SEPARAREA PRIN FILTAREA S.l.Dr.ing. Covaliu Ileana Cristina

Filtrarea este operaia de separare a fazei solide (faza dispersa) dintr-un sistem solid-lichid (suspensie, amestec eterogen), prin retinerea ei pe un suport poros prin care trece numai faza lichida, numit mediu filtrant (sau mediu de filtrare, septum, strat filtrant cu structur poroas).

Stratul filtrant reine particulele fazei disperse cu dimensiuni superioare diametrului porilor mediului de filtrare, fiind n principiu permeabil doar pentru faza continu.

EXEMPLU

n cazul filtrrii unei suspensii solid-lichid se obine:

o faz lichid fara sau cu un continut redus de solid (particule de dimensiuni mai mici dect porii materialului filtrant ce poart numele de Filtrat, Efluent Sau Permeat;

o faz solid cu un anumit coninut de faz lichid (imbibat cu lichid, nu e uscata) ce se numete precipitat, sediment sau turt.

ETAPELE FILTRRII

Varianta A:1. Filtrarea propriu-zis;2. Splarea precipitatului;3. Esorarea precipitatului (ndepartarea apei din turta de precipitat).

Varianta B:1. Retinerea partiala pe suprafata mediul filtrant a unei parti din faza solida;filtratul antrenand o mica parte din particulele mai fine se obtine un filtrat tulbure, care de cele mai multe ori este recirculat;2. Finalizarea retinerii fazei solide cu ajutorul unui strat de precipitat format in prealabil cu rolul de a retine toata faza solida filtratul va fi clar; 3. Spalarea precipitatului, daca considerentele tehnologice impun acest lucru;4. Indepartarea precipitatului de pe suprafata mediului de filtrare;5. Regenerarea mediului filtrant care consta in desfundarea porilor prin suflarea cu gaz sau spalare.

Splarea precipitatului urmrete ndeprtarea urmelor de filtrat n scopul:obinerii unui precipitat ct mai curat; recuperarea unei proporii ct mai mari din filtrat.

n cazul n care produsul valoros este precipitatul, urmeaz esorarea ndepartarea apei din turta de precipitat operatie ce este diferit de uscarea clasica care se bazeaza pe procedee termice.

Cerinele filtrrii:Trebuie sa asigure un filtrat far faz solid;Precipitatul sa contin cat mai putin lichid;Viteza de filtrare sa fie cat mai mare;Consumul de energie sa fie mic ;Manopera redus.

TERMINOLOGIEdaca scopul operatiei este obinerea unei faze lichide cu coninut redus de faz solid clarificare;daca scopul operatiei este obinerea unui solid cu un coninut ct mai redus de faz lichidfiltrare.

Dupa regimul de funcionare:filtrarea discontinu (n arj): mediul filtrant este imobil, elementele suprafeei filtrante aflndu-se simultan n aceiai faz a procesului de filtrare;filtrarea continu- mediul filtrant se deplaseaz, un element al suprafeei filtrante trecnd succesiv prin toate fazele procesuluide filtrare.

Fora motrice a procesului de filtrare este diferena de presiune ntre cele dou fee ale stratului filtrant.

Diferena de presiune se poate obine prin:micorarea presiunii n aval (pompe de vid) (Fig. 1.a);mrirea presiunii n amonte prin utilizarea unei pompe sau doar a presiunii hidrostatice a suspensiei (Fig.1.b);realizarea filtrrii n cmp centrifugal (Fig.1.c).Fig.1 Tipuri de filtrare

SEPARARE PRIN FILTRAREFiltrarea sub presiune este preferat atunci cnd:produsul nu trebuie s intre n contact cu mediul nconjurtor;produsul solid trebuie s aib un coninut de faz lichid ct mai sczut deoarece fora motrice obinut n cazul filtrrii sub presiune(1105-7105 Nm-2) este mai mare dect n cazul filtrrii sub vid(0,65105-0,85105 Nm-2);se filtraza suspensii fiebinti;lichidul este un solvent volatil.Filtrarea sub vid prezint avantajul manipulrii uoare a fazei solide.Filtrarea centrifugal conduce la obinerea unei faze solide cu un coninut redus de umiditate, dar necesit o aparatur mai scump.

