مدیای فیلتراسیون بر اساس تمایل آنها به جذب یا دفع آب به دو دستهی کلی آبدوست (Hydrophilic) و آبگریز (Hydrophobic) تقسیم میشوند. درک رفتار سطحی این مدیا، بهویژه در کاربردهای حساس مانند فیلتراسیون سوخت، هوا و مایعات صنعتی، برای تضمین عملکرد پایدار و جلوگیری از خرابی تجهیزات ضروری است. ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی سطح، از جمله کشش سطحی و انرژی سطحی، تعیینکنندهی رفتار خیسشوندگی قطرات مایع و در نتیجه، کارایی جداسازی ذرات یا فازهای مایع است.
معمولاً مدیاهای فیلتراسیون بر اساس تمایلشان به آب یا سایر مایعات توصیف میشوند. برای مثال، در کاربردهای دارویی، برای تهویه (Venting) باید از فیلترهای آبگریز استفاده شود تا از ورود آلودگی به داخل مخزن جلوگیری شود. اگر از فیلتر آبدوست استفاده شود، ممکن است منافذ آن با آب پر شوند و عبور گاز به داخل مخزن را مسدود کنند، که این موضوع میتواند باعث ایجاد خلأ و حتی فرو ریختن مخزن شود.
خاصیت آبگریزی یا دافع آب (Water Repellency / Hydrophobicity) ویژگی مهمی در برخی از انواع مدیای فیلتراسیون است. به عنوان مثال، مدیاهای آبگریز در فیلترهای سوخت دیزل و بنزین استفاده میشوند تا ذرات رطوبت را دفع کرده و از نفوذ آب به داخل فیلتر جلوگیری کنند.
آبگریزی بالا همچنین با انرژی سطحی پایین مرتبط است، که این ویژگی برای مدیاهای فیلتراسیون سطحی و سیستمهای جمعآوری گرد و غبار اهمیت دارد، جایی که عملیاتهایی مانند جدا شدن کیک فیلتر، تمیزکاری سطح، و دمش معکوس (Blow-Back) مورد نیاز است.
ویژگی دافع آب همچنین از خیس شدن و آسیب دیدن مدیای فیلتراسیون هوا در هنگام تماس با آب جلوگیری میکند. برای نمونه، در راهنمای فیلتراسیون هوای هستهای (Nuclear Air Cleaning Handbook) [1] آمده است که:
«قرار گرفتن در معرض آب بدون تردید یکی از عوامل مهم در تخریب فیلترهای HEPA است، که در ترکیب با افت فشار بالا باعث از بین رفتن کامل راندمان آنها میشود. فیلترهای HEPA در اثر تماس با آب ضعیف شده و دچار گرفتگی میشوند. یکی از خطاهای رایج، این تصور است که خیس و خشک شدن مکرر فیلتر اثر منفی ندارد، در حالیکه آزمایشها نشان دادهاند تکرار این چرخه باعث از دست رفتن حدود نیمی از استحکام فیلتر میشود.»
همچنین، مدت زمان کارکرد فیلتر در شرایط مرطوب اثر قابلتوجهی بر عملکرد آن دارد؛ آزمایشها نشان دادهاند که چسبهای بهکاررفته در فیلترهای HEPA در فشارهای تفاضلی بالا نرم شده یا شروع به حل شدن میکنند.
در این بخش، لازم است توضیح کوتاهی دربارهی شیمی سطح (Surface Chemistry) ارائه شود.
شکل ۱(a) مقطع عرضی یک قطرهی آب را نشان میدهد که بر روی یک سطح جامد قرار گرفته است. نقطهی مورد توجه در این شکل، نقطهی X است، یعنی جایی که سطح مایع با سطح جامد تماس پیدا میکند. این نقطه در شکل ۱(b) با جزئیات بیشتری نمایش داده شده است. در نقطهی X، سه نیروی اصلی بر قطره وارد میشوند:
شکل و تعادل نهایی قطره، حاصل تعادل بین این نیروها است.
