فیلترهای ملت بلون از مواد الیاف مصنوعی با استفاده از فرایند دمش مذاب (Melt Blowing) تولید می‌شوند و به دلیل قابلیت بالا در جذب ذرات و کاربردهای گسترده، به‌ویژه در صنعت فیلتراسیون، مورد توجه هستند. این فیلترها به واسطه ساختار منحصربه‌فرد و توانایی حذف ذرات ریز در حد میکرو و نانو کاربرد گسترده‌ای در حوزه‌هایی مانند فیلترهای هوای صنعتی، ماسک‌های پزشکی، فیلتراسیون آب و فیلترهای صنعتی پیدا کرده‌اند. در این مقاله، اصول تولید، ویژگی‌ها، مزایا و معایب و کاربردهای مختلف این فیلترها بررسی شده و همچنین به نقش اساسی آنها در مقابله با آلاینده‌ها پرداخته می‌شود.
منسوجات بی‌بافت برای بازار فیلتراسیون بسیار مناسب هستند، زیرا این پارچه می‌تواند به صورت خاص طراحی شود تا تخلخل و نرخ جریان دقیق مورد نیاز برای کاربرد فیلتراسیون خاص را فراهم کند. مدیاهای فیلتراسیون از منسوجات بی‌بافت هم قابلیت تولید دارند که با استفاده از فرایندهای لایه گذاری خشک (dry laid)، لایه گذاری مرطوب (wet laid)، و ذوب ریسی شده (spunmelt)، شامل اسپان باند (spunbond) و ملت بلون (melt-blown)، از مواد مختلف تولید می‌شوند. تکنولوژی ملت بلون برای بازار فیلتراسیون اهمیت زیادی دارد زیرا مواد ملت بلون به طور قابل توجهی کارایی فیلتر و توانایی نگهداری گرد و غبار را بهبود می‌بخشد. به دلیل این ویژگی‌ها، بازار فیلتراسیون یکی از بزرگترین بازارهای انتهایی برای تکنولوژی ملت بلون محسوب می‌شود.
فرایند ملت بلون یکی از تکنیک‌های مهم در تولید الیاف مصنوعی و منسوجات بی‌بافت است. این تکنیک که در دهه ۱۹۵۰ میلادی توسعه یافت، به عنوان یک روش کلیدی در تولید فیلترهای خاص با قدرت فیلتراسیون بالا شناخته می‌شود. فیلترهای ملت بلون، از پلیمرهای مذاب تولید می‌شوند که با دمیدن هوای داغ به رشته‌های خارج شده از اسپینرت (spineret)، الیافی با ضخامت بسیار نازک تولید می‌شود. این ساختار الیافی ریز و متراکم سبب می‌شود که فیلترهای ملت بلون بتوانند ذرات بسیار ریز را در خود به دام اندازند.
مصرف مدیاهای تولید شده به روش ملت بلون و همچنین نانوالیاف در کاربردهای فیلتراسیون مایعات در حال افزایش است. این مدیاها در فیلترهای کیسه‌ای برای فیلتراسیون حجم زیادی از مایعات مانند آب آشامیدنی، فیلترهای خون، پیش‌فیلترها و پس‌فیلترها برای سایر مدیاهای فیلتراسیون به کار می‌روند. یکی از کاربردهای بزرگ مدیاهای ملت بلون، فیلترهای کارتریج عمقی است. عملکرد بالای این محصول باعث شده است که بخش زیادی از بازار کارتریج‌های عمقی را تصاحب کند و جایگزین کارتریج‌های عمقی دیگر مانند نخ تابیده شود.
