Filtracja wgłębna: procesy, materiały i mechanizmy separacji
- Szczegóły
Procesy związane z filtracją wgłębną pojawiają się zarówno przy rozdzielaniu zawiesin, jak i przy separacji cząstek cieczy albo ciała stałego z powietrza lub gazów odlotowych. Stosowane w tym celu materiały filtracyjne mają rozmiary porów większe niż rozmiary cząstek, które mają być odseparowane, tak, że cząstki mogą osadzić się wewnątrz złoża filtracyjnego o względnie dużej objętości. Rozwiązanie takie pozwala osiągnąć bardzo niewielkie spadki ciśnienia.
Materiały filtracyjne do filtracji wgłębnej, które są stosowane zarówno przy rozdzielaniu faz ciecz - ciało stałe, jak i do separacji w układach gaz - cząstki cieczy lub ciała stałego, to przede wszystkim materiały ziarniste, maty z włókien oraz zbite masy. Dla tego celu, jako materiały filtracyjne przy filtracji wgłębnej wykorzystywane są głównie maty włókninowe.
Z powodu znacznie podniesionego w ostatnich latach stopnia czułości na drobne cząstki o rozmiarach z zakresu mikro - i nanometrów, pojawiły się zwiększone oczekiwania dotyczące rozwoju odpowiednich technologii filtracyjnych, nie tylko w zakresie separacji ciecz - ciało stałe, ale przede wszystkim przy rozdzielaniu mieszanin gaz - cząstki ciała stałego. Jest to związane z zagrożeniem, jakie najdrobniejsze cząstki mogą stanowić dla ludzkiego układu oddechowego.
Tego typu materiały filtracyjne składają się na przykład z gruboziarnistej, mikroporowatej warstwy wspomagającej (średnica włókien ok. 20 mikrometrów) oraz powłoki z nanowłókien (średnica włókna ok. 0.15 mikrometra), która zwykle jest produkowana przy użyciu technologii „melt-blown” (rozdmuch w strumieniu gorącego powietrza). Przy produkowaniu warstw z nanowłókien zastosowana może być również metoda galwanicznie formowanego runa.
Mechanizmy separacji z wykorzystaniem materiałów filtracyjnych wykonanych z nanowłókien
Na przestrzeni ostatnich kilku lat rozwój w zakresie optymalnej konstrukcji filtrów oraz wyjaśnienia mechanizmu separacji aerozoli przy użyciu tego typu warstw filtracyjnych był obiektem intensywnych badań. Dla przykładu, porównawcze testy eksperymentalne i próby obliczenia tak zwanego „czynnika jakości” pokazały, że materiał filtracyjny składający się z trzech warstw jest bardziej korzystny w zastosowaniu niż analogiczny materiał składający się z dwóch warstw. Poniekąd spowodowane jest to faktem, że trójwarstwowy materiał filtracyjny składa się ze wspomagającej warstwy z mikrowłókien oraz nałożonej na nią warstwy nanowłókien.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Sytuacja w punkcie przejściowym między warstwami podczas separacji to temat, który leży w centrum zainteresowania wytwórców tak zwanych kompozytowych materiałów filtracyjnych, które składają się z drobnych i gruboziarnistych warstw włóknistych. Z tego właśnie powodu grupa pracowników naukowo - badawczych zajęło się badaniami modelowymi przepływu dwuwymiarowego otaczającego przekroje poprzeczne dwóch włókien (nanowłókna i mikrowłókna).
Okazało się, że nanowłókno przylegające do mikrowłókna redukowało jego efektywność separacji (w związku z występowaniem efektu cienia), ale intensyfikowało tworzenie się dendrytów. Co więcej, okazało się również, że rozmiar najbardziej penetrującej cząstki (MPPS - Most Penetrating Particle Size) nie wynosił 0.3 mikrometra, jak to miało miejsce zazwyczaj, ale mógł się zmieniać w bardzo dużym zakresie, zależnie od różnych parametrów (średnicy włókna, objętościowego przepływu gazu).
W /9/ przebadano zachowanie cząstek w aglomeratach względem separacji, które ma duże znaczenie np. wtedy, gdy rozważana jest separacja sadzy z silników Diesla. Pod względem teorii rozważany był wpływ na separację różnych aglomeratów, które znacznie odbiegały kształtem od sferycznego, ale miały tę samą masę. Okazało się, że w przypadku aglomeratów o dużych i małych rozmiarach fraktalnych (w odniesieniu do kształtu sferycznego) wystąpiły duże różnice.
Hoferer porównuje różne wspomniane w literaturze modele separacji i spadki ciśnienia i dochodzi do konkluzji, że w czasie weryfikacji eksperymentalnej pojawiają się ogromne różnice o rozmiarach większych niż jeden rząd wielkości. Przyczyną tego zjawiska jest fakt, że warunki brzegowe, jakie towarzyszyły tworzeniu tego modelu, uległy różnorodnym zmianom.
W celu zrozumienia zachowania podczas separacji na pojedynczym włóknie powstały różne opracowania, których realizacja możliwa było dzięki zastosowaniu narzędzi symulacyjnych. Efekty tych inicjatyw zostały opublikowane w /11, 13/. W /14/ pojedyncze włókno stalowe zostało poddane działaniu strumienia cząstek gazu i przy pomocy współogniskowego laserowego mikroskopu skaningowego (CLSM -Confocal Laser Scanning Microscope) podjęto próbę stworzenia wizualizacji położenia różnych cząstek znajdujących się na włóknie stalowym. Próbowano również obliczyć opór przepływu, wykorzystując CFD (Computational Fluid Dynamics).
