Главная > Статьи > Страница13

Механізми фільтрації. Як працюють фільтри з гранульованим середовищем.

Фільтрація – у водопідготовці основний метод відокремлення рідини від твердих тіл (окислів заліза, зважених частинок, органічних сполук), який далеко не завжди зрозумілий. Найбільш поширене уявлення процесу фільтрації — проціджування або просіювання рідини з твердими включеннями через серію послідовних сит, що відсіюють частинки відповідного ситу розміру. І це помилкове уявлення! Проціджування – це лише один із декількох механізмів, задіяних у процесі фільтрації. Тож як працюють фільтри?

Тут ми розглянемо механізми уловлювання твердих частинок (не іонів з розчину) фільтрами з гранульованим середовищем. Уловлювання іонів з розчину краще описуються механізмом адсорбції, характерним для гранульованого активованого вугілля (GAC) або цеоліту. Цеоліт і GAC — не зовсім фільтри в класичному розумінні і мають обмежені здібності до фільтрації.

Відповідність фільтра та завдання.

Почнемо з того, що існують різні типи фільтрів, які застосовуються в різних завданнях водопідготовки:

– волоконні або тканинні картриджі, які дозволяють захопити частинки з фіксованою матрицею та які замінюються після заповнення;

– мембранні фільтри, які відокремлюють частинки від рідини, задіявши менший за частки розмір пір та механізм силового продавлювання;

– фільтри з гранульованим середовищем, які уловлюють частинки тільки частково за рахунок механізму проціджування і більшою мірою за рахунок інших способів прикріплення частинок до поверхні гранул.

Фільтри з гранульованим середовищем відносяться до об’ємних фільтрів, здатних уловлювати тверді частинки у всій глибині шару та очищатися зворотним потоком. В мембранних фільтрах задіюється поперечний потік води, який постійно очищає поверхню мембрани від затриманих частинок. Картриджні фільтри, виготовлені з пористих волокон, тканини, кераміки або комбінації різних матеріалів, при досягненні критичного накопичення забруднень просто підлягають заміні.

Природа не одноманітна! Тому фільтри постійно стикаються з великою різноманітністю характеру, складу, форми та розміру частинок у воді.

Переміщення та прикріплення.

Фізика фільтрації складається з двох етапів – переміщення частинки та прикріплення частинки до поверхні. Переміщення – це засіб руху частинки водою до гранули, мембрани або волокна. Прикріплення – це засіб захоплення частки. У простому варіанті просіювання частка вловлюється лише тому, що її розмір занадто великий для подолання пори між гранулами, волокнами або поверхні напівпроникної мембрани. Так як частинки захоплюються порами, їх розмір зменшується та ефективність фільтрації збільшується. Зі зростанням ефективності збільшуватимуться втрати тиску аж доти, доки фільтр повністю не блокує потік води і не буде потрібно очищення поверхні або заміна. Якщо це єдиний механізм, тоді було б легко і просто визначити рейтинг фільтрації, вимірявши розмір пори. Однак, цей механізм не єдиний і фільтри захоплюють частинки, розміри яких набагато менше розміру пор.

Взаємодія.

Переміщення – досить складний процес, який включає дифузію, продавлювання, екранування, інерцію, седиментацію та гідродинамічні взаємодії. Механізм переміщення визначає шлях частинки через фільтр. При наближенні частинки до гранули потік направляється навколо гранули через пори, сформовані простором між гранулами. Якщо вода рухається повільно (ламінарний потік) частка також рухається відповідно до потоку з урахуванням обертальних сил, що діють на частинку (залежить від форми та розміру частинки) та впливу зіткнень з іншими частинками та молекулами води. Це, як мінімум, говорить нам про те, що точний математичний опис практично неможливий для будь-яких процесів фільтрації води і виходить за рамки цієї статті. Точний математичний опис вчені замінюють моделюванням процесів, що ілюструють різні механізми. У разі фільтрації осад на гранулах поступово зменшуватиме розміри пір, які формують простір між гранулами. Це пояснює причину, через яку якість фільтрації покращується безпосередньо перед втратою фільтром пропускної здатності. Крім того, стиск відфільтрованого осаду перепадом тиску додатково покращує фільтрацію. Приклад цього – робота фільтру з піском або біофільтра з активованим вугіллям, коли шар накопиченого осаду або біомаси виконує функцію додаткового фільтра.

