Главная > Статьи > Страница13

Механизмы фильтрации. Как работают фильтры с гранулированной средой.

Фильтрация – в водоподготовке основной метод отделения жидкости от твердых тел (железа, взвешенных частиц, органических соединений), который далеко не всегда понятен. Наиболее распространенное представление процесса фильтрации – процеживание или просеивание жидкости, содержащей твердые включения, через серию последовательных «сит», отсеивающих частицы соответствующего «ситу» размера.  И это ошибочное представление! Процеживание – это только один из нескольких механизмов, задействованных в процессе фильтрации. Так как же работают фильтры?

Здесь мы рассмотрим механизмы улавливания твердых частиц (не ионов из раствора) фильтрами с гранулированной средой. Улавливание ионов из раствора лучше описываются механизмом адсорбции, характерным для гранулированного активированного угля (GAC) или цеолита. Цеолит и GAC – не совсем фильтры в классическом понимании и обладают ограниченными способностями к фильтрации.

Соответствие фильтра и задачи.

Начнем с того, что существуют  разные типы фильтров, применяемые в различных задачах водоподготовки:

– волоконные или тканевые картриджи, позволяющие захватить частицы с фиксированную матрицу и заменяемые после заполнения;

– мембранные фильтры, которые отделяют частицы от жидкости, задействуя меньший за частицы размер пор и механизм продавливания;

– фильтры с гранулированной  средой, удавливающие частицы только частично за счет механизма процеживания и в большей степени за счет других способов прикрепления частиц к поверхности гранул.

Фильтры из гранулированной средой относятся к объемным фильтрам, способным улавливать твердые частицы во всей глубине слоя и очищаться обратным потоком. Во многих мембранных фильтрах задействуется поперечный поток воды, постоянно очищающий поверхность мембраны от задержанных частиц. Картриджные фильтры, изготовленные из пористых волокон, ткани, керамики или комбинации различных материалов, при достижении критического накопления загрязнений просто подлежат замене.

Природа не однообразна. Поэтому фильтры постоянно сталкиваются с большим разнообразием характера, состава, формы и размера частиц в воде.

Перемещение и прикрепление.

Физика фильтрации состоит из двух этапов – перемещение частицы и прикрепление частицы к поверхности.  Перемещение – это средство движения частицы водой к грануле, мембране или волокну. Прикрепление – это средство захвата частицы. В простом варианте просеивания частица улавливается лишь потому что ее размер слишком большой для преодоления поры между гранулами, волокнами или в поверхности полупроницаемой мембраны. Так как частицы захватываются порами, их размер уменьшается и эффективность фильтрации увеличивается. С ростом эффективности будут увеличиваться потери давления вплоть до тех пор, пока фильтр полностью не блокирует поток воды и не потребуется очистка поверхности или замена. Если это единственный механизм, тогда было бы легко и просто определить рейтинг фильтрации измерив размер пор. Однако, этот механизм не единственный и фильтры захватывают частицы, размеры которых намного меньше размера пор.

Взаимодействия.

Перемещение – достаточно сложный процесс, который включаем диффузию, продавливание, экранирование, инерцию, седиментацию и гидродинамические взаимодействия. Механизм перемещения описывает путь частицы через фильтр. При приближении частицы к грануле поток направляется вокруг гранулы через поры, сформированные пространством между контактирующими гранулами. Если вода движется медленно (ламинарный поток) частица также движется в соответствии с потоком с учетом вращательных сил, действующих на частицу (зависит от формы и размера частицы) и влияния столкновений с другими частицами и молекулами воды. Это, как минимум, говорит нам о том, что точное математическое описание практически невозможно для любых процессов фильтрации воды и выходит за рамки этой статьи. Точное математическое описание ученые заменяют моделированием процессов, иллюстрирующих различные механизмы. В случае фильтрации осадок на гранулах будет постепенно уменьшать размеры пор, сформированных пространством между гранулами. Это объясняет  причину, по которой качество фильтрации улучшается непосредственно перед потерей пропускной способности. Кроме того, сжатие отфильтрованного осадка перепадом давления дополнительно улучшает фильтрацию. Пример этого – работа фильтра с песком или биофильтра с активированным углем, когда слой накопленного осадка или биомассы выполняет функцию дополнительного фильтра.

