Filtracja w galwanizerni

Filtracja stanowi szeroki zakres zagadnień związanych z rozdziałem faz ciało stałe-płyn (ciecz lub gaz). W przypadku galwanotechniki najbardziej istotne są dwie dziedziny: filtracja procesowa, związana z technologią pokryć oraz filtracja związana z obróbką ścieków. W niniejszym opracowaniu mowa będzie głównie o filtracji procesowej z uwzględnieniem procesu adsorpcji na węglu aktywnym.

Podstawy teoretyczne
—————-

Z pozoru prosty mechanizm odfiltrowywania zanieczyszczeń z cieczy często nastręcza wiele problemów, zarówno z punktu widzenia ekonomiki procesu jak i aspektów praktycznych. Dlatego poznanie mechanizmów rządzących tym procesem ułatwi zrozumienie, lepsze planowanie i optymalizację zarówno istniejących jak i przyszłych instalacji filtracyjnych. Postaramy się przy tym w sposób przystępny naświetlić i rozwiać pewne błędne pojęcia, dość powszechnie występujące. Głównym problemem w uświadomieniu sobie istoty filtracji jest to, iż wielkość zanieczyszczeń jest najczęściej tak mała, iż nie są one widoczne gołym okiem, a oddziaływania fizyczne są nieco inne niż te, do których jesteśmy przyzwyczajeni w świecie „Makro” i muszą uwzględniać zjawiska takie jak siły Van der Waalsa, ruchy Browna czy też potencjał Z. Nie chcąc wchodzić w szczegóły, możemy stwierdzić, że istnieje kilka mechanizmów zatrzymywania cząstek na materiale porowatym, współistniejących lub dominujących w danym układzie. Podstawową istotą zrozumienia zjawiska filtracji, jest uświadomienie sobie, że medium filtracyjne nie jest sitem, które przepuszcza cząstki mniejsze od pewnej wielkości d, zaś zatrzymuje wszystkie od niej większe. Jest to spowodowane zarówno rozkładem wielkości porów w medium, jak i samym mechanizmem filtracji. Jako graficzny przykład tego, że w sicie o dużych oczkach mogą zatrzymywać się stosunkowo małe cząstki może posłużyć „zarośnięta” kurzem kratka wentylacyjna, z którą czytelnik musiał się niejednokrotnie spotkać. W tym przypadku dominującym zjawiskiem pozwalającym na zatrzymanie cząstek są siły bezwładności, oddziaływanie elektrostatyczne oraz ruchy Browna.

Następnym ważnym zagadnieniem jest odpowiedź na pytanie, dlaczego należy usuwać cząsteczki, których nie widać? Filtracja, traktowana (słusznie) jako uciążliwe zło konieczne, jest niezbędna dla utrzymania wysokiej jakości wyrobu finalnego, a także do przedłużenia trwałości kąpieli (proszę sobie wyobrazić koszty ekonomiczne i środowiskowe nakładania powłok, gdyby niemożliwe było oczyszczenie kąpieli). Przede wszystkim zanieczyszczenia osiadłe na powierzchniach mają wymiar pozornie większy, o grubość powłoki. Również zanieczyszczenia, których nie widać są często wyczuwalne jako chropowatości. Istotnym czynnikiem są również zjawiska optyczne. Mimo, że powierzchnia z pozoru wydaje się gładka, nie ma ona pożądanego „błysku”. Odpowiadają za to właśnie niewidoczne gołym okiem nierówności powierzchni.