У фільтрах з гранульованим середовищем незважаючи на те, що гранули піддаються тиску, прикладеному потоком води, механізми прикріплення такі, що розмір уловлюваних частинок значно менше розміру гранул. Розмір пір, сформований простір між гранулами, залежить як від розміру, так і від форми самих гранул. В ідеальному випадку сферичних гранул математично розрахований мінімальний розмір пор становить 15,47% діаметра сфери.

Частинки переміщуються через шар у потоці під впливом сил інерції: власному хаотичному русі і сил гравітації. Дія сил гравітації відрізняється від дії сили руху потоку води. Крім того, молекули води стикаються з частинками, створюючи безладний рух частинок, відомий як броунівський рух. Одні частинки вдаряються в гранули і осаджуються на верхній поверхні шару, інші вдаряються в сформований осад і також залишаються на поверхні, формуючи своєрідний «купол». Частина частинок проникатимуть крізь пори, стикаючись зі сторонами гранул і прикріплюючись до них. Такі частинки будуть піддані подальшому відкріпленню за рахунок взаємодії з іншими частинками з потоку або вимивання водою.

Броунівський рух також здатний спрямувати частинку на дно гранули. Таким чином, гранули не обмежуються тільки уловлюванням частинок на верхній поверхні зерна або міжзернових каналах (порах). Потрібно пам’ятати, що сам по собі розмір молекули води на кілька порядків менше частинки, що вловлюється, і на багато порядків менше самого фільтруючого зерна. Сферичний радіус молекули води приблизно дорівнює 0,1 нм (0,0001 мкм або 0,0000001 мм). Частка діаметром 3 мкм, розмір якої відповідає розміру таких патогенних паразитів як криптоспоридії, приблизно в 15000 разів більше молекули води. Якщо уявити молекулу води у вигляді зерна кварцового піску (≈0,5мм), то частка, що уловлюється, мала б діаметром 5 метрів, а зерно фільтруючого середовища було б діаметром 800 метрів.

Після зіткнення частки із зерном завантаження в дію вступають сили прикріплення та відриву. Більшість частинок у потоці характеризуються слабким негативним зарядом – наявністю додаткових електронів. Як результат такі частинки будуть відштовхуватися один від одного, відштовхуючись також від зерна, що фільтрує, з електронегативним зарядом. Прикріплення пригнічується електричними силами відштовхування за умов низького рН. рН- дуже важливий показник, що становить міру концентрації позитивно заряджених іонів водню (протонів). Тож що дозволяє прикріпитися частинці до поверхні гранули?

Цих механізмів декілька і всі вони можуть бути одночасно чи частково задіяні. Наявність протилежно заряджених частинок створює взаємне тяжіння як до поверхні зерна так і одна до одної, змінюючи форму, розмір, вагу та інерцію частки. «Липкість» частинки є наслідком кількох сил, серед яких сили подвійного електричного шару (електричний бар’єр) та сили Ван-дер-Ваальса.

Не менш важливим є розуміння того, що різні тверді домішки у воді вимагають задіяння фільтром різних механізмів утримування. Природа рідко пропонує лише одну домішку у воді. Різні домішки та різні комбінації домішок ймовірно вимагатимуть різних механізмів уловлювання.

Частки позитивно зарядженого окисленого заліза прикріплюються до гранули зі слабонегативним зарядом за рахунок фактора протилежного тяжіння. Частинки карбонату кальцію (кальциту) або біологічні частинки мають негативний заряд і подолавши електричний бар’єр можуть бути уловлені фільтром за рахунок сил Ван-дер-Ваальса. Електрично нейтральні, незаряджені частинки алюмінію чи кремнезему можуть прикріплюватися до гранули за рахунок слабких сил подвійного шару. Іони розчиненого кальцію, оточені молекулами води в розчині, пройдуть без перешкод через фільтр, але надалі можуть бути затримані пом’якшувачем.

Висновок.

Фільтри залучають різні хімічні та фізичні сили, що діють на частинки для їх вилучення. Знання складу домішок, що забруднюють воду, обов’язкове для проектування системи фільтрації. Розуміння методів вилучення різних речовин з води допомагає фахівцям з водопідготовки застосовувати відповідні задачі методи фільтрації для вирішення проблем води.