NO840405L - Separeringsprosess - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fremgangsmåter som innbefatter en væskestrøm gjennom en deformerbar, porøs matrise, mer spesielt fremgangsmåter som innbefatter en strøm av heterogene væsker gjennom en porøs matrise for derved å skille ut en av fasene eller en komponent av en fase.

Det er kjent mange fremgangsmåter som innbefatter

en strøm av væsker med en kontinuerlig fase og en diskontinuerlig fase gjennom en porøs matrise for derved å skille fasene, f.eks. filtrering. Kanaldimensjonene i den porøse matrisen er vanligvis konstante gjennom hele matrisen og velges normalt i forhold til størrelsen på partiklene på den diskontinuerlige fasen, slik at man f.eks. kan fjerne de partikler som samler seg på oversiden av matrisen ved hjelp av tilbakevasking eller forandring av matrisen.

Foreliggende oppfinnelse bruker en elastisk deformerbar, porøs matrise og er basert på den oppdagelse, at slike matriser kan fremstilles slik at de underkastes en ikke-ensartet deformasjon når en væske strømmer gjennom matrisen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en fremgangsmåte for å skille suspendert materiale fra en væske som innbefatter at man lar væsken strømme gjennom en porøs matrise som er elastisk deformerbar og tilbakeholdende, og hvor væskestrømshastigheten er tilstrekkelig stor til at man får en i alt vesentlig ikke-ensartet deformasjon, og følgelig en porøsitetsgradient i samme retning som væskestrømmen, hvorved i det minste en del av det suspenderte materialet skilles ut ved at det holdes tilbake inne i den porøse matrisen .

Det er velkjent hvordan man kan utføre en filtrering eller separering av suspendert materiale fra væsker ved at denne føres gjennom en porøs matrise, f.eks. et polyuretanskum. Separering ved at man bruker en væskehastighet tilstrekkelig stor til å frembringe en i alt vesentlig ikke-ensartet deformasjon av den porøse matrisen, har visse fordeler fremfor tidligere kjente fremgangsmåter. Den strømningshastig-het som er nødvendig for å frembringe en ikke-ensartet deformasjon av den porøse matrisen vil være avhengig av den type matrise man bruker, men vil vanligvis være betydelig større enn det som brukes i vanlige filtreringsprosesser. Hvis man f.eks. har væsker med en viskositet på 5 cp eller mindre ved separeringstemperaturen, så vil deformeringen av den porøse matrisen være 10% eller mer hvis væskestrømningshastigheten gjennom den porøse matrisen er 90 m 3 /m 2/time eller mer.

Den porøse matrisen kan holdes på plass ved hjelp av en i alt vesentlig ikke-deformerbar del, gjerne plassert på utløpssiden av matrisen eller på begge sider. Denne delen kan f.eks. være en sikt, f.eks. fremstilt av metall, plast eller klede, og hullene i denne sikten er større enn kanaldimensjonene på den udeformerte matrisen.

Hvis begrensningen er plassert på utløpssiden av den porøse matrisen, så vil væskestrømmen gjennom matrisen gi en ikke-ensartet sammenpresning som øker fra innløpssiden til utløpssiden. Hvis man på den annen side har begrensningen på innløpssiden, så vil væskestrømmen ha en tendens til å indu-sere en ikke-ensartet deformasjon.

Hvis kanaldimensjonene er like gjennom den udeformerte, poørse matrisenm så vil det under væskegjennomgangen være en variasjon i kanaldimensjonene gjennom den porøse matrisen fra innløps- til utløpssiden.

Det er antatt at deformasjonen i det minste delvis skyldes en motstandsindusert deformasjon som er et resultat av væskegjennomstrømningen. En variasjon i hastigheten på væskestrømmen vil derfor til en viss grad kunne variere graden av deformasjon. Den motstandsinduserte deformasjonen er kumulativ i væskestrømmens retning, og det er følgelig klart at deformasjonens ikke-ensartethet også vil variere med væskestrømmen. Videre er fremgangsmåten avhengig av egenskapene på den porøse matrisen, og herved inngår også den opprinnelige porestørrelsen.

Det faktum at deformasjonen er ikke-ensartet i væske-strømmens retning, og følgelig at kanaldimensjonene gjennom den porøse matrisen ikke vil ha samme størrelse, kan brukes for å øke separeringsprosessenes effektivitet, fleksibilitet og anvendbarhet. Det vil i det etterfølgende bli beskrevet foretrukne utførelser av foreliggende fremgangsmåte, dvs. en ikke-ensartet sammenpresning av et porøst materiale med en tilsvarende ikke-ensartet nedsettelse av kanaldimensjonene fra innløpssiden til utløpssiden av matrisen.

