چکیده
فیلتراسیون بهعنوان یکی از فرآیندهای حیاتی در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب، داروسازی، صنایع غذایی و شیمیایی، نقش مهمی در حذف ذرات معلق و بهبود کیفیت محصول نهایی ایفا میکند. فیلترهای کارتریجی نخ تابیده (String Wound) به دلیل ساختار گرادیانی، ظرفیت بالای نگهداری آلودگی، طول عمر مناسب و هزینه پایین، بهطور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این مقاله اصول عملکرد، ساختار، مواد سازنده و کاربردهای صنعتی فیلترهای نخ تابیده را بررسی کرده و جایگاه آنها را در مقایسه با فیلترهای ملتبلون (Melt Blown) تحلیل میکند. همچنین مزایا، محدودیتها و چالشهای مربوط به استفاده از فیلترهای نخ تابیده و هوزینگهای (housing) نامناسب مورد بحث قرار گرفته است. یافتهها میتواند راهنمایی برای انتخاب بهینه فیلتر در صنایع مختلف باشد.
فیلتراسیون بهعنوان یکی از مهمترین فرآیندهای جداسازی، نقش کلیدی در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب، صنایع شیمیایی، داروسازی، غذایی، نفت و گاز و سامانههای پیشرفتهی جداسازی ایفا میکند. هدف اصلی فرآیند فیلتراسیون، حذف ذرات معلق، آلایندهها و ناخالصیها از سیالات بهمنظور بهبود کیفیت محصول نهایی، افزایش ایمنی فرآیند و حفاظت از تجهیزات پاییندستی است. با توجه به تنوع گستردهی کاربردها و شرایط عملیاتی، انواع مختلفی از فیلترها با مکانیزمهای عملکردی متفاوت توسعه یافتهاند.
بهطور کلی، فیلترهای مورد استفاده در صنعت را میتوان به دو دستهی اصلی فیلترهای سطحی (Surface) و فیلترهای عمقی(Depth) تقسیمبندی کرد. فیلترهای سطحی، نظیر غشاها ، به دلیل برخورداری از اندازه منافذ مشخص و یکنواخت، قادر به جداسازی ذرات بر اساس یک حد آستانهی دقیق هستند و عمدتاً در کاربردهایی با نیاز به دقت بالا مورد استفاده قرار میگیرند. در مقابل، فیلترهای عمقی با ساختاری سهبعدی و چندلایه، ذرات را در سراسر ضخامت محیط فیلتر به دام میاندازند و به دلیل ظرفیت بالای نگهداری آلودگی، گزینهای مناسب برای کاربردهای پیشفیلتراسیون و شرایط با بار آلودگی بالا محسوب میشوند .
فیلترهای کارتریجی ملتبلون، رزینباند و نخ تابیده را می توان از جمله فیلتر های عمقی نام برد . هرچند روشهای پیشرفتهتری نظیر اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون نیز برای حذف ذرات زیرمیکرونی توسعه یافتهاند، اما هزینهی بالاتر، حساسیت عملیاتی و نیاز به پیشتصفیهی مناسب، استفاده از فیلترهای عمقی را بهعنوان یک مرحلهی ضروری در بسیاری از سامانههای فیلتراسیون اجتنابناپذیر ساخته است [۱].
فیلترهای کارتریجی نخ تابیده، بهعنوان یکی از قدیمیترین و در عین حال پرکاربردترین انواع فیلترهای عمقی، بهدلیل ساختار مهندسی شده ، ظرفیت بالای جذب ذرات، افت فشار مناسب و هزینهی تولید پایین، همچنان بهطور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. طراحی مبتنی بر پیچش نخ به دور یک هستهی مرکزی، امکان ایجاد ساختارهای با چگالی یکنواخت یا گرادیانی را فراهم میسازد که این ویژگی تأثیر مستقیمی بر راندمان جداسازی ذرات و عمر کاری فیلتر دارد. در این مقاله، ابتدا اصول عملکرد و ساختار فیلترهای نختابیده بررسی شده و سپس ویژگیها، مزایا، محدودیتها و کاربردهای صنعتی این نوع فیلترها بهطور جامع مورد تحلیل قرار میگیرد.
