ФИЛЬТРОВАНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Фильтрование— это разделение неоднородной системы с твердой дисперсной фазой, основанное на задержании твердых частиц пористыми перегородками. Фильтрование может быть шламовым или закупорочным.

Шламовое фильтрование. При шламовом фильтровании основной процесс происходит на слое осадка (шламе), отложившемся поверх фильтрующего материала. Устья пор фильтрующего материала при этом перекрываются частицами дисперсной фазы, и их слой нарастает в процессе фильтрования. По мере его нарастания растет и сопротивление фильтра. Наличие в фильтруемой суспензии коагулирующих и пептизирующих веществ может во много раз увеличить сопротивление осадка. Шламовое фильтрование реализуется для маловязких жидкостей, содержащих большое количество взвешенных частиц. В этом случае слой шлама на поверхности фильтрующего материала быстро нарастает. В начале процесса, когда слой шлама невелик, наблюдается проскок частиц через фильтр. Этот начальный период фильтрования называют периодом обдержки фильтра. Размеры пор фильтрующего материал для шламового фильтрования выбирают мелкими, чтобы частицы не проникали в них и не закупоривали фильтр.

Закупорочное фильтрование. Этот вид фильтрования реализует­ся при малом размере частиц и их небольшом количестве. В связи с малым количеством частиц шлам на поверхности фильтрующего материала не образуется в течение длительного времени.

Особенности закупорочного фильтрования.Процесс происходит /либо до полного закупоривания фильтрующего элемента осадком, либо до уменьшения расхода фильтрата через него на заданную величину. Во всех случаях теория закупорочного фильтрования рассматривает зависимость скорости фильтрования от основных действующих факторов, которую получим следующим образом.

Длязакупорочного фильтрования важен выбор фильтрующего материала. Он должен иметь такие поперечные размеры пор, которые согласуются с размерами задерживаемых частиц. Важен — также правильный выбор объемов фильтрующего материала, занятых соответствующими порами. Поясним это.

Если в качестве фильтрующего материала взять мелкопористую пластину, размер пор которой меньше размеров всех задерживаемых частиц, фильтр с таким фильтрующим материалом будет работать эффективно, но недолго. Крупные частицы относительно быстро закупорят первый по ходу фильтрата слой пор, и расход через фильтр недопустимо снизится, вплоть до полного закупоривания. Более глубоко расположенные слои фильтрующего материала останутся незаполненными фильтруемыми частицами. Этот пример свидетельствует о том, что фильтрующий материал следует специально конструировать для фильтрования конкретных суспензий.

Фильтрующий материал должен иметь поры, поперечные размеры которых уменьшаются по ходу фильтрата. При этом более мелкие частицы задерживаются более глубоко расположенными порами.

При фильтровании реальных низкоконцентрированных суспензий типа питьевой воды, когда ставится задача добиться повышенной чистоты фильтрата, возможно использование только закупорочного фильтрования. Шламовое фильтрование в этом случае не реализуется вследствие низкой концентрации суспензии. Для образования слоя шлама, достаточного для фильтрования, этом случае приходится отфильтровывать так много суспензии, что это становится практически неприемлемым. Для реализации шламового фильтрования в этом случае могут применяться искусственные приемы. Например, в начале процесса на фильтрующую перегородку может быть специально направлена струя жидкости, содержащая мелкодисперсный неорганический материал типа кизельгура (осадочная горная порода, состоящая из опалового кремнезема). Образовавшийся из него шлам является основой для последующего шламового фильтрования.

Как уже было сказано, закупорочное фильтрование имеет ту особенность, что более крупные фильтруемые частицы задерживаются начальной частью фильтра, а более мелкие — более глубоко расположенными его частями. Если крупных частиц в осадке много, начальная часть фильтра быстро заполняется ими. Глубинные слои при этом остаются свободными от частиц. Для рационального использования всего объема фильтра необходимо крупные частицы отфильтровать на другом более крупнозернистом фильтре, т. е. на фильтре с более крупным порогом пропускания. Это заставляет создавать фильтрующие системы, включающие предварительную, окончательную, а при необходимости и промежуточные ступени очистки.

Задерживание частиц в порах фильтра носит вероятностный характер и оценивается параметром, называемым эффективностью задерживания. Эффективность задерживания определяют как относительное количество отфильтрованных частиц. С повышением размеров частиц эффективность задерживания увеличивается.

Перепад давлений на фильтре. Перепад давлений, который определяющим образом влияет на его производительность, может быть создан как повышением давления перед фильтром, так и понижением давления за ним (вакуумированием пространства за фильтром). Повышение давления перед фильтром реализовать значительно легче технически, и полученный перепад давлений может во много раз превосходить перепад давлений, созданный вакуумированием. Казалось бы, это должно обеспечить большие преимущества фильтрам с повышенным давлением на входе. Однако это не так.

Один и тот же перепад давлений на фильтре в зависимости от того, каким образом он создан, оказывает либо сжимающее, либо растягивающее воздействие на частицы осадка. Повышение давления со стороны фильтруемой суспензии сжимает частицы осадка и, если они сжимаемы, деформирует их, уменьшая поры между ними. В результате расход фильтрата уменьшается вплоть до нуля, несмотря на повышение перепада давлений. При воздействии ва­куума со стороны фильтрата отсутствует сдавливание частиц. Деформация их сжатия заменяется деформацией растяжения. В результате поры осадка в процессе фильтрования не закрываются и расход фильтрата не уменьшается. Эта особенность ежи мае осадков объясняет большую производительность вакуумных фильтров и, как следствие, большее их распространение.

Виды течений жидкости в фильтре под действием перепада давлений. Существуют три предельных вида течений через различные устройства:

- ньютоновское, при котором перепад давлений пропорции лен квадрату расхода через рассматриваемое устройство (тр провод, кран, шайбу и др.);

- пуазейлевское, при котором перепад давлений на капиллярной трубочке или в слое пористого материала пропорционален ряду жидкости через них в первой степени;

- фильтрование суспензий через сжимаемую пористую среду пример через слой шлама, при котором перепад давлений обратно: пропорционален расходу жидкости в степени, лежащей между нулем и единицей.

Кроме этих предельных течений могут реализоваться разные их комбинации и промежуточные течения. Это создает большое разнообразие течений, которые можно использовать в конкретных устройствах.

Например, фильтрование на пористых мембранах реализуется в баромембранных установках. Такое фильтрование называют же микро- или ультрафильтрацией. Пористые мембраны пропускают через сквозные поры молекулы малых размеров (малой молекулярной массы) и задерживают высокомолекулярные соединения, в том числе микроорганизмы. Процессы, в которых происходит фильтрование микроорганизмов, называют стерилизацией.

Имеет место большое разнообразие разделительных свойств мембран. Их получают из гидрофобных материалов, например тонколистового фторопласта, либо облучением (бомбардиров; ускоренными тяжелыми ионами с последующим травлением образовавшихся треков до получения сквозных пор, либо полимеризацией из тонких жидких пленок мономеров (см. главу 21).

Все мембраны нуждаются в постоянной очистке и не являются универсальными для разделения частиц различных размеров. Уменьшить засорение мембран можно с помощью СВЧ-колебаний электромагнитного поля перед мембранами. При этом очищать входную полость фильтра можно реже.