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Co więcej, efektywność separacji pojedynczego włókna była określana przez pomiar za pomocą licznika cząstek usytuowanego przed i za włóknem, przy rosnącym obciążeniu pyłem. Dla celów porównawczych efektywność separacji indywidualnych włókien była również określana w równoległych szeregach włókien, które wzajemnie wpływały na siebie w związku z efektem cienia.
Jeśli teraz efektywność separacji pojedynczego włókna zostaje rozszerzona na wszystkie włókna w warstwie w celu obliczenia całkowitej efektywności separacji dla homogenicznej warstwy filtracyjnej (przy wystąpieniu efektu cienia oraz przy jego braku) oraz odpowiednich strat ciśnienia, to można pokazać, że efekt połączonych włókien, który powoduje niejednorodność w układzie porów, ma pewien dość znaczący wpływ na efektywność separacji i straty ciśnienia.
Jedna z metod, pozwalających na uwidocznienie lokalnego trójwymiarowego rozkładu materii za pomocą obrazowania rezonansu magnetycznego wewnątrz optycznie niedostępnego materiału filtracyjnego stosowanego w filtracji wgłębnej, została przedstawiona w /15/. W przyszłości coraz więcej uwagi powinno skupiać się na badaniu wpływu niejednorodności filtra na zachowanie podczas procesu filtracji, lub na rozwijaniu odpowiednich i prostszych metod pomiaru stopnia niejednorodności oraz, w konsekwencji, dostosowanych do nich parametrów umożliwiających jego ocenę.
Niejednorodność w głębi materiału filtracyjnego również w różny sposób wiążą się ze zmianami przepływu, co jest związane z występowaniem fluktuacji porowatości. Porowatości te mogą być stwierdzone na podstawie symulacji przepływu na różnych strukturach upakowanych. Niedawno przeprowadzonych zostało wiele badań dotyczących tego zagadnienia, np. /16, 17/.
Aby możliwe było wzięcie pod uwagę wpływu takich zjawisk, jak ruchy Browna, adhezja, elektrostatyczne siły przyciągające czy działanie ekranujące w materiałach włóknistych, stworzono ekstrawaganckie, trójwymiarowe symulacje przepływu. Dla celów tych badań, geometryczna struktura warstwy włóknistej została wcześniej odtworzona w formie odpowiedniego modelu komputerowego na podstawie tomografii komputerowej i programu mikroskopowego.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Zakładano, że z pomocą tego oprogramowania możliwe będzie uzyskanie pewnych wskazówek co do struktury nowego, wzmocnionego materiału filtracyjnego, powstałego przez zmiany różnych parametrów jak grubość warstwy, skład itp. W /18/ poczyniono próbę odtworzenia rezultatów „intruzji rtęciowej” - pomiarów przepuszczalności oraz przenikalności „wyciskanej cieczy” - we wcześniej wspomnianym modelu struktury porów tak, by później możliwa była symulacja separacji cząstek dla każdego materiału filtracyjnego przy pomocy towarzyszącej, niemalże rzeczywistej strukturze modularnej.
W /22/ pokazano, że efektywność separacji takich włókien wynika z efektywności separacji mechanicznej w połączeniu z efektywnością separacji elektrycznej. Przy wzrastającym obciążeniu włókna pyłem, efekt elektretowy włókien staje się słabszy z powodu powłoki z pyłu i całkowita efektywność separacji spada. Dalszy wzrost obciążenia skutkuje powolnym zmniejszaniem się efektu elektretowego i całkowita efektywność separacji pojedynczego włókna znowu wzrasta, jako że składowa mechaniczna efektywności separacji rośnie z powodu wzrastającego przepływu objętościowego strumienia cząstek ciała stałego przez włókno otoczone wypustkami.
W konsekwencji, krzywa efektywności separacji osiąga minimum na wykresie, gdzie osią odciętych jest czas obciążania pyłem. Spadek efektywności separacji elektrycznej był modelowany przy zastosowaniu czynnika przyspieszenia elektrycznego, który można wyrazić jako logarytm z masy osadzonego pyłu. Istnieje opis wpływu zarówno naładowanych i nienaładowanych cząstek, jak i cząstek o różnych dużych rozmiarach, na czynnik przyspieszenia.
Elektryczne ładowanie materiałów filtracyjnych przez wstępną obróbkę z wykorzystaniem surfaktantów anionowych środków powierzchniowo- czynnych, które są bardzo popularne przy membranach ciekłych, zostało po raz pierwszy zastosowane we włókninowych materiałach filtracyjnych, służących do filtracji powietrza, i było z powodzeniem testowane metodą pomiaru efektywności separacji w aerozolowych testujących urządzeniach filtracyjnych /23/.
Rozwój metod optymalizacji materiału włóknistego o różnej porowatości oraz grubości warstw był możliwy w przypadku, gdy warstwy włókniste wełny mineralnej były stosowane przy separacji aerozoli. Po eksperymentalnym określeniu wartości penetracji dla cząstek rozmiaru MPPS oraz zachowaniu względem spadku ciśnienia w urządzeniu testowym do przeprowadzania filtracji wgłębnej oraz obliczeniu odpowiedniego czynnika jakości, okazało się, że bardzo duża porowatość warstwy pojawiała się przy jej j największej grubości /24/.
tags: #filtracja #pod #stalym #cisnieniem #ichip