Elementele componente ale unui filtru:1-carcas filtru;2-suport;3-material filtrant;4-sediment;5-suspensieSEPARARE PRIN FILTRARE

n condiiile filtrrii de suprafa, imediat dup nceperea operaiei de filtrare apar dou efecte:reducerea treptat a mrimii efective a porilor datorit blocrii (pariale) a unor pori cauzat de ptrunderea n interiorul lor a unor : particule extrem de fine care sunt reinute prin fore de adsorbie; particule uor deformabile a cror ieire este mpiedicat de neregularitile porilor i/sau modificarea formei particulelor.

depunerea straturilor de sediment pe suprafaa filtrant, cu formarea unei turte de sediment ce va constitui un

mediu de filtrare suplimentar care contribuie

la creterea eficienei de filtrare dar va mri cderea de presiune

n cazul concentraiilor mari de faz solid n suspensie (>1% v/v), deasupra porilor se formeaz puni (figura 2) care rein particule de dimensiuni inferioare dimensiunii porilor, mrind astfel eficiena filtrrii.Fig.2. Formarea punilor datorit aglomerrii particulelor solide ce susin turta de sediment n cazul filtrrii suspensiilor concentrate

SEPARAREA PRIN FILTRAREDatorit mririi grosimii stratului filtrant crete rezistena la filtrare (exprimat prin scderea de presiune pe filtru) pe parcursul filtrrii. n consecin, dac diferena de presiune ntre cele dou fee ale filtrului este meninut constant

viteza de filtrare va scdea n timp.

Pentru meninerea unui debit de filtrat constant este necesar creterea diferenei de presiune ntre cele dou fee ale mediului de filtrare.

Pentru evitarea scderii vitezei de filtrare, se poate utiliza filtrarea tangenial (f.t.)suspensia ce trebuie separat curge paralel cu suprafaa filtrant (nu perpendicular pe aceasta ca n cazul filtrrii convenionale). suspensia circul cu vitez foarte mare peste suprafaa filtrant meninerea unei suprafee de filtrare curate (eventual se depune un strat foarte subire de precipitat).

!!!! Pentru asigurarea unui debit de suspensie suficient de mare, debitul de recirculare al acesteia este de 10-20 de ori mai mare dect debitul de filtrat.

SEPARAREA PRIN FILTRAREFig.3. Comparaie ntre filtrarea convenional a) i filtrarea tangenial b)a)b)

FILTRU NATURAL-COAJA DE OUFig.4. Imaginile SEM la diferite scale de magnitudine

ADJUVANTI DE FILTRARE

Pentru evitarea astuprii porilor, la separarea suspensiilorgreu filtrabile sunt utilizai adjuvani de filtrare.

Adjuvanii de filtrare = sunt materiale solide fi divizate formate din particule rigide, nedeformabile care mresc permeabilitatea i consolideaz turta

O cerin major a materialelor utilizate ca adjuvani este ineria chimic

Cei mai utilizai adjuvani de filtrare sunt:1.diatomitul (kieselguhr);2. perlitul- denumire generic pentru o varietate de roci vulcanice ce au proprietatea de a expanda n urma unui tratament termic, mrindu-i foarte mult suprafaa specific;3. celuloza.Cnd faza solid este valoroas se evit folosirea adjuvanilorOrice material pulverulent sau fibros care formeaz cu precipitatul o turt afnat poate mbunti performanele filtrriiAdugarea adjuvanilor de filtrare mrete permeabilitatea turtelor cu 200%-1700%

