Внимание! Если скачанный файл открывается с ошибкой, то попробуйте открыть его на другом устройстве или в облаке. Если ничего не помогло, то напишите нам.
Разделение смесей основано на различных физических свойствах веществ, составляющих смеси: а) разная плотность нерастворимых в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь древесных и железных опилок); б) разная плотность малорастворимых друг в друге жидкостей, составляющих смесь (например, растительное масло и вода); в) разная растворимость в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь поваренной соли и песка); г) разные магнитные свойства компонентов смеси (например, смесь порошков железа и серы) и др.
В повседневной жизни разделение смесей с помощью просеивания используется, например, в кулинарии (просеивание муки, крупы), в строительстве (просеивание песка).
Частицы золота имеют больший размер и плотность, чем частицы горной породы. При отделении золота пустая порода «вымывается», а золото остается в осадке.
Отстаивание и декантация — это способы разделения смеси жидкости и твердого вещества.
При отстаивании частицы твердого вещества оседают на дно: чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь. В результате отстаивания получают два слоя: верхний слой — жидкость, нижний слой — твердое вещество. При декантации жидкость отделяется от твердого вещества путем ее сливания.
Пример: смесь воды и песка.
Фильтрование — это процесс разделения смеси, основанный на различной растворимости в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь поваренной соли и песка). Для разделения смеси фильтрованием ее растворяют в воде и пропускают фильтр. Частицы твердого вещества не проходят через фильтр и оседают на нем, а вода с растворенными вещества просачивается через него. Фильтрат — это раствор, прошедший через фильтр.
Для изготовления фильтров, в зависимости от их назначения, могут использоваться специальная пористая бумага, ткань, вата, угольный порошок, песок.
Способы фильтрования воздуха в быту: использование ватно-марлевых повязок.
Способы фильтрования воздуха на производстве: использование респираторов.
Цетрифугирование — это процесс разделения неоднородной смеси, содержащей частицы очень малых размеров, которые невозможно отделить отстаиванием или фильтрованием. Смесь помещают в специальный сосуд, который с огромной скоростью вращают в специальном аппарате — центрифуге. В результате более тяжелые частицы оседают на дно сосуда, а легкие оказываются сверху.
Центрифугирование основано на действии центробежной силы, которая во много раз превышает силу земного притяжения.
Этот процесс применяется, например, при сепарировании молока.
На поверхности воды осталось сухое молоко, так как порошок сухого молока плохо смачивается водой и удерживается на ее поверхности.
При отстаивании частицы твердого вещества оседают на дно. Если частицы твердого вещества достаточно крупные, то они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной. Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.
Смесь порошка для чистки посуды и воды долго отстаивается, так как размеры твердых частиц в ней очень малы.
Наблюдается поглощение пузырьков газа активированным углем и обесцвечивание раствора. Это объясняется тем, что активированный уголь способен поглощать своей поверхностью газообразные и растворенные вещества. Эту способность называют адсорбцией, а активированный уголь адсорбентом.
Источник
§ 2.7. ФИЛЬТРОВАНИЕ ВОЗДУХА
Стерильный воздух необходим для аэрирования сусла, подаваемого на брожение, а также при выращивании чистой культуры.
Из известных способов стерилизации воздуха способ фильтрования получил наибольшее распространение.
Для очистки воздуха на пивоваренных заводах используются различные технологические схемы, самая простая из них включает:
предварительное фильтрование воздуха;
грубое фильтрование;
тонкую очистку.
Процесс очистки воздуха заключается в следующем: атмосфер ный воздух засасывается турбокомпрессором через фильтр предварительной очистки, назначение которого – выделение из атмосфер ного воздуха основной массы пыли. Температура воздуха на выходе из компрессора составляет около 100 °С. После компрессора воздух поступает в теплообменник, где охлаждается до требуемой температуры, и далее – в общий фильтр грубой очистки (так называемый головной фильтр). Эффективность очистки воздуха на этом этапе достигает 98 % (по содержанию частиц с размером 1–1,5 мкм как наиболее характерному показателю бактериальных загрязнений воздушной микрофлоры). Очищенный таким образом воздух по коллектору поступает для окончательной очистки в индивидуальные фильтры, установленные у каждого аппарата и обеспечивающие очистку воздуха более чем на 90% (по частицам с диаметром 0,3 мкм). На стадии тонкой очистки должны быть предъявлены наиболее жесткие требования к эффективности фильтров.