بهطور کلی، نیروهای سطحی تمایل دارند مساحت سطح تماس خود را کاهش دهند. نیروی γSG در جهت گسترش قطره بر سطح جامد عمل میکند تا مساحت سطح جامد در تماس با گاز کاهش یابد، در حالیکه γSL در جهت مخالف عمل کرده و میکوشد مساحت تماس بین مایع و جامد را کاهش دهد.
از سوی دیگر، کشش سطحی قطره (γL) سعی میکند مساحت سطح آزاد مایع را کم کند و در جهت بالا (مانند بالا کشیدن قطره) نیرو وارد میکند.
نیروی وارد بر نقطه X توسط γL، در راستای مماس بر سطح قطره در محل تماس با جامد عمل میکند. مؤلفهی افقی این نیرو برابر است با γL cos θ، که در آن θ زاویه تماس (Contact Angle) بین سطح مایع و سطح جامد است. سه نیرو در نقطهی X در نوعی کشمکش (Tug-of-War) هستند:
اگر θ کمتر از ۹۰ درجه باشد، مؤلفهی γL cos θ در همان جهت γSL عمل کرده و قطره تمایل به پخش شدن دارد.
اما اگر θ بیش از ۹۰ درجه باشد، مؤلفهی γL cos θ در جهت γSG عمل کرده و قطره تمایل به جمع شدن و کروی شدن پیدا میکند.
مقدار نیروی سطحی γSG نقش مهمی دارد:
این پدیده را میتوان بر روی کاپوت یک خودرو در حال حرکت زیر باران مشاهده کرد. اگر سطح کاپوت بهتازگی واکس زده شده باشد، سطح دارای انرژی سطحی پایین بوده و قطرات باران کروی شده و از روی آن میغلتند. اما اگر سطح کاپوت مدتها از واکس زدن آن گذشته باشد، انرژی سطحی آن افزایش یافته و قطرات آب بر روی آن پخش میشوند و سطح را خیس میکنند.
آبگریزی (Water Repellency) به توانایی مدیای فیلتر در مقاومت در برابر خیس شدن و نفوذ آب اشاره دارد. این ویژگی توسط میزان آبگریزی (Hydrophobicity) ماده تعیین میشود و در کاربردهایی که مدیا باید نقش مانع رطوبت (Moisture Barrier) را ایفا کند، از اهمیت بالایی برخوردار است.
با این حال، باید توجه داشت که آبگریزی، مقاومت در برابر آب، و مقاومت در برابر رطوبت مفاهیمی متفاوت هستند:
به طور خلاصه، آبگریزی از نفوذ آب جلوگیری میکند، در حالیکه مقاومت در برابر آب و رطوبت تضمین میکند که مدیا پس از تماس با آب یا در شرایط مرطوب، خواص خود را از دست ندهد.
برای ایجاد خاصیت آبگریزی و آبدوستی در مدیای فیلتر، از مواد آبگریز در سطح مدیا استفاده میشود. این کار میتواند از دو طریق انجام شود:
همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، استفاده از الیاف ۲۰۰ نانومتر برروی الیاف ۲ میکرومتر منجر به ایجاد یک مدیای فوق آبگریز شده است.
مواد دافع آب دارای انرژی سطحی پایین هستند، یعنی سطح آنها انرژی کافی برای نگهداشتن قطرات آب را ندارد. اما مواد جاذب آب انرژی سطحی بالایی دارند
از جمله مثالهای متداول:
کوالسینگ (Coalescence) فرآیندی است که طی آن یک مدیای فیلتر میتواند ذرات مایع غیرقابل اختلاط را از جریان مایع یا گاز حذف کند. این شامل مواردی مانند روغنهای هیدروکربنی پراکنده در آب، مه روغن در هوا، رطوبت و بخار در هوا، و آلودگی آب در سوخت هواپیما میشود.
