جوهر إزالة الماء والتصفية هو فصل المعلقات الصلبة عن السائلة؛ إزالة الماء هي فصل الطور السائل عن الطور الصلب، والتصفية هي فصل الطور الصلب عن الطور السائل. التركيز هو زيادة تركيز الطور الصلب في المعلق، والتصنيف هو تقسيم الجسيمات ذات الأحجام المختلفة في المعلق إلى مجموعتين من الجسيمات أكبر من dkp وأصغر من dkp بناءً على حجم جسيم حرج معين dkp. يشير الفصل عمومًا إلى فصل طورين سائلين غير قابلين للامتزاج. إذا كان الطوران السائل والسائل طورين متصلين، فإن فصلهما يرتبط فقط بكثافتيهما؛ إذا كان أحد الطورين طورًا متصلًا والطور الآخر طورًا مشتتًا، فإنه يشكل فصل المستحلبات. لا يرتبط فصل المستحلبات ثنائي الطور باختلاف الكثافة فحسب، بل يرتبط أيضًا بحجم قطرات الطور المشتت، والتوتر السطحي، وعوامل أخرى، مما يجعل الفصل صعبًا. الفصل بالطرد المركزي عملية فيزيائية، وتعتمد صعوبة الفصل على خصائص المادة وخصائص فصل جهاز الطرد المركزي.
1. التجفيف بالطرد المركزي
يُجرى التجفيف بالطرد المركزي بنوعين: أجهزة الطرد المركزي بالترشيح وأجهزة الطرد المركزي بالترسيب.
تستخدم أجهزة الطرد المركزي بالترشيح وسائط ترشيح، مثل شاشات الترشيح والشاشات، للاحتفاظ بالجسيمات الصلبة على شاشة الترشيح تحت تأثير قوة الطرد المركزي، ويتم تفريغ السائل من خلال شاشة الترشيح لتحقيق فصل المواد الصلبة عن السائلة. يتميز هذا النوع من الأجهزة باستهلاك منخفض للطاقة، وكعكات ترشيح قابلة للغسل، ومعدل تجفيف عالٍ للجسيمات الصلبة. وهو مناسب لجسيمات المواد ذات الاختلاف الوثيق في الكثافة بين المواد الصلبة والسائلة وحجم الجسيمات من الميكرون فما فوق، ومحتوى المواد الصلبة في سائل التغذية المسموح به يتراوح بين 30% و60%.
في حال تكسر جسيمات المواد، مثل البلورات، أثناء عملية التجفيف، يمكن اختيار جهاز طرد مركزي تفريغ مكشطة. إذا لم يُسمح لجزيئات المواد، مثل البلورات، بالانكسار، فيمكن اختيار أجهزة طرد مركزي تعمل بتفريغ المكبس، أو الدفع اليدوي، أو التفريغ بالطرد المركزي. بالإضافة إلى امتصاص المادة للماء، يرتبط أداء التجفيف أيضًا بعامل الفصل، وزمن الفصل، وفتحة شبكة المرشح، والمسامية، ولزوجة المادة، والتوتر السطحي، وكراهية طبقة كعكة المرشح للماء، وما إلى ذلك في جهاز الطرد المركزي.
بالنسبة للجسيمات ذات تركيز المواد الصلبة المنخفض، واللزوجة العالية، وحجم الجسيمات الدقيقة، أو الفطريات غير المتبلورة، فإن أجهزة الطرد المركزي بالترشيح غير مناسبة بشكل عام. لأن الجسيمات دقيقة جدًا، يسهل تسربها عبر المرشح وتسبب تسرب المواد. إذا كان المرشح دقيقًا جدًا، فسيؤدي ذلك إلى ضعف كراهية الماء، وستنخفض قدرة معالجة الآلة وأداء تجفيف الجسيمات. يسهل انسداد المرشح بالفطريات غير المتبلورة والجسيمات الزيتية. بالنسبة لهذه المواد، يُنصح باستخدام جهاز طرد مركزي للترسيب بدون مرشح. يستخدم جهاز الطرد المركزي للترسيب فرق الكثافة بين الطور الصلب والسائل. في مجال الطرد المركزي، يكون للطور الصلب كثافة عالية ويستقر على الجدار الداخلي لأسطوانة جهاز الطرد المركزي. يتم تفريغ الرواسب من الجهاز عبر الناقل الحلزوني داخل الأسطوانة. يتميز الطور السائل بكثافة صغيرة ويميل إلى مركز الأسطوانة ويتدفق من منفذ الفائض للجهاز لتحقيق غرض فصل السائل عن الصلب والتجفيف. يتميز هذا النوع من الأجهزة بمعامل فصل مرتفع ولا يحتوي على مرشح. يستخدم فصل الصلب عن السائل فرق الكثافة بين الطورين. وهو مناسب بشكل خاص للفطريات غير المتبلورة والحمأة الزيتية والجسيمات الدقيقة ذات اللزوجة العالية. لا يتطلب هذا النموذج محتوى صلبًا عاليًا في التغذية. يمكن أن يتراوح محتوى المواد الصلبة المختلفة بين 1٪ و 40٪ (الكسر الكتلي). حجم الجسيمات ميكرون أو أكثر. ومع ذلك، فإن هذا النوع من الأجهزة له تأثير غسيل ضعيف على الرواسب، واستهلاك طاقة أعلى من أجهزة الطرد المركزي الترشيحية، وتأثير جفاف أسوأ من أجهزة الطرد المركزي الترشيحية.
