Фильтрование

Фильтрование (фильтрация), или процеживание, применяется в промышленности в широких размерах для отделения твердых взвешенных частиц из жидкостей или газов. В природе постоянно происходит фильтрование через почву падающих атмосферных осадков, дождя и талого снега, или различного рода заводских и городских сточных вод. Вместе с тем этот процесс фильтрования имеет иногда очень большое значение; примером этого значения может служить доменный газ, получающийся как отброс при выплавке чугуна из руд и в настоящее время находящий все  большее и большее применение, как источник дешевой механической силы, при сжигании его в газомоторах. Всего, однако, 20 лет тому назад этот газообразный отброс не имел никакой цены, и только когда научились отделять из этого газа взвешенную в нем в количестве до 10 грамм на 1 куб. метр доменную пыль (допустимый предел для работы газомотора 0,05 грамма на 1 куб. метр), началась энергичная утилизация этого газа. Все же количество этого отбросного газообразного топлива на земном шаре, превращенное в работу или ток, отвечает (по данным Твэйта за 1906 г.) работе 6 328 000 электрических лошадей, работающих непрерывно 21 часа в сутки, или ежедневной восьмичасовой работе 190 миллионов людей. Таким образом, сам по себе незначительный факт, изысканно удачного приема отделения из газа твердых взвешенных частиц, в очень значительной степени подвинул и удешевил производство чугуна, а, следовательно, и железа, и стали.

В лабораторной практике при различных химических и фармацевтических работах фильтрование жидкостей, чаще всего через бумагу, представляет очень распространенный и употребительный прием работы. Иногда производится фильтрование через уголь, шкапы, глиняные или фарфоровые (не глазированные) цилиндры и тигли. С целью ускорить фильтрование, что в особенности важно при фильтрование густых жидкостей, ее иногда ведут или под давлением или при разрежении, для каковой цели употребляются различного устройства водяные насосы. О фильтровании питьевой воды через трубчатые фильтры Беркфельда (из прокаленной инфузорной земли) или Пастера (неглазурованного фарфора) см. Х, 507/8. Для фильтрования больших количеств различных жидкостей (далее кислых на химических заводах) применяются крупно- и мелкозернистые фильтрационные камни, приготовляемые искусственно. Большое значение в Соединенных Штатах приобрел «алундум». Обычный размер этих камней 20 Х 20 см, при 5 см толщины. Соединение отдельных плит между собой, а также со стопками глиняных сосудов, в которых происходит фильтрование, делается при помощи асбестового шнура.

Для фильтрования крепких кислот употребляется так называемый асбестовый «фарфор», который приготовляется тщательным измельчением асбеста на шаровых мельницах в мельчайший порошок, который затем обрабатывается крепкой соляной кислотой, после чего тщательно промывается водой и прокаливается при 1600°С. Таким образом подготовленный материал представляет превосходную фильтрующую среду, не изменяющуюся даже от крепких кислот.

Необходимо заметить, что успешность всякой фильтрации зависит как от природы и структуры фильтрующей среды, так и от свойства отделяемого осадка. Одно и то же вещество, в зависимости от условий ого осаждения, часто получается или в виде осадка легко отделяемого фильтрования или трудно отделяемого, т. е. или в виде кристаллического или коллоидального осадка. Таков, например, сернокислый барий: при осаждении на холоде получается мелкий, чрезвычайно легко проходящий через фильтр осадок, а при кипячении — компактный, плотный, легко отделяющийся начисто. Иногда попадаются осадки, в особенности органических веществ, которые имеют настолько резко выраженный желатинозный коллоидальный характер, что фильтрование их представляется чрезвычайно затруднительным.

Массовая очистка воды для надобности жителей городов и поселений производится обычно тоже фильтрование через песчаные фильтры (см. Х, 565/72). Иногда фильтрование соединяется вместо с смягчением жесткой воды, как это происходит по способу очистки воды пермутитом. Мягчение воды в этом случае обусловливается на способности искусственных цеолитов (основных кремне-алюминиевых солей) к обменному разложению с известковыми и магнезиальными. При фильтровании через натровый пермутит происходит полнейшее выделение из воды кальция и магния; с другой стороны, промывкой раствором поваренной соли натрий-пермутит вновь регенерируется и, таким образом, один и тот же материал способен к работе очень продолжительное время. На заводах при фильтровании больших количеств жидкостей, как это имеет место на сахарных, химических, стеариновых, параффиновых п т. и. заводах, для фильтрование употребляется целый ряд механических приспособлений: фильтр-прессов, центрифуг и т. п.

В последнее время большим распространением пользуются центрифуги, работа которых основывается на действии центробежной силы. Различают центрифуги с верхним и нижним приводами. Центрифуги с нижним приводом требуют больше места, но продуктивнее (не занимает места центральная ось барабана) и легче устанавливаются. Внутренний центрифугальный барабан, снабженный рядом мелких отверстий, делается или из меди, или из латуни, железа, никеля, алюминия, серебра, фарфора и т. п. Для обработки сильнокислых веществ барабаны освинцовываются, или делаются из глины и фарфора, или покрываются эмалью, или покрываются кислотоупорным лаком — теперь нередко бакелитом (искусственная смола, получаемая из фенола, формальдегида и щелочи, под давлением), или, наконец, делаются из твердого каучука-эбонита. Вследствие того, что при непрерывной работе невозможно равномерно распределить груз по всему барабану, а это в свою очередь отзывается вредно на прочности, центрифуги, в особенности работающие с нижним приводом, снабжаются регуляторами. Для правильной работы центрифуга постоянно должна поддерживаться в возможной чистоте, и все трущиеся поверхности своевременно смазываться. В особенности вредно влияет избыточная перегрузка и форсированная скорость. Ввиду сравнительной опасности центрифуги, установки их требуют известных предосторожностей. При центрифугировании солей и всякого рода кристаллов, удерживающих маточный раствор, пористый барабан нередко изнутри покрывают тканью.