DIATOMITUL

roc sedimentar alctuit din scheletele unor alge microscopice marine unicelulare cunoscute sub numele de diatomit.fiind constituit din dioxid de siliciu practic pur are o rezisten mecanic i chimic ridicat.structura acestor schelete este foarte complex ceea ce faceca diatomitul s aib o suprafa specific foarte mare.datorit suprafeei specifice ridicate, diatomitul are o capacitate remarcabil de adsorbie a particulelor coloidale care altfel ar nfunda porii mediului de filtrare.Mrci comerciale de diatomit : Celite , Super-CelFig. 5 Schelete fosilizate de diatomite cu diametrul de 10-200 m

Fig.6 Influena adjuvanilor asupra vitezei de filtrare

ADJUVANTI AI FILTRARIIadjuvanii de filtrare pot fi:1. amestecai direct cu suspensia ce trebuie filtrat - este mai simpl, dar nu poate fi utilizat atunci cnd:1.1.produsul valoros este precipitatul sau cnd1.2.prezena adjuvanilor mpiedic utilizarea sedimentului ca produs secundar2. folosii pentru formarea unui pat de filtrare, naintea introducerii suspensiei de separat.

ALEGEREA ADJUVANTULUI DE FILTRARE

1. alegerea tipului de adjuvant n funcie de rezistena chimic a acestuia n contact cu componentele suspensieide separat i criteriile de puritate impuse materialului deinteres (diatomit, perlit, celuloz, crbune)2. stabilirea granulaiei ce conduce la rezultate optime (adjuvantul trebuie s aib granulaia maxim posibil pentru a obine debite de filtrare ct mai mari, dar s fie suficient de fin astfel nct impuritile i particulele de dimensiuni foarte mici s nu treac prin patul de adjuvant)3. stabilirea concentraiei optime a adjuvantului

REGULI EMPIRICE (PRACTIC)

adjuvanii de filtrare sunt adugai n procent de 1-2% din greutatea suspensiei supus filtrriisauraportul dintre volumul adjuvantului i cel al solidelor din suspensie la 2:1cantitatea optim de adjuvant de filtrare adugat se stabilete practic n funcie de caracteristicile suspensiei i ale procesului de filtrare(costul adjuvanilor reprezint un procent semnificativ din costulfiltrrii).alegerea celui mai bun adjuvant pentru o anumit filtrare trebuie s in seama de faptul c acetia pot absorbi specific unele enzimele sau antibiotice aminoglicozidice

CURS 3-FILTRAREA-CONTINUARE

Dei aparent simpl, filtrarea este o operaie dificil i mai scump comparativ cu sedimentarea.In urma filtrrii se obine o faz solid cu un coninut mai mic de umiditate i o faz lichid mai limpede dect n cazul sedimentrii.Principalii factori de care depinde filtrarea pot fi mprii ntrei mari categorii:factori referitori la suspensie;factori referitori la materialul filtrant;factori referitori la operaia de filtrare.REGULI EMPIRICE (PRACTIC)

Dintre factorii referitori la suspensie cei mai importani sunt:1. Dimensiunile medii ale particulelor solide;Cu ct dimensiunile particulelor sunt mai mari cu att filtrarea este mai rapid:- se pot folosi materiale filtrante cu pori de dimensiuni mari;- se obin precipitate cu permeabilitate ridicat;Particulele cu dimensiuni mici au suprafa specific (raportat la unitatea de volum) mare ceea ce determin att aglomerarea lor ct i reinerea unei cantiti mai mari de particule.2. Distribuia granulometric a particulelor solide; 3. Forma particulelor solide;particule uor deformabile a cror ieire este mpiedicat de neregularitile porilor i/sau modificarea formei particulelor.4. Vscozitatea fazei lichide- cu ct scade vscozitatea fazei lichide, viteza de filtrare va crete.Metode de scdere a vscozitii:diluarea suspensiei i/saunclzirea suspensiei.

cu ct particulele solide existente n suspensie au dimensiuni mai apropiate se obine

o turt mai omogen permeabilitate mai mare i mai uor de splatParticulele de form sferic i acicular formeaz

precipitate cu permeabilitate bun pentru lichidparticulele ce formeaz foie elastice se comport ca nitesupape viteza de filtrare scznd la creterea diferenei depresiune2. Distributia particulelor solide si 3. Forma particulelor solidecontinuare