I en separeringsprosess hvor følgelig formen og volumet på de partikler som danner den diskontinuerlige fasen, er slik at de kan trenge inn i kanalen i den udeformerte matrisen, men ikke i de deformerte kanalene dypere inne i matrisen, så vil partiklene samle seg i kanaler av matrisen hvis dimensjoner tilsvarer partiklenes egendimensjoner.

Ideelt skulle man kunne forvente at hvis partiklene forble som diskrete enheter inne i matrisen, så skulle en reduksjon av væskestrømshastigheten gjøre at matrisen ville vende tilbake til sin udeformerte tilstand og derved ville<p>artiklene frigjøres i væskestrømmen. Det synes imidlertid som om akkumuleringen av partiklene kan motsette seg denne frigjøringen. Man har funnet at en rask variasjon av væske-strømshastigheten, dvs. mellom null og driftsstrømshastig-heten, har den effekt at det letter frigjøringen av partiklene slik at de kan vaskes ut i væskestrømmens retning. Man kan således eliminere behovet for en tilbakevasking av matrisen for å frigjøre partiklene. Den mengde av partikler som frigjøres er avhengig av porestørrelsen på matrisen og partikkelstørrelsen.

Hvis det imidlertid er ønskelig kan man selvsagt anvende tilbakevasking, og dennes effektivitet vil selvsagt bli forbedret ved hjelp av foreliggende oppfinnelse. Anven-delsen av en viss tilbakestrøm kan også øke graden av ma-triseinnvinning.

Alternativt kan de utskilte partikler inne i matrisen fjernes fra matrisen på vanlig kjent måte, f.eks. destillasjon, ekstraksjon, oppvarming, evakuering eller på annen måte.

Med en heterogen væske så kan den kontinuerlige fasen være en gass eller en væske, og den diskontinuerlige fasen kan være en væske eller et fast stoff. Prinsippet ifølge foreliggende oppfinnelse kan således anvendes på en rekke forskjellige separeringer, så som gass-væske, gass-fasstoff, væske-væske og væske-faststoff-separeringer. Oppfinnelsen kan også anvendes på trefasesystemer, f.eks. systemer innbefat-tende en gass, en væske og et faststoff. Med begrepet "par-tikkel" slik det brukes her i forbindelse med den diskontinuerlige fasen, så er det underforstått at dette innbefatter enten faste eller flytende partikler eller begge deler.

Den variable faktor som brukes for å regulere graden av deformasjon og følgelig graden av variasjoner med hensyn til kanaldimensjonen i matrisen, er væskestrømshastigheten gjennom matrisen, og denne er igjen avhengig av trykkforskjellen over matrisen. Graden av deformering kan imidlertid også endres på andre måter, f.eks. ved å forandre dimensjo-nene på matrisen.

De andre variable som påvirker graden av deformasjon vil være fysiske egenskaper for matrisen og væskens viskositet. Således kan de fysiske egenskaper for en porøs matrise varieres, f.eks. ved at man (a) bruker et åpencellet skum med forskjellige typer polymeriske materialer, f.eks. poly-vinylklorid, polyuretan eller gummi med forskjellige mekaniske egenskaper eller forskjellige porøsiteter, eller (b) ved at man anvender mekaniske anordninger, f.eks. fjærer, i selve matrisen, eller (c) ved at man bruker en kombinasjon av materialer med forskjellige elastiske egenskaper, eller ved at man f.eks. på annen måte belaster matrisen eller setter den under spenning. Belastningen kan selvsagt endres eksternt og det samme gjelder den spenning som påsettes ved hjelp av fjærer.

Videre kan man ved å tilsette visse utvalgte partikler til en matrise effektivt brukes for å endre matrisens porestørrelse og følgelig dens grad av deformasjon i forhold til en gitt væskestrøm. Således kan man endre matrisens egenskaper med hensyn til hvilke partikler som holdes tilbake. Man kan på denne måte oppnå større fleksibilitet med hensyn til gitte filtreringsegenskaper enn når man bruker en matrise alene. De tilsatte partiklene kan virke spesielt i forbindelse med de partikler som filtreres ut, hvorved man selek tivt får fjernet ytterligere materiale fra en væskestrøm, hvoretter materialet forbundet med partiklene kan innvinnes fra matrisen ved hjelp av egnet teknikk.

