Strona główna  »  To co powinieneś wiedzieć o wodzie  »  Filtracja

Podstawy filtracji

Filtracja jest jedną z metod separacji, czyli techniki oddzielania ciał stałych od cieczy. Jako ciała stałe przyjąć należy tu cząstki o różnych wymiarach, sztywne (nieelastyczne) lub koloidalne.

Separacja wykorzystuje różnice własności ciał stałych i cieczy:

1. Separacja poprzez różnicę gęstości.

a. Flotacja jeśli ciała stałe są lżejsze od cieczy,

b. Sedymentacja jeśli ciała stałe są cięższe niż ciecz.
W tym przypadku szybkość separacji zależy od:
- różnicy w gęstości: większa różnica to szybsza separacja,
- lepkości płynu: wyższa lepkość to wolniejsza separacja,
- wielkości cząstek stałych: większe cząstki to szybsza separacja.
Ogólnie nie jest to metoda szybka oraz separacja nie jest do końca całkowita, ponieważ rozkład wielkości cząstek nie jest jednolity - małe cząstki zostaną dłużej w zawiesinie. Jest jednak stosowana szczególnie w układzie koagulacja - flokulacja - sedymentacja jako pierwszy etap uzdatniania w przemysłach użytkujących bardzo duże ilości wody. W tym przypadku filtry stosowane są do końcowej poprawy jej jakości.

Flotacja i sedymentacja wymagają czasu.

c. Odwirowanie jest oparte na tej samej zasadzie różnicy gęstości, przy uwzględnieniu wpływu lepkości płynu oraz wielkości cząstek, lecz siła napędowa, w przypadku sedymentacji lub flotacji równa przyciąganiu ziemskiemu 1g, jest zastąpiona siłą odśrodkową: zwykle 300g do 40 000g, w celu przyspieszenia procesu separacji.
Sprzęt do wirowania jest kosztowną inwestycją, wymaga dużo energii oraz rozbudowanej obsługi, z powodu stosowanych prędkości obrotowych (>> 3000 obr/min.) oraz konieczności spełnienia wymogów bezpieczeństwa.
W procesach stosujących substancje niebezpieczne w postaci aerozolu (szczepionki, materiały radioaktywne, w niektórych biotechnologiach), oraz w przypadku antybiotyków czułych na zanieczyszczenia, wirówki nie są zalecane, ponieważ wytwarzają dużą ilość aerozolu. Nie jest to też metoda obojętna dla nietrwałych związków chemicznych.
Wirówki wymagają pieniędzy (koszty kapitałowe i obsługi).

2. Separacja poprzez różnice wymiarów.

Oddzielanie cząstek stałych od płynu przy wykorzystaniu własności ich rozmiarów jest domeną filtracji.

Filtracja powierzchniowa

W tym typie separacji, znajdują się wszystkie media filtracyjne, działające na zasadzie zatrzymywania cząstek stałych przez przegrodę umieszczoną na drodze przepływu płynu filtrowanego.
Wielkość zatrzymywanych cząstek jest tu określona przez wielkość oczek w przegrodzie filtracyjnej, lecz mechanizm ten działa tylko w dwóch wymiarach, są też cząsteczki większe przechodzące przez takie medium filtracyjne:
- z powodu odkształcenia cząstek o charakterze żelowatym,
- z powodu mniejszego trzeciego wymiaru cząstki.

Powierzchnia otwarta w przegrodzie filtracyjnej jest niewielka w stosunku do całej jej powierzchni: np. dla siatki o wielkości oczek 400 µm wynosi 40%.

Filtracja wgłębna

Tu znajdują się takie media filtracyjne, których zasadą pracy jest zatrzymanie cząstek twardych i miękkich zawartych w płynie, przez medium pracujące w trzech wymiarach, zatrzymujące większe cząstki na swojej powierzchni, a cząstki mniejsze wewnątrz, w głębi swojej struktury.
Cząstki żelowate oraz nitkowate są zatrzymane w "labiryncie" stworzonym przez kręte pory w medium filtracyjnym.
Media filtracyjne tego rodzaju mają objętość porów do 80%, w konsekwencji daje to dłuższą żywotność wkładu i zmniejszenie kosztów filtracji.