Центрифуга с верхним приводом.

Наиболее важный прибор для процеживания, без которого в настоящее время не обходится ни один химический завод, фильтр-пресс, работает наиболее продуктивно. Работающими элементами фильтр-прессов являются фильтрационные камеры, состоящие из отдельных металлических или деревянных стенок, которые устанавливаются одна подле другой в горизонтальной массовой раме на боковых приливных ребрах. С задней стороны пресса укрепляется неподвижная стенка; с передней — такая же массивная подвижная, так называемая «головка» пресса, прикрепленная к стержню с резьбой, ввинчивая или вывинчивая который головка двигается по раме. Между фильтрационными каморами натягивается ткань, через которую производится процеживание. Завинчиванием головки фильтрационные камеры сдавливаются, и внутри, таким образом, собранного фильтр-пресса образуется ряд соединенных между собой пустых пространств. Процеживаемая жидкость накачивается насосом, или же непосредственно давлением столба жидкости в эти пустоты, причем и происходит отделение жидкости от взвешенных в ней твердых веществ, так как жидкость проходит через ткань и стекает по внутренним каналам через соответствующие краны наружу, а отцеженные твердые вещества заполняют пустоты. Сообразно с внутренним устройством фильтровальных камер различают: камерные фильтр-прессы и рамные фильтр-прессы. В камерных отцеживаемый  твердый остаток скопляется непосредственно в зазоре между двумя желобчатыми стенками, а в рамных между двумя стенками вкладывается еще и рама. По окончании фильтрования, при разгрузке, в первых отцеженная твердая масса выпадает сама собой, а в рамных она остается скрепленной в раме и вынимается вместе с последней. Толщина отцеженной плитки изменяется в довольно широких пределах, обычно от 20 до 30 миллиметров. Фильтр-прессы большей частью снабжаются приспособлением, позволяющим выщелачивать или промывать очищенное твердое вещество. С этою целью каждая фильтрационная камера снабжается еще двумя каналами, по одному из которых в камеру входит жидкость для промывки, а по другому стекает промывная вода.

Фильтр-пресс.

В камерных фильтр-прессах приток жидкости для процеживания делается большей частью посредине, а в рамных сбоку. Эти отверстия в прессах различных конструкций (которых очень много) располагаются, однако, и иначе. С целью иметь возможность вести процеживание на холоде или при высокой температуре (для процеживания воска, стеарина, церезина и т. п.), в самую толщу камер, в этом случае металлических, укрепляются змеевики, по которым и циркулирует или холодная вода, или пар. Кроме чугуна и дерева, камеры делаются также из свинца, олова, эбонита, а иногда и бронзы. Размеры камер очень разнообразны; большей частью, однако, не больше 1  000—1 200 кв. мм. Так как в камерных прессах между каждыми двумя камерами вкладывается два куска ткани, то при сдавливании их образуется довольно герметическая прослойка; в рамках же между стенками рамы и камеры располагается только один квадратный фильтр, и потому, для достижения той же герметичности, существенно важно каждый раз перед заправкой тщательно прочищать раму с обеих сторон. Камерные прессы служат дольше и ввиду того, что в них приточное отверстие посредине рамы и обычно делается достаточно широким, прессы не засоряются, но зато заправка их довольно хлопотлива, и, как уже сказано выше, отфильтрованный материал не имеет такой правильной формы, как в рамках. При процеживании легколетучих жидкостей фильтр-прессы снабжаются иногда отъемными кожухами.

Для отделения жидкости от трудно фильтрующихся твердых веществ, применяется фильтрование при разряжении, для таковой цели употребляется следующий прибор. Два цилиндрических металлических или глиняных ящика устанавливаются совершенно герметично, один на другой, и из нижнего помощью воздушного или водяного насоса выкачивается воздух, скопляющийся на дырчатом дне верхнего сосуда, устланном какой-нибудь тканью; осадок с течением времени является сам по себе фильтрующей средой. При достаточном разрежении и достаточно продолжительном воздействии скопляющийся осадок представляет плотную массу. В этом же приборе осадок может быть промыт водой и высушен воздухом. Для отделения взвешенных жидких и твердых частиц от газов имеется целый ряд аппаратов. Для отделения, например, частиц смолы от сырого каменноугольного газа употребляется «пелуз», прибор, названный так по имени Пелуза. Главную работающую часть этого прибора представляет колпак из тройной металлической сетки, погруженный в сосуд с водой. Эта тройная сетка состоит из трех рядов продырявленных металлических пластин, причем отверстия сделаны в 1 кв. миллиметр и расположены так, что дырчатая полоса одной пластины приходится под глухой полосою следующей пластины. При движении газа через прибор происходит сжатие струи и усиленное трение, вследствие чего и происходит отделение смолы. Отделение твердых взвешенных частиц из газов производится или в пылевых камерах, или же употребляются приборы, в которых происходит центрифугирование газа.

А. Лидов.