مدیای فیلتر به عنوان عنصر اصلی در عملیات جداسازی، فراتر از یک ماده متخلخل ساده عمل میکند و بسته به ماهیت چالش، از مکانیزمهای فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی متنوعی بهره میبرد. این مقاله مروری جامع بر توسعه انواع مدیا برای پاسخ به چالشهای نوین فیلتراسیون و جداسازی ارائه میدهد. در این راستا، ابتدا تعریف جامع مدیای فیلتر بر اساس نفوذپذیری انتخابی تبیین گردیده و سپس مکانیزمهای جداسازی فراتر از فیلتراسیون مکانیکی صرف مورد بررسی قرار گرفتهاند. این مکانیزمها شامل جذب سطحی (با تمرکز بر کربن فعال و زئولیتها جهت حذف آلایندههای شیمیایی و بو)، تبادل یونی (با کاربرد در نرمسازی آب و پیلهای سوختی)، کوالسنس (جهت جداسازی امولسیونهای آب-روغن و مههای مایع)، الکتروفیلتراسیون (با بهرهگیری از خواص الکترت و پتانسیل زتا برای جذب ذرات ریز)، و خواص کاتالیستی و ضدمیکروبی (جهت حذف و تجزیه بیولوژیکی و شیمیایی آلایندهها) میشود. همچنین نقش حیاتی ساختارهای کامپوزیت و لایههای پشتیبان در تقویت مدیاهای ضعیف مانند نانوالیاف و غشاها تحلیل شده است. هدف این مقاله، ارائه دیدگاهی جامع در انتخاب و توسعه مدیاهای پیشرفته بر اساس نوع چالش جداسازی در صنایع مختلف میباشد.
فرهنگ واژگان «فیلتراسیون» (Wakeman) [1] مدیای فیلتر را اینگونه تعریف میکند:
«هر ماده قابلنفوذ که در عملیات فیلتراسیون مورد استفاده قرار گیرد و ذرات جامد بر روی آن یا درون آن رسوب میکنند.»
Sutherland و Purchas [2] بیان میکنند که این تعریف بهقدر کافی جامع نیست. واژهنامه موجود در هندبوک آنها، مدیای فیلتر را چنین تعریف میکند:
«ماده متخلخلی که در یک فیلتر، عمل واقعی جداسازی را انجام میدهد.»
آنان در فصل نخست هندبوک خود، دامنه تعریف را به صورت زیر گسترش میدهند:
«مدیای فیلتر، هر مادهای است که تحت شرایط عملیاتی فیلتر، نسبت به یک یا چند جزء تشکیلدهنده یک مخلوط، محلول یا سوسپانسیون نفوذپذیر باشد و نسبت به سایر اجزاء غیرنفوذپذیر باشد.»
نمونههایی از انواع دیگر مدیاهای جداسازی عبارتاند از:
«جذب» بهعنوان «فرایند فیزیکی و شیمیایی که طی آن یک ماده به ماده دیگری متصل میشود» تعریف میشود. سه شکل از جذب وجود دارد: جذب سطحی (adsorption)، جذب عمقی (absorption) و تبادل یونی (ion exchange).
مدیاهای فیلتری که شامل جاذبها هستند، آلایندههای مایع و محلول را از جریانهای سیال از طریق جذب سطحی حذف میکنند؛ یعنی آلایندهها به سطوح مدیا جذب شده و توسط اثرات فیزیکوشیمیایی در آنجا نگه داشته میشوند. کربن فعال یک جاذب رایج است که در مدیاهای فیلتر استفاده میشود. در فیلتراسیون مایعات، برای حذف هیدروکربنها و آلایندههای مؤثر بر طعم نامطلوب از آب آشامیدنی به کار میرود. همچنین برای حذف مواد شیمیایی سمی و زننده از هوا، مانند ماسکهای گاز و تنفسسنجها، مورد استفاده قرار میگیرد.
