فیلتر های بی بافت

بخش ششم- مکانیزم­های فیلتراسیون

دکترمیررضا طاهری اطاقسرا

عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی­تکنیک تهران)

 

انواع مکانیزمهای فیلتراسیون

چهار مکانیزم اصلی فیلتراسیون توسط سوترلند وپورکاس (Sutherland and Purchas) ارائه شده­است که عبارتند از:

– جداسازی سطحی (Surface Straining): ذره بزرگ‌تر از روزنه‌ها می‌باشد و به آسانی نمی‌تواند از روزنه‌ها و خلل و فرج عبور کند. ذرات کوچکتر، از روزنه‌های لایه از میان لایه می‌گذرند و جدا نمی‌شوند. این نوع از جداسازی معمولا” به ‌وسیله پارچه‌های بی‌بافت انجام نمی‌شود. بلکه به وسیله لایه‌هایی انجام می‌شود که دارای اندازه روزنه‌های یکسان هستند. تورهای پارچه‌های تاری-پودی سرندها، غربال­ها و مواد غشایی که روزنه­ها و خلل و فرج در آنها دارای اندازه­ و قطر یکسان هستند، نمونه­ای از این نوع جداسازی می­باشند.

– جداسازی عمقی (Depth Straining): این اصطلاح برای نمد‌ها ومواد بی‌بافت که نسبت به‌اندازه و قطر روزنه و خلل و فرج ضخیم هستند و در جاهایی که قطر روزنه‌ها در طول آن نسبتا” متغیر هستند به کار می‌رود. در این صورت ذرات به داخل روزنه‌ها نفوذ می‌کنند تا اینکه به یک نقطه‌ای گردنه‌ای (Necking Point) که در آن نقطه قطر روزنه کمتر از قطر ذره باشد می‌رسد و در این نقطه ذره در دام روزنه می‌افتد و گیر می‌کند.

– فیلتراسیون عمقی (Depth Filtration): فیلتراسیون عمقی متفاوت از جداسازی عمقی است. فیلتراسیون عمقی دارای مکانیزمی است که در آن حتی اگر اندازه ذره کوچکتر از قطر روزنه در سراسر طول روزنه باشد، ذره ناخالصی در جریان سیال جدا می‌شود.

– فیلتراسیون کیکی (Cake Filtration): فیلتراسیون کیکی( یاسطحی) عبارت است از گیر انداختن ذرات بر روی سطح (یا نزدیک سطح) لایه فیلتر و بدین طریق مواد ذره‌ای و ناخالصی‌ها بصورت یک لایه‌ای از کیک فیلتری (Filter Cake) بر روی لایه فیلتر تشکیل می‌شوند و در فرایند فیلتراسیون مشارکت می‌کنند. نمد‌های سوزن‌زنی­شده با سطح اصلاح شده و دیگر لایه‌های مورد استفاده در سیستم‌های جمع آوری گردوغبار در فیلتر‌های کیسه‌ای به این روش عمل می‌کنند و در این نوع فیلتر‌ها ضربه زدن یا عملیات تمیز کردن با جریان معکوس سبب می‌شود که کیک جمع آوری شده بر روی لایه فیلتر جدا شود وفیلتر تمیز شده و آماده برای مصرف یا استفاده مجدد گردد. در بعضی از فرایندهای شیمیایی، این روش فیلتراسیون بسیار با اهمیت است، برای اینکه کیک تشکیل شده بر روی لایه‌های فیلتر ارزشمند بوده و هدف نهایی، بازیافت کیک تشکیل شده در فیلتراسیون می‌باشد. در بسیاری از عملیات که از یک کمک فیلتر مثل خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth)  استفاده می‌شود، فیلتر کیکی به عنوان لایه فیلتر عمل می‌کند وپارچه بی‌بافت مورد استفاده درواقع به عنوان نگهدارنده خواهد بود. فرایند فیلتر صفحه‌ای (Plate Filter) و فریم فیلتر یا فیلتر قابی (Frame Filter) اغلب به این روش عمل می‌کنند.