یک عیب این نوع مدیا آن است که برخی از انواع مدیاهای ملت بلون معمولاً بسیار نازک و ضعیف هستند و نمی‌توانند پایداری ساختاری لازم را به تنهایی فراهم کنند. این مدیاها نیاز به یک ماده قوی‌تر مانند پارچه‌های بافته شده، پارچه‌های اسپان باند، نمد سوزنی (needlefelt) یا وب‌های سلولزی دارند تا مقاومت مکانیکی مورد نیاز برای کاربرد مورد نظر را فراهم کنند. اغلب اوقات از مش‌های فلزی و پلاستیکی نیز برای این منظور استفاده می‌شود. این ترکیب از مدیاهای ضعیف‌تر با مواد قوی‌تر، یک ساختار مقاوم و در عین حال موثر برای فیلتراسیون ایجاد می‌کند که هم فیلتراسیون ریز را فراهم می‌کند و هم دوام و پایداری ساختاری را تضمین می‌کند.
فرایند ملت بلون به عنوان یکی از فرایندهای ذوب ریسی (meltspun) شناخته می‌شود. در این فرایند از پلیمرهای مذاب استفاده می‌شود که به الیاف تبدیل شده و بر روی یک سطح یا جمع‌کننده قرار می‌گیرند.
همان طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، پلیمر به شکل پودر، گرانول یا چیپس پلیمری از یک تغذیه کننده (هاپر) (hopper) به یک محفظه اکستروژن (extrusion) وارد می‌شود، جایی که پلیمر گرم شده و به حالت مذاب درمی‌آید. سپس پلیمر مذاب از طریق یک پمپ دنده‌ای و بعد از عیور از یک صافی (برای حذف آلودگی‌ها یا ذرات ذوب نشده) به بلوک ریسندگی تغذیه می‌شود. پلیمر از طریق یک بلوک ریسندگی یا ریسنده (spineret) با هزاران سوراخ با قطر میکرومتری خارج می‌شود و الیاف تشکیل شده از آن کشیده، خنک و به طور تصادفی روی یک تسمه نقاله جمع‌کننده به یک ساختار وب بی‌بافت تبدیل می‌شوند. ساختار سه‌بعدی حاصل از این فرایند ویژگی‌های خاصی مانند نفوذپذیری بالا و توانایی جذب بالای ذرات را به فیلترها می‌دهد.
برای خنک کردن و کشش بیشتر الیاف، جریان هوای گرم به صورت مورب به الیاف وارد می‌شود و این عمل ترکیب هوا و الیاف باعث کشش بیشتر الیاف نسبت به فرایند اسپان باند می‌شود. به همین دلیل، الیاف ملت بلون بسیار نازک‌تر از الیاف اسپان باند هستند و محصول نهایی یعنی وب ملت بلون نرم‌تر و ضعیف‌تر است.
ویژگی‌های زیر به عنوان خصوصیات وب‌های ملت بلون شناسایی شده‌اند:
الیاف این فیلترها معمولاً در ابعاد میکرومتری و نانومتری قرار دارند، که به آنها قابلیت فیلتراسیون ذرات بسیار ریز (حتی در حد ویروس‌ها و باکتری‌ها) را می‌دهد. الیاف از نظر طولی پیوسته هستند و قطر الیاف بین ۰.۵ تا ۳۰ میکرون متغیر است و دامنه تغییرات ۲ تا ۷ میکرون است. میکروالیاف سطح بالایی را برای خصوصیات عایق و فیلتراسیون خوب فراهم می‌کنند.
الیاف دارای بافتی صاف هستند و در مقطع عرضی دایره‌ای به نظر می‌رسند. قطر الیاف در طول یک الیاف واحد متغیر است.
الیاف ممکن است دارای انشعاب باشند، همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است. در مورد اینکه دقیقاً چه چیزی باعث این انشعاب می‌شود، اطمینانی وجود ندارد، اما این پدیده ناشی از پیچیدگی‌های جریان هوا و الیاف خارج شده است که به صفحه جمع‌کننده نزدیک می‌شود.
جهت‌گیری الیاف به صورت تصادفی است و استحکام آن در حد پایین تا متوسط است ولی از فاکتور پوشش (Cover Factor) سطحی بالایی برخوردار است (شکل ۳). وب‌های ملت بلون استحکام خود را از درهم‌تنیدگی مکانیکی و نیروهای اصطکاکی به دست می‌آورند.
