دینامیک سیال و ذرات در مقیاس میکرو در فرآیندهای فیلتراسیون در تصفیه آب
فرآیندهای پیچیده مورد استفاده جهت فیلتراسیون آب، از جمله فیلتراسیون گرانولی و فیلتراسیون غشایی، اغلب با چالش رسوب و گرفتگی روبرو می‌شوند. درک اساسی دینامیک سیال و ذرات در مقیاس میکرو، کلیدی برای بهبود کارایی و پایداری سیستم فیلتراسیون تصفیه آب صنعتی است.
در این مطلب، چندین موضوع کلیدی در فرآیندهای فیلتراسیون مانند نیروی کشش، مشخصات سرعت سیال، نفوذپذیری ذاتی و پیچ‌خوردگی هیدرولیکی در دینامیک سیالات در مقیاس میکرو، کرنش ذرات، جذب و تجمع در دینامیک ذرات در مقیاس میکرو را شناسایی و بررسی می‌کنیم. همچنین چندین تکنیک تجربی و محاسباتی کلیدی را تصفیهبرای بررسی فرآیندهای فیلتراسیون در مقیاس میکرو با توجه به کاربرد و قابلیت آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم. سپس، یافته‌هایی را از نظر دینامیک سیال و ذرات در مقیاس میکرو بررسی خواهیم کرد. این بررسی یک نمای کلی از دینامیک سیال و ذرات در مقیاس میکرو در فرآیندهای فیلتراسیون برای فناوری تصفیه آب و ذرات ارائه می‌دهد.
سیستم فیلتراسیون غشایی و گرانولی
فرآیندهای فیلتراسیون به طور گسترده در بسیاری از صنایع از جمله تصفیه آب جهت حذف ذرات ریز از سیال مورد استفاده قرار می‌گیرند. فیلتراسیون را می‌توان به عنوان هر فرآیندی تعریف کرد که در آن حذف ذرات ریز از یک سوسپانسیون (سیستم دو فازی از سیال و ذرات که حاوی مواد ریز در یک سیال است) با عبور سوسپانسیون از یک محیط متخلخل انجام می‌شود. فیلترهای گرانولی و غشایی دو نوع فیلتراسیون رایج هستند که توانایی حذف ذرات ناخالصی با ابعاد متغاوتی را دارند. در ادامه به بررسی بیشتر این سیستم‌ها می‌پردازیم:
• فیلتراسیون گرانولی: در فیلتراسیون گرانولی، کدورت سوسپانسیون معمولاً حدود 10 NTU (واحد کدورت نفلومتری) است، یعنی فاز ذرات بسیار رقیق است و قطر ذرات معمولاً بین 10 تا 100 میکرومتر است. مواد گرانولی رایج شامل ماسه، آنتراسیت، گارنت و ایلمنیت هستند که اندازه آنها از 0.2 تا 2.0 میلی متر متغیر است.
• فیلتراسیون غشایی: این فرآیند شامل غشاهای میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF) و نانوفیلتراسیون (NF) می‌شود. اندازه منافذ این غشاها بسیار وسیع بوده و محدوده آنها بین 0.001 الی 10 میکرومتر است. ضخامت غشا از حدود 0.1 تا 0.6 میلی متر، با ساختارهای داخلی همگن و نامتقارن متغیر است.
رسوب‌گیری سیستم فیلتراسیون غشایی
در عمل، رسوب گیری فیلتر یک چالش طولانی مدت برای عملکرد آن است؛ زیرا شار به شدت کاهش یافته و بازده فرآیندهای فیلتراسیون را کاهش داده یا خاتمه می‌دهد. با توجه به عوامل مختلف، درک نظری این فرآیندها به ویژه در مقیاس میکرو وجود ندارد. این عوامل شامل موارد زیر می‌شوند:
• پیچیدگی ترکیبات و خواص فیزیک وشیمیایی رسوب ذرات
• پیچیدگی شرایط هیدرودینامیک (به عنوان مثال، دینامیک سیال و رسوب)
• پیچیدگی ساختارهای ریزمقیاس فیلتر
از نظر تئوری، سیالات و دینامیک ذرات چند رشته‌ای اساسی زیربنای رسوب فیلترها است. رسوب گیری فیلتر شامل دینامیک جریان سیال- ذره در طیف وسیعی از مقیاس‌های فضایی است که از مقیاس منطقه جریان عملیات فیلتراسیون تا مقیاس حجم ابتدایی (REV) نماینده انتقال رسوب در فیلتر و مقیاس منافذ برهمکنش رسوب با فیلتر را شامل می‌شود. چارچوب‌های دینامیک سیال و ذرات در مقیاس میکرو را می‌توان نه تنها برای مطالعه و درک جریان پیچیده سیالات حاوی ذرات ناخالصی، بلکه برای بهینه‌سازی و مقیاس‌سازی این فرآیندها استفاده کرد. بنابراین، این درک اساسی می‌تواند مبنای دقیقی برای مدل‌سازی کمی، بهینه‌سازی و افزایش مقیاس فرآیندهای فیلتراسیون را فراهم کند.