این پدیدهها شامل جمعآوری قطرات ریز است، یا بر روی سطح مدیا و یا روی الیاف آن. این قطرات با هم ترکیب شده و قطرات بزرگتری را تشکیل میدهند که در نهایت به اندازهای بزرگ میشوند که یا سقوط کنند یا از مدیا دور شوند.
دو نوع مدیای کوالسر وجود دارد: مدیای کوالسر سطحی و مدیای کوالسر عمقی:
این نوع مدیا دارای سطحی بسیار آبگریز (Hydrophobic) یا روغنگریز (Oleophobic) است تا از نفوذ ذرات یا قطرات مایع آلاینده به داخل سطح جلوگیری کند. قطره یا از سطح دفع میشود یا روی آن جمع شده و با قطرات دیگر ترکیب میشود تا قطرات بزرگتر تشکیل دهد. سپس این قطرات بزرگ، با نیروی گرانش یا جریان سیال از سطح جدا میشوند.
این سطح معمولاً از پلیمرهای با انرژی سطحی پایین مانند فلوئوروپلیمرها یا سیلیکون ساخته میشود. در فیلترهای الیافی، این پلیمر میتواند بخشی از الیاف اصلی، بایندر (Binder) یا پوشش سطحی باشد.
در این حالت، مدیا ذرات مایع را مانند ذرات جامد درون ساختار الیاف به دام میاندازد. فرآیند کوالسر زمانی انجام میشود که قطرات به دامافتاده با یکدیگر ترکیب شوند یا با قطرات جدیدی که وارد مدیا میشوند برخورد کنند.
برای اینکه این فرآیند درست انجام شود، الیاف باید انرژی سطحی نسبتاً بالایی داشته باشند. معمولاً مدیای کوالسر عمقی شامل الیاف شیشهای بسیار ریز (Glass Microfiber) است، چون این الیاف ریزتر، ذرات مایع کوچکتر را بهتر جدا میکنند.
برای عملکرد بهینه، سطح الیاف نباید بیش از حد آبگریز یا روغنگریز باشد و نه بیش از حد آبدوست یا روغندوست، بلکه باید در حد میانه باشد. اگر خیلی آبگریز باشند، قطرات به سطح نمیچسبند و فرایند کوالسر اتفاق نمیافتد؛ و اگر خیلی آبدوست باشند، قطرات سطح را میپوشانند و در نهایت باعث گرفتگی فیلتر میشوند.
هر دو نوع فیلتر کوالسر معمولاً برای حذف آب و رطوبت از سوخت در سیستمهای فیلتر/سپراتور سوخت مورد استفاده قرار میگیرند؛ بهویژه در سوختهای دریایی و هوایی.
این سیستمها معمولاً دارای دو مرحله (Two-Stage Operation) هستند. مرحله اول، شامل یک فیلتر کوالسر عمقی است که وظیفه دارد ذرات آب موجود در سوخت ورودی را جدا کند. مرحله دوم، شامل فیلتری با سطح آبگریز و دارای انرژی سطحی پایین است که اجازه میدهد سوخت هیدروکربنی عبور کند، اما قطرات آب باقیمانده را دفع میکند و مانع عبور آنها میشود.
المنت خروجی (Separator Element) باید بسیار آبگریز (Highly Hydrophobic) باشد تا هرگونه ذرهی کوچک آب باقیمانده در جریان سوخت خروجی را دفع کند. مدیای مورد استفاده در این بخش معمولاً با افزودنیهایی با انرژی سطحی بسیار پایین مانند فلوئوروکربنها یا سیلیکونها پوشش داده میشود.
راندمان کوالسینگ به مقدار و قطر میکروفیبرهای شیشهای بستگی دارد. انرژی سطحی (Surface Energy) مدیا نیز اهمیت زیادی دارد؛ زیرا در این فرآیند، به سطحی نسبتاً آبدوست (Hydrophilic) نیاز است تا قطرات آب را جذب کرده و نگه دارد تا در اثر برخورد با قطرات بیشتر، اندازهی آنها بزرگتر شود. در نهایت، زمانی که قطرات به اندازهی کافی بزرگ شدند، جریان سیال عبوری باعث جدا شدن آنها از سطح الیاف میشود.