در کاربردهای نظامی، جاذبهایی مانند کربن فعال برای محافظت پرسنل نظامی و غیرنظامی در برابر اثرات سمی عوامل شیمیایی استفاده میشوند. آغشتهسازی کربن فعال با ترکیبات فلزی مانند نقره یا مس، سطحی با واکنشپذیری شیمیایی ایجاد میکند که بسیاری از این عوامل سمی را به دام میاندازد. سایر مواد جاذب مورد استفاده در مدیاهای فیلتر شامل آلومینای فعال، زئولیتها و جوش شیرین (بیکربنات سدیم) هستند. مدیاهای جاذب بهطور گسترده در فیلترهای هوای کابین خودرو استفاده میشوند، جایی که در حذف بوهای بسیار نامطلوب و دودهای ناشی از آلایندهها مؤثر هستند. در سالهای اخیر، جاذبها به یک مدیای مهم در سیستمهای HVAC در محیط کار و خانه تبدیل شدهاند. آنها همچنین در بازیابی حلالهای ترکیبات آلی فرار (VOC) در جریانهای هوای پسماند نقش دارند.
در حالی که یک مدیای جاذب سطحی آلایندهها را از جریان سیال از طریق اثرات سطحی حذف میکند، یک مدیای جاذب عمقی آلایندهها را با جذب آنها درون ساختار مدیا حذف میکند، همانگونه که یک اسفنج آب را از یک سطح مرطوب جذب میکند. مواد بیبافت اغلب همراه با ساختارهای جاذب برای نگه داشتن ماده جاذب و عمل کردن بهعنوان یک لایه انتقال برای هدایت جریان سیال به ماده جاذب استفاده میشوند. الیاف پلیمری مانند پلیاتیلن، پلیپروپیلن و نایلون در بومهای نفتی برای جذب نشتهای نفتی در دریا و دریاچههای آب شیرین، جویبارها و رودخانهها استفاده میشوند.
تبادل یونی به طور گسترده در صنایع زیر کاربرد دارد: غذا و نوشیدنی؛ هیدرومتالورژی؛ پرداخت فلزات؛ شیمیایی و پتروشیمی؛ داروسازی؛ شکر و شیرینکنندهها؛ آبهای زیرزمینی و آشامیدنی؛ هستهای؛ نرمسازی و آب صنعتی؛ نیمههادی؛ نیرو؛ و مجموعهای از صنایع دیگر. تبادل یونی یک مبادله برگشتپذیر یونها است. یونهای یک جامد نامحلول با یونهای همبار که در محلول اطراف جامد قرار دارند، مبادله میشوند. فیلترهای مبتنی بر این واکنش برای نرمسازی یا دمینرالیزاسیون آب، خالصسازی مواد شیمیایی، یا جداسازی مواد در یک محیط آبی (شامل غذاها و نوشیدنیهای آبی) استفاده میشوند. سیستم جداسازی معمولاً شامل یک مخزن حاوی دانههای کوچک رزین مصنوعی است. در برخی فرآیندها، دانهها به عنوان یک بستر دانهای در یک ستون جداسازی استفاده میشوند. دانهها اغلب از پلیاستایرن ساخته شدهاند که به طور ویژه برای جذب انتخابی کاتیونها (مثبت) یا آنیونها (منفی) و تبادل یونهای خاص بر اساس فعالیت نسبی آنها در مقایسه با رزین، عملآوری شدهاند. یکی از تولیدکنندگان قابل توجه رزینهای تبادل یونی Dow Chemical Company است (داو در سال ۲۰۰۹ و در جریان خرید شرکت Rohm and Haas، کسبوکار مربوط به رزینهای تبادل یونی را به دست آورد).
فیلترهای غشایی با قابلیت تبادل یونی در بازار تجاری موجود هستند. به عنوان مثال، PCA GmbH، Lebach، آلمان؛ Hangzhou Iontech Environmental Technology Co., Ltd، هانگژو، چین؛ FuMA-Tech GmbH، آلمان، همگی غشاهای تبادل یونی و سیستمهای غشایی تبادل یونی تولید میکنند.