Viskositeten på væsken kan varieres ved å forandre væsken på et gitt tidspunkt, eller ved hjelp av samme væske kan man variere driftsbetingelsene, f.eks. ved å endre tem-peraturen eller tilsette væsken en annen blandbar væske med forskjellig viskositet. Videre kan man endre væskens strøm-ningsegenskaper gjennom den porøse matrise ved å bruke materialer så som motstandsreduserende polymerer eller overflate-aktive forbindelser.

Væske, driftsbetingelser og egenskaper på den porøse matrisen bør velges slik at man får den grad av deformasjon og forandring i kanaldimensjoner som står i forhold til den separering som er ønskelig, og eksperimenter kan være nød-vendig for å bestemme de optimale betingelser i så henseende.

Den porøse matrisen som kan underkastes en ikke-ensartet deformasjon kan være et polymerskum eller et annet sammenhengende materiale med sammenknyttede porer slik at man får kanaler gjennom hvilke det kan skje en væskestrøm. Matrisen kan imidlertid også være fremstilt av diskrete elastisk deformerbare partikler, slik at man vil få en forandring av volumet på hulrommet mellom partiklene som et resultat av væskestrømmen. Kanalene kan enten ha makro-eller mikrodimensjoner.

Matrisen kan videre ha variable fysiske egenskaper fra topp til bunn eller fra overflate til den indre del, ved f.eks. at man bruker lag av forskjellig materiale eller ved at man bruker et lateksskum med varierende vulkaniserings-grad.

Den porøse matrisen kan videre bestå av et fibrøst materiale eller man kan f.eks. ha en molekylær sil av en eller annen form, f.eks. en gel.

Egnede porøse matriser som har en ikke-ensartet deformasjon under visse betingelser med hensyn til væskestrøm gjennom matrisen, innbefatter elastomeriske skumdannede plastiske materialer så som visse polyuretanskum og naturlige og syntetiske gummiskum og innbefatter diskrete elastiske deformerbare partikler av et materiale som er basert på naturlig gummi i granulær form. Videre kan man for visse separeringsprosesser bruke visse typer elastisk deformerbare filtmaterialer.

Væskene er fortrinnsvis flytende væsker, da spesielt kombinasjoner av flytende væsker og faste stoffer. De kan f.eks. være vandige, organiske eller uorganiske og kan ha en rekke forskjellige væskeegenskaper, f.eks. kan viskositeten variere fra en verdi som ligger under den man finner for vann til viskositeter av den type man finner i tomme petroleumsfraksjoner (f.eks. smøreolje). Den foretrukne væsken er vannbasert. Man kan også bruke systemer bestående av en gass og faste stoffer, f.eks. aerosoler.

Matrisen kan være plassert på enhver egnet måte, slik at man får en rett eller lineær strøm gjennom matrisen, en radiær strøm enten innover eller utover eller man kan ha ethvert annet gitt strømningsmønster. Et eksempel på en ra-dial strøm vil være en porøs matrise i form av en hul sylinder hvor væskestrømmen går fra den indre siden av sylinderen til yttersiden eller vice versa.

Med noen konfigurasjoner kan begrensningen tilveie-bringes ved hjelp av selve matrisen, f.eks. med en ringformet matrise så kan man bruke et ytre sylindrisk bånd for å begrense den ytre side fra å bevege seg i væskestrømmens retning.

Konfigurasjonen bør fortrinnsvis velges slik at man får minimal begrensning i det porøse materiale i andre ret-ninger enn strømretningen, f.eks. ved å holde sideveggover-flatearealet nede på et minimum og/eller å holde friksjonen mellom sideveggene og den porøse matrisen på en minimums-verdi .

Det er innlysende at oppfinnelsen kan anvendes på

en rekke forskjellige måter og har tallrike mulige anvendel-sesområder.

