FILTRACE I. díl Definice filtrace, filtrační vlastnosti, druhy filtrů (součást předmětu Aplikace nanomateriálů) Autor: Jakub Hrůza
1. Definice Filtrace je proces oddělování rozptýlených částic z disperzního prostředí pomocí porézního média (v našem případě vlákenného útvaru). Disperzní prostředí může být plynné (vzduch), nebo kapalné (voda, olej, palivo ). Částice mohou být pevné, nebo kapalné (aerosol). Upstream Náletová strana Face of the filter with filter cake of deposited particles Náletová plocha filtru s filtračním koláčem usazených částic Downstream Strana za filtrem Particles deposited inside the filter Částice zachycené uvnitř filtru Filter Filtr Dispersing fluid Disperzní prostředí Dispersed particles Rozptýlené částice Filter thickness Tloušťka filtru Channel wall Stěny kanálu
2. Typy filtrace 1. Podle disperzního prostředí: Vzduchová filtrace; Gas (air) filtration Kapalinová filtrace; Liquid filtration 2. Podle velikosti filtrovaných částic: Hrubá filtrace; Macrofiltration 10-6 m < dp Mikrofiltrace; Microfiltration 10-7 < dp < 10-6 Ultrafiltrace; Ultrafiltration 10-8 < dp < 10-7 Nanofiltrace; Nanofiltration 10-9 < dp < 10-8 Reverzní osmóza; Reverse osmosis dp < 10-9 3. Podle způsobu filtrace: Plošná filtrace; Flat filtration; Filtrační mechanismy: sítový jev Hloubková filtrace; Depth filtration; Filtrační mechanismy: přímý záchyt, setrvačné usazení, difuzní záchyt, elektrostatický záchyt
2.1 Air / liquid filtration (vzdušná / kapalinová filtrace) Hlavní rozdíl je ve viskozitě disperzního prostředí a tím i v uplatněných filtračních mechanismech. Kapalinová filtrace: Více se uplatňuje plošný způsob filtrace, zejména sítový efekt. Ostatní mechanismy filtrace jsou potlačeny z důvodu velkých sil daných proudící kapalinou. K jejich uplatnění dochází při snížení rychlosti toku, nebo v místech turbulencí. Aplikace: filtrace paliva, oleje, ostatních kapalin (brzdná kapalina, hydraulika ). Vyšší jsou nároky na mechanickou odolnost filtračního materiálu. Filtrace vzduchu: Mohou být uplatněny oba základní způsoby filtrace v závislosti na filtračních parametrech (zejména velikost částic a rychlost jejich pohybu). Aplikace: Kabinový filtr, vzduchový filtr v motoru, filtr spalin
2.2 Velikosti běžně se vyskytujících částic
2.3 Surface filtration (povrchová filtrace) Podstatou je, že částice jsou zachytávány na povrchu filtru a vytvářejí tzv. Filtrační koláč (důležité zejména pro čistitelné filtry). Uplatňuje se filtrační mechanismus zvaný sítový jev. Jeho postatou je, že dochází k zachycení všech částic větších, než jsou prostory mezi vlákny (póry). Při znalosti velikosti zachytávaných částic lze odhadnout, které částice budou zachyceny se 100 %-ní účinností. Problém je způsob, jak definovat velikost póru a fakt, že při filtraci se velikost póru mění. Typické filtrační materiály, kde se uplatňuje sítový jef: Spunbond, Tkanina, kde velikost póru lze nastavovat dostavou, případně zátěrem Vpichovaná textilie opatřená zátěrem, natavená, nebo lisovaná za tepla Jiný typ netkané textilie lisované za tepla Směr toku Zachycené částice Řez tkaným fitrem
2.4 Depth filtration (hloubková filtrace) Hloubkový filtr je schopen zachytit i částice řádově menší, než je velikost mezivlákenných pórů. Částice jsou zachyceny na povrchu vlákna pomocí mezipovrchových sil mezi vláknem a částicí. Mechanismy filtrace jsou: přímý záchyt, setrvačné usazení, difuzní záchyt, elektrostatický záchyt Hlavní používané materiály jsou: meltblown, vpichované textilie, spunlace, objemné netkané textilie pojené chemicky, nebo termicky Směr toku Zachycené částice Textilní filtr vyjádřený jako válce kolmo k toku částic
1. Typy filtrů podle tvaru:
1.1 Ploché filtry flat filters: - Nejjednodušší varianta (pouze filtrační rouno umístěné do nosného rámu. Mohou být opatřeny zpevňující mřížkou. - Podle technologie a typu filtrace se dělí na: 1.Tenké určené pro povrchovou filtraci. Technologie výroby: tkaniny, pleteniny, spunbond, spunbond-meltblown (SM). 2.Objemné určené pro hloubkovou filtraci. Technologie výroby: Termicky nebo chemicky pojené objemné netkané textilie, vpichované textilie, objemný meltblown - Použití: Levné filtry pro jednoduché aplikace. Digestoře, hrubé předfiltry klimatizací a ventilačních systémů, vysavače, ochrana různých přístrojů. Filter Polluted air Supportin g grid Clean air a) bulk filter b) thin filter
Příklady plochých filtrů:
1.2 Skládané filtry pleated filters: - Vhodné pro vysoce účinné filtry, kdy filtrační materiál má vysokou účinnost, ale i vysoký tlakový spád. Proces skládání vede k výraznému zmenšení tlakového spádu a mírnému zvýšení efektivity filtrace. - Je možné skládat pouze materiály tuhostí podobné papíru nevýhoda. Jedná se o lisované netkané textilie, nebo naplavované vrstvy ze syntetických vláken, případně skleněných mikrovláken. - Je nutné umístit filtrační materiál do neprodyšného rámu s tloušťkou 1 4 cm vyšší cena, vyšší nároky na prostor pro filtr. - Použití: Kabinové filtry, vzduchové filtry motoru, polomasky, HEPA filtry (high efficient particulate air filters) tříd E a H pro čištění vzduchu ventilací, klimatizací. Polluted air Rigid frame Air flow direction Filter thickness Clean air Filter
Příklady skládaných filtrů, Examples of pleated filters:
1.3 Kapsové filtry -pocket filters: -Princip i výhody podobné jako u skládaných filtrů, tloušťka filtru je ale srovnatelná s ostatními rozměry. -Výhodou je možnost zpracovat jakýkoliv textilní materiál (nemusí být tuhý) -Nevýhodou jsou rozměry a cena z filtračního materiálu se nejprve šijí kapsy, které jsou následně ručně vkládány do rámů. -Lze kombinovat kapsové a skládané filtry maximalizace filtrační plochy. -Použití: Filtry tříd F pro ventilace a klimatizace. Polluted air Filter Clean air
Kombinace kapsového a skládaného filtru: Polluted air Filter Clean air Maximální filtrační plocha při přiměřených rozměrech. Využití: kabinové filtry
1.4 Patronové filtry (cartridge filters) Popis: Plochá (tenká i objemná), nebo skládaná filtrační vrstva navinutá na perforované dutince. Výhodou je velká filtrační plocha při malých rozměrech filtru a samotěsnící schopnost filtrační vrstvy. Použití: Kabinové filtry, vzduchové filtry motoru, palivové filtry, olejové filtry Výhodné zejména pro kapalinovou filtraci. Clean air Polluted air Variants of cartridge filter cross-section Filter Perforated tube Container Flat (bulky) filter Pleated filter
Speciální typ patronového filtru: Kónický filtr (Conical filter) Výhoda: Díky speciálnímu tvaru malý rozměr, velký povrch, menší zakřivení proudnic při průtoku. Vhodné pro rychle proudící tekutinu palivo. Použití: Olejové a palivové filtry. Filter container Filter Flow direction Polluted air Cleaned air
Příklady patronových filtrů:
1.5 Pulzně čištěné hadicové filtry (pulse jet filters, bag filters) Princip podobný jako u patronových filtrů, délka několik metrů, počet několik stovek určeno pro průmyslovou filtraci. Filtr je čistitelný zpětným pulzem, uvolněný filtrační koláč padá do výsypky. Pulz je spuštěn po překroční kritického tlakového spádu filtru 1-2 kpa, velikost pulzu je 0,5 1 Mpa, doba trvání 0,1-100 sec. Striktně povrchová filtrace, částice musí být zachyceny na povrchu. Velké nároky na odolnost vůči namáhání termickému, chemickému a mechanickému. Aplikace: spalovny, cementárny, elektrárny, vápenky. Filters Inlet of polluted air Outlet of clean air Back pulse of pressed air Output of captured particles
Příklady hadicových filtrů Podpůrné mříže Hadice
1.6 Bubnové filtry (Drum filters) Jedná se o velký patronový filtr s možností průběžného čištění Proud vzduchu, nebo kapaliny prochází stěnou bubnu pokrytou filtračním materiálem zvenčí dovnitř, nebo naopak (dle konstrukce). Buben pomalu rotuje a filtrační koláč uchycený na povrchu bubnu je seškrábnut a odsát statickým sběračem. Nutnost povrchové filtrace. Aplikace: hrubá průmyslová filtrace vody, nebo silně znečištěného vzduchu.