Dobierając układ filtracyjny najbardziej naturalnym zagadnieniem, który przyszły użytkownik musi określić jest pożądana efektywność filtra, zwykle określana w mikronach (lub mikrometrach 1µm=10-6 m, lub jedna tysięczna milimetra). Najczęściej użytkownik dokonując wyboru kieruje się tym, co jest napisane na opakowaniu filtra lub ulotce reklamowej. Niestety najczęściej niewiele ma to wspólnego z rzeczywistą efektywnością filtra. W czasach, kiedy nie było możliwości technicznych badania filtrów w zakresie drobnych cząstek, a dominującym typem był „sznurek” nawinięty na rdzeń, nazwę filtra (jego efektywność) przyjmowano w sposób dowolny (dzisiaj, takie filtry nazywa się nominalnymi), tzn.nazywano najdokładniejszy filtr, jaki można było według danej technologii wykonać, jako 1µm. Pozostałe efektywności nadawano w sposób bardziej lub mniej dowolny.

Może się to wydać paradoksalne, ale w gruncie rzeczy każde określenie efektywności jest w pewnych warunkach prawidłowe, tzn. można tak dobrać układ testowy oraz tak określić definicję efektywności, że prawdziwą staje się teza o założonej efektywności. Uzmysłowić to sobie możemy na następującym przykładzie. Wyobraźmy sobie hipotetyczną zawiesinę (możliwą do sporządzenia w warunkach laboratoryjnych i w istocie podobną w rozkładzie do zawiesin naturalnych, w których liczba drobnych zanieczyszczeń znacznie przekracza ilość większych) o następującym składzie:

Średnica d Liczba cząsteczek danej frakcji n Czynnik proporcjonalny do masy frakcji nd³
1µm 1000 10³
10µm 100 105
50µm 10 1,25*106
100µm 1 106

Poniżej w tabeli podany jest kumulacyjny rozkład ilościowy i masowy danych frakcji, tzn. pokazujący dla danej średnicy ile procent cząsteczek ma wymiar lub masę większą lub równą danemu wymiarowi.

Średnica d Udział liczbowy ∑n Udział masowy ∑nd³
1µm 100% 100%
10µm 9,99% 99,96%
50µm 0,99% 95,70%
100µm 0,09% 42,53%

Powyższa tabela uświadamia nam jak bardzo rozkład masowy różni się od liczbowego. Proszę zwrócić uwagę, że jedna cząsteczka 100m liczbowo stanowi tylko ułamek procenta ogólnej zawiesiny (0.09%), masowo zaś stanowi ona niemal połowę wszystkich cząstek (42.53%). Załóżmy teraz, że rzetelny producent filtrów sporządził powyższą mieszaninę, przepuścił ją przez filtr i zmierzył efekt (policzył zatrzymane cząstki):

Średnica d Liczba cząstek zatrzymanych na filtrze Liczba cząstek w filtracie
1µm 10 9990
10µm 20 80
50µm 7 3
100µm 1 0

Następnie zdefiniował efektywność filtra jako stosunek ilości (liczby lub masy) cząsteczek o danym wymiarze i większym zatrzymanych na filtrze, do ogólnej ilości (liczby lub masy) cząsteczek (o danym wymiarze i większym) przed filtrem (w pierwotnej zawiesinie). Proszę zwrócić uwagę na dwuznaczność sformułowania ilość w powyższej definicji, które może zarówno oznaczać liczbę cząstek jak i ich masę (objętość). Prześledźmy wyniki w poniższej tabeli:

Średnica d Efektywność liczbowa L Efektywność masowa M
1µm 3,42% 80,60%
10µm 25,23% 80,64%
50µm 72,73% 83,33%
100µm 100% 100%