Således kan en enkelt porøs matrise brukes for å fraksjonere en diskontinuerlig fase med en rekke forskjellige partikkelstørrelser, dvs. at partiklene vil da bli holdt tilbake på forskjellige nivåer i matrisen. Alternativt kan en enkelt porøs matrise brukes for å skille forskjellige partikkelstørrelser i en viss rekkefølge, og væsken kan re-sirkuleres og kanaldimensjonene varieres for hver cyklus. Ettersom porestørrelsen i en udeformert porøs matrise vanligvis ikke er ensartede, dvs. at størrelsen varierer om-kring en nominell porestørrelse, så vil man få en separering ifølge partikkelstørrelse under væskegjennomgang, men det vil være en spredning med hensyn til størrelsen på de partikler som skilles ut. I en foretrukket konfigurasjon så vil den midlere partikkelstørrelse som holdes tilbake av matrisen vise en nedsettelse i retning av væskestrømmen.

Man kan også bruke en serie matriser med forskjellige kanaldimensjoner for å skille partikler av forskjellig størrelse, og forskjell med hensyn til kanaldimensjoner kan oppnås ved å variere matrisenes fysiske egenskaper eller ved å ha to forskjellige strømningshastigheter over den samme type matrise.

Blant de separeringer som kan utføres ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er følgende: En separering av aerosolpartikler fra gasser, f.eks. ved å utskille forbrenningsstoffer fra forbrenningsgasser.

En utseparering av faste partikler fra væsker, f.eks. rensing av industrielt avfallsvann for senere bruk eller av sikkerhetsgrunner.

En separering av væskepartikler fra andre væsker, f.eks. sammenløpning og separasjon av olje-i-vann eller vann-i-olje-emulsjoner.

En separering av en komponent fra en kontinuerlig fase hvor den diskontinuerlige fasen vil bli selektivt ab-sorbert .

Den diskontinuerlige fasen kan skilles fra den kontinuerlige fasen ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, og den selektivt absorberte komponent kan fjernes på kjent måte (f.eks. ved destillasjon, ekstrahering, oppvarming eller evakuering).

Når man opprettholder en trykkforskjell over matrisen ved hjelp av en pumpe, så vil en pumpestopp gjøre at matrisen vil vende tilbake til sin opprinnelige form og vil kunne gjøre at tilbakeholdte partikler unnviker. Man må således anvende en viss type alarmsystemer eller andre sikker-hetsmekanismer. En måleanordning med hensyn til trykkfallet over matrisen vil kunne således anvendes og kan sende et signal til en ventil nedenfor matrisen slik at ventilen kan lukke seg hvis trykkfallet går under en viss forutbestemt verdi, hvorved man hindrer at tilbakeholdte partikler unnviker over i den kontinuerlige fasen fra utløpet av separe-ringsenheten. Alternativt kan man bruke en anordning hvor trykkfallet over matrisen kan programmeres slik at man får en periodevis tømming av matrisen, f.eks. når denne brukes for en ren filtrering.

Skjønt det vesentlige trekket ved foreliggende oppfinnelse er at deformeringen av matrisen kontrolleres ved å kontrollere driftsbetingelsene, så kan deformeringen sup-pleres eller modifiseres ved ytre krefter, ved f.eks. en forspenning eller å bruke matrisen som en del av et sentri-fugalfilter.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempler og med henvisning til figurene 1 til 12 på de ved-lagte tegninger. Figur 1 er et skjematisk diagram av et apparat som ble brukt for å observere strømmen av væsker og partikler gjennom en porøs matrise. Figurene 2 og 3 viser diagrammer med deformasjon av D7 og D36 polyuretanskum i forhold til væsketrykkfallet for glukosesirup og vann henholdsvis. Figurene 4 og 5 viser diagrammer av variasjon med hensyn til væskestrøm og trykkfall for glukosesirup og vann henholdsvis over D7 og D36 polyuretanskum ved en konstant matrisedeformasjon. Figur 6 viser et diagram som viser forandringer med hensyn til sammenpresning av en rekke porøse matriser som en funksjon av strømningshastigheten for vann. Figurene 7 til 10 viser diagrammer av en ikke-ensartet deformasjon av forskjellige polyuretanskum, lateks-gummiskum og lateksgranulater for forskjellige vannstrøm-ningshastigheter. Figur 11 viser et diagram av en ikke-ensartet deformasjon av DK50 i forhold til luftgjennomstrømning. Figur 12 viser et diagram av deformasjonen av DK50 i forhold til avsetning av faste stoffer inne i matrisen.

Tabell 1 viser egenskapene for de porøse matrisene.

DK2, DK15, DK50 - varmeherdet åpencellet polyuretanskum

(polyeterbasert - BP Chemicals).

D36, D7, D39 - standard åpencellet polyuretanskum (polyeterbasert - Dunlop).