1.7 Diskové filtry (disc filters) Filtr ve tvaru dutého disku. Částice jsou zachyceny na povrchu disku a průběžně seškrabávány jeho rotací, čistá kapalin je odváděna středem hřídele. Pouze povrchová filtrace. Aplikace: Čištění vody
3. TEORIE FILTRACE Popisuje vztah mezi vstupními parametry, které buď můžeme nastavit, nebo je alespoň můžeme změřit a výslednými vlastnostmi, které chceme získat. To můžeme nastavit, nebo změřit Vstupní parametry Parametry filtru Parametry disperzního prostředí Parametry procesu filtrace To potřebujeme znát Mechanismy filtrace Přímý záchyt, Direct interception Setrvačné usazení, Inertial deposition Difuzní záchyt, Diffusion deposition Elektrostatický záchyt, Electrostatic deposition Sítový jev, Sieve effect To chceme získat Vlastnosti filtru Efektivita, Efficiency Tlakový spád, Pressure drop Životnost, Lifetime Odolnost vůči prostředí, Resistivity against environment Ostatní (velikost póru, prodyšnost )
3.1 Filtrační vlastnosti (Filtration properties): 1) Efektivita filtrace, Filter efficiency Je to množství zachycených částic vztažené na celkové množství částic nalétávající na filtr. G 1 je množství částic nezachycených filtrem, G 2 je množství částic nalétávající na filtr. Výraz G 1/ G 2 se nazývá průnik filtru E 1 G1.100 G2 Efektivita se mění v průběhu procesu filtrace v důsledku zanášení filtru částicemi (viz. kapitola 3.1.1 Nestacionární filtrace )
2) Tlakový spád, Pressure drop Vyjadřuje odpor filtru vůči toku disperzního prostředí. Je opakem prodyšnosti filtru. Cílem je najít filtr s velkou efektivitou a nízkým tlakovým spádem. Výpočet: p = p 1 - p 2, kde p 1 je tlakový spád před filtrem a p 2 za filtrem. Tlakový spád se mění v průběhu procesu filtrace v důsledku zanášení filtru zachycenými částicemi. Jeho růstem je obvykle dána životnost filtru buď naroste do hodnoty, kdy již není možné požadovaný objem disperzního prostředí transportovat skrz filtr, nebo dojde k poškození filtru, případně poklesu efektivity (případně k něčemu tak hroznému, že si to ani nechci představit, natož popsat). 3) Životnost filtru, Filter lifetime Vyjadřuje délku použitelnosti filtru, může být vyjádřena jako množství částic, které je filtr schopen zachytit, než dojde k nárůstu tlakového spádu na definovanou (kritickou) mez. Životnost je určena rychlostí zanášení filtru a koncentrací částic před filtrem. Na základě normy EN 799 je definována jako Dust holding capacity : J = E s.m p kde E s je střední hodnota efektivity a m p je množství částic nanesených na filtr do chvíle, kdy dosáhne hodnotu 250, respektive 450 Pa. Ze znalosti koncentrace částic lze odhadnout i čas života filtru.
