滤料粒径对过滤效率的影响研究

卢 奇 张殿光 杨毓博 刁瑞莹

(大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023)

0 引言

物理过滤是海洋馆维生系统中一个重要的环节，其核心部件过滤器通过其中的多孔介质将水池中的悬浮物杂质、水产品的排泄物、水产品的分泌物、残饵等过滤掉，从而维持水池内水质稳定。过滤器的功能性部件为多孔介质填充物。如今，多孔介质广泛用于水处理的工艺中，一般多孔介质滤料为优质的砾石、石英砂、无烟煤等介质。多孔介质可分为宏观多孔介质和微观多孔介质，是作为宇宙事物存在的基本构架[1]。多孔介质具有很多优良的属性，如多孔介质流体阻力大，可用于物理过滤，不同粒径下的多孔介质其过滤效果是不同的。由于多孔介质具有的优良性质，且天然多孔介质的局限性过大，人造多孔介质应运而生。人造多孔介质为了满足特定的工况，通过人造材料或有序或无序的堆积制造满足不同工况的多孔介质。

1 多孔介质过滤器原理及参数

1.1 多孔介质过滤原理

在过滤器中多孔介质又称为过滤介质，其过滤机理是浊液在通过多孔介质孔道时，其中的固体颗粒被多孔介质固体骨架所截留，固体骨架即是多孔介质填充物。浊液在外力的驱动下通过多孔介质管道，液体中的固体颗粒在多孔介质管道内与固体骨架发生碰撞，沉积，最终被多孔介质截留，从而达到过滤效果。但过滤效率与多孔介质填充物颗粒粒径、多孔介质孔隙率、多孔介质渗透率有关，且并非填充物颗粒粒径越小，其过滤效果越好。

1.2 主要影响参数

1.2.1孔隙率ε

孔隙率可分为绝对孔隙率和有效孔隙率，在过滤器中，就多孔介质而言，孔隙率一般指的是有效孔隙率。有效孔隙率的定义为多孔介质内相互连通的微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值[2]。定义式为:

(1)

式中：V0——多孔介质中空隙的总体积,m3；

V——多孔介质外表体积，m3。

在过滤器中，选择多孔介质应尽可能的避免无效空隙，无效空隙是一种封闭或半封闭的空隙，对于流体在过滤器中渗流过滤是不利的[3]。

1.2.2水力传导系数K

水力传导系数又称渗透系数，定义为单位水力梯度下的单位流量，表征流体通过多孔介质骨架的难易程度。受多孔介质的参数影响，也取决于流体的物理性质。

其计算公式如式(2)所示：

K=kρg/η

(2)

式中：K——水力传导系数；

k——渗透率；

ρ——流体密度，kg/m3。

1.2.3迂曲度τ

迂曲度是反映多孔介质中孔道弯曲程度的参数，迂曲度定义为流体通过多孔介质通道的实际路线距离与多孔介质区域的表观长度的比值。如图1所示黑色路线为流体在多孔介质中实际流动距离。迂曲度定义计算式为:

(3)

式中：Lt——流体流经孔道的实际长度；

L0——多孔介质区域的视长度。

2 参数的测定

2.1 孔隙率的测定

由孔隙率的定义可知，孔隙率等于多孔介质空隙体积与多孔介质表体积的比值。测量多孔介质孔隙率采用融化法、排水法、气体膨胀法、压汞法、吸渗法[4]。由于本实验使用的多孔介质填充物为非金属，融化的难度大。因此采用排水法测量其孔隙率，在测量空隙体积时采用排水法。在量筒中装入一定体积的水，水面刻度为L1，将多孔介质放入量筒中，使水完全浸没多孔介质，此时水面刻度上升到L2，孔隙率可以采用式(4)计算:

(4)