S2, S6, S7, S8 - støpt lateksskum (Malaysian Rubber Pro-ducers Research Association).

C - Crusoe pulverisert naturlig gummi

(Harrisons and Crosfield)

AB26B, GC356, GC364 - Høyelastisk åpencellet polyuretanskum

(polyeterbasert - BP Chemicals). Porestørrelsene ble bestemt ved hjelp av elektronmikroskopi.

(S2, S8 har små porer inne i større hulrom ^300-500 ym).

Som vist på figur 1 ble en transparent sylinder eller et strømrør 1 plassert vertikalt og utstyrt med et fint wire-nett 2 nær dets nedre ende. Den porøse matrisen 3 som skulle observeres, dvs. i dette tilfelle et åpencellet polyuretanskum, ble fremstilt slik at det passet inn i sylinderen 1 og ble båret av nettet 2. En rekke transverse referanselinjer 2 ble markert på det udeformerte skummet før dette ble satt inn i sylinderen 1.

En vanntank 5 ble brukt som anordning for å tilveie-bringe en væskestrøm og denne var i stand til å føre vann gjennom skummet under påvirkning av tyngdekraften med forskjellige strømhastigheter. Trykkforskjellen over skummet ble målt ved hjelp av en differensial trykkmåler 6 som var forbundet med en elektrisk skriver (ikke vist). Strømhastig-heten av vann gjennom skummet 3 ble regulert ved hjelp av ventilen 7 og ble målt ved hjelp av et strømmålingsrør 8 av rotametertypen. Vann fra sylinderen 1 ble oppsamlet i et reservoar 9 og ved hjelp av en pumpe 10 resirkulert til vanntanken 5. Et lignende apparat ble brukt for eksperimenter hvor man brukte glukosesirup som væsken. Når væsken var luft ble denne dradd ned gjennom apparatet ved hjelp av en pumpe.

En tre-veisventil 11 ved innløpet til røret 1 ble brukt for å tilføre faste partikler til væskestrømmen. De faste partiklene i væske ble lagret i et stempelkar 12. Ved hjelp av stempelet i karet 12 og ved hjelp av tre-veisventilen 11 kunne de faste partiklene føres direkte inn i væske-strømmen. Alternativt kan de faste partiklene suspenderes i vanntanken 5. Det var plassert pumper for uttak av prøver umiddelbart ovenfor og nedenfor sylinder 1 slik at man lett kunne bestemme filtreringseffektiviteten på matrisen 3.

De følgende eksperimenter ble utført for å illustre-re deformasjonen av den porøse matrisen i væskestrømmen. Man brukte et åpencellet polyuretanskum (Dunlop Limited) som den deformerbare porøse matrisen. To kvaliteter av skum (D7 og D36) ble brukt, begge med udeformerte porestørrelser i området fra ca. 300 til ca. 600um, men med forskjellige fysiske egenskaper.

Matrisene var i form av sylindere med en diameter på 5 cm og en lengde på 7 cm. Det ble avsatt graderingsmerker langs siden for å kunne måle graden av deformasjon. Skum-sylindrene ble innsatt i sylindriske, perspekse rør hvor de ble båret på et metallnett.

Væske ble ført vertikalt ned gjennom skummatrisen med forskjellige gjennomstrømningshastigheter. Etter at matrisen var presset sammen til en stabil konfigurasjon, så målte man matrisens deformasjon og trykkfallet over matrisen. Med polyuretan D7 var væsken en glukosesirup (viskositet ved 15°C =17 500 cP) mens væsken med polyuretan D36 var vann ved 20°C (ca. 1 cP). Resultatene fra tabellene 2 og 3 er også vist grafisk på figurene 2 og 3.

Resultatene fra tabellene 4 og 5 er vist grafisk på figurene 4 og 5, men endret motstand mot strøm i den deformerte matrisen er angitt som forholdet mellom trykkfall og væskestrøm over skummet når man hadde etablert en stabil deformasjon på matrisen.

(ii) Glukosesirup ved 15°C Viskositet = 17500 cP

De følgende eksperimenter viser at forandringen med hensyn til sammenpresningen av matrisen som en funksjon av væskegjennomstrømningshastigheten er avhengig av type av matrise.