اصول اولیه فرآیند فیلتراسیون آب
اساساً، فیلتراسیون شامل سه فاز می‌شود که در ادامه به بررسی بیشتر این فازها می‌پردازیم:
• فاز ذرات ممکن است چندین رفتار دینامیکی از جمله کرنش کردن، جذب و انباشتگی را نشان دهد.
• فاز سیال می‌تواند پدیده‌های هیدرودینامیکی دوربرد زیربنایی را القا کند.
• پدیده‌های هیدرودینامیکی نقش اساسی در تعیین دینامیک ذرات در فیلتر دارند.
در ادامه به بررسی از عوامل موثر در سیستم فیلتراسیون آب می‌پردازیم:
نیروی پسا یا کشش
این نیرو نقش مهمی در فرآیندهای فیلتراسیون دارد و نیرویی است که بر ذرات در جریان، برخلاف حرکت سیال وارد می‌شود. در سیستم فیلتراسیون، نیروی پسا بر حرکت و حفظ ذرات در محیط فیلتر تأثیر می‌گذارد. نیروی کشش می‌تواند پیامدهای زیر را در فرآیندهای فیلتراسیون سیال و ذرات داشته باشد:
• حفظ ذرات: نیروی کشش در جهت مخالف جریان عمل کرده و عبور ذرات از محیط فیلتر را دشوار می‌کند.
• کاهش راندمان فیلتراسیون: نیرو می‌تواند مانع حرکت ذرات از طریق محیط فیلتر شده و عبور آنها را دشوارتر کند. این می‌تواند منجر به راندمان فیلتراسیون کمتر شود، زیرا ممکن است برخی از ذرات به طور موثر حذف نشوند.
• افزایش افت فشار: نیروی کشش در جهت مخالف جریان سیال عمل می‌کند و باعث مقاومت و افزایش افت فشار در سراسر فیلتر می‌شود. این وضعیت می‌تواند منجر به افزایش مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی بالقوه بالاتر شود.
سرعت سیال
مشخصات سرعت سیال و ذرات نقش مهمی در فرآیند فیلتراسیون و تصفیه آب صنعتی دارد. این پارامتر کارایی و اثربخشی فیلتراسیون را به شیوه‌های مختلفی تحت تأثیر قرار می‌دهد:
• یکنواختی فیلتراسیون: توزیع درست سرعت، توزیع یکنواخت جریان را در کل محیط فیلتراسیون تضمین می‌کند. این امر امکان دستیابی به عملکرد فیلتراسیون ثابت در طول فرآیند را فراهم می‌کند.
• تشکیل کیک فیلتر: مشخصات سرعت بر شکل گیری و رشد کیک فیلتر روی سطح محیط فیلتر تأثیر می‌گذارد.
• افت فشار: مشخصات سرعت سیال در افت فشار در سراسر فیلتر موثر است.
نفوذپذیری ذاتی و پیچش هیدرولیکی غشای فیلتر
نفوذپذیری ذاتی به توانایی یک محیط متخلخل مانند فیلتر برای عبور سیال از درون آن اشاره دارد. این ویژگی معیاری برای مقاومت در برابر جریان سیال و ذرات است و به اندازه، شکل و اتصال منافذ درون محیط بستگی دارد. نفوذپذیری ذاتی بالاتر نشان دهنده سرعت جریان بیشتر درون فیلتر است.
پیچ خوردگی هیدرولیک به میزان مسیرهای جریان پرپیچ و خم یا پیچ در پیچ در یک محیط متخلخل در طی فیلتراسیون اشاره دارد. این ویژگی چندین اثر روی فرآیند فیلتراسیون می‌گذارد:
1. افزایش زمان: پیچ خوردگی هیدرولیک مسافت طی شده توسط سیال را از طریق محیط متخلخل افزایش می‌دهد. این ویژگی اجازه می‌دهد تا زمان تماس بیشتری بین سیال و محیط ایجاد شده و باعث افزایش کارایی فیلتراسیون می‌شود.
2. جذب بالاتر ذرات: مسیرهای پیچیده ایجاد شده توسط پیچش هیدرولیکی می‌تواند شانس جذب ذرات را افزایش دهد.
3. افزایش مقاومت: پیچش هیدرولیک مقاومت کلی در برابر جریان سیال از طریق محیط متخلخل را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند منجر به افت فشار بالاتر در سراسر فیلتر شود که به انرژی بیشتری برای فرآیند فیلتراسیون نیاز دارد.
خرید تجهیزات تصفیه آب
این مقاله به بررسی کلی دینامیک سیال و ذرات و تاثیر آن در فرآیند تصفیه آب پرداخت. نکته مهم دیگری که تاثیر زیادی در روند تصفیه آب دارد، استفاده از تجهیزات باکیفیت از جمله فیلتر ممبران در این سیستم است. یکی از معتبرترین فروشگاه‌ها برای خرید تجهیزات تصفیه آب، فروشگاه اینترنتی آبین است. یکی از اصلی‌ترین خدمات این مجموعه، ارائه مشاوره رایگان در زمینه خرید محصولات است. برای دریافت مشاوره می‌توانید با کارشناسان آبین در تماس باشید.