Необходимо также строго поддерживать оптимальный термодинамический режим системы стерилизации воздуха для обеспечения нормальной работы фильтрующих материалов.
В соответствии с технологической схемой получения стерильного сжатого воздуха все фильтрующие материалы можно разделить на три группы:
материалы для фильтров предварительной очистки воздуха;
для головных фильтров;
для индивидуальных фильтров.
Фильтровальные материалы предварительной очистки воздуха. В качестве фильтрующих материалов в фильтрах предварительной очистки воздуха используются: слой из проволочной сетки, набивные слои из металлической стружки, или полимерных материалов, маты или набивка из грубых минеральных или синтетических волокон. В последние годы в фильтрах предварительной очистки применяется губчатый модифицированный пенополиуретан. На этой стадии очистки используются масляные и висциновые фильтры, в которых находятся промасленные металлические сетки. Масло способствует более полному оседанию частиц на фильтре. Если смачивающее вещество в висциновом фильтре обладает бактерицидными свойствами, то осаждаемые вместе с пылью бактерии обезвреживаются.
Наиболее выгодными из всех типов промышленных фильтров предварительной очистки с большой производительностью являются фильтры непрерывного действия, в том числе масляные циклофильтры. Для автономных систем очистки, а также систем небольшой производительности целесообразно применять сухие панельные фильтры, заполненные модифицированным пенополиуретаном.
Фильтровальные материалы грубой очистки воздуха. Обычно в фильтрах первой ступени (так называемых головных фильтрах) используются волокнистые материалы в виде объемных слоев или нетканых материалов. Эффективность их использования зависит от исходной концентрации дисперсной твердой фазы.
Структура волокнистых материалов позволяет обеспечить указанную эффективность фильтрации при длительной непрерывной работе материала.
Волокнистые фильтрующие материалы представляют собой слой беспорядочно распределенных волокон, уложенных в фильтр с определенной высотой слоя и усредненной плотностью упаковки, которая в зависимости от диаметра волокон колеблется от 20 до 50 мкм. Волокнистые фильтры являются фильтрами глубинного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накопление частиц не только на поверхности фильтрующего слоя, но и по всей его глубине. В качестве фильтрующих материалов используют минеральные волокна (стекловолокна, базальтовые волокна), а также нетканые материалы из искусственных или синтетических волокон.
Волокнистые материалы получили широкое распространение в качестве фильтрующего материала в головных фильтрах вследствие своей надежности, относительной дешевизны и достаточной эффективности.
Стекловолокнистые материалы. Широкое применение стекловолокна обусловлено такими специфическими свойствами, как несгораемость, большая теплоемкость, устойчивость к воздействию большинства химических веществ. Химическая стойкость стекловолокон, в том числе стойкость к воздействию острого пара, в первую очередь зависит от состава стекла, используемого для их изготовления. Наиболее химически стойкими являются боросиликатные и алюмосиликатные стекла. Высокой стойкостью к воде и пару обладают волокна из кварцевого, кремнеземного и каолинового стекол. Стекловолокно бесщелочного состава является достаточно стойким к воздействию насыщенного водяного пара при температуре 100 °С. Однако даже это волокно может выдержать лишь кратковременное воздействие пара повышенного давления. Из волокон щелочного состава наиболее высокой пароустойчивостью обладают волокна, изготовленные с добавлением окислов алюминия и циркония. Одним из методов повышения стойкости волокон является их гидрофобизация путем пропитывания кремнийорганическими соединениями.
В нашей стране в свое время широкое распространение получила стекловата щелочного химического состава со средним диметром волокон 21 мкм и стекловолокно марки АТИМС (стеклосрезы) с диаметром волокон 5–7 мкм. Однако срок службы этих волокон в условиях воздействия острого пара невелик. Кроме того, вследствие выщелачивания волокон нарушается структура фильтрующего слоя, что снижает эффективность фильтра.