از جمله قابل توجهترین کاربردهای تبادلکنندههای غشایی، شیرینسازی آب و الکترودیالیز هستند. سایر کاربردها شامل معکوس الکترودیالیز و آب با خلوص بالا برای صنایع نیرو، الکترونیک و هستهای است.
تبادلکنندههای یونی نامحلول پلیمری یا معدنی به طور گسترده برای نرمسازی آب، تصفیه آب، زدودن آلودگی آب و غیره استفاده میشوند.
پیلهای سوختی راهی برای تبدیل سوخت به الکتریسیته هستند. یکی از کاربردهای قابل توجه پیلهای سوختی در وسایل نقلیه فضایی مانند فضاپیمای آپولو و شاتلهای فضایی است. انواع مختلفی از پیلهای سوختی وجود دارد، اما همه آنها از یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت تشکیل شدهاند که اجازه حرکت بارها بین دو طرف پیل سوختی را میدهد. الکترونها از طریق یک مدار خارجی از آند به کاتد کشیده میشوند و الکتریسیته جریان مستقیم تولید میکنند. این فرآیند در شکل ۱ ترسیم شده است. در پیلهای سوختی غشایی، غشا الکترولیت است. این غشا که PEM (polymer electrolyte membrane) (غشای الکترولیت پلیمری) نامیده میشود، به یونهای با بار مثبت (پروتونها) که از اکسیداسیون هیدروژن (سوخت) تولید میشوند، اجازه عبور به سمت کاتد را میدهد؛ الکترونهای با بار منفی از غشا عبور نمیکنند، بلکه باید مسیری جایگزین به سمت کاتد پیدا کنند. جداسازی پروتونها و الکترونها باعث ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسیته میشود.
کوالسنس فرآیندی است که طی آن یک مدیای فیلتر میتواند ذرات نامحلول مایع را از جریان مایع یا گاز حذف کند. این شامل روغنهای هیدروکربنی پراکنده از آب، مههای روغن از هوا، رطوبت و بخار از هوا، و آلودگی آب از سوخت هواپیما میشود. پدیدهها شامل جمعآوری قطرات ریز، چه در سطح یک مدیا و چه روی الیاف مدیا است. قطرات با هم ادغام شده و قطرات بزرگتری را تشکیل میدهند که در نهایت به اندازهای بزرگ میشوند که یا از مدیا جدا شوند یا از مدیا دور رانده شوند. پدیدههای جمعآوری سطحی نیازمند سطحی بسیار اولئوفوبیک (چربیگریز) یا هیدروفوبیک (آبگریز) روی مدیا است که ذره آلاینده مایع را دفع کند تا نتواند به سطح نفوذ کند. ذرات مایع یا از سطح دفع میشوند یا جمعآوری شده و روی سطح ادغام میشوند تا زمانی که به اندازهای بزرگ شوند که از سطح جدا شوند، معمولاً توسط نیروهای گرانشی.
پدیده کوالسنس الیافی، فیلتراسیون ذرات است، زیرا نیازمند ماتریسی از الیاف ریز برای به دام انداختن ذرات مایع و نگه داشتن آنها روی الیاف است. بسته به خواص سطحی الیاف و ذرات مایع، ذرات به قطرات بزرگتری ادغام میشوند که به اندازهای بزرگ میشوند که دیگر نمیتوانند به سطوح الیاف بچسبند، زیرا یا خیلی سنگین هستند یا توسط “سرعت باد” سیال در حال جریان از میان ساختار الیاف ریز، دور میشوند.
در فرآیندهای کوالسنس، باید تمهیداتی برای انتقال ذرات مایع آزاد شده فراهم شود تا بتوان آنها را به عنوان یک جریان جداگانه از ساختار فیلتر حذف کرد، چه با مکانیزم شناورسازی و چه با مکانیزم تهنشینی گرانشی.