En rekke forskjellige matrisen ble skåret ut i form av sylindre med en diameter på 5 cm og en lengde på 5 cm. Hver sylinder ble så satt inn i rør 1 og ble understøttet ved hjelp av et metallnett. Vann ble ført vertikalt ned gjennom hver matrise med forskjellige gjennomstrømningshastig-heter og man målte den totale grad av sammenpresning ved hver strømhastighet. Sammenpresningsprofilene er vist på figur 6. Det fremgår at for polyuretanskum så skjer det en sammenpresning av matrisen bar når man når høyere gjennom-strømningshastigheter. Graden av sammenpresning er avhengig av flere faktorer, så som den nominelle udeformerte pore-størrelsen på matrisen. Etter hvert som porestørrelsen øker, så øker også den strømhastighet som er nødvendig for å frembringe en deformasjon, eller sagt på en annen måte, for en gitt strømningshastighet så vil man kunne oppnå en større sammenpresning hvis matrisens porestørrelse var mindre. Videre er sammenpresningen av matrisen avhengig av matrisens stivhet. Således kan to skum med identisk tetthet og pore-størrelse ha forskjellig sammenpresningsprofil hvis deres stivhet er forskjellig. Den maksimale sammenpresning som kan oppnås med en porøs matrise synes å være avhengig av det hulrom som er tilstede. Den grad man oppnår av sammenpresning ved hjelp av en statisk belastning på 9,8N på en serie forskjellige polyuretanskum varierer således omvendt proporsjo-nalt med skumtettheten. Dette er vist i tabell 6 nedenfor.

Den totale sammenpresning er definert som /(ho-hf)/ho7 x 100%, hvor ho er høyden på den udeformerte matrisen mens hf er høyden på den sammenpressede matrise. Skummet var i form av en 5 x 5 cm<1>s sylinder.

Også for en enkelt porøs matrise vil graden av sammenpresning ved en konstant strømhastighet være avhengig av høyden på det porøse materialet. For det nevnte skum-materialet polyuretan DK50 vil således en redusert høyde på den udeformerte matrisen føre til en senking av både den totale sammenpresning og den prosentvise sammenpresningen langs bunnsjiktet.

De følgende eksempler viser at det skjer en ikke-ensartet sammenpresning ikke bare med polyuretaner med forskjellige egenskaper, men også med lateksgummiskumtyper og porøse matriser som består av diskrete elastisk deformerbare partikler.

5 cm<1>s sylindriske stykker av forskjellige porøse matriser ble marker med tversgående referanselinjer 4 som vist på figur 1 og deretter innsatt i strømrøret 1. (Med det granulære materiale var det nødvendig å farge 1 cm's seksjo-nene forskjellig for derved å lettere kunne observere sammenpresningen inne i matrisen). Vann ble ført gjennom hver matrise med forskjellige hastigheter og man målte deformasjons-graden langs lengdeaksen ved å referere til graderingsstre-

kene.

En ikke-ensartet deformasjon er vist på figurene 7 til 10.

Strømhastigheten og trykkfallet over den porøse matrisen hvor det skjer en ikke-ensartet deformasjon, er ma-triseavhengig og avhengig av hvor mye materiale som fanges inn av matrisen. Vanlige filtermedia vil ofte ha gjennom-strømningshastigheter for vann på mindre enn 50 m 3 /m 2/time. Gjennomstrømningshastigheten ved begynnelsen av en betydelig ikke-ensartet deformasjon av en porøs matrise kan være så liten som 90 eller så stor som 540 m 3 /m 2/time eller mer, avhengig av porestørrelsen, matrisens tykkelse og graden av innfangning av faste partikler.

Figur 11 viser at en ikke-ensartet deformasjon kan også oppnås ved å bruke luft (viskositet 1,8 x 10 -2 cP) som den kontinuerlige væskefasen. Det er nødvendig med relativt 3 -2 -1 store gjennomstrømningshastigheter (dvs. 10 000 m m time ) for å oppnå en betydelig sammenpresning i dette tilfelle.

De følgende eksperimenter angår separering av partikler inne i en porøs matrise etter partikkelstørrelse.

