純化水係統中的過濾技術和基本機製

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過濾是純化水係統應用最為廣泛的操作單元之一,利用具有滲透能力的過濾濾材將水中的顆粒、微生物等雜質分離出來。這種膜過濾分離技術,應用領域不斷拓展,是當前較為先進的技術之一。

過濾器中的過濾膜是其核心組件,決定了過濾裝置的功能。按照濾膜的分離能力,可分為反滲透膜、超濾膜、微濾膜、納濾膜等。四種膜過濾技術的參數對比如下圖所示:

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圖一 過濾技術的參數對比

過濾的過程主要通過直接截留機製、慣性撞擊機製與擴散截留機製截留汙物。根據過濾器的種類和流體的不同,每種機製的重要性和作用會有所改變。

一、直接截留機製

直接截留機製在液體和氣體中有著同等的效果。直接截留機製適用於尺寸大而不能通過曲折濾材通路的粒子,根據過濾膜的孔徑大小進行篩選和截留尺寸比孔徑大的汙物。根據圖一中各種濾膜孔徑的大小,可以看出,反滲透技術的級別相對其他的三種過濾方式要高很多,出水水質效果為反滲透>納濾>超濾>微濾。

二、慣性撞擊機製

慣性撞擊機製利用一定質量的物體具有慣性的原理。慣性使得流體中的汙物不跟隨流體作繞過濾材的運動,而是直接撞擊到濾材。當顆粒質量越大時,慣性撞擊的作用越發明顯,因此,慣性撞擊機製所致的截留效率也隨著汙物的尺寸的增大而增大。

三、擴散截留機製

由於流體分子持續不斷和隨機撞擊所致的布朗運動導致懸浮顆粒在流體流線的周圍隨意移動。由於布朗運動增加顆粒與濾料之間接觸的可能性,進一步增加截留顆粒的可能性,然而,布朗運動對小粒子的影響比較大,因此,擴散截留所致的截留效率隨著粒子的減小而增大。

慣性撞擊和擴散截留在液體的應用均不如在氣體中應用中有效。相比過濾液體的過濾精度,使用同一過濾器來過濾幹燥氣體時的過濾效果要好很多。比如,某過濾器進行液體過濾時,其精度為0.2μm,當進行氣體過濾時,其精度可以達到0.03μm。

除了以上三種機製存在外,過濾還可以通過靜電俘獲作用去除小體積汙物。微粒之間互相摩擦會產生靜電,當這些微粒接觸到過濾濾材內部時,很容易撞擊到內部彎曲的孔道隨機被吸附住。而且,在製藥工藝中汙物多數帶負電荷,如果過濾濾材帶正電荷,可以有效提高汙物的去除能力。

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