انواع خاصی از مدیا وجود دارند که خواص مانع از خود نشان میدهند، به این معنی که میتوانند یک جزء از مخلوط مایع-مایع را نگه دارند و اجازه عبور جزء (یا اجزای) دیگر را بدهند. این پدیده به نظر میرسد بر اساس ترکیبی از جذبکنندگی (absorbency) و کوالسنس (coalescence) باشد. استفاده از مدیاهای مانع، مانند OIL SHARKs، برای کنترل نشت نفت بسیار مورد توجه گرفته است (OIL SHARKs یک علامت تجاری ثبت شده متعلق به Cerex Advanced Fabrics، واقع در Pensacola، فلوریدا، ایالات متحده آمریکا است).
دو نوع اصلی جداسازی فیلتراسیون وجود دارد که از بار الکتریکی استفاده میکنند:
فیلتراسیون الکترواستاتیک برای جریانهای هوا و جداسازی الکتروکینتیک برای مایعات/جریانها.
مدیاهای فیلتر و/یا الیاف برای مدیاهای فیلتر میتوانند از نظر الکترواستاتیکی برای افزایش خواص فیلتراسیون آنها باردار شوند. الیاف الکترواستاتیک با این بار به عنوان الکترت (electrets) شناخته میشوند. اگرچه میتوان استدلال کرد که الکترتها ذرات را با فیلتراسیون حذف میکنند، اما متخصصان فیلتراسیون این را نوع متفاوتی از جداسازی در نظر میگیرند زیرا فناوری متفاوتی را به کار میگیرد. الکترتها مواد دیالکتریک هستند که در غیاب یک میدان اعمال شده، یک میدان الکتریکی خارجی از خود نشان میدهند. به این ترتیب آنها مانند یک آهنربا در جذب ذرات عمل میکنند. هنگام استفاده در کاربردهای فیلتراسیون هوا، آنها میتوانند راندمان اولیه فیلتراسیون را به میزان قابل توجهی افزایش داده و افت فشار را کاهش دهند. مدیاهای الکترواستاتیک به یک ورودی مهم در بازارهای فیلتراسیون هوا تبدیل شدهاند. با این حال، آنها مشکلی دارند که بار خود را در مدت زمان نسبتاً کوتاهی استفاده (۳ تا ۶ ماه) از دست میدهند.
یک بار الکترواستاتیک روی مدیای فیلتر همیشه مطلوب نیست. به عنوان مثال، در فیلتراسیون سوخت قابل اشتعال، این ترس وجود دارد که تخلیه الکترواستاتیک ممکن است سوخت را مشتعل کند. نگرانی عمده دیگر، فیلتراسیون در کیسه گردگیر (baghouse filtration) است که ممکن است غلظت زیادی از گرد و غبار معلق در هوا وجود داشته باشد. یک جرقه ساده از مدیا میتواند باعث انفجار جدی شود. Savage و همکاران[۳] در این مورد نوشتهاند. راه حل این مشکل، یک ماده رسانا مانند مادهای است که حاوی الیاف اپیتروپیک (epitropic fibers) باشد که بار الکترواستاتیک را از بین میبرد. Savage و همکاران به توسعه کامپوزیت غشایی-نمدی (membrane-felt composite) توسط W.L. Gore اشاره میکنند که غشای آن حاوی ذرات کربن برای دادن خواص رسانایی به آن است. Cerex یک ماده اسپانباند نایلونی با نام تجاری Nystat 50s توسعه داده است که خواص رسانایی دارد.
فیلتراسیون الکتروکینتیک در کاربردهای مایعات استفاده میشود. مدیا دارای یک بار الکترونیکی است که از نظر مثبت بودن، بیش از بارهای آنیونی غالب روی ذرات آلاینده در یک جریان سیال قطبی است (آب یکی از نمونههای یک سیال قطبی است). اختلاف در پتانسیل ولتاژ الکتریکی «پتانسیل زتّا» نامیده میشود. یک پتانسیل زتّا بالا به مدیا امکان میدهد ذرات آنیونی را جذب کرده و آنها را از جریان سیال قطبی جدا کند. Cuno Inc.7 [4] مدیای الکتروکینتیک را که به عنوان «Zeta Pluss» عرضه میکند، بازاریابی میکند (Cuno اکنون بخشی از ۳M Corp. است و به عنوان ۳M Purification Inc. شناسایی میشود). اخیراً، شرکت Ahlstrom Corporation [5] یک مدیای کاتیونی معرفی کرده است که آن را به عنوان مدیای Disruptor خود عرضه میکنند. تولیدکننده دیگر مدیاهای الکتروکینتیک، ErtelAlsop است.