4) Prodyšnost, Propustnost, Permeability Je to schopnost porézního materiálu transportovat dané množství disperzního prostředí daným průřezem. Vyjadřuje se různě (pozor! s různými jednotkami) podle míry zjednodušení. 1) Prodyšnost (tedy propustnost pouze pro vzduch) podle mezinárodních norem (například EDANA 140.1) je definován rovnicí: k 1 Q A kde k 1 je prodyšnost (l/dm 2 /min), Q je průtok disp. prosředí (l/min) a A je plocha průřezu filtru. Permeabilita je měřena při tlakovém spádu 196 Pa ( případně 98,1 Pa nebo jiné) a nelze správně porovnávat prodyšnosti měřené při různých tlakových spádech. 2) Na základě D Arcyho zákona je propustnost (zde již obecně pro plyn i tekutiny) definována dle rovnice: k 2 Q A. p kde k 2 je koeficient propustnosti (permeabilita) (m/pa/sec) a p je tlakový spád (Pa). 3) Na základě D Arcyho zákona lze propustnost definovat se započítáním viskozity a tloušťky filtru dle vztahu: k 3 Q. h. A. p kde k 3 je koeficient propustnosti (m 2 ), je dynamická viskozita (Pa.sec), a h (m) je tloušťka filtru.
4. Podle modelu Hagen-Dupuit-D Arcy s lze propustnost definovat vztahem: p. h. C. h. Q. Q K. A A 3 Kde k 4 je koeficient propustnosti a C je koeficient nelinearity. Tento model je vhodný pro výpočet propustnosti viskozních tekutin, kde je vztah mezi tlakovým spádem a průtokem disperzního prostředí nelineární. Míru nelinearity vyjadřuje koeficient C. Propustnost filtru s více vrstvami 2 Máme li filtr složený z více vrstev a známe-li propustnost k 2 jednotlivých vrstev, pak pro jednoduchý D Arcyho zákon lze odvodit vztah mezi propustností jednotlivých vrstev a celkovou propustností. Při předpokladu konstantního průtoku platí: p t p i i 1 1 K1 total i K1 i, kde p i and k 2i jsou tlakové spády a koeficienty propustnosti jednotlivých vrstev
5) Porozita a velikost póru, Porosity and pore size Porozita je definována jako procento objemu vlákenného materiálu nezaplněného vlákny. Důležitější je určení velikosti pórů, která nicméně závisí na definici póru a na metodě hodnocení jejich velikosti. Pro filtrační aplikace je vhodné definovat pór jako kruhový (respektive kulový v prostoru) průmět do mezivlákenného prostoru. Testovací metody: 1. Obrazová analýza 2D obrazu přímá metoda. Lze definovat různý tvar póru, nelze však aplikovat pro obraz 3D struktury. 2. Prosévání definovaných částic skrz textilii. Limitováno velikostí částic do desetin milimetru, pak jejich prosévání omezuje adheze k vláknům. 3. Průnik tekutiny skrz testovanou textilii. Sleduje se vztah mezi povrchovým napětím (mezi kapalinou a textilií) a tlakem, kterým je tekutina vytlačována z textilie (nebo naopak vtlačována) a) Smáčivá tekutina je vytlačována ven Bublinková metoda, Bubble point test (lze měřit i velikost pórů menších, než mikrometr). b) Nesmáčivá tekutina je vtlačována dovnitř Mercury porosimetry
Bublinková metoda, Bubble point method: Umožňuje zjišťovat velikost největšího, případně průměrného póru v textilii. Vlákenný útvar (u kterého předpokládáme kruhový tvar pórů) je z jedné strany smočen tenkou vrstvou smáčivé kapaliny. Síla, kterou kapalina proniká pórem je daná velikostí povrchového napětí a obvodu póru (gravitační sílu lze zanedbat). Z druhé strany vlákenného útvaru působíme tlakem vzduchu, který se snaží kapalinu z textilie vytěsnit. Síla je daná tlakem a plochou póru. Z rovnováhy síly dané povrchovým napětím a síly dané tlakem vytlačujícím kapalinu z póru lze vypočítat jeho velikost. D je průměr póru, povrchové napětí kapaliny, p působící tlak vzduchu a A pore plocha kruhového póru. F =.. D bubble Wetting agent D textile F p = p. A pore
Z praktického hlediska je nejjednodušší zjistit velikost největšího póru v textilii, neboť to je místo, kde při postupném zvyšování tlaku dojde nejdříve k vytlačení kapaliny z póru objeví se první bublinka vzduchu. Z uvedené rovnosti sil lze snadno odvodit vzorec pro výpočet velikosti maximálního póru (schválně jej neuvádím, podívejte se na předchozí obrázek a odvoďte). Předpoklad kruhového tvaru póru odpovídá reálné aplikaci, neboť tvar bublinek je kruhový a také tvar filtrovaných částic je vhodné aproximovat koulí, respektive kruhem pro 2D projekci. Kruhový průmět do prostoru mezi vlákny definice póru z hlediska filtračního Tuto metodu lze upravit i pro zjištění velikosti průměrného póru. Budeme-li zvyšovat tlak, bude vlákenným útvarem pronikat více vzduchových bublinek. Dokážeme-li zjistit průtok prošlého vzduchu a vytvořit graf závislosti průtoku na působícím tlaku, pak porovnáním grafů pro suchý a smočený vlákenný útvar získáme hodnotu tlaku pro výpočet velikosti průměrného póru.
