FILTRAREA

Filtrarea este operatia de separare a sistemelor eterogene fluid-solid in fazele

componente cu ajutorul unui strat filtrant cu structura poroasa, prin care poate trece

numai faza fluida.

Forta motrice a operatiei este diferenta de presiune dintre cele doua parti ale

stratului filtrant, care se creeaza folosind presiunea hidrostatica a coloanei de suspensie

sau cu ajutorul pompelor (centrifuge, cu piston sau pompe de vid).

Filtrarea sub presiune este preferata atunci cand produsul nu trebuie să intre în

contact cu mediul înconjurător; produsul solid trebuie să aibă un conţinut de fază lichidă

cat mai scăzut deoarece forţa motrice obţinută în cazul filtrării sub presiune (1⋅105-

7⋅105N⋅m-2) este mai mare decât în cazul filtrării sub vid (0,65⋅105-0,85⋅105N⋅m-2); se

filtraza suspensii fiebinti; lichidul este un solvent volatil.

Filtrarea sub vid prezinta avantajul manipularii usoare a fazei solide.

Filtrarea centrifugala conduce la obţinerea unei faze solide cu un conţinut redus

de umiditate, dar necesită o aparatura mai scumpa.

Separarea fazei solide pe stratul filtrant este rezultatul operatiilor de sedimentare –

cernere – adsorbtie.

Filtrarea unei suspensii are patru etape: retinerea particulelor solide de catre

stratul filtrant; retinerea particulelor solide de catre stratul de sediment depus; spalarea

sedimentului, indepartarea sedimentului depus pe filtru; regenerarea stratului filtrant.

Operatia de filtrare este influentata de un numar mare de factori.(dupa G Jinescu)

Fluidul influenteaza prin natura sa, vascozitate, densitate, proprietatile corosive.

Solidul influenteaza prin natura, forma si dimensiunile particulelor,

granulometrie.

Suspensia influenteaza prin modul de obtinere, concentratie, varsta suspensiei,

proprietatile reologice, cantitatea sau debitul, temperatura, structura suspensiei.

Sedimentul influenteaza prin omogenitatea sa, umiditatea finala,

compresibilitatea, rezistenta hidraulica.

Stratul filtrant isi arata influenta prin natura, arie, grosime, dimensiunea porilor,

rezistenta hidrodinamica, rezistenta chimica, rezistenta mecanica, capacitatea de

regenerare.

Operatia de filtrare influenteaza prin functionarea continua sau discontinua,

presiunea si temperatura de filtrare, viteza de filtrare, durata de filtrare. Filtrarea la

presiune constanta este cea mai obisnuita în practica. În aceste conditii, o data cu

cresterea grosimii stratului de precipitat are loc o scadere a debitului de filtrat pâna la o

valoare sub care cotinuarea filtrarii nu mai este economica.

Faza de spalare influenteaza prin natura lichidului de spalare, debitul,

concentratia si durata.

Factorii pot avea valori constante sau variabile in timpul filtrarii, in functie de

procedeul de filtrare si de conditiile de realizare a operatiei.

Suspensia. Filtrarea se realizeaza pentru orice tip de suspensie indiferent de

natura si caracteristicile fizico – chimice.

Granulometria fazei solide determina alegerea stratului filtrant ca textura si

porozitate, structura de precipitat si permeabilitatea acestuia.

Marimea particulelor poate varia intre aproximativ un milimicron si un milimetru.

Suspensiile cu un continut mare de particule fine sau coloidale dau precipitate cu pori

mici, compacte, putin permeabile. Astfel, vinul, este considerat din punct de vedere

fizico-chimic, un sistem complex, in care faza dispersa (apa, 75-85 %) contine

componente in solutie: etanol, glicerol, glucoza, fructoza, acizi (tartric, malic, succinic,

etc.), compusi fenolici, aldehide, aminoacizi, substante aromate, esteri, cationi si o mica

parte de particule coloidale si particule microscopice si grosiere, de importanta majora

pentru limpiditatea si stabilitatea vinului.

Cu cat dimensiuile particulelor sunt mai mari, cu atat filtrarea este mai rapida (se

pot folosi materiale filtrante cu pori de dimensiuni mari; se obtin precipitate cu

permeabilitate ridicata). Particulele cu dimensiuni mici au suprafata specifica (raortata la

unitatea de volum) mare, ceea ce determina atat aglomerarea lor cat si retinerea unei

cantitati mai mari de impuritati. Cu cat particulele solide existente in suspensie au

dimensiuni mai apropiate, se obtine o turta mai omogena, cu permeabilitate mai omogena

si mai usor de splalat.