مکانیزم های گرفتن ذرات (Mechanisms of Particle Capture)

بیشتر تئوری­های مربوط به لایه‌ی فیلتر بی بافت براساس اثر فیلتراسیون عمقی هستند. این روش بسیار پیچیده‌تر از روش سرند کردن یا غربال کردن است، چون در روش سرند کردن اندازه ذره به سادگی بیشتر از اندازه سوراخ لایه یا همان سرند بوده و نمی‌توانند از آنها عبور کنند. تئوری‌های فیلتراسیون وجداسازی عمقی برای گرفتن ذرات به مقدار زیادی به مکانیزم‌‌های دیگر وابسته هستند این مکانیزم‌ها عبارتند از:

۱- برخورد  اینرسی یا ماندی (Inertial Impact) زمانی اتفاق می‌افتد که اینرسی ذره چنان زیاد باشد که برای جدا شدن از جریان هوا و برخورد با لیف به اندازه کافی گشتاور داشته باشد.

۲- رهگیری (interception): زمانی اتفاق می‌افتد که یک ذره اینرسی کافی را ندارد تا از جریان هوا جدا شود، اما به اندازه کافی به لیف نزدیک می‌شود تا اینکه نیروهای طبیعی ذره را به لیف می­چسبانند. از منظر تحلیل ریاضی  لاستو (Lastow) و پادگورسکی (Podgorski) رهگیری را به صوررت “یک ذره وقتی به وسیله یک لیف رهگیری می‌شود که فاصله بین مرکز جرم ذره تا سطح لیف مساوی یا کمتر از شعاع ذره باشد” بیان کرده‌اند.

۳- انتشار (diffusion): عبارت است از حرکت براونی(Browni) یا زیگزاگی ذرات کوچک (با قطرکمتراز µm5/0). این حرکت نامنظم واحتمالی سبب می‌شود که یک ذره از یک جریان سیال(هوا) جدا شده و بطور احتمالی به یک لیف بچسبد.

۴-جذب الکتروستاتیکی (Electrostatic Attraction): برپایه شارژ الکتریکی یاشارژ الکتروستاتیکی(الکتریسیته ساکن) برروی ذره و/ یا لیف است که سبب می‌شود ذره از جریان سیال یا هوا جداشده وجذب لیف گردد. شکل۱یک نمایش کلاسیک از مکانیزم‌های مختلف گرفتن ذرات را نشان می­دهد.

شکل۱- مکانیزم‌های گرفتن ذره

مکانیزم گرفتن (Capture Mechanism) غالب و اصلی، به اندازه ذره بستگی دارد. ذرات بسیار ریز حرکت براونی اعمال می‌کنند و درنتیجه به‌وسیله مکانیزم انتشار گرفته می‌شوند. ذرات بزرگ دارای گشتاور بیشتری هستند. این ذرات بسیار مستعد هستند که از جریان سیال جدا شوند و بر اساس مکانیزم اینرسی گرفته‌ شوند. برای ذرات کوچک یک محدوده‌ای از اندازه ذرات یعنی µm 4/0-04/0وجود داردکه این ذرات برای اثرات مکانیزم انتشار واقعی بسیار بزرگ هستند و ازطرف دیگرچنان کوچک هستند که گشتاور کافی برای اثرات مکانیزم اینرسی رانیز ندارند. ذرات با این محدوده اندازه (µm 4/0-04/0)، بیشترین مشکل را برای گرفته­شدن توسط لایه فیلتر دارند. ذرات با این حدود از اندازه تحت عنوان ” اندازه ذره با بیشترین نفوذ” یا MPPS (Most Penetrating Particle Size) نامیده می‌شوند. استاندارد اروپا برای لایه‌های فیلتر HEPA (High Efficiency particulate Air ) و ULPA (Ultra Low particulate Air ) براساس MPPS در محدوده راندمان  EN 1822-1می­باشد.

نمونه‌های بسیار زیادی از MPPS در مقالات و متون وجود دارد، شکل ۲-۲ آن یک نمودار برگرفته‌ از مطلب ارائه شده بوسیله گلداسمیت (Goldsmith) می‌باشد. لایه فیلتر با راندمان بالا یک تارعنکبوتی از الیاف مصنوعی (سنتییک) بود. آلاینده‌های چالشی (موردآزمایش) شامل سه آلاینده مختلف اسپری روغن (Oil Aerosols) ذرات کروی لاتکس (Latex Spheres) و ذرات جامد معمولی از کلرید پتاسیم (KCl) بود.

