Filtracja: Kierunek Przepływu Cieczy i Metody Zastosowania
- Szczegóły
Filtracja jest procesem kluczowym w wielu dziedzinach, od hydrogeologii po akwarystykę. Zrozumienie zasad filtracji i kierunku przepływu cieczy jest niezbędne dla efektywnego oczyszczania i utrzymania odpowiednich warunków w różnych środowiskach.
Prawo Darcy i Współczynnik Filtracji
Pierwszym badaczem, który zajął się zjawiskiem filtracji, był francuski badacz Darcy. Na podstawie swych badań Darcy stwierdził, że ilość wody przepływającej przez środowisko porowate w jednostce czasu jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego, przekroju poprzecznego środowiska filtracyjnego i współczynnika filtracji. Wyraża ono liniową zależność fikcyjnej prędkości filtracji od spadku hydraulicznego, dlatego równanie to nazywa się liniowym prawem filtracji.
Prawo Darcy ważne jest jedynie w warunkach ruchu laminarnego (przy małych prędkościach cząstek wody). Ruch laminarny, czyli warstwowy jest to ruch cieczy, w którym cząstki wody poruszają się po torach równoległych do siebie i do osi przewodu, cząstki nie mieszają się, a ich drogi nie krzyżują się. Ruch laminarny występuje tylko przy małych prędkościach cząstek wody.
Z powyższej równości wynika, że współczynnik filtracji ma wymiar prędkości. Współczynnik filtracji zależy ód filtracyjnych właściwości ośrodka gruntowego, a przede wszystkim od wielkości i równomierności uziarnienia oraz od fizycznej właściwości filtrującej cieczy, mianowicie jej ciężaru właściwego, temperatury i lepkości. A więc ten sam ośrodek gruntowy, w zależności od cieczy w nim przepływającej może wykazywać różne wartości współczynnika filtracji. Dążąc do określenia filtracyjnej zdolności podłoża gruntowego niezależnej od fizycznych własności cieczy, wprowadzono pojęcie współczynnika wodoprzepuszczalności.
Wymiarem współczynnika przepuszczalności jest cm2 , lub jednostka mniejsza zwana darcy, oznaczana literą δ. Współczynniki filtracji i przepuszczalności są miernikami własności filtracyjnych ośrodka porowatego. Jakkolwiek wszystkie grunty będąc ośrodkiem porowatym posiadają zdolność przewodzenia wody, jednak te z nich, które zdolne są filtrować minimalne ilości wody, przyjęto nazywać nieprzepuszczalnymi.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Współczynnik Filtracji dla Gruntu Złożonego z Warstw
Dla gruntu złożonego z warstw o różnych wartościach współczynnika filtracji można wyznaczyć zastępczy (uśredniony) współczynnik filtracji. Rozpatrzmy ośrodek zbudowany z N poziomych warstw zgodnie z powyższym schemtem, z których każda ma miąższość di i współczynnik filtracji ki. Przyjmijmy, że przepływ ma charakter ustalony w kierunku x, równoległym do warstw (rozkład ciśnienia w każdym przekroju wzdłuż osi z jest hydrostatyczny, a linie prądu są równoległe do warstw). Równoważny współczynnik filtracji jest zatem zdefiniowany jako ważona średnia arytmetyczna współczynników filtracji poszczególnych warstw.
Średnia określona powyższym wzorem nosi nazwę ważonej średniej harmonicznej.
Filtracja w Akwarystyce
Filtracja w akwarium to serce zbiornika. Wybór filtracji i mediów filtracyjnych jest mocno zależny od sukcesu w prowadzeniu akwarium słodkowodnego przez lata.Początki filtracji biologiczno-mechanicznej sięgają lat 30. XX w. co świadczy o tym, że akwaryści wcześniej nie używali filtracji. Jak się im to udawało? W obecnych czasach jednak, większość akwarystów posiada w swoich akwariach filtrację. Pozwala im to zachować równowagę biologiczną, stały cykl azotowy, dobrą cyrkulację oraz optymalne warunki w akwarium.
W oczyszczaniu i klarowności wody duże znaczenie ma nie tylko sam filtr, ale też ustawienie filtra i kierunek przepływu wody. Wylot przy powierzchni - delikatnie porusza taflę wody, co poprawia wymianę gazową i napowietrzanie.
Rodzaje Filtracji w Akwarium
- Filtracja mechaniczna - podstawowa filtracja wody w akwarium. Jej zadaniem jest oczyszczanie zbiornika z nieczystości w wodzie, takich jak resztki jedzenia czy roślin.
- Filtracja biologiczna - najważniejszy czynnik odpowiadający za zdrową wodę wewnątrz akwarium i czystość wody.
- Filtracja chemiczna - usuwa zanieczyszczenia chemiczne, których nie wychwyci filtracja mechaniczna ani biologiczna. Stosuje się np. węgiel aktywny, zeolit czy żywice jonowymienne. Poprawia klarowność wody i usuwa toksyny, ale używa się jej głównie okresowo, np.
Rodzaje Filtrów Akwariowych
- Filtr kubełkowy - najpopularniejszy model filtracji w akwarystyce słodkowodnej i słonowodnej. Filtry kubełkowe to wybór numer jeden do średnich i dużych zbiorników - oferują dużą pojemność na media, wysoką wydajność i stabilną filtrację biologiczną. Filtr kubełkowy należy według ogólnych zasad czyścić co 3-6 miesięcy, choć przy mocno zarybionym akwarium można zwiększyć tę częstotliwość.