فیلتر کارتریجی نخ تابیده نوعی فیلتر عمقی (Depth Filter) است که با پیچیدن نخ به دور یک هسته ساخته میشود. الیاف میکروفایبر به هم تابیده و در هم تنیده میشوند تا یک نخ تشکیل دهند. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است این نخ بهصورت پیچش لانهزنبوری و هم چنین طرح های دیگر در اطراف هسته پیچیده میشود، بهگونهای که ساختاری گرادیانی ایجاد کند و لایههای بیرونی با تخلخل بالاتر و لایههای درونی با تخلخل کمتر طراحی می شوند. در اینجا تصریح میشود که منظور از فیلتر گرادیانی، فیلتری است که چگالی آن در طول قطر فیلتر تغییر میکند؛ بهگونهای که معمولاً در ناحیه هسته متراکمتر از سطح بیرونی است . این آرایش لایهای موجب افزایش چشمگیر ظرفیت نگهداری ذرات و آلایندهها شده و با کاهش مهاجرت الیاف مدیای فیلتر، عملکرد پایدار و سازگاری آن را در دامنه وسیعی از شرایط دمایی و محیطهای شیمیایی مختلف تضمین میکند . کیفیت یک فیلتر نخ تابیده تا حد زیادی به نوع نخی که برای ساخت آن استفاده میشود بستگی دارد. جنس هسته و طرح پیچش که منجر به دستیابی به دقت میکرونی مشخص میشود نیز نقش مهمی ایفا میکنند. پیش از انتخاب فیلتر نخ تابیده، باید کاربرد فیلتراسیون و سایر پارامترهای فیزیکی و شیمیایی مرتبط را در نظر گرفت. این فرآیند یک مکانیزم فیلتراسیون عمقی مؤثر ایجاد میکند؛ بهطوریکه ذرات بزرگتر در سطح فیلتر به دام میافتند و ذرات ریزتر بهتدریج در لایههای عمیقتر گیر میکنند. فیلترهای نخ تابیده به دلیل انعطافپذیری بالا و توانایی تحمل بار آلودگی زیاد، بسیار مؤثر هستند [۲,۳].
این نوع فیلترها قادر به حذف ذراتی در بازهی ۰٫۲ تا ۱۰ میکرون هستند و همچنین میتوانند برای حذف ذراتی با اندازهی درشتتر از ۱۰ میکرون نیز مورد استفاده قرار گیرند. به دلیل ماهیت همپوشان مدیای نخ تابیده، سطح مؤثر فیلتراسیون آنها بهطور قابل توجهی بزرگتر از فیلترهای ملتبلون (در مقاله های پیشین به فیلتر های ملت بلون اشاره شده است) است. بطور کلی فیلترهای کارتریجی، بهطور گسترده در صنایع شیمیایی، داروسازی، هستهای، بهداشت و سلامت، میکروالکترونیک، زیستفناوری و تصفیه آب مورد استفاده قرار میگیرند [۴].
نخ تغذیهای مورد استفاده برای پیچش روی یک هستهی استوانهای سوراخدار میتواند از جنس پنبه، پلیاستر، پلیپروپیلن و یا سایر مواد باشد؛ با این حال، در اغلب موارد از نخ پلیپروپیلن استفاده میشود. با وجود آنکه فیلترهای کارتریجی نخ تابیده از نظر تاریخی قدیمیتر از سایر انواع فیلترها هستند، اما در صورت استفاده از الیاف پلیپروپیلن، همچنان بهعنوان یک فیلتر چندمنظورهی مناسب و در برخی کاربردها بهعنوان بهترین گزینه مطرح میباشند این انتخاب به دلیل مزایایی همچون تخلخل حجمی بیشتر، آرایش تصادفی الیاف در ساختار نخ (نخ های استیپل) و امکان تولید اقتصادی از دیدگاه کاربردهای فیلتراسیون صورت میگیرد . این نخها میتوانند به روش ریسندگی رینگ یا سامانههای ریسندگی های مدرن تولید شوند. با این حال، نخهای تولیدشده با سامانههای مختلف ریسندگی میتوانند تفاوتهای قابل توجهی در خواص خود، بهویژه از نظر تراکمپذیری و پرزدهی نشان دهند. این دو ویژگی از نظر کاربردهای فیلتراسیون از اهمیت بالایی برخوردارند.
