濾料粒徑對過濾效率的影響研究

盧 奇 張殿光 楊毓博 刁瑞瑩

(大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023)

0 引言

物理過濾是海洋館維生系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)，其核心部件過濾器通過其中的多孔介質(zhì)將水池中的懸浮物雜質(zhì)、水產(chǎn)品的排泄物、水產(chǎn)品的分泌物、殘餌等過濾掉，從而維持水池內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定。過濾器的功能性部件為多孔介質(zhì)填充物。如今，多孔介質(zhì)廣泛用于水處理的工藝中，一般多孔介質(zhì)濾料為優(yōu)質(zhì)的礫石、石英砂、無煙煤等介質(zhì)。多孔介質(zhì)可分為宏觀多孔介質(zhì)和微觀多孔介質(zhì)，是作為宇宙事物存在的基本構架[1]。多孔介質(zhì)具有很多優(yōu)良的屬性，如多孔介質(zhì)流體阻力大，可用于物理過濾，不同粒徑下的多孔介質(zhì)其過濾效果是不同的。由于多孔介質(zhì)具有的優(yōu)良性質(zhì)，且天然多孔介質(zhì)的局限性過大，人造多孔介質(zhì)應運而生。人造多孔介質(zhì)為了滿足特定的工況，通過人造材料或有序或無序的堆積制造滿足不同工況的多孔介質(zhì)。

1 多孔介質(zhì)過濾器原理及參數(shù)

1.1 多孔介質(zhì)過濾原理

在過濾器中多孔介質(zhì)又稱為過濾介質(zhì)，其過濾機理是濁液在通過多孔介質(zhì)孔道時，其中的固體顆粒被多孔介質(zhì)固體骨架所截留，固體骨架即是多孔介質(zhì)填充物。濁液在外力的驅(qū)動下通過多孔介質(zhì)管道，液體中的固體顆粒在多孔介質(zhì)管道內(nèi)與固體骨架發(fā)生碰撞，沉積，最終被多孔介質(zhì)截留，從而達到過濾效果。但過濾效率與多孔介質(zhì)填充物顆粒粒徑、多孔介質(zhì)孔隙率、多孔介質(zhì)滲透率有關，且并非填充物顆粒粒徑越小，其過濾效果越好。

1.2 主要影響參數(shù)

1.2.1孔隙率ε

孔隙率可分為絕對孔隙率和有效孔隙率，在過濾器中，就多孔介質(zhì)而言，孔隙率一般指的是有效孔隙率。有效孔隙率的定義為多孔介質(zhì)內(nèi)相互連通的微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的外表體積的比值[2]。定義式為:

(1)

式中：V0——多孔介質(zhì)中空隙的總體積,m3；

V——多孔介質(zhì)外表體積，m3。

在過濾器中，選擇多孔介質(zhì)應盡可能的避免無效空隙，無效空隙是一種封閉或半封閉的空隙，對于流體在過濾器中滲流過濾是不利的[3]。

1.2.2水力傳導系數(shù)K

水力傳導系數(shù)又稱滲透系數(shù)，定義為單位水力梯度下的單位流量，表征流體通過多孔介質(zhì)骨架的難易程度。受多孔介質(zhì)的參數(shù)影響，也取決于流體的物理性質(zhì)。

其計算公式如式(2)所示：

K=kρg/η

(2)

式中：K——水力傳導系數(shù)；

k——滲透率；

ρ——流體密度，kg/m3。

1.2.3迂曲度τ

迂曲度是反映多孔介質(zhì)中孔道彎曲程度的參數(shù)，迂曲度定義為流體通過多孔介質(zhì)通道的實際路線距離與多孔介質(zhì)區(qū)域的表觀長度的比值。如圖1所示黑色路線為流體在多孔介質(zhì)中實際流動距離。迂曲度定義計算式為:

(3)

式中：Lt——流體流經(jīng)孔道的實際長度；

L0——多孔介質(zhì)區(qū)域的視長度。

2 參數(shù)的測定

2.1 孔隙率的測定

由孔隙率的定義可知，孔隙率等于多孔介質(zhì)空隙體積與多孔介質(zhì)表體積的比值。測量多孔介質(zhì)孔隙率采用融化法、排水法、氣體膨脹法、壓汞法、吸滲法[4]。由于本實驗使用的多孔介質(zhì)填充物為非金屬，融化的難度大。因此采用排水法測量其孔隙率，在測量空隙體積時采用排水法。在量筒中裝入一定體積的水，水面刻度為L1，將多孔介質(zhì)放入量筒中，使水完全浸沒多孔介質(zhì)，此時水面刻度上升到L2，孔隙率可以采用式(4)計算:

(4)