بیشتر وب‌های ملت بلون ساختارهای لایه‌ای دارند که با افزایش تعداد لایه‌ها وزن پایه نیز افزایش می‌یابد. گرماژها (وزن‌های پایه) بین ۸ تا ۳۵۰ گرم بر مترمربع متغیر است، که معمولاً بین ۲۰ تا ۲۰۰ گرم بر مترمربع می‌باشد.
با توجه به ساختار الیافی متخلخل، فیلترهای ملت بلون از نفوذپذیری بالایی برای عبور هوا و مایعات برخوردارند. به دلیل طراحی ساختاری منحصربه‌فرد، این فیلترها می‌توانند میزان زیادی از آلاینده‌ها را در خود نگه دارند. برخی از فیلترهای ملت بلون به‌صورت الکترواستاتیکی شارژ می‌شوند که این ویژگی قدرت جذب ذرات معلق در هوا را بهبود می‌بخشد.
در بیشتر کاربردهای فیلتر، وب‌های ملت بلون به عنوان بخشی از یک ساختار ترکیبی در ترکیب با وب‌های اسپان باند یا کاغذی مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل ۴ تصویر SEM سطح مقطع یک لایه ترکیبی اسپان باند-ملت بلون-اسپان باند را نشان می‌دهد. اما همیشه این‌گونه نیست. شرکت Lydall یک نوع مدیای فیلتر مایع ۱۰۰٪ پلی‌پروپیلن ملت بلون را تحت نام تجاری LYPORE® MB عرضه می‌کند. این مدیا در نسخه‌های کلندر شده و کلندر نشده در دسترس است.
الکترت‌ها مواد دی‌الکتریکی هستند که در غیاب میدان الکتریکی اعمال‌شده، میدان الکتریکی خارجی را حفظ می‌کنند. در کاربردهای فیلتراسیون هوا، استفاده از الکترت‌ها می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی کارایی فیلتراسیون اولیه را افزایش داده و افت فشار را کاهش دهد، زیرا این مواد به دلیل جذب الکترواستاتیکی خود، به‌طور مؤثری ذرات هوا را جذب می‌کنند. از فیلم‌ها، الیاف و ساختارهای وب بی‌بافت می‌توان به عنوان موادی نام برد که می‌توانند به الکترت تبدیل شوند.
الکترت‌ها به دو دسته‌ی مجزا تقسیم می‌شوند: الکترت‌های بار فضایی و الکترت‌های دوقطبی.
دوقطبی‌ها همچنین می‌توانند از طریق تزریق بار ایجاد شوند، به طوری که تزریق بار موجب جهت‌گیری مجدد دوقطبی‌ها شود.
یک روش مرسوم مثال‌زدنی از این نوع به تفصیل در پتنت (patent) ایالات متحده با شماره ۵۴۰۱۴۴۶ با عنوان “روش و دستگاه شارژ الکترواستاتیکی یک وب یا فیلم” توصیف شده است» . این پتنت به الیاف ملت بلون محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند برای هر ماده‌ای که به شکل یک وب یا فیلم باشد، به کار رود. این دستگاه امکان شارژ «سرد» وب را فراهم می‌کند، یعنی وب بدون حرارت و کشش باردار می‌شود. این پتنت دارای دو پیکربندی یا پیکربندی کلی است. در اولین پیکربندی، وب در حال حرکت به‌صورت S دور دو رول باردار شده می‌پیچد. هنگام تماس با هر رول، وب از یک میله باردار در سمت مخالف رول عبور می‌کند. طبق اختراع، درام‌ها دارای بار منفی هستند، در حالی که فرض می‌شود میله‌ها دارای بار مثبت هستند. پتنت همچنین بیان می‌کند که وسیله شارژ میدان‌های الکتریکی به میزان ۱ تا ۱۲ کیلوولت بر سانتی‌متر (kV/cm) تولید می‌کند. وقتی وب در اطراف اولین درام حرکت می‌کند، سمت در تماس با درام مثبت و سمت رو به میله دارای بار منفی می‌شود. این بار هنگام حرکت وب در مسیر S اطراف دومین درام و عبور از کنار دومین میله باردار، معکوس می‌شود. طرف وب که با اولین درام باردار در تماس بود، حالا با میله باردار دوم مواجه می‌شود و سمت دیگر که با اولین میله باردار تماس داشت، به دور دومین درام پیچیده می‌شود. به این ترتیب، طرف وب که در اولین درام بار مثبت داشت، در درام دوم بار منفی می‌گیرد و برعکس برای سمت دیگر وب.
