Filtracja. Mechanizmy filtracji

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 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.
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.
Powietrze to aerozol, który składa się z: gazowej fazy ciągłej,
jaką jest czyste powietrze oraz 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. 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. Głównie
zachowują się tak substancje mające właściwości higroskopijne
np. drewno. Martwe szczątki świata roślin i
zwierząt rozkładają się do postaci pyłu, czego przykładem
jest wysuszony liść, który łatwo można pokruszyć. 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.

Rys. 1 Układy dyspersyjne: a) jednofrakcyjne, b) wielofrakcyjne

Rys. 2 Równoważność cząstki dowolnej i kulistej:
a) pod względem powierzchni, b) pod względem objętości
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, oraz średnicę powierzchniową, czyli
średnicę kuli o tej samej powierzchni co cząstka. Średnica
sitowa jest rozmiarem szczególnym, który określa się na
podstawie przesiewania.
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.

Rys. 3 Filtracja: a) powierzchniowa, b) wgłębna (objętościowa)
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.
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 jest następstwem molekularnych ruchów
Browna i z tego względu ma znaczenie tylko dla bardzo
małych cząstek (poniżej 1μm). Osiadanie cząstki na
włóknie jest możliwe tylko wtedy, gdy przebywa ona dość
długo i dość blisko w pobliżu włókna.
Zjawisko bezwładności, którym interesowali się uczeni
od stuleci m. in. Galileusz i Newton, okazuje 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 [1]. 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 fi ltry materiałów włóknistych o różnej gęstości włókien
zwiększa efektywność filtracji wykorzystującej efekt zaczepienia.
Zjawisko bariery występuje wtedy, gdy cząstka porusza
się wzdłuż linii przepływu, której odległość od włókna w
miejscu opływania jest mniejsza niż pół średnicy cząstki [1].
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 1036 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,
a sam mechanizm oddzielania na warstwie filtrującej
można schematycznie przedstawić dla pojedynczego
włókna, jak to obrazuje rysunek 4.

Rys. 4 Podstawowe mechanizmy filtracji
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,
a także od materiału cząstki i materiału włókien
oraz od stanu powierzchni włókien.
Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń
na powierzchni filtracyjnej zmienia
się w zależności od mechanizmu oddzielania i od
średnicy zanieczyszczeń, jak to przedstawiono na
rysunku 5.

Rys. 5 Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń powietrza
na powierzchni filtracyjnej w zależności od mechanizmu oddzielania
i wielkości
cząstek na podstawie [1, 2]
W wysokoskutecznej filtracji powietrza działają
przede wszystkim dwa mechanizmy oddzielania
zanieczyszczeń: dyfuzja i zaczepienie. Dla
cząstek większych od 1 μm 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.
Instalacje klimatyzacji i wentylacji posiadają najczęściej
od jednego do kilku stopni filtracji.
Tytuł: Filtracja. Mechanizmy filtracji
Autor: mgr inż. Krzysztof Kaiser
Źródło: Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 05/2007

Literatura
[1] Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.
R.: Ogrzewanie + Klimatyzacja. Poradnik. Wydanie 1.
EWFE, Gdańsk 1994
[2] Lee KW, Liu BYH: On the minimum efficiency and the
most penetrating particle size for fibrous filters. J Air
Pollut Control Assoc 30: 377-381