świec filtracyjnych tzw. sznurkowych (filtr sznurkowy, filtry sznurkowe) jak i bardziej zaawansowanych w konstrukcji, filtrów plisowanych.
Popularnym medium włókninowym jest polipropylen PP (melt blown oraz filc filtracyjny) a także poliester (PE), poliamid N (nylon), włóknina szklana (medium borosilicatowe; borkowokrzemianowe; borokrzemianowe). W dziedzinie odpylania istnieje bardzo szeroka gama materiałów typu filcowego: Ryton, PTFE, Nomex, PPS.
Ciekawą odmianą włókniny jest filc z włókien stalowych (włóknina stalowa) wykorzystywana zarówno w procesach odpylania jak i mikrofiltracji cieczy i pary wodnej.
Filtry membranowe
Ważną gama filtrów świecowych, są wkłady których medium filtracyjnym jest membrana syntetyczna. Membrany wykazują w dużym stopniu powierzchniowy mechanizm filtracji (chociaż w celu zwiększenia pojemności zanieczyszczeń (pyłochłonności) konstruuje się membrany tzw. asymetryczne, tak aby na napływie, wielkość porów była większa i stanowiła zintergowaną prefiltrację.
Dzięki kontrolowanemu procesowi produkcyjnemu membran (membran casting) osiąga się bardzo wysokie skuteczności submikronowe i dlatego filtry membranowe są stosowane do najbardziej krytycznych zastosowań, takich jak filtracja mikrobiologiczna (wyjaławiająca, sterylizująca, bioburden reduction filter, redukcja miana bakterii, titre reduction) a także w mikroelektronice i biotechnologii.
Filtry te powinny mieć możliwość okresowej sterylizacji (sterylizacja filtrów, CIP filtrów; SIP filtrów). Parametry filtrów do zastosowań farmaceutycznych często są ujęte w zaleceniach HIMA: Health Industry Manufacturers Association a same filtry podlegają tzw. procesowi walidacyjnemu (walidacja filtrów).
Filtry metalowe
Ważną, szeroką gamą filtrów (wkładów filtracyjnych) są filtry wykonane z metalu (filtry metalowe), najczęściej używane do zgrubnej filtracji (powyżej 10 mikronów). Często nie ma alternatywy dla filtrów metalowych, ze względu na warunki procesu: wysoka temperatura, duża ilość zanieczyszczeń, agresywne środowisko. Najczęściej są to filtry dostosowane do regeneracji (filtry regenerowalne, filtr regenerowalny).
Popularnymi mediami filtracyjnymi metalowymi są: siatki filtracyjne (siatka filtracyjna); metalospiek (metalospieki); mikrówłóknina stalowa (filc stalowy); sita szczelinowe (sito szczelinowe).
W oparciu o media filtracyjne stalowe, konstruowane są bardzo różne urządzenia filtracyjne, tzw. filtry siatkowe. Filtry takie mogą mieć różną formę (filtry świecowe, workowe, koszowe, strainery).
Odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza to metoda filtracji wody, która wykorzystuje półprzepuszczalną membranę osmotyczną. Stanowi popularną i skuteczną metodę oczyszczania wody pitnej. Umożliwia usuwanie m.in. mikroplastiku, pestycydów, metali ciężkich, bakterii, chloru i jego pochodnych, farmaceutyków i siarczanów.
Aby zrozumieć pojęcie odwróconej osmozy, warto rozpocząć od podania definicji samej osmozy. Zjawisko jako pierwszy opisał w 1748 r. Jean-Antoine Nollet. Francuski fizyk wykonał eksperyment z wykorzystaniem świńskiego pęcherza wypełnionego alkoholem i zamoczonego w wodzie.
W przypadku odwróconej osmozy mamy do czynienia z sytuacją odwrotną. Aby ten proces mógł się odbyć, niezbędne są odpowiednio zaprojektowana membrana oraz wysokie ciśnienie.
Zastosowania odwróconej osmozy
- Odsalanie wody morskiej - technologia ta umożliwia usunięcie soli i zanieczyszczeń, przekształcając wodę morską w słodką wodę do picia.
- W medycynie - pozwala uzyskać idealnie czystą wodę, np.
- W biotechnologii - służy do produkcji wody o ultraczystej wody, potrzebnej w laboratoriach np.
- W przemyśle spożywczym - oczyszczona woda jest potrzebna m.in.
W 1959 roku stworzyli asymetryczną membraną z cienką warstwą i grubszym podłożem. Kontynuując swoje prace, zbudowali pierwszą na świecie komercyjną instalację odwróconej osmozy.
Odwróconą osmozę wykorzystują filtry pozdlewowe i nablatowe. Filtry podzlewowe są montowane pod zlewem i podłączana do systemu wodociągowego. Filtry nablatowe często nie wymagają podłączenia do sieci wodociągowej. Wodę wlewa się do zbiornika ręcznie.
Zalety i wady odwróconej osmozy
Najważniejszą zaletą systemów odwróconej osmozy jest wysoka skuteczność w usuwaniu różnych rodzajów zanieczyszczeń. Mają pod tym względem znaczącą przewagę np. nad filtrami węglowymi.
Za wadę domowych filtrów z odwróconą osmozą uznaje się wysoki odrzut wody. Ponadto istnieją zanieczyszczenia, których odwrócona osmoza nie usuwa. Są to głównie gazy. Inny gaz, który może być obecny w wodzie, to siarkowodór. Jego nieprzyjemny zapach czyni ją niezdatną do picia. Odwrócona osmoza nie poradzi sobie z nim równie dobrze jak np. filtry węglowe.
Co więcej, w systemach odwróconej osmozy konieczne jest zastosowanie filtra usuwającego zanieczyszczenia mechaniczne.
tags: #fizyka #zjawisko #filtracji
