Filtry i Filtracja
Filtracja powietrza polega na oddzielaniu cząstek zawieszonych, będących zanieczyszczeniami, przez powierzchnię filtracyjną ze strumienia przepływającego powietrza
Zanieczyszczenia te mogą być bardzo różnej wielkości i dlatego też sam proces oczyszczania powietrza jest najczęściej procesem złożonym, wykorzystującym różne zjawiska fizyczne.
Filtracja. Mechanizmy filtracji
Do zjawisk fizycznych najczęściej wykorzystywanych w procesach filtracji zalicza się: zjawisko dyfuzji, zjawisko bariery, zjawisko sita i zjawisko oddziaływań elektrostatycznych, a w procesie filtracji mogą brać udział m.in. siły: grawitacji, bezwładności, odśrodkowe i oddziaływania elektrostatycznego. Zanieczyszczenia gazowe najczęściej oddziela się chemicznymi lub fizycznymi metodami sorpcji, w których substancje szkodliwe wiążą się z sorbentami.
Czym jest powietrze?
Powietrze to aerozol, który składa się z:
- gazowej fazy ciągłej, jaką jest czyste powietrze,
- fazy rozproszonej, którą najczęściej są ciała stałe lub ciecz w postaci kropel.
Zanieczyszczeniami mogą być zarówno ciała stałe, jak i krople. Kształt i rozmiar cząstek (zanieczyszczeń) zawartych w powietrzu jest bardzo zróżnicowany. Fazę rozproszoną mogą stanowić układy jednofrakcyjne - rys. 1a, czyli zbiory jednakowych lub prawie jednakowych cząstek lub wielofrakcyjne - rys. 1b, czyli zbiory cząstek o różnych wymiarach. W normalnych warunkach układy jednofrakcyjne nigdy nie występują. O kształcie zbliżonym do kuli występują przeważnie krople.
Przekształcenia podczas przepływu
Kształt cząstek nie ulega na ogół zmianie podczas przepływu, poza przypadkiem wymiany masy, jednak krople zazwyczaj podlegają znacznym deformacjom, np. w wyniku odparowania i łączenia się. Z tego względu oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń w postaci kropel jest znacznie trudniejsze. Istnieje również możliwość przesączu wychwyconej kropli przez materiał filtracyjny. Natomiast materia ożywiona zachowuje się często jak cząstka stała, ale niekiedy również jak kropla. Niektóre materiały zmieniają swoje wymiary liniowe i objętość na skutek wchłaniania lub utraty wody.
Nieoczekiwane zagrożenie
Należy też mieć na uwadze, że nie tylko mikroorganizmy żywe mogą być szkodliwe, ale również ich martwe komórki, np. wchłonięte przez człowieka szczątki ścian komórkowych bakterii. Zatrzymywanie zanieczyszczeń to pierwszy etap uzyskiwania określonej jakości powietrza. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że materiał filtracyjny w sprzyjających warunkach może stać się podłożem dla niektórych rodzajów mikroorganizmów oraz z faktu, że w wyniku jego degradacji sam może stać się zanieczyszczeniem.
Czy określenie wielkości cząstek jest ważne?
Tak. Do określenia wielkości cząstki (zanieczyszczenia) najczęściej stosuje się pojęcie średnicy zastępczej (równoważnej) - rys.2. Znajomość rozmiarów cząstek jest ważna dla określenia wielkości prześwitów lub porów przegrody filtracyjnej, uniemożliwiających ich przenikanie.
Wśród średnic geometrycznych należy wyróżnić:
- średnicę objętościową, czyli średnicę kuli o tej samej powierzchni co cząstka,
- średnicę powierzchniową, czyli średnicę kuli o tej samej powierzchni co cząstka.
- średnicę sitową - jest to szczególny rozmiar, który określa się na podstawie przesiewania.
W jaki sposób oddzielić poszczególne fazy aerozolu?
Poszczególne fazy aerozolu można oddzielać różnymi metodami. Najczęstszą jednak metodą filtrowania jest metoda, w której o wielkości oddzielanych z powietrza zanieczyszczeń decyduje rodzaj stosowanej przegrody filtracyjnej. Przegroda filtracyjna może być włóknista bądź ziarnista, luźna bądź zwarta. Ilość zanieczyszczeń i wykorzystywany mechanizm filtracji decydują o tym, czy na przegrodzie zachodzi filtracja powierzchniowa, czy też wgłębna. Znaczenie mają tutaj również rozmiary cząstek oraz prześwitów w przegrodzie filtracyjnej lub porów, jeżeli jest to ośrodek porowaty.
- Filtracja powierzchniowa (rys. 3a) zachodzi w przypadku znacznej ilości zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych, zawartych w filtrowanym powietrzu. Na przegrodzie powstaje wówczas warstwa osadu (zanieczyszczeń), która następnie bierze udział w procesie filtracji. Z biegiem czasu warstwa ta rośnie, rośnie również opór przepływu.
- Filtracja wgłębna (rys. 3b), zwana też objętościową, zachodzi natomiast w przypadku małej ilości cząstek stałych, które albo są zatrzymywane na przegrodzie filtracyjnej, albo wnikają do niej. Nie można wówczas wyróżnić wyraźnej warstwy osadu.
W klimatyzacji i wentylacji znacznie częściej spotykana jest filtracja wgłębna. Jednak na niektórych filtrach, głównie wyciągowych oraz filtrach z odciągów miejscowych pomieszczeń znacznie zanieczyszczonych lub pomieszczeń, w których emitowane są cząstki dość znacznych rozmiarów, zauważa się też filtrację powierzchniową.