Wynik jest nieoczekiwany. Według wydawałoby się poprawnej definicji efektywności, otrzymujemy zupełnie różne wyniki zmieniając jedynie znaczenie nie do końca zdefiniowanej wielkości ilość. Ponieważ efektywność większości filtrów nominalnych jest mierzona w powyższy sposób, tzn. masowy, widać jak daleko metoda taka może okazać się myląca (w porównaniu do intuicyjnych oczekiwań). Mierząc stężenia masowe po obu stronach filtra nie jesteśmy w stanie praktycznie nic powiedzieć o efektywności liczbowej (w wielu wypadkach najbardziej interesującej nas) zatrzymywania cząstek o danym wymiarze. W praktyce bardzo często filtry nazywane pięcio-mikronowymi, nie zatrzymują cząstek o takim wymiarze z efektywnością, jaką byśmy od nich oczekiwali po nazwie. W przypadku, gdy użytkownik jest zainteresowany filtrem, który usuwa zanieczyszczenia z efektywnością masową (np. w celu spełnienia norm) podawanie efektywności grawimetrycznej ma głęboki sens. W większości jednak przypadków filtracji procesowej w galwanotechnice ważna jest efektywność ilościowa (w sensie liczby cząstek odfiltrowanych), gdyż liczba cząstek w kąpieli decyduje o jakości, a nie ich stężenie masowe. Dlatego w celu lepszej definicji efektywności wprowadzono parametr βx, który jest zdefiniowany jako stosunek ilości cząstek o wymiarze x i większym, zatrzymanych na filtrze do ilości takich cząstek, które przez filtr przeszły. Dlatego (również z pewnym uproszczeniem) filtr określony parametrem β10=100 powinien na każde sto cząsteczek o wymiarze 10µm, którymi jest obciążony, przepuścić tylko jedną taką cząstkę. Analiza współczynników β dla różnych wymiarów cząstek powie nam więcej o jego charakterystyce. Filtry mogą mieć bądź płaską bądź stromą charakterystykę (tzw. ostre odcięcie). Związek tego parametru z efektywnością procentową jest następujący: L=(β-1)/β*100%.

Przy filtracji kąpieli galwanicznej bardzo istotny jest również cyrkulacyjny charakter filtracji. Wyobraźmy sobie, że dany filtr charakteryzuje się parametrem Przy filtracji kąpieli galwanicznej bardzo istotny jest również cyrkulacyjny charakter filtracji. Wyobraźmy sobie, że dany filtr charakteryzuje się parametrem β10=1 (co odpowiada stosunkowo niskiej efektywności L=50% w stosunku do cząstek 10µm). Jeżeli jednak w danej jednostce czasowej kąpiel przechodzi przez filtr 5-krotnie, to pozorna efektywność wynosi β10’=31 (L’=96,875%). Jest to bardzo duża zaleta układów cyrkulacyjnych. Uświadomienie tej zależności pokazuje również przewagę układów filtracji cyrkulacyjnej, w stosunku do okresowego przepompowywania kąpieli przez filtr. W praktyce w układzie istnieje równowaga dynamiczna: β10=1 (co odpowiada stosunkowo niskiej efektywności L=50% w stosunku do cząstek 10µm). Jeżeli jednak w danej jednostce czasowej kąpiel przechodzi przez filtr 5-krotnie, to pozorna efektywność wynosi β10’=31 (L’=96,875%). Jest to bardzo duża zaleta układów cyrkulacyjnych. Uświadomienie tej zależności pokazuje również przewagę układów filtracji cyrkulacyjnej, w stosunku do okresowego przepompowywania kąpieli przez filtr. W praktyce w układzie istnieje równowaga dynamiczna:

Z-W=F+P

Z – Ilość zanieczyszczeń generowana w układzie lub wprowadzana do niego

W – Ilość zanieczyszczeń wyniesiona z detalem (proporcjonalna do ilości wad, lub skaz)

F – Ilość zanieczyszczeń zatrzymana na filtrze

P – Przyrost stężenia zanieczyszczeń w kąpieli

Rozważmy dwa podstawowe przypadki powyższej zależności. Załóżmy stałą wartość parametru Z, tzn. ilość zanieczyszczeń wprowadzanych i generowanych w układzie jest stała.

  1. F=0, czyli filtracja nie występuje. Wtedy P>0 i W stale rośnie, przekraczając w pewnym momencie akceptowalny poziom (im większe W tym gorsza jakość wyrobu). Innymi słowy stężenie zanieczyszczeń w kąpieli rośnie i coraz więcej ich jest wynoszonych z kąpielą „na wyrobach”.
  2. P=0. Czyli występuje filtracja i układ pracuje w stanie ustalonym (nie ma przyrostu ilości zanieczyszczeń w kąpieli). Z=W+F Poziom jakości detalu odwrotnie proporcjonalny do wielkości W będzie zależał od jakości filtra tym lepszej im wyższa jest wartość F (filtr więcej zatrzymuje). Czyli im wyższe F tym niższe W czyli ilość wad.