در پاییندست این مدیا، قطرات آب به اندازهای بزرگ شدهاند که بتوانند تحت نیروی گرانش (Gravity Settling) در مخزن تهنشینی (Settling Sump) جمع شوند. مدیاهایی که با رزین فنولیک (Phenolic Resin) پوشش داده شدهاند، معمولاً دارای خواص سطحی مناسبی برای دستیابی به بازده بالای کوالسینگ و جداسازی هستند. در مقابل، مدیاهایی که دارای پوششهایی با انرژی سطحی پایین مانند فلوئوروکربنها (Fluorocarbons) یا سیلیکونها (Silicones) هستند، معمولاً بازدهی ضعیفی در کواسینگ و جداسازی نشان میدهند.
ورود رطوبت به هوای ورودی توربینهای گازی و سایر دستگاهها مشکل خاصی محسوب میشود. جدا از مشکلات خود رطوبت، میتواند باعث رسیدن ذرات به قطعات حساس ماشین در دو حالت مهم شود:
به همین دلیل، فیلتر کوالسر ترکیبی توسعه یافته است که دارای مدیای آبگریز و کانالهای مهر و مومشده است تا آب را در سمت کثیف فیلتر هدایت کند.
میکروالیاف شیشهای به عنوان مدیای ایدهآل فیلتر برای کوالسینگ (Coalescing) آئروسلهای مایع شناخته میشوند. ذاتاً این ماده نه جذبکننده سطحی (Adsorptive) است و نه جذبکننده عمقی (Absorptive) مایعات، و بنابراین نسبت به مدیاهای الیافی طبیعی برتری دارد، چرا که خواص اولیه خود را بهتر حفظ میکند.
میکروالیاف شیشهای نسبتاً آبگریز هستند، یعنی آب به جای تشکیل یک لایه، به صورت قطره روی آنها جمع میشود که این شرایط باعث ادامه کارایی فیلتر میشود.
متأسفانه، شیشه یا هیچ ماده دیگری روغنگریز نیست، بنابراین روغن به صورت لایهای روی میکروالیاف شیشهای شکل میگیرد و قطر مؤثر آنها را افزایش میدهد. با این حال، این افزایش قطر نسبتاً کم است و پس از خیس شدن مدیای فیلتر، این لایه روغن تأثیر قابل توجهی بر کارایی فیلتراسیون نخواهد داشت.
برخی مواد خاصیت انتخابی (Selective) دارند. برای مثال، موادی مانند نایلون، پلیپروپیلن و پلییورتان که آبگریز (Hydrophobic) هستند، آب را دفع میکنند اما در مقابل تمایل زیادی به جذب روغن دارند. به همین دلیل، این مواد اغلب برای جذب روغن از روی آب مورد استفاده قرار میگیرند.
انواع بسیار متنوعی از مواد پلیمری به عنوان مدیای غشایی در دسترس هستند، از جمله انواعی با ویژگیهای خاص مثل آبگریز یا آبدوست که برای کاربردهای خاص فیلتراسیون طراحی شدهاند. کارتریجهای فیلتر غشایی آبگریز برای فیلتراسیون هوای استریل و گازها ایدهآل هستند.
فرآیندهای چربیزدایی آبی از محلولهای قلیایی یا اسیدی حاوی مواد شیمیایی و افزودنیهای مختلف استفاده میکنند. این محلولها با گذشت زمان با روغن آلوده میشوند و وقتی کارایی خود را از دست دهند، یا باید کل محلول با هزینه زیاد تعویض شود یا روغن موجود در آن حذف گردد.
یک روش اثباتشده برای حذف روغن، استفاده از غشاهای فیلتر CFCC کامپوزیت کربن-الیاف کربن و غشاهای پلیمری دائماً آبدوست است.