In filtrarile dificile (industria vinului, industria berii), realizate cu suspensii cu

continut redus de particule de natura microbiana sau coloidala de dimensiuni foarte mici,

se modifica in prealabil granulometria suspensiei prin adaosul de substante auxiliare sau

adjuvanti de filtrare. Adjuvanţii de filtrare sunt materiale solide fin divizate formate din

particule rigide, nedeformabile care măresc permeabilitatea şi consolidează. O cerinta

majora a materialelor utilizate ca adjuvanti este inertia chimica. Cei mai utilizati

adjuvanti sunt: diatomitul ( kieselguhr ), perlitul, celuloza.

Diatomitul (kieselguhr), este o roca sedimenatara alcatuita din scheletele unor

alge microscopice, marine, unicelulare, cunoscute sub numele de diatomite. Fiind

constituit din dioxid de siliciu practic pur, are o rezistenta mecanica si chhimica ridicata.

Structura acestor schelete este foarte complexa, ceea c face ca diatomitul sa aiba o

suprafata specifica, foarte mare, iar datorita suprafetei specifice ridicate,diatomitul are o

capacitate remarcabila de absorbtie a particulelor coloidale, care altfel ar infunda porii

mdiului de filtrare. Marci comerciale de diatomit sunt: Celite, Super – Cel .

Perlitul este denumirea generica pentru o varietate de roci vulcanice ce au

proprietata de a expanda in urma unui tratament termic, marindu-si foarte mult suprafata

specifica.

Cand faza solida este valoroasa, se evita folosirea adjuvantilor. Orice material

pulverulent sau fibros care formeaza cu precipitatul o turta afanata, poate imbunatatii

performantele filtrarii. Adaugarea adjuvantilor de filtrare mareste permeabilitatea turtelor

cu 200 % - 1700 %.

Substantele auxiliare sunt materiale granulare sau din fibre fine care se adauga in

proportii reduse si care contribuie la imbunatatirea conditiilor de filtrare: kieselgur

(material inert, foarte absorbant), fibre de azbest, celuloza, etc.

Materialul auxiliar se depune pe suprafata filtranta pentru a forma un strat

absorbant sau se adauga continuu, intr-u dozaj convenabil (0,01 – 0,05 % din greutatea

fazei solide) in suspensia initiala.

Suspensiile cu particule sferoidale sau aciculare dau sdiment cu permeabilitate

mare care asigura viteze mari de filtrare. Particulele in forma de foite elastice se

comporta ca niste supape (la marirea presiunii de lucru viteza de filtrare se reduce).

Vascozitatea este iarasi importanta, deoarece cu cat scade vascozitatea fazei

lilchide, viteza de filtrare creste. Metode de scadere a vascozitati: diluarea suspensiei

si/sau incalzirea suspensiei.

Pentru imbunatatirea filtrarii, adica obtinerea unui lichid clar si marirea vitezei de

filtrare, se utilizeaza agenti de floculare. Floculantii sunt polimeri sintetici solubili in apa

care au rolul de a aglomera particulele fine existente in solutie, sub forma unor flocoane

(in multe cazuri sunt preferate flocoane mai mici si mai dense care sunt mai stabile decat

cele mari). Floculantii pot fi impartiti in trei categorii: cationici, anionici, neionici. In

principiu, cele mai bune rezultate se obtin cu floculantii ce au o sarcina opusa

potentialului zeta al particulelor. Cantitatea de floculant folosita variaza intre 0,5 – 10

kg/ tona solida (substanta uscata).

Temperatura de filtrare. Cresterea temperaturii de filtrare influenteaza favorabil

filtrarea, fie prin micsorarea vascozitatii, fie prin modificarea granulometriei ( inducerea

unei coagulari ). Efectul favorabil al cresterii temperaturii poate fi micsorat si chiar anulat

daca temperatura determina umflarea stratului filtrant.

Presiunea de filtrare. Influenta presiunii utilizate in operatia de filtrare depinde

de comportarea stratului de sediment ca strat filtrant. In cazul sedimentului

necompresibil, marimea diferentei de presiune intre fetele stratului filtrant are o influenta

favorabila asupra vitezei de filtrare. Pentru sedimente compresibile, valoarea diferentei de

presiune ptima se determina experimental.

Materialul filtrant. Materialul folosit ca strat filtrant trebuie sa: retina cat mai

complet faza solida a suspensiei si eventualele impuritati (provenite din surse ca; material

filtrant, coroziune, reactii chimice, etc.); sa aiba rezistenta hidraulica redusa, rezistenta

mecanica si chimica corespunzatoare; sa se regenereze usor; sa fie ieftin si usor de

procurat.

