Фильтрование через объемные перегородки

 

Глубинные (объемные) фильтровальные перегородки применяют для осветления суспензий с низкой концентрацией твердой фазы, которая, проникая внутрь перегородки, задерживается в порах, оседает и адсорбируется. Процесс фильтрования проводится с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор во всем объеме фильтрующей перегородки.

В качестве объемных фильтров используют перегородки с сетчатыми элементами и фильтры с фильтрующим зернистым слоем (насыпные фильтры).

Основными характеристиками пористой среды фильтра является порозность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры пористой среды и связана с размером зерен, образующих слой, их формой и укладкой. Если обозначить порозность через e, а объем, занимаемый телом, через V_в , тогда

e + V_в = 1. (25)

При e = 0 пористая среда превращается в сплошное тело, а при e =1 – в максимально пористое тело (когда размеры стенок твердого вещества так малы, что V_в ® 0).

Удельная поверхность фильтрующего слоя определяется не только порозностью, но и пористостью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен (коэффициент формы определяет емкость фильтрующего слоя и коэффициент гидравлического сопротивления).

Удельную поверхность слоя можно определить по формуле

a = 6 (1– e) y / d_э, (26)

где a – удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м²/м³; y – коэффициент формы зерен; d_э – эквивалентный диаметр зерен, м.

При фильтровании процесс извлечения примесей из воды включает следующие механизмы:

− процеживание, при котором извлечение частиц является чисто механическим;

− гравитационное осаждение;

− инерционный захват;

− химическую адсорбцию;

− физическую адсорбцию;

− адгезию;

− коагуляционное осаждение и др.

В общем виде процесс фильтрования состоит из трех стадий:

1) перенос частиц на поверхность материала, образующего фильтр или слой; 2) прикрепление к поверхности; 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания частиц различают два вида фильтрования:

1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнения, образую-щуюся на поверхности фильтра;

2) фильтрование без образования пленки загрязнения.

В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор фильтрующего материала. В результате образуется слой осадка, который тоже является фильтром. Этот процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования (скорость менее 0,3 м/ч, концентрация взвешенных частиц до 25 мг/л).

Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загруз-ки, где частицы удерживаются на зернах (стенках пор) фильтрующего материала адгезионными (прилипание) силами. Такой процесс характе-рен для скоростных фильтров. Величина сил адгезии зависит от круп-ности и формы зерен, шероховатости поверхности и ее химсостава, от скорости потока и температуры воды, от свойств примесей.

В результате действия потока жидкости частицы прилипают и срываются с поверхности зерен фильтра. При установлении равновесия этих процессов говорят о насыщении поверхности фильтрующего материала. В этом случае очистка отсутствует.

Кинетику фильтрования и материальный баланс в общем виде можно записать уравнениями [3]:

; , (27)

 

где с – концентрация взвешенных частиц в воде; х – длина пути, на котором происходит осаждение частиц; b и а – константы скорости прилипания и отрыва частиц; q – концентрация осадка; v _ф – скорость фильтрования, t – время.

Здесь: ¶c/¶x – общее снижение концентрации частиц на единице пути в фильтроматериале; bc – количество прилипших частиц; aq – количество оторвавшихся с поверхности фильтра частиц; ¶q/¶t – потеря частиц из осадка за единицу времени.

Из этих уравнений получим общее уравнение процесса в виде

. (28)

 

Это уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда.

Продолжительность работы фильтра до “проскока” является временем защитного действия t_з.Оноравно

t_з = , (29)

где L – толщина фильтрующего слоя; d – размер частиц фильтрующего слоя; k и s_o – константы, зависящие от концентрации взвешенных веществ в исходной и осветленной воде; v_ф = V/Fτ – скорость фильтрования; V – объем фильтрата за время τ; F – площадь поверхности фильтрования.

4. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ [1, 3]

 

В стоячей воде частицы примесей выпадают в осадок под дей-ствием силы тяжести F = (r – r_o) gV, где r и r_o – плотность частицы и воды; g - ускорение свободного падения; V – объем частицы. Во вращающемся объеме воды (например, гидроциклон, центрифуга) при значительной скорости вращения на частицу действуют большие центробежные силы, увлекающие ее в радиальном направлении от оси вращения. Центробежную силу определяют по уравнению

Р = (r – r_o) jV, (30)

где j = v²/ R – ускорение центробежной силы, v – линейная скорость частицы; R – радиус ее вращения.

При больших скоростях вращения и малых R ускорение центробежной силы j может во много раз превышать ускорение свободного падения частицы. Поэтому частица быстро перемещается от центра к периферии.

Скорость движения частицы v_ц в жидкости под действием центробежной силы зависит от диаметра частицы d, разности плотностей фаз Dr, вязкости m и плотности сточной воды r и от ускорения центробежной силы j

. (31)

Коэффициенты С и m зависят от гидродинамического режима (табл. 3).

Таблица 3