Efekt powierzchni filtracyjnej.
—————-

Wielkość filtra powinna być odpowiednio dobrana. Szereg czynników powinien być wziętych pod uwagę, takich jak:

  1. Objętość kąpieli
  2. Efektywność filtra lub wymagana czystość kąpieli
  3. Obciążenie (ilość zanieczyszczeń wprowadzanych lub generowanych)
  4. Charakterystyka układu pompowego
  5. Względy logistyczne (zaopatrzenie w zapasowe wkłady)

Dobierając układ filtracyjny należy pamiętać o podstawowej zasadzie iż łatwo jest popełnić błąd i zainstalować zbyt mały filtr (bardzo kłopotliwy i kosztowny w eksploatacji) kierując się ograniczeniem środków inwestycyjnych na nowe urządzenie. Instalując zaś urządzenie z zapasem (tzw. przewymiarowany) unikamy często kłopotów eksploatacyjnych. Bardzo ważną zależnością empiryczną (mającą podstawy teoretyczne, które musimy pominąć ze względu na ograniczenie miejsca) jest:

T~Ab;

gdzie:

T jest czasem między wymianami wkładów.

A jest powierzchnią filtracyjną (ilością modułów filtracyjnych lub wielkością wkładu).

b jest parametrem zależnym od własności filtracyjnych zarówno wkładu , kąpieli, jak i zanieczyszczeń, który w praktyce przybiera wartości między 1,5 – 2,0.

Dlatego dwukrotne zwiększenie powierzchni filtracyjnej (instalacja urządzenia dwa razy większego) prowadzi do ponad dwukrotnego (w skrajnym przypadku nawet czterokrotnego) zmniejszenia częstotliwości wymian wkładów filtracyjnych. W ten sposób koszty eksploatacji znacznie maleją.

Istotnym czynnikiem w planowaniu układu filtracyjnego, jest także unifikacja. Przy mniejszych instalacjach nie ma sensu dobierać typ filtra specyficzny do każdej kąpieli. Dużo łatwiej będzie wtedy kontrolować stany magazynowe jak i unikać pomyłek przy wymianach wkładów.

Specyfiką galwanotechniki, jest to, że układ filtracyjny występuje najczęściej w postaci autonomicznego agregatu filtracyjnego, dostarczanego przez jednego dostawcę. Rzadziej galwanizernia decyduje się na własną kompletację (pompy, filtra i orurowania). Ze względu na aspekty zarówno ekonomiczne (koszt kąpieli) jak i środowiskowe (w przypadku awarii i wycieku) należy zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo rozwiązań. W ostatnim czasie szczególnie popularne stały się agregaty oparte o układ pompowy ze sprzęgłem magnetycznym. Bezpieczeństwo, trwałość, cena i uniwersalność takich rozwiązań decyduje o ich wyższości w stosunku do tradycyjnych pomp z uszczelnieniem mechanicznym. Należy również pamiętać, iż w większości przypadków agregat filtracyjny powinien posiadać możliwość zastosowania układu adsorpcji na węglu aktywnym (w postaci wkładu lub złoża). Wygodne jest gdy filtracja mechaniczna powiązana jest z procesem adsorpcji.

Wśród wielu typów wkładów filtracyjnych bardzo popularne w galwanotechnice są wkłady typu świecowego, wgłębnego (zwane niekiedy rurowymi). Obecnie nowoczesnym rozwiązaniem są wkłady wykonane z mikrowłókien polipropylenowych (metoda „melt blown”) o zgradowanej strukturze porów i absolutnym stopniu zatrzymywania.

Komentarze