Стойкость к воздействию пара однонаправленного стекловолокна ВСО-6В и ВСО-10В с диаметром волокон 5–7 мкм, изготовленного из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, выше, чем у волокон марки АТИМС, однако из этих материалов очень трудно создать равномерные слои.
Добавление фенолфурфуролальдегидной смолы придает матам из стекловолокна большую прочность и делает их устойчивыми к воздействию пара.
Фильтрующие материалы в головных фильтрах должны обладать достаточной эффективностью фильтрации, высокой пылеемкостью и небольшим сопротивлением. С увеличением плотности упаковки однородной объемной насадки увеличиваются эффективность фильтрации и сопротивление материала, но при этом уменьшается пылеемкость по всей высоте слоя и происходит накопление пыли по всей поверхности насадки.
Оптимальным является применение многослойной конструкции волокнистой насадки с различной плотностью слоев, которая дает значительное увеличение пылеемкости при сравнительно небольшом сопротивлении и высокой эффективности фильтрации и увеличивает срок службы в несколько раз. При этом более рыхлые слои располагаются первыми по ходу движения газов. Они должны обладать небольшой эффективностью, но высокой пылеемкостью. Толщина первого слоя должна составлять 50–60% от общей толщины насадки. Самый последний слой делают значительно более плотным и небольшой толщины. Он обеспечивает высокую эффективность всего фильтра. Сопротивление такого слоя медленно растет в основном за счет первого фильтра.
За рубежом с успехом применяется многослойная конструкция фильтрующей насадки из гибких и ударопрочных стекловолокон, которые укладываются в гофрированные маты таким образом, чтобы плотность упаковки увеличивалась по направлению к выходу очищенного воздуха. Стекловолокна связаны искусственной смолой и покрыты смесью вязких низкомолекулярных полимеров этилена или пропилена, благодаря чему на фильтре удерживаются частицы менее 1 мкм. Для придания гидрофобности, способствующей снижению выщелачиваемости волокон, наносят гидриды кремния. В процессе получения волокон можно нанести также бактерицидное покрытие. При особом трехступенчатом строении фильтра со стороны выхода очищенного воздуха помещают еще слой специальной ткани, чтобы предотвратить отслаивание волокон.
Материалы из базальтового волокна. Базальтовое волокно обладает более высокой паро-, водо- и щелочестойкостью, чем стекловолокна. При нагревании базальтового волокна до 1100°С его свойства не претерпевают изменений. Базальтовое волокно обладает высокой механической прочностью, не подвержено гниению, горению и коррозии.
Экспериментальным путем установлено, что толщина слоя фильтрующего материала головных фильтров должна составлять 50–60 мкм, оптимальный диаметр волокна – 12–14 мкм. Эффективность фильтрации таких волокон почти в 2,5 раза выше, чем волокон с диаметром 26 мкм (грубое базальтовое волокно ВРВ).
Недостатком волокна является наличие в нем острых граней из базальтовых подплавов и других механических включений, появляющихся в процессе изготовления и ухудшающих его качество.
Нетканые материалы. Для очистки больших объемов воздуха применяются нетканые фильтрующие материалы, которые производятся из искусственных или синтетических волокон, равномерно распределенных в объеме и связанных между собой с помощью химического связующего или без него.
Для стерилизации технологического воздуха были рекомендованы высокообъемные нетканые фильтрующие материалы (ВНФМ) из антимикробных целлюлозных волокон (диаметром 16,9 мкм), содержащих гексахлорофен. Такой материал не требует периодической стерилизации паром в процессе работы. Нетканые фильтрующие материалы, которые не содержат бактерицидных добавок, могут регенерироваться обратной продувкой или промывкой, но при этом сопротивление материала будет на 30–40% выше первоначального.
Фильтровальные материалы тонкой очистки воздуха . Вторая ступень очистки воздуха должна обеспечивать высокоэффективную стерилизацию воздуха. Фильтрующие материалы, используемые на данной стадии тонкой очистки, можно разделить на несколько групп:
тонковолокнистые материалы в виде матов, картона и бумаги;
зернистые жесткие фильтрующие перегородки (керамические, металлокерамические, из полимерных материалов);
мембранные фильтры.