در پیکربندی دوم، وب به‌صورت S دور دو مجموعه از چهار رول باردهی، که در شکل ۵ نشان داده شده، پیچیده می‌شود. به جای درام‌های باردار، پوسته‌های باردار وجود دارند که وب را هنگامی که در حال عبور از رول‌های موقعیت‌دهی شارژ است، می‌پوشانند. سیم‌های شارژ در طرف دیگر وب و تقریباً در وسط رول‌های موقعیت‌دهی شارژ قرار دارند. طبق پتنت، فرض بر این است که پوسته‌های دارای بار مثبت و سیم‌ها دارای بار منفی هستند. همانند پیکربندی اول این اختراع، هر طرف وب به ترتیب در معرضبار منفی و سپس بار مثبت یا برعکس قرار می‌گیرد.
پتنت بیان می‌کند که تغییر متناوب قطبیت شارژها به هر طرف وب موجب بهبود چگالی بار وب و افزایش عمر بار در وب می‌شود. این پتنت اشاره می‌کند که پلیمر موجود در وب باید نارسانا باشد. پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن، پلی‌استر، پلی‌اتیلن با چگالی پایین، پلی‌بوتیلن ترفتالات، پلی‌کربنات، پلی‌کلروتری‌فلوئورواتیلن، و پلی‌سیکلوهکسیل‌دی‌متیلن ترفتالات همگی در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. همچنین، این روش برای شارژ ساختارهای وب مرکب که شامل الیاف رسانا و غیررسانا هستند، نیز مناسب است. مخلوط‌های پلی‌اولفین که مقدار کمی اسید اکریلیک به آنها افزوده شده باشد، بار خود را برای مدت طولانی‌تر از حد انتظار حفظ می‌کنند.
این پتنت داده‌هایی ارائه می‌دهد که نشان‌دهنده‌ی اثربخشی تکنیک تخلیه‌ی کرونا بر عملکرد فیلتراسیون و پایداری بار در طول زمان است. جدول ۱ نمونه‌ای از نتایج فیلتراسیون بر روی چندین ماده است که طبق پیکربندی پوسته‌ی شارژ، باردار شده‌اند. آزمایش‌ها با استفاده از دستگاه تست فیلتراسیون مدل ۸۱۱۰ TSI و آئروسل NaCl انجام شده است. کارایی فیلتراسیون به صورت زیر تعریف می‌شود:
filtration efficiency = (100 – P)
که در آن، P درصد نفوذ ذرات از میان ماده‌ی فیلتر است.
عبارت QF در ستون آخر جدول ۱، شاخصی از کیفیت فیلتراسیون است که نفوذ فیلتراسیون و افت فشار را با هم مرتبط می‌کند. این شاخص به صورت زیر محاسبه می‌شود:
QF = ln [1/P] / Δp
که در آن، Δp افت فشار در طول ماده‌ی فیلتراسیون است.
لازم به ذکر است که هرچه مقدار QF بالاتر باشد، کیفیت ماده بهتر است. مقایسه کارایی فیلتراسیون قبل و بعد از شارژ نشان می‌دهد که شارژ باعث بهبود بسیار قابل توجهی در کارایی شده است.