3. Separacja przez różnice ładunku elektrycznego.

W tym przypadku kluczowym parametrem są własności fizyko-chemiczne cząstek lub cząsteczek:
- ładunek jonowy,
- hydrofilność lub hydrofobowość,
- konfiguracja przestrzenna,
- łańcuchy organiczne.

Adsorpcja

Cząstki lub cząsteczki są zatrzymywane w medium przez wiązania jonowe, wiązania kowalencyjne, lub siły adsorpcyjne (wiązania słabe).

Chromatografia

Stosowana do separacji cząsteczek. W chromatografii medium jest złożem miękkich lub twardych ziaren posiadających ładunek elektryczny lub związek adsorbujący, stosowane partiami lub w formie kolumny przez którą przepływa produkt. Po adsorpcji medium chromatograficzne jest następnie wymywane do regeneracji lub do odzyskiwania interesujących cząstek.

Rodzaje i typy filtracji

1. Podział ze względu na cel:

Klasyfikacja

Jest to "odsiewanie" dla usunięcia lub oddzielenia cząstek większych od cząstek mniejszych, dla określonej wielkości. Jest stosowana np. dla usunięcia aglomeratów pigmentów z farb.

Klarowanie

Jest to filtrowanie płynów zawierających małe ilości rozproszonych ciał stałych (< 1 ppm). Filtracja usuwa większość ciał stałych z całego zakresu wielkości ich cząstek i zwiększa klarowność płynu. Jest stosowana do usuwania zanieczyszczeń z względnie czystych produktów.

2. Różne poziomy filtracji ze względu na wielkość zatrzymywanych cząsteczek:

10 µm < Makrofiltracja  
10 µm < Mikrofiltracja < 0,1 µm
0,1 µm < Ultrafiltracja < 100 Å
100 Å < Nanofiltracja < 10 Å
Odwrócona osmoza < 10 Å

3. Rodzaje filtracji w zależności od kierunku przepływu:

a. 100 % strumienia cieczy filtrowanej przepływa przez przegrodę filtracyjną
filtracja "dead end" ["końcowa"]
 
b. tylko część strumienia cieczy filtrowanej przepływa przez przegrodę
filtracja "cross flow" ["przepływowa"]

Medium filtracyjne

Medium filtracyjne jest to część robocza filtra, umożliwiająca uzyskanie żądanej separacji.

    Rodzaje materiałów, z których wytwarzane są media filtracyjne:
  • Luźne cząstki i/lub włókna
  • Związane ze sobą cząstki lub włókna
  • Homogeniczne - membrany, metale
  • Tkaniny metalowe lub niemetalowe
  • Urządzenia mechaniczne
    Media filtracyjne stosowane przez firmę CUNO:
    • Wgłębne - składniki medium związane ze sobą
      • Micro-Klean - wkłady cylindryczne z włókien połączonych żywicą
      • Zeta Plus - włókna i cząsteczki łączone żywicą
      • Betapure - cylindryczne wkłady z włókien dwuskładnikowych
      • Micro-Wynd - nawijana przędza wraz z przeplatanym medium wgłębnym
      • Polypro-klean - stapiane i rozdmuchiwane media spiralnie nawijane
    • Powierzchniowe
    • Adsorpcyjne

Zasady doboru filtrów

Przy doborze medium filtracyjnego [a następnie rodzaju wkładu filtracyjnego] do konkretnego zastosowania należy kierować się:

Efektywnością usuwania zanieczyszczeń
Spodziewaną żywotnością filtra (wydajnością filtracji)
Spadkiem ciśnienia na filtrze

Biorąc pod uwagę:

Koszty
Rodzaj płynu i zanieczyszczeń
Substancje wymywane z medium filtracyjnego
Substancje z cieczy zatrzymywane przez medium filtracyjne
Przepisy prawne
itd.