سیستمهای تصفیه آب از کارتریجهای نخ تابیده استفاده میکنند که نخ پلیپروپیلن بهصورت خاصی روی یک هسته سوراخدار پیچیده میشود. این کارتریجها توسط دستگاههای دقیق پیچش فیلتر تولید میگردند که نتیجه آنها فیلترهای نخ تابیده غیرگرادیانی و گرادیانی است. اجزای اصلی فیلتر نخ تابیده شامل موارد زیر است:
فیلتر ایدهآل از مواد مناسب و با توجه به نیاز مصرف کنندگان ساخته میشود .
کارتریج فیلتر نخ تابیده بهگونهای پیچیده میشود که چگالی آن بهصورت گرادیانی باشد؛ یعنی در نزدیکی هسته متراکمتر و در سطح بیرونی بازتر است. این بدان معناست که ذرات بزرگتر در ابتدای مسیر فیلتر میشوند و با عبور سیال از محیط فیلتر، ذرات ریزتر بهتدریج در هر لایه جدا میشوند. این مکانیزم فیلتراسیون عمقی نهتنها ظرفیت نگهداری آلودگی را افزایش میدهد، بلکه عمر کاری فیلتر را نیز طولانیتر میکند. الگوی نخ لانهزنبوری منحصربهفرد و کنترل دقیق فرآیند تولید تضمین میکند که دقت میکرونی موردنظر به دست آید. این طراحی بهویژه در کاربردهایی که بار ذرات متغیر است بسیار مفید است، زیرا از گرفتگی جلوگیری کرده و امکان فیلتراسیون پیوسته بدون نیاز به تعویض فوری فیلتر را فراهم میکند. ساختار گرادیانی مشاهدهشده نتیجهی ترکیب تغییرات موضعی در کشش نخ و الگوی پیچش در حین فرآیند تولید است. بهگونهای که در نواحی نزدیک به سطح، کشش بالاتر و پیچش کمتر منجر به آرایش متراکمتر الیاف شده، در حالیکه در نواحی مرکزی، کاهش کشش مؤثر و افزایش نسبی پیچش باعث کاهش چگالی ساختاری میشود. این تنظیم تدریجی پارامترهای فرآیندی امکان ایجاد گرادیان پیوسته در چگالی را فراهم میکند.
در فیلترهای نخ تابیدهی، نحوه پیچیدن نخ به دور هسته فیلتر دو پارامتر کلیدی دارد که تاثیر مستقیمی بر راندمان فیلتراسیون و افت فشار سیال عبوری دارند: زاویه پیچش (Coil Angle) و نوع پیچش (Wind Type) زاویه پیچش تعیین میکند که نخ با چه شیبی و تراکمی دور هسته پیچیده شود، در حالی که نوع پیچش مشخص میکند نخ در مسیر برگشت خود چگونه روی بسته مینشیند و توزیع نخ و تخلخل فیلتر را کنترل میکند. ترکیب درست این دو پارامتر میتواند باعث افزایش بازده فیلتر و کنترل افت فشار شود، در حالی که انتخاب نامناسب آنها باعث افت کیفیت فیلتراسیون یا افزایش بیش از حد افت فشار میشود.