2. الترسيب بالطرد المركزي
يُقصد بالترسيب إزالة كمية صغيرة من الطور الصلب من كمية كبيرة من الطور السائل. ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الدوائية والغذائية والمشروبات وغيرها. ونظرًا لانخفاض محتوى المواد الصلبة وصغر حجم الجسيمات، يُلجأ إلى استخدام فاصل أقراص أو جهاز طرد مركزي أنبوبي ذي معامل فصل أعلى. كما يُمكن أحيانًا استخدام مرشح دقيق أو فصل غشائي.
3. التركيز بالطرد المركزي
يمكن أن يزيد التركيز من محتوى المواد الصلبة في المعلق. على سبيل المثال، إذا كان محتوى المواد الصلبة في المعلق الأصلي 0.5% ds (الكسر الكتلي، ds هو مادة صلبة جافة، أي المادة الصلبة الجافة المطلقة)، يزداد محتوى المواد الصلبة بنسبة 3% إلى 5% ds من خلال الترسيب بالجاذبية، أو الترسيب بالطرد المركزي، أو الترشيح. تُعرف هذه العملية باسم عملية التركيز. ينخفض الطور السائل بشكل كبير أثناء عملية التركيز.
على سبيل المثال، تركيز الحمأة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية: إذا تم تركيز 100 متر مكعب من الحمأة الثانوية ذات محتوى صلب 0.5% ds إلى 5% ds، فيجب إزالة 90 مترًا مكعبًا من السائل من 100 متر مكعب من الحمأة الثانوية للوصول إلى محتوى صلب بنسبة 5% ds، مما يقلل بشكل كبير من حجم تجفيف الحمأة اللاحق، ويُقلل طراز وحجم آلة التجفيف المختارة وفقًا لذلك. تشتمل أجهزة التركيز الطاردة المركزية المستخدمة بشكل شائع على أجهزة الطرد المركزي للترسيب ذات التفريغ الحلزوني الأفقي، وفواصل الخبث ذات الفوهات القرصية، والهيدروساكلونات، ومركزات الشاشة الدوارة، وما إلى ذلك.
4. تصنيف الطرد المركزي
يعتمد تصنيف الجسيمات على اختلاف أحجام الجسيمات في المعلق، كما تختلف سرعات ترسيبها. يُطلق على طريقة استخدام سرعات ترسيب مختلفة لتقسيم الجسيمات في المعلق إلى مجموعتين أو أكثر وفقًا لحجم الجسيمات اسم التصنيف الرطب؛ بينما يُطلق على طريقة استخدام وسط غازي لتصنيف الجسيمات اسم التصنيف الجاف.
يُستخدم في تصنيف الطرد المركزي الرطب عادةً أجهزة طرد مركزي للترسيب ذات تفريغ حلزوني أفقي، ويكون منفذ التفريغ الحلزوني لهذا النوع من الأجهزة على شكل أخدود طويل متقاطع، مما يسمح بتحريك مخرج أنبوب تغذية الجهاز محوريًا للأمام والخلف لتغيير وقت ترسيب الجسيمات. وفقًا لاختلاف الكثافة بين الطورين الصلب والسائل وحجم الجسيمات الحرج (dkp) المطلوب للتصنيف، يمكن اختيار عامل الفصل المناسب، والسرعة التفاضلية، وموضع مخرج أنبوب التغذية، بحيث تستقر الجسيمات الأكبر من dkp كرواسب وتُصرف من منفذ تفريغ الخبث في الطرف الصغير من الأسطوانة. تبقى الجسيمات الأصغر من dkp في الطور السائل وتتبع الطور السائل ليتم تفريغها من منفذ الفائض في الطرف الكبير للأسطوانة، مما يحقق تصنيفًا مستمرًا للجسيمات. لتحقيق تصنيف جيد، يجب أن تكون نسبة المادة الصلبة إلى السائلة في المعلق مناسبة، ويجب إضافة كمية مناسبة من المُشتت أثناء عملية التصنيف لمنع تكتل الجسيمات الصغيرة.
لتصنيف الجسيمات بحجم معالجة صغير جدًا، يمكن اختيار جهاز طرد مركزي ترسيب ثلاثي الأرجل، ولكن عامل فصله منخفض، لذا لا يمكنه تصنيف الجسيمات الأصغر.
5. الفصل بالطرد المركزي
يُشير الفصل بالطرد المركزي إلى فصل سائل-سائل، أو سائل-سائل-صلب، ثنائي أو ثلاثي الطور. مع ذلك، يجب أن تكون المراحل أنظمة غير متجانسة وغير قابلة للامتزاج. يعتمد مبدأ الفصل على استخدام فرق الكثافة بين المراحل. ومن أشهرها فصل الزيت عن الماء، وفصل الزيت عن الصابون في معالجة زيوت الطعام، وفصل الزيت عن الماء والخبث في تنقية زيت الوقود وزيوت التشحيم. أجهزة الطرد المركزي المستخدمة هي أجهزة طرد مركزي يدوية قرصية لفصل الخبث، وأجهزة طرد مركزي مكبسية قرصية لفصل الخبث. تُستخدم أجهزة الطرد المركزي ثلاثية الطور ذات التفريغ الحلزوني الأفقي بشكل شائع لفصل الزيت عن الماء والخبث في تنقية زيت النخيل وقطران الفحم وزيت الزيتون. أما بالنسبة لفصل السائل عن السائل، والسائل عن السائل عن الصلب، فيُستخدم عادةً الفواصل الأنبوبية نظرًا لصغر سعة المعالجة.