Vyhodnocování nanofiltru vizualizačními metodami
Nanofiltrační membrány nacházejí uplatnění v oblasti čištění pitné i odpadní vody. Nově se uvažuje o jejich použití v oblasti spaloven nebo jejich zapojení do kaskádových filtrů. Tento článek popisuje návrh vizualizační metody pro testování filtrů obecně.
Abstrakt
Nanofiltrační membrány nacházejí uplatnění v oblasti čištení pitné i odpadní vody. Nově se uvažuje o jejich použití v oblasti spaloven nebo jejich zapojení do kaskádových filtrů. Aby efektivita nanofiltru byla co nejvyšší, je třeba nejen navrhnout optimální strukturální vlastnosti filtru, ale také odhadnout jejich chování v provozu a plném zatížení. Tento článek popisuje návrh vizualizační metody pro testování filtrů obecně. Jedná se o metodu, která by měla nahradit stávající zastaralé měricí systémy a zároveň může být vhodně použita na odzkoušení nanofiltru určených pro specifické použití.
1. ÚVOD
Nanofiltrační membrány (NF) jsou relativně novou třídou membrán předurčených svými vlastnostmi pro ultrafiltraci a reversní osmózu. Jejich separační mechanismus zahrnuje jak prostorový tak elektrický efekt filtrace. Tato kombinace nanofiltračních membrán zaručuje vysokou efektivitu jak pro čištení a přípravu pitné vody tak zároveň v rámci odbourávání škodlivin a organických znečištění.[1]
NF membrány jsou obyčejne charakterizovány strukturními parametry jako pórovitost a velikost póru, tlouštka membrány a elektrické vlastnosti, např. hustota povrchového náboje.
Strukturní vlastnosti jsou určovány elektronovým (SEM) nebo atomovým (ATM) mikroskopem. Tato měření jsou obyčejně velmi nákladná, časove náročná na vyhodnocení, a ačkoliv jsou nezbytná pro zjištění strukturních charakteristik, v žádném případě nesplnují a nepopisují chování filtru v zátežovém cyklu.[1 - 3]
Teorie, které předpovídají chování filtru v čase, se opírají o termodynamický model, elektrostatický, prostorový a semiempirický model. Tyto studie umožnují matematickou simulaci filtrace, experimentálně však zatím nebyly dosud prokázány. Zároveň žádná z provedených studií nevedla k vývoji metody, která by dokázala filtry testovat v reálném čase a v průmyslovém měřítku.
V tomto clánku navrhujeme online měřicí metodu, která dokáže vyhodnotit nejvyšší efektivitu filtrace a zároveň odhalit slabá místa, pokud se jedná o filtr poškozený nebo výrobně vadný. Tato metodika je zde popisována pro použití se vzduchovými filtry, muže být nasazena i pro účely filtrů vodních.
2. EXPERIMENT
2.1 Testované materiály
Pro účel testování byly vyrobeny nanovlákenné filtry z materiálu polyvinylalkohol (PVAL), polyamid (PA) a polyuretanu (PU). Vlákna byla nanesena na matrici z netkané textilie Cetex pomocí přístroje Nanospider, který je vyvíjen na Technické univerzitě v Liberci ve spoluprácí s firmou Elmarco.
Plošná hmotnost nanesených vláken se pohybovala v rozmezí 0,1 - 5 g.m-2 s průmerem vláken 100 - 300 nm. Filtry z těchto materiálů jsou běžne využívány při přípravě kompozitních materiálů, zvukových absorbérů a biomedicínckých aplikacích.
2.2 Metody vizualizace
Data pro vizuální analýzu filtru byla snímána sestavou laseru a kamery bežně využívanou pro účely Particle Image Velocimetry (PIV) měření. Laserový řez definované šíře nasvítil proud vzduchu syceného pevnými částicemi. Každé buňce byl tímto zajišten stejný vyhodnocovaný objem. Požadovanou přesnou intensitu světla zajistil pulsní laser New Wave Gemini, obrazy byly snímány 12bitovou kamerou HiSense. Toto uspořádání umožnilo analyzovat poměry hustot částic před a za filtrem spolecně s výpočtem vektorového pole proudícího media přes filtr.
Nanovlákenný filtr byl uchycen v sací vzduchové trati (Obr. 1). Před filtrem i za filtrem byl měřen průbeh tlaku a průtok. Vzduch byl nasáván spolecně s definovanými částicemi o velikosti 0,6 - 1 mikrometr ze zásobníku.
Obr. 1. Obrázek aparatury 1) Měřící kanál, 2) Nanovlákenný filtr, 3) Laserový řez, 4) Proud vzduchu se
stopovacími částicemi.
Na obrázku vpravo je schématicka znázorněna funkce filtru a filtračního mechanismu.