Тонковолокнистые фильтрующие материалы . Тонковолокнистые фильтрующие материалы из волокон с диаметром менее 5 мкм используются в виде объемных листов, а также в виде листов бумаги или картона.
Для придания механической прочности в композицию материала принято включать часть более крупных волокон диаметром до 3 0 -40 мкм.
Если волокна, используемые для фильтрации, гидрофильны, их обрабатывают органическими соединениями (диметилдихлорсиланом) для придания волокнам гидрофобности.
Тонковолокнистые материалы изготавливают из стекловолокна, базальтового супертонкого волокна и из синтетического волокна.
Стекловолокнистые материалы. Для улавливания частиц размером менее 1 мкм применяется ультратонкое стекловолокно. Для полного улавливания бактериального стафилококкового аэрозоля ультратонким стекловолокном необходим слой материала высотой 20 мм при плотности упаковки 0,039 г/см 3 и скорости фильтрации 10,47 см/с.
В Германии для осаждения аэрозолей с размером частиц менее 1 мкм применяют аэрозольные фильтры особой ступени « S » (степень осаждения по масляному туману больше 99,7%), представляющие собой высокоэффективный стекловолокнистый материал толщиной 0,7 мм, тесно уложенный в складки. Сопротивление такого фильтра составляет 23 мм вод. ст. при скорости фильтрации 2,25 см/с.
В Германии применяется также «ультрафильтр с максимально высоким КПД». Микроволокно этого фильтра (средний диаметр пор 0,5 мкм) состоит из чистого боросиликатного стекла. Фильтр может стерилизоваться паром.
Для придания фильтрующему материалу из стекловолокна специальной структуры его пропитывают синтетической смолой с последующим гофрированием и отвердением, при этом получается структура, подобная пчелиным сотам. Через такой сотообразный фильтр отфильтровывается до 99,7 % радиоактивных и биологических частиц размером более 0,3 мкм. Материал выдерживает нагревание до 260 °С.
Фильтрующие материалы из базальтового волокна. В качестве фильтрующего материала используется базальтовое супертонкое волокно (БСТВ) с диаметром пор 0,5–2,5 мм, полученное методом раздува первичных базальтовых волокон. Слой БСТВ высотой 2,12 см с плотностью упаковки 100 кг/м 3 является достаточным для стерилизации воздуха при скорости фильтрации 0,1–0,2 м/с.
БСТВ показало лучшие эксплуатационные свойства по сравнению со стекловолокнистыми материалами. Так, например, потери в весе после воздействия на него острого пара при давлении 10–15 атм и последующей вибрации не превышают 0,2%, а потери в весе стекловолокон № 20 достигают в этих условиях 1%.
Фильтрующие материалы из синтетического волокна. Синтетические волокна химически инертны, гидрофобны, способ их изготовления прост и дешев. Однако большинство полимеров не выдерживает рабочих температур свыше 60–80°С, что ограничивает их применение. В России для тонкой очистки воздуха и газов используют фильтры ЛАИК, оснащенные эффективным тонковолокнистым фильтрующим материалом ФП, который представляет собой равномерные слои полимерных волокон, нанесенные в процессе получения на тканевую подложку. Размер волокон колеблется от сотых долей микрона до нескольких микрон. Волокна ФП не являются цилиндрическими, а имеют вид ленты, ширина которой в 3–5 раз больше ее толщины. Для стерилизации воздуха, идущего на ферментацию, была разработана конструкция фильтра с применением материала ФПП-15-1,5. Тепловая обработка фильтрующего материала не допускается, так как он не выдерживает температуры свыше 60°С.
Химическая и термическая стойкость материала ФП определяется свойствами полимера, из которого оно было получено. Так, из ацетилцеллюлозы могут быть получены волокна, выдерживающие нагревание до 150°С, но гидрофильные по отношению к влаге (ФПА-15-2,0), из полиакрилнитрила могут быть получены волокна, выдерживающие нагревание до 180°С (ФП АН-10-3,0), а из полиакрилата Ф-2 – до 250-270°С (ФП АР-15-1,5).