زاویه پیچش
زاویه پیچش یکی از مهمترین عوامل است که طول مسیر عبور سیال و تعداد پیچهای نخ را تعیین میکند. وقتی زاویه پیچش کم باشد، مسیر عبور سیال طولانیتر و پیچیدهتر میشود. این باعث افزایش افت فشار و مقاومت جریان میشود، زیرا سیال باید از مسیرهای باریکتر و طولانیتر عبور کند. در مقابل، زاویه پیچش زیاد باعث کاهش تعداد پیچها، کاهش مقدار نخ مصرفی و مسیر عبور کوتاهتر میشود که منجر به کاهش افت فشار و مقاومت جریان میگردد. با این حال، افزایش بیش از حد زاویه پیچش باعث کاهش غیرضروری مقاومت جریان و کاهش راندمان فیلتراسیون میشود و حتی در محدودههای بالاتر از ۲۵ درجه میتواند باعث شکست مکانیکی فیلتر شود. بنابراین، یک محدوده بهینه زاویه پیچش وجود دارد که در آن فیلتر هم مقاومت جریان مناسبی دارد و هم راندمان فیلتراسیون حفظ میشود.
نوع پیچش نیز پارامتر دیگری است که تعیین میکند نخ در مسیر برگشت چگونه روی بسته مینشیند و به همین دلیل بر چگالی نخ، مقدار نخ مصرفی و تخلخل فیلتر اثرگذار است. در این مطالعه دو نوع پیچش بررسی شد: پیچش پسرو (Lagging Wind – La) و پیچش پیشرو (Leading Wind – Ld). در پیچش پسرو، نخ در مسیر برگشت کمی عقبتر از نقطه ایدهآل قرار میگیرد، که باعث کاهش مقدار نخ مصرفی و توزیع یکنواختتر آن میشود. این ویژگی افت فشار کنترلشده و مقاومت جریان متعادل ایجاد میکند و راندمان فیلتراسیون نیز در حد مطلوب باقی میماند.
در مقابل، پیچش پیشرو باعث میشود نخ در مسیر برگشت جلوتر از نقطه ایدهآل قرار گیرد و چگالی بیشتری داشته باشد. این امر منجر به افزایش افت فشار و مقاومت جریان میشود، اما برخلاف انتظار، افزایش افت فشار باعث آزاد شدن ذرات قبلاً به دام افتاده و در نتیجه کاهش راندمان فیلتراسیون میشود. بنابراین، پیچش پیشرو با وجود ایجاد مقاومت بیشتر، عملکرد فیلتراسیون فیلتر را بهبود نمیبخشد و استفاده از آن معمولاً توصیه نمیشود.
به طور کلی، برای دستیابی به عملکرد بهینه فیلترهای نخ تابیدهی، لازم است زاویه پیچش در محدوده بهینه انتخاب شود تا افت فشار و مقاومت جریان در حد مناسب باقی بماند و پیچش پسرو (La) به کار گرفته شود تا مقدار نخ مصرفی کنترل شده و راندمان فیلتراسیون حفظ شود. انتخاب درست این دو پارامتر هم امکان تولید فیلتر با مقاومت جریان قابل قبول را فراهم میکند و هم کیفیت فیلتراسیون را افزایش میدهد، در حالی که استفاده از پیچش پیشرو یا زاویههای پیچش نامناسب میتواند باعث افزایش غیرضروری افت فشار و کاهش بازده فیلتر شود [۶].
با وجود آنکه هر دو نوع فیلتر ملتبلون و نخ تابیده بهطور گسترده در سامانههای تصفیه آب برای حذف آلایندهها مورد استفاده قرار میگیرند، تفاوتهای اساسی و قابلتوجهی میان آنها وجود دارد.
فیلترهای ملتبلون از طریق ذوب و اکستروژن پلیمر ترموپلاستیک و تبدیل آن به الیاف بسیار ریز تولید میشوند. این الیاف بهوسیله دمش هوا بر روی یک هسته دوار پاشیده شده و ساختاری متراکم از الیاف ظریف ایجاد میکنند که در نهایت به شکل کارتریج فیلتراسیون قالبگیری میشود. در مقابل، فیلترهای نخ تابیده با پیچیدن نخ بهصورت منظم و کنترلشده به دور یک هسته ساخته میشوند که نتیجه آن تشکیل یک ماتریس فیلتراسیون فشرده و متراکم است. نخ مورد استفاده در این فیلترها میتواند از جنس پنبه، پلیاستر یا پلیپروپیلن باشد.
