Некоторые особенности механизма фильтрации воды/Михаил Иванов, к. х. н.
Опубликовано: 28 августа 2019 г.
908
Одним из основных видов очистки воды является механическая фильтрация, при которой удаляются механические загрязнения – мелкие твердые частицы, взвешенные и хлопьевидные примеси. Очистка осуществляется при продавливании под давлением воды через проницаемый фильтрующий материал, который задерживает присутствующие примеси.
Обычно под техническим термином «фильтрующий материал» понимают материал с порами определенного размера, созданный каким-либо способом, чтобы обеспечивать протекание через него воды и задерживание примесей определенного размера. В большинстве случаев фильтрационные материалы (рис. 1), применяются для задерживания примесей воды с размерами от 1 мкм до 40 мкм, лишь в отдельных случаях размер задерживаемых примесей превышает 40 мкм.
Рис. 1 Фильтрационный материал бытового картриджного фильтра очистки воды до и после его периода эксплуатации.
Механизмы фильтрации
Известны три механизма отделения твердых примесей из воды. Это инерционное соударение, диффузионный перехват и непосредственное задержание. В реальных условиях каждый из этих механизмов фильтрации в отдельности обычно не проявляется, а наблюдается лишь смешение различных типов фильтрации (рис. 2). Вклад каждого из отмеченных механизмов определяется типом фильтра и условиями фильтрации.
Рис. 2 Механизмы фильтрации в действии
Во всех случаях твердые частицы примесей, имеющие малозначительную массу, будут перемещаться вдоль оси направления течения потока, со скоростями близкие течению воды. При прохождении через фильтр поток будет преодолевать определенное гидравлическое сопротивление, вызванное тем, что струя воды будет натыкаться на элементы фильтрационного материала, образующие поры. Проникновение воды через поры фильтрационного материала будет приводить к тому, что поток будет вынужден обтекать элементы фильтрационного материала по пути наименьшего сопротивления. При этом твердые загрязнения, увлекаемые потоком воды, по закону инерции будут склоны к прямолинейному движению, и вследствие этого, будут натыкаться на волокна (рис. 3). При столкновении твердых частиц примесей с элементами фильтрационного материала, загрязнения будут отскакивать, и задерживаться фильтром. Таков механизм фильтрации на основе инерционного соударения. При фильтрации по механизму инерционного соударения, частицы с большей величиной массы будут проявлять большую склонность к прямолинейному движению и больше отклоняться от направления потока при огибании преград в виде волокон фильтрационного, нежели частицы малого веса. Для крупных частиц примесей этот механизм фильтрации будет превалирующим.
Рис. 3 Инерционное соударение при фильтрации воды
Помимо величины массы частиц примесей на процесс инерционного соударения оказывает влияние и значение плотности вещества, из которых загрязнения состоят. Если плотность вещества, из которого состоит грязь, мало отличается от плотности воды, то отклонение движения частиц примесей от траектории течения потока воды будет мало отличаться. Очевидно, в этом случае механизм инерционного соударения будет играть незначительную роль, а сам процесс будет определяться влиянием других механизмов фильтрации.
Следующим распространенным механизмом фильтрации является диффузионный перехват. По такому механизму в большинстве случаев фильтруются очень малые частицы примесей, взвеси, рыхлые подвижные осадки. При их перемещении в массе потока происходит многократные соударения с молекулами фильтруемой воды. В результате этого взвешенные частицы могут случайным образом отклоняться от вектора движения основного потока воды в перпендикулярном направлении. Такое хаотичное перемещение частиц загрязнений напоминает «броуновское движение», его можно наблюдать через микроскоп. За счёт того, что указанное движение в какой-то мере приводит к перемещению частиц загрязнений в плоскости параллельной расположению поверхности фильтра, то это, очевидно, будет приводить к повышению вероятности столкновения с элементами фильтрующего материала, образующими поры, и, в конечном счете, приводить задерживанию загрязнений фильтром. Однако при фильтрации воды диффузионный перехват имеет небольшое значение.