Недостатки всех упомянутых волокнистых материалов: сравнительно большие габариты фильтра, необходимые для обеспечения требуемой эффективности фильтрации; трудность создания равномерного распределения неупорядоченных волокон по всей площади фильтра и вследствие этого снижение эффективности фильтрации; не воспроизводимость результатов за счет неоднородности набивки; длительность процесса высушивания большого объема материала после стерилизации паром; сравнительно низкая механическая прочность тонковолокнистых фильтрующих материалов.
Фильтрующий картон. Он по своим свойствам относится к волокнистым набивным материалам, однако отличается более высокой прочностью и удобством в эксплуатации.
Разработан картон на основе базальтовых супертонких волокон с добавлением 5–15 % измельченной целлюлозы. Фильтрующие свойства картона почти полностью зависят от его плотности. Было найдено, что начиная с 300 г/м 2 картон удовлетворяет требованиям эффективности фильтрации при небольшом сопротивлении. Оптимальная плотность образца может быть выбрана в зависимости от конструкции фильтра. При использовании картона в патронном фильтре следует применять мягкий войлокоподобный картон весом порядка 300 г/м 2 , обеспечивая необходимую эффективность фильтрации путем изменения числа слоев. При использовании базальтового картона в виде дисков (например, во фланцевом фильтре) лучше применять более плотный картон (около 700 г/м 2 ) .
Зернистые жесткие фильтрующие перегородки. Для субмикронной фильтрации воздуха широко применяются керамические и металлокерамические фильтрующие среды, а также материалы, изготовленные из пористых пластмасс.
Жесткие пористые перегородки весьма эффективно задерживают высокодисперсные твердые частицы благодаря извилистому расположению пор и жесткой фиксации зерен.
Коэффициент фильтрации зависит от формы и пористости зерен. Высокопористые материалы из порошка с шероховатой и неправильной формой частиц имеют более высокую эффективность фильтрации, чем материалы, состоящие из частиц круглой формы.
Недостатками подобных материалов, ограничивающими их применение, являются значительно более высокое сопротивление по сравнению с волокнистыми материалами, более низкая производительность.
Жесткие пористые перегородки изготавливаются в виде цилиндрических труб или дисков. Регенерация таких фильтров осуществляется разными способами: обратной продувкой сжатым воздухом, промывкой растворителем, выжиганием осадка в струе газа при помощи импульсной обдувки или ультразвуком. Выбор конкретного способа регенерации фильтра зависит от характера осадка. Трудности регенерации жестких перегородок вызваны глубоким проникновением высокодисперсных частиц в поры, при этом остаточное сопротивление после каждого цикла регенерации непрерывно увеличивается.
Керамические перегородки. Этот фильтрующий материал состоит из минеральных зерен различного происхождения (силикатные смеси, алюминиевые силикаты, карбид кремния, графит и т. д.).
Керамические патроны получают спеканием отсортированных зерен шамота. Патроны обычно имеют длину 0,5–1,2 м, диаметр – 50–80 мм. Недостатком керамических пористых изделий является их хрупкость; для обеспечения прочности стенки патронов изготавливаются толщиной 6–10 мм. Размер пор керамических перегородок может варьироваться от 1 до 1000 мкм, общая пористость составляет 35–55%. Максимальная рабочая температура может достигать 1000–1600°С при использовании карбида кремния.
Фирма «Schumacher» (Германия) выпускает для стерильной фильтрации воздуха три типа пористой керамики, размер пор в которой колеблется от 22 до 13 мкм в зависимости от класса материала.
Металлокерамические перегородки. Металлокерамические фильтрующие материалы изготавливаются методом порошковой металлургии.
Размер пор металлокерамических перегородок варьируется от 1 до 100 мкм. Для получения перегородок с более высокой пористостью необходимо вводить в процессе изготовления вспомогательные вещества, удаляемые путем их разложения во время спекания или вымыванием из готового изделия.
Металлокерамические фильтры легко поддаются обработке, сварке и пайке в тех же условиях, что и обычный металл.
Срок службы фильтра зависит от степени загрязнения очищаемого газа и может колебаться от нескольких дней до одного года.