برخورد چسبناک حالتی است که در آن مدیا با روغن معدنی چسبنده یا ماده چسبنده دیگری آغشته میشود که باعث میشود ذرات به الیاف بچسبند. این روش در کاربردهای فیلتراسیون هوا کاربرد دارد. این روش برای فیلتر کردن ذرات بزرگ موثر است، اما برای فیلتر کردن ذرات ریز چندان موثر نیست. شرکت AAF International در ایالات متحده، مادهای به نام Viscosine را بازاریابی میکند که نوعی روغن معدنی است و برای خواص برخورد چسبناک به مدیاهای فیلتر اعمال میشود.
مدیاهای فیلتر ضدمیکروبی حاوی عواملی برای محافظت از فیلترها از طریق مهار رشد باکتریها، قارچها و مخمرها هستند. در برخی موارد، اقدام ضدمیکروبی برای جلوگیری از مهاجرت میکروارگانیسمهای زیستی به داخل سیال فیلتر شده یا محصول فیلتر شده نیز در نظر گرفته شده است. عامل ضدمیکروبی میتواند به عنوان یک مرحله تکمیلی به مدیا اعمال شود یا در الیاف ادغام گردد. عوامل ضدمیکروبی حاوی نقره موثر بوده و رایج هستند. البته نگرانیهای نظارتی مربوط به عوامل ضدمیکروبی وجود دارد. این عوامل بسته به کاربرد، هم توسط سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده (USEPE) و هم توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده (USFDA) تنظیم میشوند.
مدیاهای کاتالیستی حاوی یک عامل یا ماده کاتالیستی برای حذف یا تجزیه آلایندههای نامطلوب در یک سیال هستند. پرمنگنات پتاسیم یا دیاکسید منگنز که به مدیا فیلتر آب اضافه میشوند به حذف منگنز، آهن، آرسنیک و سولفید هیدروژن کمک میکنند. در هوا، آلایندههای نامطلوب مانند اکسیدهای نیتروژن و مونوکسید کربن ممکن است توسط یک مدیا فلز سینترد شده یا یک مدیا الیافی حاوی الیاف فلزی کاتالیز شوند. پالادیوم فلزی است که اغلب برای این منظور استفاده میشود.
سیستم کاتالیستی دیگری که توجه زیادی را به خود جلب کرده است، اکسیداسیون فتوکاتالیستی (photo-catalytic oxidation) (PCO) است. PCO از یک زیرلایه با پوشش TiO۲ همراه با تابش فرابنفش برای حذف آلایندههای هوا استفاده میکند. این روش به ویژه در برابر میکروارگانیسمها و ترکیبات آلی فرار (VOCs) موثر است. شرکت Trane، یکی از شرکتهای تابعه Ingersoll Rand، در ایرلند، سیستم تصفیه هوای (TCACS) را بازاریابی میکند که شامل سه مرحله جداسازی است:
عصارهگیری پدیدهای است که در ساختار مدیا تعبیه نشده است، بلکه مدیا به عنوان یک پشتیبان ساختاری برای فرآیند ا عصارهگیری عمل میکند. فیلتر قهوه نمونه خوبی از این پدیده است. آب داغ، اجزای طعمدهنده محلول قهوه را از تفاله قهوه که در مدیای فیلتر قهوه پشتیبانی شده است، استخراج میکند. آب غنی از قهوه از مدیا عبور میکند، اما تفاله قهوه در آن باقی میماند. کیسه چای و فیلترهای چای نیز به طور مشابه عمل میکنند.