Materialul filtrant poate determina: o filtrare superficiala caracterizata prin

retinere pe suprafata stratului filtrant; o filtrare in adancime, caracterizata prin retinerea

fazei disperse in toata adancimea sa (exemplu: filtrarea apei prin filtrele cu nisip).

In functie de natura lor, materialele se utilizeaza sub forma de table, site, tesaturi

si impletituri, placi poroase, straturi fibroase si pulverulente, straturi granulare,

membrane.

Tablele perforate: site lamelare si site obtinute prin procedee electrolitice – sunt

gratare cu ochiuri dreptunghiulare (latimea minima 1,5 mm) sau circulare (diametrul

minim 3 mm). Se utilizeaza in special ca suport pentru panze sau alte materiale filtrante

(celuloza, azbest, kieselgur). Prezinta dezavantajul unei suprafete libere mici. Prin

procedee electrolitice diametrul ochiurilor poate ajunge la 0,01 mm.

Impletiturile mecanice au aceleasi aplicatii ca si sitele. Ca suport pentru

materialele poroase ele au o rezistenta mecanica mai mica decat tablele perforate, dar au

avantajul unei suprafete libere mici. Se fac impletituri mecanice cu ochiuri pana la 50 de

milimicroni; prin depunere electrolitica ochiurile pot fi micsorate pana la 5 milimicroni.

Panzele filtrante se caracterizeaza prin elasticitate, suplete si porozitate fina.

Particulele suspensiei sunt retinute prin efectul de cernere si absorbtie. Prezinta o

rezistenta mecanica redusa si se colmateaza usor. Sunt folosite ca suprafete filtrante

dispuse pe rame verticale, pe suport orizontal sau sub forma de saci. Panzele filtrante

prezinta o mare adaptabilitate la conditiile de filtrare. Materialele filtrante textile sunt:

fibre vegetale (bumbac, iuta), fibre animale (lana, par de camila, matase naturala), fibre

sintetice (matase artificiala), fibre minerale(azbest, sticla).

Membranele de provenienta animala, vegetala sau sintetica (gelatina, esteri de

celuloza depuse pe tesaturi sau pe hartie) se utilizeaza ca suprafete filtrante pentru filtrari

fine. Sunt retinute; substante coloidale, bacterii, virusuri.

Straturile fibroase din fibra de celuloza, azbest, lana, in, sunt obtinute prin presare

(carton, fetru, pasla) sau prin sedimentarea fibrelor pe o suprafata – suport; se utilizeaza

la filtrarea suspensiilor care colmateaza usor stratul filtrant (sirop de zahar, gelatina, ulei

vegetal, vinuri).

Straturile pulverulente depuse prin sedimentare – pulbere de kieselgur, carbune –

retin particulele in mod deosebit prin absorbtie. Se regenereaza prin spalare.

Placile poroase filtrante din granule reunite prin presare cu sau fara lianti si

ardere prin vitrificare, pot fi din azbest, kieselgur, argila portelan, cuart, sticla,

grafit,carborundum, materiale plastice. Se caracterizeaza prin porozitate uniforma,

rezistenta mecanica si chimica. Placile filtrante se intrebuinteaza pentru filtrarile cele mai

fine. Pentru industria berii se utilizeaza in mod curent patru tipuri de placi filtrante: placi

sterilizante (exemplu: placi sterilizate pentru filtrare avansata U800, placi pentru filtrare

fina U1000, placi de mare productivitate U1600 sau U2000 ).

Straturile granulare sustinute pe un suport : cele mai utilizate sunt filtrele de

nisip.

Straturile granulare active in filtre: filtru cu carbune activ pentru retinerea, prin

absorbtie, a unor componente, de exemplu: retinerea excesului de clor de la sterilizarea

apei; filtru de carbune activ, pamant decolorat, bentonita, pentru decolorarea si

dezodorizarea lichidelor.

Marea varietate a materialelor filtrante disponibile (celuloza, azbest, diatomit,

perlit, polimeri sintetici, etc.), precum si a straturilor filtrante realizabile (pulverulente,

fibroase, tesaturi, placi prefabricate si membrane) a determinat o larga diversificare a

fibrelor, atat din punct de vedere constructiv cat si functional.