Рис. 4 Непосредственное механическое задержание частиц примесей при фильтрации воды
Основным механизмом фильтрации при удалении твердых примесей из воды, по мнению специалистов, считается, так называемое, непосредственное задержание (рис.4). Сущность этого механизма заключается в следующем. При фильтрации воды жидкость проходит через поры фильтровального материала. Также через поры стремятся проникнуть и частицы примесей. Если размер частиц примесей превышает размер пор, то загрязнения либо застревают в них, либо отскакивают от фильтра. Если же частица грязи имеет меньшие размеры, чем размеры пор фильтра, то она имеет шансы проникнуть через фильтровальный материал и попасть в выходящий поток отфильтрованной воды. Однако доля таких мелких механических примесей, просочившихся через фильтрационный материал относительно невелика. Вызвано это рядом причин. Во-первых, форма частиц примесей и форма пор очень часто не совпадают. Большинство взвешенных частиц имеют неправильную форму и, несмотря на малые размеры, в каких-то проекциях могут перекрыть ячейку фильтра, образуя своеобразный «мостик». В результате этого частицы примеси малого размера могут подплыть к порам «неудобным образом» и быть задержанной фильтром. Во-вторых, поры фильтра могут быть перекрыты, если две или более частиц примесей одновременно попытаются проникнуть через ячейку фильтрационного материала. И, наконец, в-третьих, частицы с размерами меньше, чем размеры пор фильтра будут им задержаны, если у ячеек фильтрационного материала уже находятся загрязнения, которые частично загораживают проход через поры.
Фактор электростатики
Большое влияние на способность фильтрационного материала задерживать частицы грязи оказывает межмолекулярное и электростатическое взаимодействие, возникающее между фильтрационным материалом и частицами примесей. Так, частицы примесей с размерами существенно меньшими, чем размеры пор фильтра могут прилипать к внутренней поверхности фильтрационных каналов за счет притяжения противоположных электрических зарядов (рис.5). В этом случае электростатическое притягивание создается за счет возникновения, так называемого, двойного электрического слоя. Двойной электрический слой возникает в результате ориентирования полярных молекул на границе раздела двух фаз, одна из которых является в обязательном порядке твердой, а другая жидкой. В случае фильтрации воды, двойной электрический слой возникает на твердой поверхности фильтрационного материала и твердых частицах примеси. Для определения знака заряда на поверхности твердой фазы обычно используется правило Кена, согласно которому из двух соприкасающихся фаз, в данном случае твердой и жидкой, положительно заряжается та, у которой диэлектрическая проницаемость выше. Обычно, фильтрационный материал имеет диэлектрическую проницаемость выше, чем вода, поскольку он часто создан из синтетических полимеров, являющимися диэлектриками. Поэтому поверхность фильтрационного материала часто имеет положительный заряд. В результате этого на поверхности фильтрационного материала образуется слой из отрицательно заряженных частиц за счёт ориентирования полярных молекул. Этот слой, называемый адсорбционным, уравновешивается положительно заряженными частицами, которые образуют диффузионный слой.
Рис. 5 Прилипание частиц примесей к стенкам пор фильтровального материала под действием сил притяжения противоположных электрических зарядов
В свою очередь частицы грязи обычно несут отрицательный поверхностный заряд, вокруг которой также возникает двойной электрический слой. В результате образования двойных электрических слоёв на поверхности фильтрационного материала и частицах примесей возникает электростатическое притяжение, которое приводит к прилипанию примесей к фильтру. В результате этого фильтрующий материал приобретает способность задерживать частицы загрязнений, размер которых меньше диметра пор фильтра. Это явление имеет весьма важное положительное значение. Фильтрационный материал с большим размером пор, и в результате этого низким гидравлическим сопротивлением, обладает способностью к задержанию частиц примесей значительно меньших размера.
При движении твердой фазы относительно жидкой, а это происходит в процессе проникновения воды через твердый материал фильтра, происходит разрыв двойного электрического слоя. Поверхность разрыва двойного электрического слоя называется плоскостью скольжения. Обычно плоскость скольжения лежит на границе раздела между диффузионным и адсорбционным слоем. Для характеристики этих слоев используются значения электрического потенциала. Потенциал, соответствующий плоскости скольжения, называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ –потенциал). Он является основной характеристикой двойного электрического слоя. Согласно существующим представлениям ζ – потенциал представляет собой разность электростатических потенциалов, возникающих между поверхностью фильтрующего материала и фильтруемой жидкостью.