جدول ۲ اثرات پیری (aging) بر عملکرد فیلتراسیون الکترواستاتیکی چندین ماده را نشان می‌دهد. پیری با قرار دادن وب‌ها در دمای ۱۳۷ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۰ دقیقه تسریع شده است. این نتایج نشان می‌دهند که کاهش بسیار کمی در کارایی فیلتراسیون و شاخص QF به دلیل پیری تسریع شده رخ داده است.
فیلترهای ملت بلون در صنایع مختلف، از جمله موارد زیر، کاربرد دارند:
یکی از کاربردهای بی‌بافت‌های ملت بلون استفاده از آنها در تولید فیلتر با ساختار منافذ درجه بندی شده است – یک مدیای فیلتراسیون متشکل از دو یا چند لایه که هر لایه به ترتیب از لایه قبلی کارآمدتر است. این ساختارها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که حالت‌های جداسازی متفاوتی را در یک محیط فیلتراسیون واحد فراهم می‌کنند. هر لایه دارای حجم و کارایی فیلتراسیون متفاوتی است، به این صورت که با پیشروی سیال و آلاینده‌ها در مدیای فیلتر، هر لایه‌ی متوالی سطح بالاتری از کارایی را برای حذف ذرات کوچک‌تر فراهم می‌کند.
شکل ۷ یک عکس برش عرضی از محیط فیلتر با تراکم گرادیان است که در کاربردهای کیسه فیلتر مایعات استفاده می‌شود. تغییر تراکم باعث ایجاد نوعی فیلترکردن عمقی می‌شود به طوری که ذرات بزرگتر در سطح با تراکم کم بالادست حذف می‌شوند و ذرات ریزتر در داخل با تراکم بالاتر محیط فیلتر از جریان جدا می‌شوند.
با توجه به افزایش آلودگی هوا و گسترش بیماری‌های عفونی، فیلترهای ملت بلون نقش مهمی در بهبود کیفیت زندگی و کاهش ریسک‌های بهداشتی ایفا می‌کنند. اما چالش‌هایی مانند هزینه‌های تولید بالا و مقاومت محدود در برابر شرایط محیطی دشوار، لزوم تحقیقات و بهبود فناوری‌های تولید را مطرح می‌کند. همچنین، با پیشرفت‌های جدید در مواد نانو و تکنولوژی‌های فیلتراسیون، انتظار می‌رود که فیلترهای ملت بلون در آینده با ویژگی‌های کارآمدتری وارد بازار شوند.
فیلترهای ملت بلون به دلیل ساختار منحصربه‌فرد و قابلیت فیلتراسیون بالا، یکی از مهم‌ترین ابزارهای فیلتراسیون و جداسازی ذرات در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. از کاربردهای پزشکی و صنعتی گرفته تا تصفیه آب و صنایع غذایی، این فیلترها تأثیر چشمگیری در بهبود کیفیت هوا، آب و محصولات ایفا می‌کنند. با وجود برخی محدودیت‌ها، این فیلترها همچنان به عنوان یک گزینه ایده‌آل برای حذف ذرات میکرونی و نانومتری شناخته می‌شوند و با پیشرفت فناوری‌های تولید، آینده‌ای روشن و کاربردی برای آنها پیش‌بینی می‌شود.
[۱] Tsai, P.P., Schreuder-Gibson, H., & Gibson, P. (2002). “Different Types of Electrostatic Forces and the Applications in Filter Media”. Journal of Electrostatics, 54(3-4), 333-341.
[۲] Wang, C., Otani, Y. (2013). “Removal of Nanoparticles from Gas Streams by Fibrous Filters: A Review”. Industrial & Engineering Chemistry Research, 52(1), 5-17.
[۳] Subrenat, A., Leclerc, J.P., Courteille, F., & Le Cloirec, P. (2001). “Removal of Pollutants on Fibrous Filters by Adsorption and Photocatalysis”. Environmental Science and Technology, 35(1), 50-55.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