3.1.1 Změna filtračních vlastností Stacionární a nestacionární filtrace - Statinary and nonstacionary filtration Filtrační vlastnosti se mění v průběhu filtrace. Zachycené částice se stávají součástí struktury filtru a tím přinášejí změnu tlakového spádu i efektivity záchytu. Tento jev můžeme zanedbat pouze v okamžiku počátku filtračního procesu a v tom případě nazýváme filtrační proces jako stacionární. To může být výhodné například při hodnocení efektivity, která je na počátku nejnižší a z hlediska filtrace je vhodné znát nejhorší možné vlastnosti. Pokud uvažujeme vliv zachytávaných částic na změnu vlastností filtru, nazýváme filtrační proces jako nestacionární [Pich, 1964]. Procesy, které mohou probíhat v rámci nestacionarity filtrace jsou: 1.Ucpávání filtru - Filter clogging: částice ucpávají póry stávajíce se filtrem. Růst tlakového spádu a efektivity filtrace 2.Uvolnění zachycených částic - Particle disengagement Pokles efektivity a tlakového spádu 3.Kapilární jevy - Capillary phenomena: při filtraci kapalin Stékání kapek dohromady - flushing of drops Formování kapalných filmů v místě překryvu vláken, transport kapaliny Kondenzace vody - condensation of water 4.Ztráta elektrického náboje - Loss of electric charge Snížení efektivity filtru - decrease of filter efficiency 5.Protržení filtru - Filter destruction
3.1.2 Testovací metody filtračních vlastností: Testované vlastnosti jsou: efektivita, dílčí efektivita pro jednotlivé velikosti částic, tlakový spád, vztah mezi průtokem a tlakovým spádem, životnost. Jednotlivé metody se liší typem filtrovaných částic (velikostí, disperzitou velikosti, koncentrací ), parametry procesu (teplota, rychlost ) a způsobem detekce částic. Následující dělení metod vychází z typu částic. 1) Syntetický prach - Synthetic dust Jedná se o částice prachu na bázi křemíku, většinou polydisperzní. Parametry velikosti odpovídají prachu v okolí Arizonských silnic. Velikost částic se pohybuje od 0,2 do 10 m. Do směsi prachu mohou být přidány i organické látky (saze, krátká celulozová vlákna ). Množství zachycených částic je detekováno vážením prachu před a za filtrem. Použití pro hrubé filtry třídy G, částečně jemné filtry třídy F a předfiltry. Toto měření je vhodné pro sledování průběhu procesu filtrace a životnosti filtru. Používané normy: EN 779 [EN 779, 200], ASHRAE 52,2 [ASHRAE 52], etc... 2) Atmosférický prach - Athmospheric dust spot efficiency Jednalo se o částice prachu ve vzduchu použité pro starší verzi normy EN 779. Pomocí počítače velikosti a množství částic byly detekovány před a za filtrem. Nyní je místo těchto částic používán aerosol DEHS se stabilnější kvalitou. [Gustavsson, 1999].