بهطور کلی، فیلترهای ملتبلون راندمان فیلتراسیون بالاتری نسبت به فیلترهای نخ تابیده دارند، بهویژه در حذف ذرات ریز. الیاف بسیار ظریف در فیلترهای ملتبلون موجب ایجاد ساختاری متراکم با سطح تماس بالاتر میشوند که امکان چسبندگی و به دام افتادن ذرات را افزایش میدهد. این فیلترها قادرند ذراتی با قطر حدود ۰.۳ میکرون را بهطور مؤثر حذف کنند. در مقابل، فیلترهای نخ تابیده بیشتر برای حذف ذرات درشتتر مناسب بوده و در جذب ذرات بسیار ریز کارایی کمتری دارند. امروزه با طراحی طرح های پیچش متفاوت و اثر گذاری بر مکانیسم های فیلتراسیون این فیلترها قادر به دام انداختن ذرات ریز هستند اما نه به اندازه مدیاهای ملت بلون.
فیلترهای نخ تابیده از ظرفیت بالایی برای نگهداری آلودگی برخوردار هستند. دلیل این موضوع، ساختار گرادیانی در مدیا آنها در مقایسه با الیاف ریز فیلترهای ملتبلون است. این فضاهای خالی امکان جمعآوری حجم بیشتری از ذرات معلق را فراهم میکنند و در نتیجه، فیلتر دیرتر نیاز به تعویض پیدا میکند. در مقابل، در فیلترهای ملتبلون، الیافی نظیر پلیپروپیلن بهصورت رشته مذاب از اکسترودر خارج شده و بعد از عبور از دای ملت بلون دور هسته پیچیده شده و پس از سرد شدن در جای خود ثابت میشوند. این الیاف غیرقابلحرکت بوده و باعث توزیع یکنواخت آلودگی در سراسر فیلتر میشوند. مقایسه ظرفیت نگهداری آلودگی میان این دو نوع فیلتر بهشدت به نوع کاربرد و شرایط عملیاتی وابسته است.
هزینه فیلترهای ملتبلون و نخ تابیده به عواملی مانند اندازه فیلتر، نوع مواد اولیه و شرکت تولیدکننده بستگی دارد. در گذشته، فیلترهای نخ تابیده معمولاً قیمت پایینتری داشتند؛ اما با پیشرفت فناوری تولید فیلترهای ملتبلون، اختلاف قیمت میان این دو نوع فیلتر به میزان قابلتوجهی کاهش یافته است. فرآیند تولید فیلترهای نخ تابیده سادهتر و کمهزینهتر از فرآیند تولید فیلترهای ملتبلون است. همچنین، مواد اولیه مورد استفاده در فیلترهای نخ تابیده اغلب ارزانتر هستند که این امر به کاهش هزینه نهایی آنها کمک میکند. با این حال، در مقایسه هزینهها باید عملکرد کلی و راندمان فیلتراسیون نیز در نظر گرفته شود. اگرچه فیلترهای نخ تابیده هزینه کمتری دارند، اما ممکن است در حذف ذرات ریز به اندازه فیلترهای ملتبلون مؤثر نباشند. در برخی کاربردها، راندمان بالاتر فیلترهای ملتبلون میتواند توجیهکننده هزینه بالاتر آنها باشد . [۵]
فیلتر نخ تابیده به دلیل قابلیت بالای فیلتراسیون، ظرفیت زیاد نگهداری آلودگی، حفظ شکل و طول عمر بالا، در صنایع مختلف بسیار پرکاربرد است. در صورت تولید با کیفیت مناسب، این فیلترها در برابر اختلاف فشار دچار لهیدگی یا فروپاشی نمیشوند. علاوه بر این، بیشتر هوزینگهای فیلتر از آببندی لبهتیغی (Knife-Edge Sealing) برای تثبیت و آببندی کارتریج استفاده میکنند. در حالی که سایر کارتریجها ممکن است دچار آببندی نامناسب و بایپس (bypass) شوند، فیلترهای نخ تابیده باکیفیت شکل خود را حفظ کرده و استحکام بالایی دارند ، یک فیلتر با کیفیت ویژگی ها ذکر شده در زیر را دارد :
+این نوع فیلترها بهطور گسترده برای فیلتراسیون مایعات در صنایع زیر استفاده میشوند:
صنایع غذایی و نوشیدنی، داروسازی، تصفیه آب، معدن، صنایع شیمیایی، نفت و گاز، گاز و هوا، گازهای دودکش، نمکزدایی و خودروسازی .