Obr. 2. Experimentální trať pro filtraci vzdušnin 1. Laser NewWave Gemini PIV, 16Hz max., 2. PIV kamera
Dantec HiSense 12bit, 1280x1024, 4.5 double-frames/sec max, objektiv Nikon AF Nikkor 60mm, 3. Rídící
jednotka kamery Dantec Camera Controller, 4. Dantec System Hub - Flowmap. 5. Řídící PC, 6. Generátor
cástic, 7. Vysavač AEG CE 250, 1600W, 8. Filtr, 9. Digitální diferenciální snímač tlaku GMH 07AN, rozsah 0-20kPa
Obr. 3 Vizualizace a vektorové pole proudu filtrem
2.3 Zpracování výsledků
Ukázka získaných dat zachycených PIV systémem je prezentována na (Obr. 3). Ve spodní části jsou nahromaděny částice zadržené filtrem. Do vrchní části nad filtrem pronikají částice v jednotlivých separovaných proudech. To ukazuje na nehomogenitu a špatnou konstrukci filtru. PIV systémem byly zachyceny dvojobrazy pohybujících se částic s rozestupem 1ms. Vpravo bylo do obrazu vloženo vektorové pole proudu vzduchu pres filtr. Na výsledku lze spatřit významnou poruchu filtru, jež propouští vzduch s částicemi trojnásobnou rychlostí a směrově odklonený od osy oproti okolí. Nad touto poruchou vzniká úplav, výraznou měrou ovlivnující charakter proudu v navazujícím kanálu.
3. ZPRACOVÁNÍ VIZUALIZACÍ PRO VÝPOCET ÚČINNOSTI FILTRACE
Obě oblasti v okolí filtru (Obr. 4.3) byly rozděleny do 10 segmentu, jak je videt na Obr. 4.2 a Obr. 4.4. V každé buňce byla vypočtena hodnota intenzity rozptýleného svetla analogicky odpovídající počtu částic v buňce. Hodnota celkové účinnosti je vypočtena pro celý filtr jako průmer poměru intenzit za filtrem (Obr. 4.1) a před filtrem (Obr 4.5).
Obr. 4. Segmentace oblastí v okolí filtru pro výpočet účinností
Graf účinností filtru napríč jednotlivými segmenty (Obr. 5a) poukazuje na slabá místa nebo vady filtru, kde dochází k vyššímu propouštení částic.
Obr. 5. a) okamžitá účinnost napríč filtrem, b) časový průbeh průměrné účinnosti
Na obr. 5.b je videt klesající tendence účinnosti filtru v průbehu déletrvajícího testu. Tento jev je způsoben nedostatečnou pevností a odolností testovaných nanovlákenných struktur. Defekty se v prubehu času zvětšují, v krajním případě muže dojít k úplnému lokálnímu protržení filtru. Obrázek 6 dokumentuje práve takový případ, kdy se v průběhu měření filtr protrhl. Zanášením částicemi narůstal tlakový spád na obou stranách filtru až do nejvyšší kritické hodnoty.
Obr. 6. Zanášení a následné protržení filtru
Snímky (Obr. 7) pořízené konfokálním mikroskopem dokumentují ucpávání filtru částicemi a vznik poruch (der).
Obr. 7. Snímky filtru před a po filtraci, snímky jsou pořízené konfokálním mikroskopem.
4. ZÁVĚR
Byla prokázána vhodnost použití navržené metodiky ke sledování a vyhodnocování účinnosti filtrace nanovlákennými strukturami. Již při těchto prvotních měřeních byly odhaleny nedostatky některých navržených filtrů, jejich prostorová nestejnoměrnost, nízká pevnost, tepelná i tlaková odolnost. V dalších krocích je uvažováno s vyšší automatizací celého meřicího cyklu, zdokonalením vyhodnocovacích algoritmů a testováním nanofiltru na ruzné typy procházejících částic. V budoucnu budou touto metodou testovány speciální filtry nasazované v extrémních podmínkách.
Projekt byl realizován s podporou Výzkumného centra Artec 1M0554, PTSE 1M06059 a grantu GA102/08/H081
LITERATURA
[1] JAPUNTICH, D.A aj. A comparison of two nano-sized particle air filtration tests in diameter range of 10 to 400 nanometers. Journal of Nanoparticle Research, 2006, roc. 9, s. 93-107.
[2] NOSKOV, M.D., RYLIN, A.V. Stochastic modeling of the development of the tailor instability in liquid filtration in a porous medium. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2000, roc. 73, c. 2, s. 267-273.
[3] SHANG, W. aj. Modeling of the separation performance of nanofiltration membranes and its role in the applications of nanofiltration technology in produkt separation processes. Journal of Chemical Engineering, 2007, roc. 1, s. 208-215.
Recenze: Ing. Karel Plotěný
Je zjevné, že využití nanovláken má budoucnost a každý posun v poznání toho, jak procesy fungují a jak je možné sledovat jejich spolehlivost je chvályhodný. Zvláště když je to počin z mého pohledu profesionální a z hlediska sledované tématiky - detekce filtrace - mu není co vytknout. Co se týká mého názoru na využití nanovláken ke klasické filtraci, nevím jak moc bude využitelná v praxi v nejbližší době, ale stejné postupy bude možné využít např. při využití nanotextilíi pro jiné účely např. sorpci. A tak věřím, že tyto metody pro stanovení poruch budou využitelné i v blízké praxi, což je cenné dvakrát.
Nanofiltration membranes are used in the purification of potable and waste water. Newly considering the use of incinerators or their involvement in the cascade of filters. This article describes the design of visualization methods for testing filters in general.