در کاربردهایی وجود دارد که در آنها مدیا فیلتر کننده نیست، بلکه به عنوان ساختار پشتیبان برای مدیای فیلتر کننده عمل میکند. انواع خاصی از مدیای بیبافت مانند مدیای ملت بلون (melt-blown) و الکتروریسی شده (electrospun) معمولاً بسیار نازک و ضعیف هستند و استحکام ساختاری لازم را برای خود فراهم نمیکنند. این مدیایا به موادی قویتر مانند پارچه بافته شده، پارچه اسپانباند (spun bonded)، نمد سوزنزنی (needle punch felt) یا لایه سلولزی برای تأمین استحکام مکانیکی در کاربرد مورد نظر نیاز دارند. اغلب از مواد توری فلزی و پلاستیکی برای این منظور استفاده میشود.
در بسیاری از موارد، مدیایی که برای تأمین پشتیبانی مکانیکی برای یک مدیای فیلتر کننده استفاده میشود، خود نیز در فرآیند فیلتراسیون مشارکت میکند. اغلب لایه پشتیبان به عنوان یک لایه پیشفیلتر برای مدیای فیلتر کننده کارآمدتر عمل میکند که آن را پشتیبانی میکند، و در نتیجه یک مدیا فیلتر با چگالی تدریجی (gradient density filter medium) ایجاد میشود؛ مدیایی که از دو یا چند لایه تشکیل شده است که هر لایه به طور متوالی کارآمدتر از لایه قبلی است.
مدیاهای فیلتر غشایی معمولاً جزو مدیای بیبافت طبقهبندی نمیشوند، اما:
مدیاهای فیلتر غشایی را میتوان به دستهبندیهای فیلتراسیون و جداسازی زیر تقسیم کرد:
این دستهبندیها در مقاله انواع روشهای جداسازی غشایی بحث شدهاند.
ساختارهای پشتیبان بیبافت برای مدیای فیلتر بیبافت و مدیای فیلتر غشایی که در بخشهای ۱۰ و ۱۱ مورد بحث قرار گرفتند، نمونههایی از ساختارهای کامپوزیت هستند. کامپوزیتها فرصتی را برای ترکیب بیش از یک فرآیند جداسازی در یک مدیا فراهم میکنند. Robert Murphey [6] از شرکت Hollingsworth and Vose Co. کامپوزیتها را «دو یا چند فناوری وب متفاوت که برای بهینهسازی ویژگیهای مدیای فیلتر ترکیب شدهاند» تعریف کرد. Batra و همکاران [۷] به کامپوزیتها به عنوان ساختارهای چندگانه (multiplex structures) اشاره میکنند. یک ساختار مدیا فیلتر کامپوزیت، مدیا فیلتر بیبافت در نظر گرفته میشود اگر حداقل یک لایه، بیبافت باشد.
[۱] R.J. Wakeman, Filtration Dictionary and Glossary, The Filtration Society (UK), 1985.
[۲] K. Sutherland, D.B. Purchas, Elsevier 2002. Handbook of Filter Media, second ed., Elsevier, 2002.
[۳] T.C. Savage, R.C. Carlozzi, O. Petzoldt, Design and Testing of Antistatic Filters for Industrial Air Filtration. Powder & Bulk Solids Conference and Exhibition, (May 2001). Available from: ,https://www.gore.com/MungoBlobs/581/280/article_design_test_antistatic_filters.pdf.
[۴] Zeta Pluss A Series Media, 3m.com. [Online] Cuno Incorporated, (1990). Available from: ,http:// multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId5SSSSSu7zK1fslxtUnx2B48_Uev7qe17zHvTSev TSeSSSSSS..
[۵] Ahlstrom Corporation, Ahlstrom Disruptors. Ahlstrom. [Online] Ahlstrom Corporation, (2013). Available from: ,http://www.ahlstrom.com/en/products/enduseApplication/foodAndRetail/ waterFiltration/Pages/AhlstromDisruptor.aspx..
[۶] R.W. Murphey, Composite Filter Media. Personnel communication with Hutten I.M. (Ed.), unpublished, (2004).
[۷] Hoechst Celanese Corp, Man-Made Fiber and Textile Dictionary, Hoechst Celanese Corp, Charlotte, NC, 1988.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