Важность знание значения ζ – потенциала заключается в том, что его величина связана с устойчивостью коллоидных частиц, которые могут быть одним из видов примесей. Так, высокие значения ζ – потенциала будет означать устойчивость коллоидных систем к агрегации. Когда же величина ζ – потенциала низка, то притяжение между коллоидными частицами будет превышать силы отталкивания, и дисперсионные частицы будут склонны к агрегации, что приведет к коагуляции и образованию осадков и взвеси. Путем научных исследований было установлено, что при значении ζ – потенциала от 0 до ± 30 мВ наблюдается плохая устойчивость коллоидных частиц и весьма возможна их коагуляция.
Кроме того, величина ζ – потенциала характеризует состояние микробной флоры в воде. Вызвано это, по всей вероятности, тем, что «живое» состояние микроорганизмов в воде связано с их малой склонностью к агрегации. Потеря же микроорганизмами устойчивости в дисперсионной фазе – воде, будет приводить к их гибели и последующей задержкой фильтрующим материалом. Таким образом, значения ζ – потенциала ниже определенной величины будет приводить к своеобразной дезинфекции воды.
Межмолекулярные взаимодействия
Помимо рассмотренного, при фильтрации воды между фильтровальным материалом и примесями могут возникать и другие виды взаимодействия, одним из которых являются водородные связи. Уместно напомнить, что водородная связь представляет собой форму ассоциации между атомом водорода, имеющим ковалентную связь, и другим электроотрицательным атомом. Классическим примером образования водородных связей можно считать их возникновение между атомами водорода и кислорода в различных молекулах воды. Согласно современным представлениям, наличие водородных связей между молекулами воды приводит к возникновению, так называемых водных кластеров или комплексов следующей структуры:
Большое значение водородная связь имеет во многих волокнообразующих полимерах, в синтетических материалах (полиэфиры и полиамиды), а также в искусственных материалах на основе природной целлюлозы. В некоторых случаях поверхность волокон на основе этих полимеров также могут образовывать водородную связь с другими веществами, имеющие доступные электроотрицательные атомы, если эти примеси находятся в воде.
Еще одним видом межмолекулярного взаимодействия между материалом фильтра и веществом примесей являются силы Ван-дер-Ваальса. Часто существованием этих сил объясняют взаимодействие между диполями. В некоторых случаях возникновением сил Ван-дер-Ваальса объясняют взаимодействие между макрочастицей – материалом фильтра, и молекулой примесей, присутствующей в воде.
Важно отметить, что во всех случаях для продуктивного процесса фильтрации необходимо осуществление не только эффективного механизма задерживание примесей, но и предусмотреть сведение к минимуму возможность выноса загрязнений из фильтрационного материала. К сожалению, в некоторых моделях фильтров, имеющих существенные недостатки в конструкции, значительная доля задержанных загрязнений может высвобождаться из фильтрационных материалов, и попадать в поток очищенной воды. Загрязнение отфильтрованной воды задержанными примесями может происходить по разным причинам, одной из которых резкое возрастание скорости потока воды. В этом случае загрязнения, ранее задержанные фильтрационным материалом из эластичных волокон, будут вырываться под действием резкого изменения гидравлического давления. Объясняется это тем, что резкое внешнее механическое воздействие, приводит к деформации эластичных полимеров, и вследствие этого изменению структуры фильтрационного материала. Чтобы избежать подобного загрязнения отфильтрованной воды, необходимо проведение проверки конструкции фильтра на надежность, в условиях, которые моделируют ситуацию резкого изменения скорости потока. К сожалению, некоторые производители такие испытания своей продукции не проводят.
Вымывание задержанных загрязнений может происходить и при плавном возрастании водяного напора, если волокна, образующие фильтрационный материал недостаточно прочно скреплены между собой. Обычно это происходит, если фильтровальные материалы изготовлены по несовершенным технологиям. Качественные же фильтровальные материалы во всех случаях не должны пропускать примеси, размер которых больше диаметра пор.
Статья из журнала "Аква-Терм" №3/2019. Рубрика "Водоснабжение и водоподготовка".