Clasificarea filtrelor se poate face dupa mai multe criterii:

Dupa modul de realizare a diferentei de presiune, necesara curgerii lichiduluiprin

stratul filtrant, se disting: filtre ce functioneaza sub actiunea presiunii hidrostatice, data de

diferenta de nivel a produsului tulbure fata de cel filtrat, filtre ce functioneaza la presiuni

mai mici decat presiunea atmosferica, realizate cu pompe de vid si filtre ce functioneaza

la presiuni mai ridicate decat presiunea atmosferica, obtinute cu ajutorul pompelor de

vehiculare a produsului suspus filtrarii.

In raport cu regimul de functionare se disting: filtre cu functionare continua, cum

sunt, de exempl, filtrele cu tambur rotativ sau filtrele cu membrana tubulara cu efect de

decolmatare tangentiala si filtrele cu functionare periodica, asa cum sunt majoritatea

filtrelor folosite in industria alimentara.

In functie de marimea particulelor retinute, dependenta in principal de largimea

porilor stratului filtrant utilizat, filtrele se pot grupa in filtre ce realizeaza o filtrare

conventionala (grosiera, normala sau sterilizanta), microfiltrare sau ultrafiltrare.

In functie de gradul de mobilitate, filtrele pot fi: mobile sau stationare. Primele au

sasiul pe roti si sunt usor de deplasat la locul de folosire, dar pentru produsctivitate mare

se prefera filtrele stationare, care sunt fixate in fundatii corespunzatoare greutatii lor.

Dupa fractiunea ce urmeaza a fi utilizata se disting: filtre la care se utilizeaza

filtratul, filtre la care se utilizeaza sedimentul si filtre la care se utilizeaza amandoua.

In functie de modul de alcatuire a stratului filtrant, filtrele pot fi grupate in: filtre

cu strat filtrant preexistent; filtre cu strat filtrant ce se formeaza prin prealuvionarea sau

aluvionarea pe suport filtrant.

Stratul filtrant preexistent poate fi alcatuit fie numai dintr-un suport filtrant cu

rezistenta mecanica marita ce face parte din constructia filtrului (placi din tabla perforata,

site din impletitura de sarma, placi din materiale polimerice sintetice sau tuburi din

materiale ceramice), fie din suport filtrant si un strat filtrant care poate fi reconditionat

prin spalare (panze, placi prefabricate).

Intrucat in industria alimentara filtrele cu strat filtrant preexistent nu satisfac

intotdeauna exigentele impuse de obtinerea unor produse cu limpiditate marita (vin, bere,

sucuri de fructe) sau filtrarea este mult ingreunata din cauza prezentei in produs a unor

compusi coloidali (industria uleiului), se utilizeaza pe scara larga filtrarea aluvionara,

care se poate realiza atat pe tipuri de filtre ce pot functiona si fara aluvionare, cat si pe

filtre de constructie speciala.

Stratul filtrant prealuvionar se formeaza inaintea inceperii procesului de filtrare

propriu – zis. Pentru aceasta, materialul filtrant, care poate fi un material pulverulent

(diatomit, perlit sau un amestec al acestora) sau un material fibros (celuloza, azbest sau

ambele), se amesteca cu o anumita cantitate din produsul ce urmeaza a fi filtrat sau chiar

apa si se recircula prin filtru cu ajutorul unei pompe, pana ce materialul filtrant este

retinut pe suport, iar lichidul este limpede.

Pentru a evita colmatarea rapida a stratului filtrant prealuvionar, uneori, este

necesar ca in tot timplul filtrarii sa se continue aluvionarea introducand materialul

filtrant, care in cel mai general caz este diatomit (in comert se livreaza curent sub

denumirea de kieselgur). Procedand astfel, particulele de sediment, depunandu-se

impreuna cu cele de diatomit, formeaza un strat suplimentar afanat, ce nu se colmateaza

asa rapid, ca in cazul precedent sau la filtrarea obisnuita.

Straturile filtrante, sub forma de placi filtrante sau cartoane filtrante, sunt

constituite din celuloza si azbest asociate in diferite proportii. La unele tipuri, in

alcatuirea placilor mai intra si diatomit, perlit sau diferiti polimeri sintetici, ca de

exemplu, polivinilpolipirolidona (PVPP), nailon, capron, etc. In industria alimentara se

utilizeaza o gama mare de placi filtrante care se deosebesc intre ele prin compozitie si

tehnologia de fabricare. In general, ele se clasifica in placi pentru filtrare curenta si placi

pentru filtrare sterilizanta. Acestea din urma contin o cantitate mai mare de azbest, iar

porii sunt atat de fini incat in afara de limpezime se obtine si o sterilizare relativa a

produsului.