En 5 cm lang sylinder av D36 polyuretanskum ble skåret i fem 1 cm's stykker /nummerert 1 (ovenfra) til 5 (ned-erst^/ og deretter innsatt i strømrøret 1 som vist på figur 1. Vann ble ført gjennom matrisen med en begynnende gjennom-strømningshastighet på 510 m 3m -2 time -1 og med et trykkfall på 9,86 x 10 3 Nm -2, noe som resulterte i en ikke-ensartet sammenpresning fra 5 til 2,4 cm (53% sammenpresning). Ca. 4 g silisiumdioksydpartikler med en partikkelstørrelse i området fra 63 til 200 ym ble så injisert inn i vannstrømmen i løpet av et kvarter. Over dette tidsrom falt gjennomstrømnings-hastigheten til 90 m 3m -2 time -1, og trykkfallet (^\P) over ma-3 -2

trisen økes fra 9,86 til 22,76 x 10 Nm , og matrisen ble ytterligere presset fra 2,4 til 2,0 (60% sammenpresning). Vannstrømmen ble så stoppet. Hver del av skummet ble så for-siktig tatt ut av systemet og klemt flere ganger for å fri-gjøre innfangede partikler. En analyse av partiklene fra hvert stykke ved hjelp av en Coulter-teller indikerte at de

grovere partiklene hadde en tendens til å bli holdt tilbake i den øvre del av matrisen, mens de finere partiklene ble holdt tilbake lenger ned i matrisen. En vektfordeling av de faste stoffer fra hver del indikerte at de største mengdene ble fjernet av delenel og 2. Resultatene er angitt i tabell 7.

Et lignende eksperiment hvor man brukte samme skum-matrise, men med forskjellige partikkelstørrelser (fra 15 til 40 y) resulterte i tilsvarende resultater. Ettersom partiklene imidlertid var mindre, så ble de fleste holdt tilbake i delene 4 og 5.

Den selvrensende evne for det foreliggende system ble vist med forskjellige skummatriser. Etter at man hadde gjen-nomført separeringen ville en rask variasjon av væskegjennom-strømningshastigheten lette frigjøringen av de innfangede faste partikler. Hvos mange partikler som ble frigjort synes å være avhengig av porestørrelsen på matrisen og den relative partikkelstørrelsen. For å få matrisen til å vende tilbake til det opprinnelige volum i den nedre del under frigjøring av faste stoffer, var det nødvendig med en viss tilbakevasking av matrisen. Noen resultater er vist i tabell 8.

De følgende eksperimenter viser at væskestrømmen gjennom en deformerbar matrise øker, dvs. at etter hvert som sammenpresningen øker så vil den nominelle porestørrelsen av-ta og følgelig vil man få en forbedret filtreringseffekt. 5 cm<1>s seksjoner av forskjellige matriser ble innsatt i rør nr. 1. Vann med suspendert silisiumdioksydpartikler ble ført gjennom matrisen med tilstrekkelig lav gjennom-strømningshastighet til at man ikke fikk deformasjon. Matrisens evne til å holde tilbake faste materialer fra vann (filtreringseffekt) ble bestemt ved å telle antall partikler i prøver tatt både på oversiden og nedersiden av matrisen. Partikkeltellingen ble utført ved hjelp av en Coulter-teller og man bestemte deretter filtreringseffekten (%) på følgende måte:

Gjennomstrømningshastigheten i matrisen ble så øket til at man fikk en ikke-ensartet sammenpresning og man bereg-net igjen filtreringseffekten. Resultatene som er vist i tabell 9, bekrefter at økende gjennomstrømningshastighet gjennom matrisen bedrer dens filtreringsegenskaper. Dette står i motsetning til vanlig filtreringsteknikk hvor man har udeformerte, porøse matriser, hvor en økende gjennomstrømningshas-tighet generelt gir dårligere filtreringseffekt.

De følgende eksperimenter beskriver separasjon av partikler og deres etterfølgende frigjøring, i dette tilfelle Sephadex-partikler (en dekstranpolymer fremstilt av Pharmacia A/B) fra en væske som er forskjellig fra vann, dvs. glukosesirup.

Man suspenderte Sephadex-partikler med diametre i området fra 30 til 150 ym i glukosesirupen. Matrisen av D7 polyuretan ble ikke-ensartet deformert ved at glukosesirupen ble ført gjennom matrisen ved 25°C. Gjennomstrømningshastig-3-2-1 3 -2 heten var 0,33 m m time og trykkfallet var 27,8 x 10 Nm En porsjon av de suspenderte partiklene ble ført inn i væsken som strømmet gjennom skummatrisen hvoretter prøver ble tatt ut ved utløpet. Den midlere diameter på de partikler som ble ført inn var 6 3 ym. Den midlere diameter på partiklene som ble oppsamlet ved utløpet av det deformerte skummet var 45 ym. Et distinkt bånd av innfangede Sephadex-partikler var synlig i matrisen like over det nivå hvor deformeringen var maksimal. Når man ikke kunne observere noen ytterligere partikler i den utstrømmende væsken, ble væskestrømmen stoppet og matrisen ekspanderte spontant. Gjennomstrømningen ble så 3 -2 -1

startet igjen med en hastighet på 0,07 m m time . Partikler kom igjen ut i væsken, og deres konsentrasjon var åtte ganger større enn det som ble observert når nevnte porsjon kom ut av den deformerte matrisen. Partiklene midlere diameter var 67 ym.