После регенерации фильтрующие перегородки не достигают своих первоначальных величин воздухопроницаемости. Целесообразно проводить их регенерацию до снижения уровня проницаемости фильтра на 20-30 % от первоначальной величины.
Известны двухслойные металлокерамические фильтры с величиной пор в тонкопористом замыкающем слое 5–8 мкм. Срок службы таких фильтров повышается по сравнению с однослойными элементами.
Металлокерамические фильтры более прочны и эластичны, чем керамические, и лучше переносят переменные нагрузки, однако их стоимость в несколько раз выше.
Металлокерамические фильтры применяют в условиях высоких температур, давлений и больших механических нагрузок.
Пористые перегородки из пластмассы. Исходным материалом служат следующие пластмассы: поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, фторопласт, полиамиды.
Стойкость к агрессивным средам, прочность, низкая стоимость, хорошая обрабатываемость и возможность сварки дают основания отнести пористые перегородки из пластмассы к перспективным фильтрующим материалам универсального применения.
Для тонкой фильтрации воздуха используют жесткие пористые перегородки из фторопласта. Фторопласт химически стоек и инертен, легко уплотняется в местах стыков и соединений, выдерживает нагревание до 250 °С, не смачивается водой, устойчив к коррозии и механическим нагрузкам, не поражается грибами и бактериями.
В отечественной промышленности с успехом используется японский фильтр «ЭХО», который представляет собой двухслойный диск из одинаковых пластин пористого поливинилового спирта, обработанных меламиновой смолой (толщина каждой пластины 2,5 мм). Пластины защищены с двух сторон проволочной сеткой, а края их окантованы шестью слоями прорезиненного асбеста. Общая толщина диска составляет около 10 мм. Фильтр «ЭХО» стерилизуется паром при 120°С в течение 30 мин.
Мембранные фильтры. Мембранные фильтры изготавливаются из различных материалов и имеют строго определенные размеры пор.
Мембранные фильтры задерживают все частицы или микроорганизмы, размер которых больше размера пор. Осаждение происходит на поверхности фильтра. Поскольку толщина мембран около 0,015 мм, они требуют наличия подложки и лишь в таком сочетании могут выдерживать большие перепады давления.
Фирма « Millipore » (США) выпускает тонкие высокопористые мембраны из чистых и биологически неактивных эфиров целлюлозы и полимерных материалов, устойчивых к различным растворителям, концентрированным кислотам и щелочам. В зависимости от различных типов мембран они могут работать при температурах от 65 до 260 °С. Каждый квадратный сантиметр мембраны содержит миллион пор, которые занимают около 80% всей поверхности материала. « Millipore » выпускает более 20 видов мембран с диаметром пор от 14 до 0,025 мкм и минимальными колебаниями размеров пор в пределах одного образца. Например, размеры пор мембраны с торговой маркой «0,45 мкм» имеют отклонения 0,02 мкм.
Мембранные фильтры применяются не только для стерилизации воздуха, но и для проверки стерильности воздуха. Так, например, пробу воздуха пропускают через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3–0,5 мкм, заправленный в стерильный корпус. Затем мембрану помещают на твердую агаровую питательную среду в чашку Петри, и микроорганизмы, осевшие на мембране, прорастают в виде колоний.
Цилиндрические фильтр-патроны для стерилизации воздуха « Millipore » (диаметр пор 0,45 мкм) плохо выдерживают паровую стерилизацию, срок их службы не превышает 1 месяц.
Фирма « Pall » (Германия) для стерильной фильтрации воздуха выпускает фильтрующие материалы марки АВ с диаметром пор 0,45 мкм, изготовленные из тщательно подобранных микронитей. Фильтрующая среда в процессе изготовления подвергается силиконированию, после чего фильтрующий материал становится менее чувствительным к стерилизации паром и контакту с влажным воздухом. Но производительность таких фильтров меньше, чем фильтров с волокнистыми материалами.
Фильтрующие материалы стерилизуются паром с максимальной температурой 140°С в течение 20-60 мин. Общее время стерилизации без изменения основных характеристик материала составляет 50 ч. Срок эксплуатации фильтров – 6-12 месяцев при наличии эффективного предфильтра.