3) Olejové aerosoly - Oil aerosols (DEHS, DOP, paraffin oil) Jedná se o částice olejů produkovaných rozprašováním. Nejznámější jsou: dioctylphtalate (DOP), diethylhexylsebacate (DEHS) a parafinový olej. Tyto částice se rozdělují na studené a horké. Je li olej rozprašován a sušen za studena (pomocí trysky Laskin), pak rozsah velikostí částic je širší (polydisperzní aerosol). Je li olej rozprašován a sušen za tepla, vznikají částice monodisperzního aerosolu (0,1 0,3 m). Množství a velikost částic je zjišťováno pomocí laserového počítače, nebo spektrofotometricky. S vyjímkou parafinového oleje lze zjistit efektivitu určité velikosti částic. Částice nejsou citlivé na elektrostatický náboj, což je výhodné z hlediska detektce nejhorších možných vlastností. Pro měření HEPA a ULPA filtru jsou používány počáteční hodnoty měření. 4) NaCl aerosol Jedná se o částice NaCl rozprášené (aerosol) a vysušené (při testu se tedy nejedná o aerosol). Tyto polydisperzní částice mají střední velikost 0, 65 m, rozsah 0,02-2 hytu se zjišťuje spektrofotometricky. Tato metoda je vhodná pro testování respirátorů a rychlý test jemných filtrů a HEPA filtrů. Použité normy: BS 4400 [BS 4400, 1969], EN 143 [EN 143, 2000], etc... 5) Test metylenovou modří - Methylen blue test Není používán.
Shrnutí všech metod: method synthetic dust athmospheric dust oil aerosol aerosol NaCl Methylene Blue test Test standard name particle substance particle diameter ( m) particle preparation ANSI/AHAM Arizona roads dust 0,5-3 aerosol generator ASHRAE 72% fine dust - injector EN 23% molocco black CAN 5% cotton linters ISO SAE ASHRAE CAN ASTM ASME/ANSI IES MIL-STD UL EN EN BS BS EUROVENT EN NF BS Testing dust 2 125 10-40 Athmospheric dust Cca. 0,3 straight from air DOP test; 0,3 evaporation, di-octylphtalate 0,2 0,3 condensation DEHS aerosol diethylhexylsebacate Paraffin oil; CP27 DAB7 NaCl particles 0,02-2 median 0,6 Methylen blue particles 0,3 2 Laskin nozzle 0,1 0,3 evaporation, condensation 0,2 3 Laskin nozzle 0,4 0,26 evaporation, condensation dispersion, drying - dispersion of water solution particle detection aerodynamic sorter weighting method opacitometer (light opacity) optical particle counter, spectrofotometer photometer of the light diffusion spectrofotometer blue spot size
3.2 Parametry filtrace Parametry filtrace se dělí do tří skupin: 1. Parametry filtračního materiálu 2. Parametry filtrovaných částic 3. Parametry filtračního procesu
3.2.1 Parametry filtračního materiálu: Činná plocha filtru Tloušťka filtru Hustota a plošná hmotnost filtru Hmotová stejnoměrnost filtru Parametry materiálu filtru Mezipovrchové síly mezi materiálem a filtrovanou částicí Elektrické vlastnosti, schopnost udržet náboj Mechanické charakteristiky (pevnost, tažnost, modul ) Odolnost vůči působení chemikálií, tepla, vlhka.. Parametry vláken Průměr vláken, jemnost vláken Tvar průřezu vláken Preparace na povrchu vláken Mechanické vlastnosti vláken (pevnost, tažnost ) Struktura filtru Orientace vláken Gradient hustoty
3.2.2 Parametry filtrovaných částic Velikost částic - Particle size Distribuce velikosti částic - Distribution of particle size Koncentrace částic - Concentration of particles Tvar a povrch částic - Shape and surface of particles Hustota materiálu částic - Particle density Elektrické vlastnosti částic - Electrical properties 3.2.3 Parametry filtračního procesu Náletová rychlost částic - Face velocity Viskozita disperzního prostředí - Viscosity of the flow Teplota, tlak, vlhkost - Temperature, pressure, humidity
Konec první části