Filtracja, jest to proces oddzielania od cieczy cząstek fazy stałej, występującej w tej cieczy w postaci zawiesiny. Produktem filtracji jest ciecz oczyszczona do wymaganego poziomu lub/i zagęszczona faza stała, oddzielona od tej cieczy. Zawiesina fazy stałej w cieczy charakteryzowana jest przez stężenie masowe fazy stałej oraz rozmiary cząstek, tworzących zawiesinę.

Biorąc pod uwagę własności zawiesiny oraz wymagania skuteczności rozdzielania tej zawiesiny, wyróżniamy następujące typy filtracji:

• filtracja ciśnieniowa (plackowa),

• filtracja dynamiczna,

• filtracja membranowa,

• filtracja wgłębna.

Pierwsze dwa typy filtracji służą zwykle do wstępnego rozdzielania zawiesin. Stosuje się je na ogół do układów o dużym stężeniu cząstek i o stosunkowo dużych rozmiarach (powyżej 100 µm).

Filtracja membranowa używana jest do usuwania bardzo niewielkich ilości cząstek o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych (ultra i nanofiltracja). Przeznaczona jest z reguły do specjalnych zadań czystych technologii lub zastosowań medycznych.

Filtracja wgłębna polega na usuwaniu cząstek fazy stałej występujących w cieczy w niewielkich stężeniach masowych, rzędu 10 mg/l, poprzez przepuszczanie zawiesiny przez warstwę złoża, zbudowanego z ziaren piasku lub włókien polimerowych. W trakcie przepływu przez złoże, cząstki osadzają się na ziarnach lub na włóknach, tworząc aglomeraty usuniętych cząstek. Czysta ciecz opuszcza filtr.

Rys.1 Cząstki zdeponowane na włóknach filtra

Filtrację wgłębną stosuje się do oczyszczania płynów zawierających cząstki zawiesiny o rozmiarach 0.5 - 100 µm. Znajduje ona zastosowanie do oczyszczania wody spożywczej i technologicznej oraz do oczyszczania innych płynów. Filtracja wgłębna często łączona jest z filtracją membranową jako wstępny etap oczyszczania i zabezpieczania filtrów membranowych.

Filtry wgłębne dzieli się na filtry absolutne i nominalne. Wyróżnikiem jest tu wartość skuteczności filtracji.

Filtry absolutne mają zwykle skuteczność
> 99.8%. Skuteczność ta odnoszona jest do cząstek odpowiednich rozmiarów, wyróżniających klasę filtra, np. 0.5 µm, 1 µm, 3 µm, 5 µm, 10 µm, itd.

Klasa filtra absolutnego określa wymagania co do jego struktury przestrzennej. Z teorii (patrz Artykuły) wynika, ze optymalny filtr - przy zachowaniu zewnętrznych wymiarów - definiowany jest przez wartości porowatości lokalnej warstw filtracyjnych i średnicy włókien, tworzących te warstwy. do góry ^

Filtracja wgłębna jest często stosowanym procesem do usuwania cząstek fazy stałej z zawiesin ciekłych w przypadkach, gdy stężenie masowe cząstek zawiesiny jest niewielkie i nie przekracza 100 mg/l, a średnica cząstek jest mniejsza niż 100 mm. Cząstki zawiesiny, przepływając wraz z płynem przez porowatą strukturę filtra, deponują się na jego elementach. Podstawowymi efektami decydującymi o depozycji cząstek jest bezpośrednie zaczepienie, bezwładność i dyfuzja Brownowska oraz siły krótkiego zasięgu, tzn. warstwy podwójnej (w przypadku płynów elektrolitycznych) i London'a-van der Waals'a. Elementami struktury filtra mogą być ziarna ceramiczne lub włókna. Struktury włókninowe, powszechnie stosowane do oczyszczania wody pitnej i technologicznej, płynów farmaceutycznych, paliw, itd., były obiektem badań niniejszej pracy. Na podstawie analizy modelu procesu filtracji nieustalonej wykazano, że najkorzystniejsze warunki filtracyjne, tzn. wysoką sprawność filtracji, niskie opory przepływu i długi czas życia filtra uzyskuje się w przypadku stosowania struktur wielowarstwowych, zachowujących stałą porowatość przez wszystkie warstwy i zmienną średnicę włókien, zmniejszającą się w kierunku przepływu zawiesiny.

Rurowe filtry włókninowe o takiej właśnie strukturze otrzymywano stosując technikę rozdmuchu stopionego polimeru. Zmieniając parametry procesowe, tj. temperaturę polimeru, temperaturę powietrza i natężenia przepływu obu czynników oraz odległość od głowicy do odbieralnika, otrzymywano żądane struktury filtrów. Filtry te poddawano badaniom w testowym układzie doświadczalnym, którego schemat przedstawiony jest na rys.4. Dla polidyspersyjnego pyłu tworzącego zawiesinę testową mierzono skuteczność filtracji nieustalonej. Wyniki pomiarów (rys.6) potwierdzają sugestie dotyczące struktury filtra wyznaczone z obliczeń modelowych.

http://www.microspun.pl/filtracja.php4

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).

Powrót na początek strony

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.

Powrót na początek strony

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.

Powrót na początek strony

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:

<DIV="CENTER"

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"]

Powrót na początek strony

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

• Metalowe dyski - (Turno-klean)

• Spiekany porowaty metal - (Poro-klean)

• Tkane przegrody metalowe - (Micro-screen)

• Membrany z tworzyw organicznych - (Zetapor, Betafine, Microfluor, PolyPro)

• Adsorpcyjne

• Zeta Plus

• Zetacarbon

• Zetapor z ładunkiem

Powrót na początek strony

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.

http://www.psf.dialog.net.pl/psf_filtracja.htm

---