شکل۲ نشان می‌دهد که MPPS برای هر یک از این آلاینده‌ها متفاوت است. همچنین MPPS وابسته به سرعت ذره نیز می‌باشد و وقتی سرعت زیاد می‌شود سایز ذره کوچکتر می‌شود. این پدیده بوسیله مطلب ارائه شده بوسیله اسپورنی (Spurny) درشکل۲-۳ مشخص شده‌ است. باید توجه داشت که MPPS در سرعت ۵۰cm/s کوچکتر از  MPPS درسرعت ۱۰m/s است. همچنین محدوده اندازه ذره درمطلب ارائه شده به وسیله اسپورنی ازنظر قطر کوچکتر از محدوده‌ی اندازه ذره در مطلب ارائه شده توسط گلدسمیت است.

شکل۲- اثر آلاینده‌های چالشی بر اندازه ذره با بیشترین نفوذ (MPPS)) برای لایه‌های سینتتیک

شکل۳ که بوسیله اسپورنی ارائه شده است نشان می‌دهد که برای MPPS ذرات با اندازه کوچک، علاوه بر اندازه ذرات سرعت آنها نیز در نفوذ حداکثر آن‌ها تاثیر دارد. باید توجه داشت که اسپورنی مکانیزم  اینرسی (Inertia Mechanism) را با مکانیزم رهگیری (Interception Mechanism)  ادغام کرده است. رامسکیل (Ramskill) و آندرسن (Anderson) تئوری ارونیگ لانگمویر (Irving Langmuir) را مورد بررسی قرار داده و اظهار داشته‌اند که او فرض کرده که اثر اینرسی معنی‌دار است. در مقاله آنها نمودار شکل ۴ سه مکانیزم را نشان داده و توصیه می‌کند که اثرات  اینرسی بسیار مهم‌تر از فرض پیشین لانگمویر می‌باشد. رامسکیل و آندرسن داده‌هایی را برای پشتیبانی از این استدلال تهیه کردند، دیویس ( Davies) به وسیله داده­های خود از این استدلال پشتیبانی کرده‌است. نمودار شکل ۲-۴ توصیه می‌کند که برای ذرات کوچک در زیر سرعت نفوذ، حداکثر انتشار(diffusion) بر فرایند جداسازی حاکم می‌باشد. در بالاتر از این سرعت، عملیات رقابتی اینرسی برای حاکم شدن آغاز می‌شود.

شکل۳- مکانیزم­های جداسازی اندازه ذره با بیشترین نفوذ.

شکل۴- تصویر کیفی مکانیزم‌های فیلتراسیون

بازگشت ومهاجرت لایه

این یک امر نسبی است که تصور شود وقتی که سرعت یک ذره افزایش می‌یابد، گشتاور آن ذره را در مقابل گرفته­شدن بوسیله الیاف داخل یک لایه بی‌بافت بسیار آسیب پذیر می‌سازد. درآزمایش واقعی، این اثر بوسیله اثرات بازگشت (Reentrainment) ومهاجرت لایه (Medium Migration) دچار سردرگمی شده و درهم می‌ریزد. بازگشت در نتیجه ذراتی است که ابتدا به سطح الیافی که بوسیله نیروهای باد حاصل از جریان سیالی که از میان آن عبور می‌کند به صورت آزاد وزیده می‌شود. چسبیداند. مهاجرت لایه عبارت است از آزادی و رهایی ناخالصی‌ها و ذرات جدا شده (Fines) یا الیاف کوتاه وذرات کوچک از ساختمان لایه که به عنوان باقیمانده عملیات تولید درلایه باقی مانده‌اند. آن‌ها بر روی اندازه گیری‌های راندمان وتمیزی جریان موجود نیز ایجاد اغتشاش می­کنند. تمایل به بازگشت و مهاجرت لایه، با افزایش سرعت جریان بیشتر می‌شود.