AGENI DE FLOCULARE

Pentru mbuntirea filtrrii (obinerea unui lichid clar i mrirea vitezei de filtrare) se utilizeaz ageni de floculare.Floculantii sunt: polimeri sintetici solubili n ap; cu rol de a aglomera particulele fine existente n soluie sub forma unor flocoane.n multe cazuri sunt preferate flocoane mai mici i mai dense care sunt mai stabile dect cele mari).Floculanii pot fi mprii n trei categorii:Cationici;Anionici;Neionici.In principiu, cele mai bune rezultate se obin cu floculanii ce au o sarcin opus potenialului zeta al particulelor.

potenialul zeta este dificil de determinat;cea mai rapid metod const n testarea mai multor floculani n soluie diluat 0,1% (pentru micorarea vscozitii) i determinarea claritii filtratului i a vitezei de sedimentare.Cantitatea de floculant folosit variaz ntre 0,5-10 kg/ tona solide (substan uscat).AGENI DE FLOCULARE

MATERIALUL FILTRANT

Materialele folosite ca strat filtrant sunt foarte diferite ca natur, structur i proprieti.

Stratul filtrant ideal:reine complet faza solid;are o permeabilitate mare pentru lichid;are rezistena mecanic si chimica mare;este uor de curat/regenerat;este ieftin.

TEORIA FILTRRII

Cunoaterea bazelor teoretice ale filtrrii este util pentru:evaluarea datelor experimentale obinute la scar de laborator sau pilot;evaluarea condiiilor optime pentru filtrarea la nivel industrial;evaluarea influenei modificrii parametrilor de operare asupra performanei procesului.Teoria filtrrii are la baz ecuaia curgerii fluidelor prin medii poroase, dezvoltat de Darcy n 1856.k-permeabilitatea mediului poros (stratului granular)H-nlimea stratului poros-vscozitatea dinamicw-viteza de curgere a fluidului (filtratului)p-diferena de presiune- viteza de filtrare: volumul de filtrat ce trece n unitatea de timp prin unitatea de suprafa filtrant (productivitatea filtrului)w = debitului volumetric /aria total a suprafeei filtrante (vitez fictiv)

Conform legii generale a transportului de proprietate, viteza de transport este egal cu raportul dintre fora motrice (p) i rezistena la transport (R).

FILTRAREA DE SUPRAFA CU FORMAREA TURTEI DE PRECIPITAT

n timpul filtrrii de suprafa grosimea stratului cu aciune filtrant crete n timp (la grosimea mediului de filtrare propriu-zis se adaug i nlimea precipitatului) viteza de filtrare scade n timpul procesuluise alege un interval de timp d suficient de mic astfel nct viteza de filtrare s poat fi considerat (aproximativ) constantin acest interval de timp (infinit de mic) se va filtra un volum de lichid dV cu viteza (constant) w:w-viteza de curgere a filtratului, ms-1A-aria suprafeei filtrante, m2dV volumul de filtrat ce trece prin filtru in intervalul dd- intervalul de timp, sp-diferena de presiune, Nm-2R-rezistena la filtrare, Nsm-3

Ipoteze simplificatoare (8):

faza dispers este distribuit uniform n tot volumul suspensiei;curgerea filtratului prin stratul granular este unidimensional;regimul de curgere este laminar;grosimea turtei de precipitat nu este limitat extern;filtratul nu conine particule solide;numrul i diametrul capilarelor sunt uniforme pentru ntreaga arie a turtei i nu se modific n timpul filtrrii (particulele solide nu ptrund n interiorul capilarelor i nici nu le blocheaz);se neglijeaz pierderile de presiune n conductele de alimentare cu suspensie evacuare filtrat;turta este incompresibil (nu se poate comprima, nu isi micsoreaza volumul);

