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中一個重要的環節，其核心部件過濾器通過其中的多孔介質將水池中的懸浮物雜質、水產品的排泄物、水產品的分泌物、殘餌等過濾掉，從而維持水池內水質穩定。過濾器的功能性部件為多孔介質填充物。如今，多孔介質廣泛用于水處理的工藝中，一般多孔介質濾料為優質的礫石、石英砂、無煙煤等介質。多孔介質可分為宏觀多孔介質和微觀多孔介質，是作為宇宙事物存在的基本構架[1]。多孔介質具有很多優良的屬性，如多孔介質流體阻力大，可用于物理過濾，不同粒徑下的多孔介質其過濾效果是不同的。由于多孔介質具有的優良性質，且天然多孔介質的局限性過大，人造多孔介質應運而生。人造多孔介質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。

1 多孔介質過濾器原理及參數

1.1 多孔介質過濾原理

在過濾器中多孔介質又稱為過濾介質，其過濾機理是濁液在通過多孔介質孔道時，其中的固體顆粒被多孔介質固體骨架所截留，固體骨架即是多孔介質填充物。濁液在外力的驅動下通過多孔介質管道，液體中的固體顆粒在多孔介質管道內與固體骨架發生碰撞，沉積，最終被多孔介質截留，從而達到過濾效果。但過濾效率與多孔介質填充物顆粒粒徑、多孔介質孔隙率、多孔介質滲透率有關，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

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內相互連通的微小空隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值[2]。定義式為:

(1)

式中：V0——多孔介質中空隙的總體積,m3；

V——多孔介質外表體積，m3。

在過濾器中，選擇多孔介質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K

水力傳導系數又稱滲透系數，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骨架的難易程度。受多孔介質的參數影響，也取決于流體的物理性質。

其計算公式如式(2)所示：

K=kρg/η

(2)

式中：K——水力傳導系數；

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中孔道彎曲程度的參數，迂曲度定義為流體通過多孔介質通道的實際路線距離與多孔介質區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中實際流動距離。迂曲度定義計算式為:

(3)

式中：Lt——流體流經孔道的實際長度；

L0——多孔介質區域的視長度。

2 參數的測定

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空隙體積與多孔介質表體積的比值。測量多孔介質孔隙率采用融化法、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，將多孔介質放入量筒中，使水完全浸沒多孔介質，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孔隙率。

從以上數據初步可以看出堆積顆粒多孔介質中，介質顆粒越小，其孔隙率越小，顆粒堆積越密集，其迂曲度也相應增大。多孔介質對水中顆粒物的截獲能力變大。

表1 粒徑0.651 2 cm介質的孔隙率

表2 粒徑1.748 cm介質的孔隙率

2.2 迂曲度的計算

迂曲度的測量實際為測量流體質點在多孔介質流道內流動的實際長度。由于多孔介質內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系，流體質點在流經多孔介質區域時具有隨機性和不規則性，測量結果具有較大的人為性和特定工況性[5-7]。根據實驗所搭建的達西試驗臺，多孔介質區域視長度L0=0.086 m，多孔介質區域截面面積長度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 實驗系統介紹

測量兩種不同粒徑的多孔介質過濾器的過濾效率。搭建如下的實驗系統。

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管道的入口。流體進入過濾器中，被多孔介質過濾、截流。流體經過過濾管道，玻璃測壓管中的液位發生變化，液體變化的差值即是管內水壓值，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，電子天平的讀數為每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 實驗數據分析

4.1 不同粒徑下多孔介質過濾器的過濾效率

通過上述的實驗，得到了不同粒徑下的多孔介質過濾器過濾效率，具體數據如表3,表4所示。

表3 粒徑0.651 2 cm介質過濾效率

表4 粒徑1.748 cm介質過濾效率

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，造成這種現象的原因可能由于粒徑的增大，多孔介質區域內顆粒數的減少、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，多孔介質骨架對流體中雜質的截留能力降低，過濾比降低。

5 結論及展望

針對水產養殖維生系統中的物理過濾，需要在滿足水產養殖基本的供水量的情況下，將水質過濾到適合魚類生存的水質條件。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其出水流量會大幅降低，滿足不了水產養殖的基本需求。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，在水產養殖中，根據圖4綜合考慮多孔介質填充顆粒的粒徑。

本文實驗采用的為圓形顆粒填充物，自然堆積成多孔介質，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填充材料的性能需要過多的實驗研究。