式中：V——多孔介质外面体积，m3；

L1，L2——量筒水面前后刻度，m；

S——量筒截面面积，m2。

如表1和表2所示为用排水法测量出的多孔介质孔隙率。

从以上数据初步可以看出堆积颗粒多孔介质中，介质颗粒越小，其孔隙率越小，颗粒堆积越密集，其迂曲度也相应增大。多孔介质对水中颗粒物的截获能力变大。

表1 粒径0.651 2 cm介质的孔隙率

表2 粒径1.748 cm介质的孔隙率

2.2 迂曲度的计算

迂曲度的测量实际为测量流体质点在多孔介质流道内流动的实际长度。由于多孔介质内孔道十分复杂且流道并非单一流道，流道与流道之间相互联系，流体质点在流经多孔介质区域时具有随机性和不规则性，测量结果具有较大的人为性和特定工况性[5-7]。根据实验所搭建的达西试验台，多孔介质区域视长度L0=0.086 m，多孔介质区域截面面积长度A=0.031 4 m2，液面差Δh=0.65 m，流量Q=0.381 4×10-4m3/s。根据达西公式(5)可求得渗透率。

(5)

计算得出渗透率k=0.164 8×10-10。根据文献[8][9]提出的公式得到迂曲度τ=2.33。

3 实验设计及实验方案

3.1 实验系统介绍

测量两种不同粒径的多孔介质过滤器的过滤效率。搭建如下的实验系统。

3.2 实验方案

如图2所示，具有一定浊度的悬浮颗粒流体由恒压水箱提供，在底部磁力搅拌泵的作用下，使得悬浮颗粒在水体中分布均匀，通过泵将悬浮颗粒流体泵入多孔介质管道的入口。流体进入过滤器中，被多孔介质过滤、截流。流体经过过滤管道，玻璃测压管中的液位发生变化，液体变化的差值即是管内水压值，测压装置可以显示过滤器5处测压孔处的压力值。根据这五方面的压力变化情况，可以得出过滤器渗流过程中的压力降。流体通过过滤管段后流入量筒中，量筒每接1 000 mL流体更换量筒，并记录电子天平的读数，电子天平的读数为每1 000 mL过滤后液体的重量。在量筒和恒压水箱中分别取样为流体A和流体B，将流体A，B放入浊度仪中，得到流体A与流体B的浊度，并计算出过滤效率。

4 实验数据分析

4.1 不同粒径下多孔介质过滤器的过滤效率

通过上述的实验，得到了不同粒径下的多孔介质过滤器过滤效率，具体数据如表3,表4所示。

表3 粒径0.651 2 cm介质过滤效率

表4 粒径1.748 cm介质过滤效率

4.2 粒径对过滤效果的影响

通过对各个粒径下多孔介质孔隙率、迂曲度、过滤比的测量与计算，得到图3所示曲线图，从图3中可看出随着粒径的增大，孔隙率随之增大，迂曲度随之减小，当粒径超过一定值时，迂曲度的减小速率会增加，造成这种现象的原因可能由于粒径的增大，多孔介质区域内颗粒数的减少、重量减轻、颗粒之间的作用力减小，从而使得颗粒本身的重力对流道弯曲度的影响减小。多孔介质迂曲度的降低，使得流道的弯道阻力降低，流体更容易流通多孔介质，多孔介质骨架对流体中杂质的截留能力降低，过滤比降低。

5 结论及展望

针对水产养殖维生系统中的物理过滤，需要在满足水产养殖基本的供水量的情况下，将水质过滤到适合鱼类生存的水质条件。图4为各粒径下对应的过滤比与出水流量，从图4中可知，在选择多孔填充颗粒的粒径时，不能只考虑到过滤比，高过滤比的多孔介质其出水流量会大幅降低，满足不了水产养殖的基本需求。将达西公式代入迂曲度公式中得到迂曲度与出水流量的关系式(6)。

(6)

式(6)中迂曲度与颗粒粒径成正相关关系，与出水流量的二次方根成负相关关系，在水产养殖中，根据图4综合考虑多孔介质填充颗粒的粒径。

本文实验采用的为圆形颗粒填充物，自然堆积成多孔介质，对于其他形状填充物，其流道、孔隙率、迂曲度、过滤比之间的关系更为复杂。对于其组成的多孔介质填充材料的性能需要过多的实验研究。