Det følgende eksperiment viser hvorledes akkumuleringen av faste stoffer inne i en deformerbar matrise kan endre dens sammenpresningsegenskaper i forhold til gjennomstrøm-ningshastigheten.

Vann inneholdende suspenderte silisiumdioksydpartik--1

ler (23 mgl ) ble ført gjennom en 5 cm lang sylinder av DK50 polyuretanskum med en gjennomstrømningshastighet på

3~-2 -1

90 m m time . Dette var utilstrekkelig til å frembringe en sammenpresning. Etter kontinuerlig drift i fra 1 til 2 timer så frembragte imidlertid akkumuleringen av faste stoffer inne i matrisen en viss deformering. En ikke-ensartet deformasjon fortsatte å utvikle seg etterhvert som mer fast materiale ble avsatt. Dette fenomen som er vist på figur 12, kan brukes for å endre filtreringsegenskapene på en matrise ved at man tilsetter utvalgte partikler.

Claims (19)

1. Fremgangsmåte for å skille suspendert materiale fra en væske, karakterisert ved at man lar væsken strømme gjennom en porøs matrise som er elastisk deformerbar og innelukket, og hvor væskegjennomstrømningshas-tigheten er tilstrekkelig stor til at man frembringer en i alt vesentlig ikke-ensartet deformasjon og følgelig en porø-sitetsgradient i væskestrø mmens retning, hvorved i det minste en del av det suspenderte materiale blir utskilt ved at det blir holdt tilbake i den porøse matrisen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at væskegjennomstrømningshastigheten i 3-2 -1 den porøse matrisen er 90 m m time eller mer, og ved at deformasjonen av den porøse matrisen er 10% eller mer for væsker med en viskositet på 5 cP eller mindre ved separeringstemperaturen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den porøse matrisen er lukket inne eller holdt på plass ved hjelp av en i alt vesentlig ikke-deformerbar del ved utløpssiden av den porøse matrisen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at alt eller en del av det suspenderte materiale frigjøres fra den porøse matrisen i strømretningen ved at man reduserer gjennomstrømningshastigheten for væsken.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at alt eller en del av det suspenderte materiale frigjøres i væskestrømretningen fra den porøse matrisen ved at man raskt varierer væskegjennomstrømnings-hastigheten mellom 0 og driftsgjennomstrømningshastigheten.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et fast partikkelformet materiale med forskjellig partikkelstørrelse suspenderes i væsken og føres gjennom den porøse matrisen i et tilstrekkelig langt tidsrom til at man får en separering av de faste partiklene etter partikkelstørrelse inne i den porøse matrisen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at fraksjoner av det partikkelformede materiale fjernes fra den porøse matrisen ved hjelp av en fysisk fremgangsmåte.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den porøse matrisen er i form av en sylinder med en væskeinnløpsoverflate og en væskeutløpsover-flate.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at den porøse matrisen er i form av en ringformet sylinder og at væskestrømmen er fra den indre side av sylinderen til yttersiden eller vice versa.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at væsken er en flytende væske eller en gass.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at væsken er vannbasert.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at væsken er i form av en emulsjon.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12,. karakterisert ved at emulsjonen er en olje/vannemulsjon.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den porøse matrisen er fremstilt av at skumdannet plastisk materiale, diskrete elastisk deformerbare partikler eller et elastisk deformerbart filtmateri-ale.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at det skumdannede plastiske materiale er et polyuretanskum eller et gummibasert skum.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det tilbakeholdte materiale fjernes fra den porøse matrisen ved tilbakevasking.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at egenskapene på den porøse matrisen modifiseres ved at man tilsetter ytterligere materiale til den sammenpressede matrise.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at nevnte ytterligere materiale er kje-misk reaktivt med det suspenderte materiale.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den midlere porestørrelsen på den udeformerte porøse matrisen er større enn den midlere par-tikkelstørrelsen på det suspenderte materiale.