La filtration joue un rôle essentiel dans diverses applications industrielles, en aidant à séparer les particules des fluides (liquides et gaz) à travers des milieux perméables. Lorsque les particules occupent une partie importante du fluide, ce processus peut être appelé « collecte de solides dispersés ». Cependant, lorsque les particules représentent une très petite fraction (0,01 % ou moins), le processus est appelé « purification des fluides ».
Dans la plupart des systèmes de filtration,filtressont utilisés pour éliminer les particules allant de quelques microns à plus de 40 microns. La plus petite particule visible à l’œil nu mesure environ 40 microns de diamètre. Un micron (µm) équivaut à 1/1000 millimètre, ou 0,000039 pouces. Les filtres capables de capturer des particules aussi petites sont essentiels pour les applications nécessitant des liquides ou des gaz de haute -pureté.
Mécanismes de filtration
Les matières en suspension sont séparées des fluides par trois mécanismes principaux :impaction inertielle, interception de diffusion, etinterception directe. L'importance et l'efficacité de chaque mécanisme dépendent du type de filtre et des propriétés du fluide filtré.
Impaction inertielle
Les particules dans les écoulements fluides possèdent à la fois une masse et une vitesse, créant ainsi une impulsion. À mesure que le liquide s'écoule et que les particules traversent le média filtrant, le fluide se déplace le long du chemin de moindre résistance et change de direction autour des fibres. En raison de leur impulsion, les particules ont tendance à se déplacer en ligne droite, frappant les fibres et étant éliminées. Les particules plus grosses sont plus facilement détournées du trajet du fluide, tandis que les particules plus petites peuvent suivre l'écoulement de plus près. Dans les cas où la différence de densité entre les particules et le fluide est minime, l'impaction inertielle a moins d'effet.
Interception de diffusion
Pour les très petites particules, qui ont une masse minimale,interception de diffusiondevient la principale méthode de suppression. Dans ce processus, les particules entrent en collision avec les molécules du fluide, entraînant un mouvement aléatoire appeléMouvement brownien. Lorsque les particules se déplacent de manière aléatoire en raison de ce mouvement, elles s'écartent du trajet d'écoulement du fluide et augmentent le risque de collision avec les fibres du filtre. Ce mécanisme est plus important dans la filtration des gaz mais joue encore un rôle moindre dans la filtration des liquides.
Interception directe
Lorsque l'impaction inertielle et l'interception par diffusion ne suffisent pas,interception directedevient le mécanisme idéal pour l’élimination des particules. Dans cette méthode, les particules plus grandes que la taille des pores du filtre sont piégées directement par le matériau filtrant. Les filtres sont généralement constitués de nombreuses fibres qui déterminent la taille des ouvertures à travers lesquelles passe le fluide. Lorsqu’une particule est plus grande que la taille des pores, elle est directement piégée par le filtre, comme illustré dans le schéma du processus.
Ce mécanisme est particulièrement pertinent pour les filtres à mailles métalliques présentant des pores de taille uniforme et de faibles épaisseurs, où les particules sont éliminées lors de leur passage. Cependant, même les filtres dont la taille des pores n'est pas uniforme- peuvent présenter une interception directe lorsque la structure du filtre crée un chemin d'écoulement inégal.
Libération de particules dans des conditions « d'impact »
Certaines conceptions de filtres peuvent provoquer la libération de particules dans des conditions spécifiques. Par exemple, si un filtre à mailles souples collecte des particules sous un débit de liquide faible et constant, ces particules peuvent être délogées et libérées en aval lorsque le débit augmente. Le rejet peut être testé en modifiant rapidement les conditions d'écoulement et en observant si des particules sont réintroduites dans le système. Pour éviter ce problème, les filtres doivent être conçus avec une intégrité structurelle suffisante pour empêcher la libération de particules dans des conditions de pression variables.
Améliorer l'efficacité de la filtration des liquides
Il existe plusieurs méthodes pour améliorer l’efficacité de filtration des filtres à liquides, garantissant ainsi une élimination efficace des particules. Ceux-ci incluent :
Précipitation électrostatique
De nombreuses particules portent des charges négatives, tandis que les médias filtrants sont généralement également chargés. L'interaction entre les charges présentes sur les particules et la surface du filtre peut améliorer considérablement l'efficacité de la capture des particules. C'est ce qu'on appelleprécipitation électrostatique. Lorsqu’un média filtrant est chargé (généralement négativement), il attire les particules de charges opposées, facilitant ainsi leur élimination. Ce processus améliore l'interception des particules, en particulier pour les particules fines qui pourraient autrement traverser le filtre.
Floculation
Pour les particules extrêmement fines,floculationpeut être utilisé pour regrouper ces particules en grappes plus grandes et plus faciles à filtrer. Ce processus implique l'ajout d'électrolytes polymères-de longues chaînes moléculaires avec de nombreux ions chargés positifs et négatifs-au fluide. Ces électrolytes aident les particules à s'agréger, augmentant leur taille et permettant une élimination plus facile. Un mélange et une agitation appropriés sont essentiels pour garantir que les particules s'agglomèrent sans briser la masse floculée.
Aides au filtrage
En ajoutant de petites quantités deaides à la filtrationau fluide peut également faciliter l’élimination des particules fines. Les aides à la filtration courantes comprennentterre de diatomées, perlite, le carbone et la cellulose. Ces matériaux améliorent la porosité et la perméabilité du gâteau de filtration, le rendant plus efficace pour capturer les particules fines. Les adjuvants de filtration sont souvent utilisés dans les processus en amont ou dans les applications de pré-revêtement, où ils contribuent à former un gâteau de filtration qui améliore les performances du système de filtration.
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En mettant en œuvre les bonnes techniques et technologies de filtration, les entreprises peuvent non seulement améliorer la qualité des produits, mais également contribuer à des pratiques plus durables en gérant efficacement les ressources et en réduisant les déchets.