مناسب برای فیلتراسیون:
مشابه فیلترهای کارتریجی ملتبلون، فیلترهای نخ تابیده نیز هزینهی تولید پایینی دارند. این نوع فیلتر، دومین فیلتر کارتریجی پرکاربرد در بازار محسوب میشود و بهطور گسترده در کاربردهای پیشفیلتراسیون مورد استفاده قرار میگیرد. جدول شماره ۱ محدوده دمایی متناسب با نخ های مورد استفاده را به طور مختصر نشان می دهد .
محصولات ارزان و ضعیف معمولاً سازوکاری برای آببندی داخلی مناسب ندارند که منجر به نشت آب و عبور آلایندهها میشود. در برخی موارد، گسکتهای لاستیکی در طول زمان تخریب میشوند یا دیسک آببندی جابهجا شده و شکافهای بزرگی ایجاد میکند. این موارد کیفیت فیلتراسیون را بهشدت کاهش میدهد. سیستم فیلتراسیونی که اجازه عبور آلایندهها را بدهد، عملاً وظیفه خود را انجام نمیدهد.
پیامدهای استفاده از هوزینگ بیکیفیت:
سرمایهگذاری در هوزینگهای باکیفیت با آببندی مطمئن، عملکرد پایدار فیلتراسیون را تضمین میکند.
چالش ها و معایب این نوع فیلتر
بر اساس بررسیها و مقایسهها، فیلترهای نخ تابیده و ملتبلون هر یک مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند. فیلترهای نخ تابیده به دلیل ساختار گرادیانی، ظرفیت بالای نگهداری ذرات و انعطاف در انتخاب مواد اولیه، گزینهای مناسب برای پیشفیلتراسیون و کاربردهایی با بار آلودگی بالا هستند و عمر کاری طولانیتری ارائه میدهند. در مقابل، فیلترهای ملتبلون در حذف ذرات بسیار ریز (تا ۰.۳ میکرون) کارایی بالاتری دارند و سطح تماس بیشتر آنها امکان تصفیه دقیقتر را فراهم میکند. از نظر هزینه و سهولت تولید، فیلترهای نخ تابیده ارزانتر و سادهتر هستند، در حالی که فیلترهای ملتبلون به دلیل پیچیدگی فرآیند تولید، هزینه بیشتری دارند. با این وجود، در کاربردهایی که حذف ذرات ریز اهمیت دارد، سرمایهگذاری در فیلترهای ملتبلون میتواند بهینه باشد.
در نهایت، انتخاب صحیح فیلتر نخ تابیده همراه با هوزینگهای باکیفیت و آببندی مناسب، نهتنها عملکرد پایدار و طول عمر فیلتر را تضمین میکند، بلکه از بایپس و کاهش راندمان فیلتراسیون جلوگیری مینماید. توجه به مشکلات احتمالی مانند تونلزنی و نشت شیمیایی برای دستیابی به فیلتراسیون ایمن و کارآمد ضروری است.
[۱] Kanade, P. S., & Desai, T. A. (2018). Improved design of wound filters for enhanced water filtration performance.
[۳] https://www.palayesazan.com
[۴] Kanade, P. S. (2013). Disposable Filters-A Review. International Journal of Innovation Research in Science, Engineering and Technology, ۲(۱۰), ۵۷۷۴-۵۷۷۹.
[۵] https://www.commercialfiltrationsupply.com
[۶]Kanade, P. S., & Chauhan, J. K. (2021). Designing wound filters for cleaner water using winding technology: Influence of leading and lagging wind. Cleaner Engineering and Technology, 4,
نویسنده: مهشید شلکه
ذخیره پست 