В фильтрах с гранулированной средой несмотря на то, что гранулы подвергаются давлению, приложенному потоком воды, механизмы прикрепления таковы, что размер улавливаемых частиц значительно меньше размера гранул. Размер пор, сформированный пространством между гранулами, зависит как от размера, так и от формы гранул. В идеальном случае сферических гранул математически рассчитанный минимальный размер пор составляет 15,47% диаметра сферы.

Частицы перемещаются через слой в потоке под действием сил инерции: собственном хаотическом движении и действующих сил гравитации. Силы гравитации отличаются от действия силы движения потока воды. Кроме того, молекулы воды сталкиваются с частицами, создавая беспорядочное движение частиц, известное как броуновское движение. Одни частицы ударяются в гранулы и осаждаются на верхней поверхности слоя, другие частицы ударяются в сформированный осадок и также остаются на поверхности, формируя своеобразный «купол». Часть частиц будут проникать сквозь поры, соприкасаясь со сторонами гранул и  прикрепляясь к ним. Такие частицы будут в подвержены дальнейшему откреплению за счет взаимодействия с другими частицами из потока или вымывания водой.

Броуновское движение также способно направить частицу на дно гранулы. Таким образом, гранулы не ограничиваются только улавливанием частиц на верхней поверхности зерна или в межзерновых каналах (порах). Нужно помнить, что сама по себе размер молекулы воды на несколько порядков меньше улавливаемой частицы и на много порядков меньше самого фильтрующего зерна. Сферический радиус молекулы воды приблизительно  равен 0,1 нм (0,0001 мкм или 0,0000001 мм). Частица диаметром 3 мкм, размер которой соответствует размеру такого патогенного паразита  как криптоспоридии, приблизительно в 15000 раз больше молекулы воды. Если представить молекулу воды в виде зерна кварцевого песка (≈0,5мм), то улавливаемая частица обладала бы диаметром 5 метров, а зерно фильтрующей среды было бы диаметром 800 метров.

После столкновения частицы с зерном загрузки в действие вступают силы прикрепления и отрыва. Большинство частиц в потоке характеризуются слабым отрицательным зарядом – наличием дополнительных электронов.  Как результат такие частицы будут отталкиваться друг от друга, отталкиваясь также от фильтрующего зерна с электроотрицательным зарядом. Прикрепление подавляется электрическими силами отталкивания в условиях низкого рН. рН- очень важный показатель, представляющий меру концентрации положительно заряженных ионов водорода (протонов). Так что же позволяет прикрепиться частице к поверхности гранулы?

Этих механизмов несколько и все они могут быть одновременно или частично задействованы. Наличие противоположно заряженных частиц создает взаимное притяжение не только к поверхности зерна но и друг к другу, меняя форму, размер, вес и инерцию частицы. «Липкость» частицы является следствием нескольких сил, среди которых силы двойного электрического слоя (электрический барьер) и силы Ван-дер-Ваальса.

Не менее важно понимание того, что разные твердые примеси в воде требуют задействования фильтром разных механизмов удерживания. Природа редко предлагает только одну примесь в воде. Разные примеси и разные комбинации примесей вероятно будут требовать различных механизмов улавливания.

Хлопья положительно заряженного окисленного железа прикрепляются к грануле со слабоотрицательным зарядом за счет фактора «противоположного притяжения». Частицы карбоната кальция (кальцита) или биологические частицы обладают отрицательным зарядом и преодолев электрический барьер могут  быть уловлены фильтром за счет сил Ван-дер-Ваальса. Электрически нейтральные, незаряженные частицы алюминия или кремнезема могут прикрепляться к грануле за счет слабых сил двойного слоя. Ионы растворенного кальция, окруженные молекулами воды в растворе, пройдут без помех через фильтр, но в дальнейшем могут быть задержаны умягчителем.

Заключение.

Фильтры задействуют различные химические и физические силы, действующие на частицы для их извлечения. Знание состава загрязняющих воду примесей обязательно для проектирования системы фильтрации. Понимание методов извлечения различных веществ из воды помогает специалистам по  водоподготовке применять соответствующие задаче методы фильтрации для решения проблем воды.