Calculul rezistenei totale la filtrare exprimat ca pierdere de presiune se face pornind de la premiza existenei a dou rezistene legate n serie: 1. rezistena datorat turtei de precipitat (p1) i 2. rezistena datorat mediului de filtrare propriu-zis (p2) .- rezistena opus de turta de sediment la curgerea filtratului poate fi descris prin ecuaia Darcy;- cderea de presiune ce apare la curgerea filtratului prin turta de precipitat este proporional cu:Analogie ntre pierderea de presiune la filtrarea de suprafa cu formarea turtei de precipitat i rezistena unui circuit electric cu rezistene n serie.

viteza de curgere, m/snlimea stratului de sediment H, mvscozitatea filtratului , Ns/m2constanta H denumit rezistena specific a turtei, m-2

rezistena specific poate fi considerat ca reprezentnd lungimea fictiv a porilor din 1m2 de material filtrant.inversul rezistenei specifice poart numele de permeabilitate (k):1/ H= k

Permeabilitatea turtei (din punct de vedere fizic) = debitul volumetric de filtrat ce trece printr-un filtru: cu arie egal cu 1m2 i grosime 1m cnd vscozitatea filtratului i diferena de presiune dintre cele dou fee ale filtrului sunt egale cu unitatea.

grosimea real a precipitatului este dificil de determinatexperimentalse defineste o grosime medie a turtei de precipitat prinraportarea masei de precipitat la suprafaa filtrului (M/A)n acest caz, variabilele sunt: viteza de curgere w, m/s grosimea turtei (M/A), kg/m2 vscozitatea , Ns/m2 rezistena specific m

INSTALAIE DE LABORATOR PENTRU DETERMINAREA CONSTANTELORCARACTERISTICE FILTRRIIFiltrarea poate fi clasificata in funcie de viteza de formare a turtei n instalaia de laborator:rapid 0,1-10,0 cm/s;medie 0,1-10,0 cm/min;lent 0,1-10,0 cm/h

UTILAJE DE FILTRARE

Dup regimul de funcionare filtrele pot fi mprite n:filtre cu funcionare discontinu i filtre cu funcionare continu.

Etapele operaiei de filtrare sunt:introducerea suspensiei;filtrarea propriu-zis;esorarea precipitatului (ndeprtarea ct mai avansat a filtratului);splarea precipitatului;esorarea precipitatului (ndeprtarea ct mai avansat a lichidului desplare);desprinderea precipitatului;ndeprtarea precipitatului;regenerarea materialului filtrant

FILTRE CU FUNCIONARE DISCONTINU

Filtrele nuce au suprafaa filtrant cuprins ntre 1-6 m2, fiind utilizate pentru filtrarea unor volume mici de suspensie.

Grosimea stratului de precipitat depus este cuprins ntre 50-400 mm. Pentru filtrarea suspensiilor : la temperaturi superioare temperaturii ambiante,cnd se lucreaz cu solveni volatili, precum ipentru evitarea contaminrii,

se folosesc filtre nchise, prevzute cu manta n care filtrarea se face sub presiune de aer sau gaz inert.

Filtrele nuce prezint urmtoarele avantaje: construcie simpl adaptabilitate la o mare varietate de condiii de lucruCele mai importante dezavantaje ale acestui tip de filtre sunt : suprafa mic de filtrare (fa de spaiul ocupat) productivitate mic splare defectuoas (de multe ori se formeaz canale n turta de precipitat)manoper mult pentru descrcare precipitatului i montarea filtrului

FILTRE PRES

Se construiesc n dou variante:1. filtre cu camere 2. i filtre cu plci i rame.

Au n comun urmtoarele elemente:un postament solid prevzut cu dou bare orizontale ce au rol de susinere a plcilor filtrante;elemente filtrante mbrcate n pnz de filtru (suprafaade filtrare este egal cu dublul ariei plcilor);

Seciune printr-un filtru pres cu:- camere cu evacuare individual (1 a), respectiv-comun (2 a) i plcilefiltrante corespunztoare(1b), (2b)

FILTRU CU PLCI

FILTRU CU FUNCTIONARE DISCONTINUA