W urządzeniach do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń stosowane są zazwyczaj następujące metody filtrowania:
- mechaniczna, polegająca na zatrzymywaniu zanieczyszczeń na różnych materiałach filtracyjnych tzw. przegrodach;
- energetyczna, polegająca na oddzielaniu zanieczyszczeń za pomocą pola magnetycznego, elektrycznego, grawitacyjnego, odśrodkowego itp.;
- mechaniczno-energetyczna.
Zjawisko sita
Najbardziej znanym przez człowieka zjawiskiem wykorzystywanym w filtracji jest zjawisko sita. Sito służyło ludziom w gospodarstwach domowych do przesiewania różnych materiałów sypkich już od niepamiętnych czasów. Wykorzystanie tego zjawiska jest jednak możliwe tylko do momentu, gdy cząstki zanieczyszczeń mają większą średnicę, niż swobodny przekrój między włóknami.
Zjawisko dyfuzji
Zjawisko dyfuzji jest następstwem molekularnych ruchów Browna i z tego względu ma znaczenie tylko dla bardzo małych cząstek (poniżej 1 um). Osiadanie cząstki na włóknie jest możliwe tylko wtedy, gdy przebywa ona dość długo i dość blisko w pobliżu włókna.
Zjawisko bezwładności
Zjawisko bezwładności, którym interesowali się uczeni od stuleci m.in. Galileusz i Newton, okazuj e się, że również ma zastosowanie w filtracji. W wyniku tego zjawiska możliwe jest osadzanie cząstki na włóknie, pod warunkiem, że cząstka ma określone wymiary i nie może z tego powodu poruszać się wzdłuż linii przepływu oraz, gdy znajduje się ona wewnątrz krytycznego przedziału odległości od linii symetrii. Oznacza to, że cząstka nie nadąża za zmianą kierunku linii przepływu, wypada z niej i dochodzi do zderzenia z włóknem. Pęd cząstki musi być dostatecznie duży. Zanieczyszczenie może również w wyniku zaczepienia (łagodne zderzenie) osiąść na włóknie poruszając się po linii prądu. Ten mechanizm dotyczy głównie cząstek o niewielkiej gęstości, poruszających się z małymi prędkościami. Zatrzymywanie cząstek w wyniku zaczepienia wzrasta ze zwiększaniem się ich wymiarów. Zastosowanie na filtry materiałów włóknistych o różnej gęstości włókien zwiększa efektywność filtracji wykorzystującej efekt zaczepienia.
Zjawisko bariery
Zjawisko bariery występuje wtedy, gdy cząstka porusza się wzdłuż linii przepływu, której odległość od włókna w miejscu opływania jest mniejsza niż pół średnicy cząstki.
Zjawisko oddziaływania elektrostatycznego
Oddziaływanie elektrostatyczne cząstek małych rozmiarów, posiadających ładunek elektryczny jest bardzo silne. Np. dwa oddziałujące na siebie protony zgodnie z prawem Coulomba działają na siebie elektrycznymi siłami odpychania 1,24 x 10 36 razy większymi niż siłami grawitacyjnymi. Zarówno cząstki, jak i powierzchnia filtracyjna mogą być naładowane dodatnio, ujemnie lub obojętnie. W warunkach naturalnych istnieje pewna równowaga pomiędzy cząstkami zawieszonymi w powietrzu. Jednak w wyniku np. tarcia o powierzchnię, czy styczności z naładowaną cząstką może nastąpić przesunięcie ładunku i jego koncentracja w pewnych obszarach. Zjawisko oddziaływania elektrostatycznego ciał wykorzystuje się np. w elektrofiltrach, w których zanieczyszczenia zostają naelektryzowane i przyciągane do powierzchni o odmiennym ładunku elektrycznym.
Tak więc podstawowymi mechanizmami wykorzystywanymi w procesach filtracji powietrza są:
- dyfuzja,
- zaczepienie,
- osadzanie grawitacyjne,
- zderzenie bezwładnościowe,
- oddziaływanie elektrostatyczne,
- efekt sita.
Zatrzymywanie cząstek na powierzchniach włókien powodują siły elektrostatyczne - siły van der Waalsa.
Czynny mechanizm oddzielania przez pojedyncze włókno zależy od:
- średnicy włókna,
- średnicy cząstek,
- prędkości przepływu,
- rozkładu cząstek przed włóknem.
Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń na powierzchni filtracyjnej
Zmienia się ona w zależności od mechanizmu oddzielania i od średnicy zanieczyszczeń, jak to przedstawiono na rysunku 5.
Mechanizm bezwładności
W wysokoskutecznej filtracji powietrza działają przede wszystkim dwa mechanizmy oddzielania zanieczyszczeń: dyfuzja i zaczepienie. Dla cząstek większych od 1 um najistotniejszym mechanizmem wytrącania zanieczyszczeń jest mechanizm bezwładności. Mechanizm osadzania grawitacyjnego ma znaczenie głównie dla cząstek dużych. Niektóre rozwiązania techniczne, odpylacze mokre, płuczki, skrubery, cyklony mokre, umożliwiają usuwanie zanieczyszczeń przy użyciu kropel wody, które wtryskiwane w strumień przepływającego powietrza zderzają się z zanieczyszczeniami w nim zawartymi. W wyniku związania się zanieczyszczenia z kroplą wody zwiększa się ich masa i dzięki temu możliwe jest wykorzystanie sił grawitacyjnych i odśrodkowych.
W zależności od konieczności uzyskania końcowej, wymaganej czystości powietrza, w praktyce często wprowadza się odpowiednie stopniowanie filtracji, a są to:
- filtracja zgrubna, inaczej wstępna,
- filtracja dokładna,
- filtracja bardzo dokładna,
- filtracja aerozoli koloidalnych.
autor: mgr inż. Krzysztof KAISER
źródło: TCHiK