عملیات غشایی

مکانیزم‌های فیلتراسیونی که مورد بحث قرار گرفته‌اند، معمولا”برای فیلتراسیون  هوا و اسپری بکار گرفته می‌شوند. عملیات مناسب برای فیلتر کردن ریز (fine filtering) یا جداسازی ناخالصی‌ها وآلودگی‌‌ها از جریان مایع فرآیند میکرو فیلتراسیون (microfiltration  )، اولترا فیلتراسیون (ultrafiltration)، نانو فیلتراسیون (nanofiltration) و اوسموز معکوس (reverse osmosis) می‌باشند. این روشها معمولا عملیات غشایی (membrane processes) هستند، با این حال بی بافت‌های با راندمان بسیار بالا مرکب از الیاف محدوده میکروفایبر اغلب برای مصارف  عملیات میکروفیلتراسیون و اولترا فیلتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند. دراینجا عملیات جداسازی غشایی  مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 

• میکروفیلتراسیون: برای فیلتراسیون ذرات  و جامدات کوچکتر از µm1/0 (100nm)  مورد استفاده قرار می‌گیرد . این عملیات در فشار نسبتا” پایین (۱۰۰-۴۰۰ kpa یا ۱-۴ bar)، انجام می‌شوند. شفاف و زلال کردن مایعات و فیلتراسیون استریل (sterile filtration ) دو کاربرد از میکرو فیلتراسیون هستند.
• اولترا فیلتراسیون: با ایجاد پلی بین شکاف موجود در بین دونوع فیلتراسیون ذره‌ای و فیلتراسیون مولکولی شروع شده است. اندازه ذرات در فیلتراسیون ذره‌ای تقریبا” از µm 004/0 تا nm 1/0 (nm 100 -4) می‌باشد. اولترافیلتراسیون ذرات ریز مثل ویروس‌ها و مولکول‌های با پایه وزنی بزرگتر از ۰۰۰/۱۰را نمی‌پذیرد. در این عملیات  فشار در محدوده bar 10-5 (kpa 100-500) می‌باشد. کاربرد‌های اولترافیلتراسیون  شامل جداسازی  محلول‌های ماکرومولکولی می‌باشد.
• نانوفیلتراسیون: شکلی از اوسموز معکوس (بخش۲-۱-۴-۴) است که برای  جداسازی مولکول‌های با محدوده وزن مولکولی ۱۰۰۰-۳۰۰ و برای یون‌های بزرگتر از قبیل Ca^+۲،Mg^+۲  بکار می‌رود. محدوده اندازه برای جداسازی ذره و مولکول تقریباً µm 012/0-0012/0 (nm12-2/1) می‌باشد. میزان فشار در این روش از فیلتراسیون حدود bar40-20 (2000-4000kpa) است. جداسازی ترکیبات آلی کوچک و نمک‌های انتخابی از محلول‌ها، از کاربردهای نانو فیلتراسیون هستند.
• اوسموز معکوس: روش چندان مناسبی برای جدا سازی ذرات نیست بلکه فرآیندی است برای جداسازی یون‌ها از آب. در این روش از یک غشا (membrane) استفاده میشود که تحت فشار بسیار بالایی حدود bar60-30 (300-600 kpa) بوده و در مقابل بسیاری از انواع ملکول‌های موجود در محلول غیر قابل نفوذ می‌باشد. فشار معکوس یا فشار متقابل (back pressure) باید به اندازه‌ای باشد تا بر فشار اوسموزی طبیعی غلبه کند، در نتیجه آب از سمت حاوی نمک با غلظت بالا بسمت رقیق جریان می­یابد محدوده اندازه مولکول‌هایی که باید جدا شوند از حدود μm 0015/0 ( μm 5/1) تا کمتر از μm0005/0 (nm 5/0) می‌باشد. یکی از کاربرهای مهم روش اوسموز معکوس نمک زدایی از آب شور و شوراب (brackish water) است.

خلاصه فرایند غشایی

شکل۵ خلاصه‌ای از تکنولوژی‌های جداسازی غشایی عمده را نشان می‌دهد.

شکل ۵- خلاصه­ای از فرایندهای فیلتراسیون مایع غشایی