式中：V——多孔介質(zhì)外面體積，m3；

L1，L2——量筒水面前后刻度，m；

S——量筒截面面積，m2。

如表1和表2所示為用排水法測量出的多孔介質(zhì)孔隙率。

從以上數(shù)據(jù)初步可以看出堆積顆粒多孔介質(zhì)中，介質(zhì)顆粒越小，其孔隙率越小，顆粒堆積越密集，其迂曲度也相應增大。多孔介質(zhì)對水中顆粒物的截獲能力變大。

表1 粒徑0.651 2 cm介質(zhì)的孔隙率

表2 粒徑1.748 cm介質(zhì)的孔隙率

2.2 迂曲度的計算

迂曲度的測量實際為測量流體質(zhì)點在多孔介質(zhì)流道內(nèi)流動的實際長度。由于多孔介質(zhì)內(nèi)孔道十分復雜且流道并非單一流道，流道與流道之間相互聯(lián)系，流體質(zhì)點在流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域時具有隨機性和不規(guī)則性，測量結(jié)果具有較大的人為性和特定工況性[5-7]。根據(jù)實驗所搭建的達西試驗臺，多孔介質(zhì)區(qū)域視長度L0=0.086 m，多孔介質(zhì)區(qū)域截面面積長度A=0.031 4 m2，液面差Δh=0.65 m，流量Q=0.381 4×10-4m3/s。根據(jù)達西公式(5)可求得滲透率。

(5)

計算得出滲透率k=0.164 8×10-10。根據(jù)文獻[8][9]提出的公式得到迂曲度τ=2.33。

3 實驗設計及實驗方案

3.1 實驗系統(tǒng)介紹

測量兩種不同粒徑的多孔介質(zhì)過濾器的過濾效率。搭建如下的實驗系統(tǒng)。

3.2 實驗方案

如圖2所示，具有一定濁度的懸浮顆粒流體由恒壓水箱提供，在底部磁力攪拌泵的作用下，使得懸浮顆粒在水體中分布均勻，通過泵將懸浮顆粒流體泵入多孔介質(zhì)管道的入口。流體進入過濾器中，被多孔介質(zhì)過濾、截流。流體經(jīng)過過濾管道，玻璃測壓管中的液位發(fā)生變化，液體變化的差值即是管內(nèi)水壓值，測壓裝置可以顯示過濾器5處測壓孔處的壓力值。根據(jù)這五方面的壓力變化情況，可以得出過濾器滲流過程中的壓力降。流體通過過濾管段后流入量筒中，量筒每接1 000 mL流體更換量筒，并記錄電子天平的讀數(shù)，電子天平的讀數(shù)為每1 000 mL過濾后液體的重量。在量筒和恒壓水箱中分別取樣為流體A和流體B，將流體A，B放入濁度儀中，得到流體A與流體B的濁度，并計算出過濾效率。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 不同粒徑下多孔介質(zhì)過濾器的過濾效率

通過上述的實驗，得到了不同粒徑下的多孔介質(zhì)過濾器過濾效率，具體數(shù)據(jù)如表3,表4所示。

表3 粒徑0.651 2 cm介質(zhì)過濾效率

表4 粒徑1.748 cm介質(zhì)過濾效率

4.2 粒徑對過濾效果的影響

通過對各個粒徑下多孔介質(zhì)孔隙率、迂曲度、過濾比的測量與計算，得到圖3所示曲線圖，從圖3中可看出隨著粒徑的增大，孔隙率隨之增大，迂曲度隨之減小，當粒徑超過一定值時，迂曲度的減小速率會增加，造成這種現(xiàn)象的原因可能由于粒徑的增大，多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)顆粒數(shù)的減少、重量減輕、顆粒之間的作用力減小，從而使得顆粒本身的重力對流道彎曲度的影響減小。多孔介質(zhì)迂曲度的降低，使得流道的彎道阻力降低，流體更容易流通多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)骨架對流體中雜質(zhì)的截留能力降低，過濾比降低。

5 結(jié)論及展望

針對水產(chǎn)養(yǎng)殖維生系統(tǒng)中的物理過濾，需要在滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖基本的供水量的情況下，將水質(zhì)過濾到適合魚類生存的水質(zhì)條件。圖4為各粒徑下對應的過濾比與出水流量，從圖4中可知，在選擇多孔填充顆粒的粒徑時，不能只考慮到過濾比，高過濾比的多孔介質(zhì)其出水流量會大幅降低，滿足不了水產(chǎn)養(yǎng)殖的基本需求。將達西公式代入迂曲度公式中得到迂曲度與出水流量的關系式(6)。

(6)

式(6)中迂曲度與顆粒粒徑成正相關關系，與出水流量的二次方根成負相關關系，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，根據(jù)圖4綜合考慮多孔介質(zhì)填充顆粒的粒徑。

本文實驗采用的為圓形顆粒填充物，自然堆積成多孔介質(zhì)，對于其他形狀填充物，其流道、孔隙率、迂曲度、過濾比之間的關系更為復雜。對于其組成的多孔介質(zhì)填充材料的性能需要過多的實驗研究。