- Filtr wewnętrzny - najczęściej wybierany przez początkujących akwarystów (prawdopodobnie przez niską cenę). Filtry wewnętrzne to najpopularniejszy wybór wśród osób zaczynających przygodę z akwarystyką. Są niedrogie, łatwe w montażu i proste w obsłudze. Urządzenia wewnętrzne należy czyścić częściej ze względu na mniejszą pojemność na media filtracyjne.
- Filtr kaskadowy - estetyczny i coraz bardziej popularny na rynku akwarystycznym. Filtr kaskadowy zalicza się do filtrów zewnętrznych i będzie perfekcyjnym wyborem przy średnich akwariach. Jest estetyczny i dodaje swojego klimatu "ala wodospadu". Jest prosty w obsłudze, i tani w eksploatacji. Filtry kaskadowe to proste w obsłudze i wydajne urządzenia zewnętrzne, idealne do małych i średnich akwariów, choć oferują mniejszą pojemność na media niż filtry kubełkowe.
Dobór Filtrów do Akwarium
Podstawowa zasada: filtr powinien przepompować 4-6 objętości akwarium na godzinę. Na pudełkach producenci często wypisują litraż jaki może obsłużyć dany filtr.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
- Do małych akwariów (do 60 l) wystarczą filtry kaskadowe/wewnętrzne.
- Do średnich i dużych zbiorników (100-200 l) polecane są filtry kubełkowe.
Filtry wewnętrzne i kaskadowe powinny być zanurzone w wodzie - wirnik zawsze musi znajdować się pod powierzchnią.
Filtry Narurowe
Wydajna filtracja jest nierozłącznym elementem każdego zbiornika Malawi. Jej zadaniem jest zapewnienie mieszkańcom przejrzystej, czystej wody o odpowiednich parametrach. Sposobów na osiągnięcie takiego stanu rzeczy jest wiele. Jednym z możliwych rozwiązań jest filtr zewnętrzny oparty na korpusach narurowych zwany potocznie narurowcem, w którym przepływ wody napędzany jest pompą obiegową. Filtr zewnętrzny to taki filtr, w którym oczyszczenie wody odbywa się poza zbiornikiem. W tym celu jest ona wyprowadzana poza akwarium, następnie przechodzi przez odpowiednio dobrane media filtracyjne.
Warto podkreślić, że filtra narurowego nie kupimy w sklepie, musimy skonstruować go sami. Nie jest to jakieś specjalnie trudne zadanie, jednakże brak informacji może zniechęcić do jego budowy.
Elementy Składowe Filtra Narurowego
- Pompa obiegowa: Jej zadaniem jest napędzanie przepływu wody przez filtr. Standardowo nowoczesne pompy pozwalają na regulację prędkości obrotowych wirnika pompy co przekłada się na prędkość przepływu wody w układzie, co za tym dalej idzie mniejszą lub większą falę w akwarium.
- Korpusy narurowe: W filtracji narurowej media filtracyjne umieszczane są w korpusach narurowych. Montując korpus do układu należy zwrócić uwagę na oznaczenia IN/OUT informujące o kierunku przepływu wody, która wpływa do korpusu tam gdzie jest oznaczenie IN, a wypływa tam gdzie jest OUT. W przypadku sekcji biologicznej i zastosowaniu w korpusie kawałka rurki PVC lub węża ogrodowego korpus podłączamy na odwrót, czyli OUT/IN.
- Rury PVC: Kolejnym bardzo istotnym elementem filtracji opartej o korpusy narurowe są rury dzięki którym możliwe będzie połączenie wszystkiego w całość.
- Kolanka i trójniki: Pierwsze pozwolą nam wykonywać „zakręty” a drugie umożliwią tworzenie odnóg i dodatkowych nitek przez które będzie płynąć filtrowana woda.
- Zawory: Każdy filtr narurowy powinien być wyposażony w zawory pozwalające na zamknięcie dopływu/odpływu wody z akwarium.
Filtracja Chemiczna w Filtrze Narurowym
Trochę inaczej sprawa wygląda w filtracji chemicznej, gdzie przepływ wody przez filtr powinien być stosunkowo niski. W tym przypadku wodę do korpusu doprowadzamy standardowo przy pomocy rury o średnicy 32 mm natomiast woda wyprowadzana jest z filtra poprzez zawór osmozy.
Montaż Grzałki w Filtrze Narurowym
W filtrze narurowym z powodzeniem można zamontować grzałkę, co pozwoli potencjalnemu użytkownikowi ograniczyć ilość sprzętu umieszczonego w zbiorniku podnosząc jego walory estetyczne.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Przemysłowe Filtry do Cieczy i Gazów
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.
Rodzaje Filtrów Przemysłowych
- Filtry świecowe: 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.
- Filtry absolutne: 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.
- Filtry nominalne: 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.
- 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.
Materiały Filtracyjne
Podział klasyfikacyjny filtrów może również zostać dokonany ze względu na materiał filtracyjny, czyli tzw. Filtry, których medium filtracyjne wykonane jest z włókniny (nonwowens) są to generalnie filtry, które odznaczają się wgłębnym mechanizmem filtracji (zanieczyszczenia wnikają w strukturę filtra). 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. Ważną gama filtrów świecowych, są wkłady których medium filtracyjnym jest membrana syntetyczna.
Przykładowa Tabela Podziału Skał i Gruntów wg Przepuszczalności
| Rodzaj Skały/Gruntu | Przepuszczalność |
|---|---|
| Żwir | Bardzo wysoka |
| Piasek | Wysoka |
| Glina piaszczysta | Średnia |
| Glina | Niska |
| Skały lite spękane | Zmienna (zależy od stopnia spękania) |
| Skały lite niespękane | Bardzo niska |
tags: #filtracja #kierunek #przepływu #cieczy
