Фильтрование с заполнением пор
Важность фильтрования с заполнением пор обусловлена необходимостью повышения эффективности этих процессов в связи с широким применением в качестве фильтровальных перегородок тканевых, волокнистых и полимерных материалов, работа которых характеризуется как кольматацией (заполнение пoр) взвешенным в потоке веществом, так и суффозией (вынос частиц из пор фильтра потоком жидкости или воздуха).
Многочисленные опыты подтвердили прямую пропорциональность между начальной концентрацией вещества в суспензии и количеством этого вещества, оседающим на фильтровальной ткани за единицу времени. В качестве параметра, характеризующего возможность проникновения и задержания частиц, при этом рассматривается отношение усредненного диаметра пор к размерам самих взвешенных частиц.
Установлено, что для задержания частиц необходимо, чтобы это отношение было равно или меньше шести; в противном случае частицы проносятся фильтрационным потоком за пределы пористого элемента. Понятно поэтому, что оценка среднего размера пор, размеров частиц и дисперсного состава представляет определенный практический интерес.
Относительно причин задержания частиц выдвигаются различные соображения. Оттого что, главными силами, воздействующими на твердые частицы, являются силы тяжести, трения и центробежные, появляющиеся в результате динамических сил, с обязательным учетом влияния физико-химических факторов прилипания частиц взвеси к фильтровальной перегородке, а затем и к осевшим частицам. Возможно рассматривать процесс фильтрации суспензий, как суммарный результат изъятия взвешенного вещества из суспензии вследствие адсорбции его частиц к фильтрующему материалу и к ранее осевшим частицам и обратного поступления вещества в поток из за срыва или десорбции частиц под действием динамических сил.
Многие теории по движению суспензий в пористых средах строятся по аналогии с адсорбцией из растворов и основываются па гипотезе мономолекулярного осаждения частиц на поверхности, описываемого уравнением Лангмюра.
Осевшие в порах фильтровальной перегородки частицы оказывают, определенное влияние на дальнейшее протекание процесса фильтрования: они увеличивают истинную скорость движения потока в порах из-за уменьшения размеров последних (это сказывается на явлениях кольматации и суффозии), а так же изменяют структуру пористой среды.
Общую картину, согласно опытным данным, можно представить следующим образом:
Формирование устойчивых скоплений взвеси в порах фильтровального материала резко повышает его задерживающую способность.
Задерживаемое взвешенное вещество, образуя неустойчивые скопления, уменьшает сорбционную способность фильтра.
Однако увеличение грязевых скоплений до значительных, сливаясь с грязевыми оболочками соседних слоев, образовывают сплошные пленки и осадки на фильтрующих перегородках.
При этом можно выделить следующие общие принципы построения моделей:
- первое и наиболее достоверное уравнение находится из баланса для твердой фазы, связывающего две искомые величины — объемную концентрацию взвешенного вещества в жидкости и насыщенность порового пространства задерживаемой взвесью.
Однако уравнения, описывающие процесс фильтрации суспензий, достаточно сложны и включают большое число (до пяти) параметров, подлежащих определению из опытов.
Величины, входящие в уравнения, описывающие процесс фильтрования, можно подразделить на постоянные и переменные. Переменными являются объем фильтрата, продолжительность фильтрования и (при определенных условиях) скорость фильтрации и гидравлическое сопротивление фильтра. К постоянным величинам можно отнести структуру фильтровальной перегородки (если отсутствует закупорка пор) и, безусловно — коэффициенты (константы), характеризующие свойства фильтровальных перегородок и самого сжимаемого осадка. Определяют эти коэффициенты на основе опытов по разделению неоднородных сред фильтрованием; такое определение практически необходимо для реализации самих уравнений, описывающих процесс фильтрования.
Исследования показали, что с уменьшением размеров пор фильтрующей перегородки и при фильтрации через более толстый слой осадка заметно уменьшаются, количество проникающих частиц.
Эффективность очистки и аэродинамическое сопротивление тканевых фильтров в основном зависят от вида применяемой фильтровальной ткани. Так, ткани менее плотные, но ворсистые обладают меньшим сопротивлением и значительно большей задерживающей способностью, чем ткани плотные и маловорсистые, однако, ворсистые ткани трудно регенерировать.