برای هوای فشرده و سایر گازها، این فیلترها از غشاهای صاف PTFE استفاده میکنند که آبگریز بوده و در برابر تمامی مواد شیمیایی رایج مقاوم هستند. این ویژگیها آنها را برای عملیات بستهبندی استریل و بهطور کلی برای فرآوری مواد غذایی و نوشیدنی ایدهآل میکند.
غشای الیاف توخالی که از از ۱۰۰٪ پلیپروپیلن ساخته شده است، ذاتاً آبگریز است، یعنی آب به راحتی روی آن نفوذ نمیکند و معمولاً برای عبور مایعات مناسب نیست. اما اگر از یک مایع ترکننده مثل ایزوپروپیل الکل (IPA) استفاده شود، این مایع سطح غشا را مرطوب میکند و باعث میشود غشا بتواند با مایعات کار کند و آنها را عبور دهد.
شرکت KmX در کانادا، پرووارسیون (Pervaporation) را به عنوان یک فرآیند غشایی برای تصفیه مواد شیمیایی توصیف میکند. این یک عملیات غشایی انتخابی است که میتواند محلولهای آلی را خشک کند.
این روش قادر است آب را از مایعات آلی و همچنین آلودگیهای فرار آلی را از آب جدا کند. همچنین میتواند اجزای مخلوطهای مایع آلی را از هم تفکیک کند. پرووارسیون جایگزینی برای تقطیر است، مخصوصاً در مواردی که یکی یا چند جزء نمیتوانند حرارت فرآیند را تحمل کنند. غشاهای Organophyllic برای جدا کردن مخلوطهای مایع آلی استفاده میشوند. سه مکانیزم فرآیند پرووارسیون که ذکر شد، در شکل ۴ نمایش داده شده است.
غشاهای تولیدشده به روش حلالی یا وارونگی فاز (Phase Inversion) معمولاً دارای ساختاری نامتقارن هستند و منبع اصلی غشاهای اولترافیلتراسیون UF محسوب میشوند. چندین نوع پلیمر برای ساخت غشاهای وارونگی فاز استفاده میشود که در میان آنها پلیسولفون (Polysulfone) از پرکاربردترینهاست. غشاهای UF معمولاً دارای خاصیت آبدوستی هستند.
پارچهها یا تجهیزات سدکننده (Barrier Fabrics or Devices) مانند بومهای روغنگیر (Oil Booms) برای کنترل نشت روغن در آبهای شیرین یا شور استفاده میشوند. این تجهیزات با محصور کردن نشت، هدایت آن به نقطه جمعآوری، یا جلوگیری از ورود آن به مناطق حساس، از گسترش آلودگی جلوگیری میکنند.
نایلون (Nylon) پلیمری است که تمایل زیادی به جذب روغن دارد، اما برخلاف پلیپروپیلن و پلییورتان، آبدوست است؛ یعنی به آب تمایل دارد. در نتیجه، شبکههای نایلونی (Nylon Webs) میتوانند روغن را نگه دارند در حالیکه اجازه میدهند آب از میان آن عبور کند.
پارچههای مقاوم نایلونی مانند نایلون اسپانباند (با نامهای تجاری SPECTRAMAX، CEREX، PBN-II و ORION میتوانند تا ۱۰ برابر وزن خود روغن جذب کنند و با وجود اشباع شدن از روغن و آب، استحکام کافی برای بازیابی و استفاده مجدد را داشته باشند.
این نوع پارچهها میتوانند به عنوان پارچههای سدکننده برای مهار نشتهای کوچک نفتی در منابع آبی استفاده شوند و از پخش شدن آنها همراه جریان آب جلوگیری کنند.
در شکل ۵، نمونهای از کاربرد این نوع پارچه در یک حادثه واقعی (نشت روغن ناشی از خروج قطار از ریل) نشان داده شده است. در تصویر، حصار سدکننده نشت روغن را مهار کرده، در حالی که اجازه عبور آب را میدهد.
همچنین، شرکت Cerex Advanced Fabrics نشان داده است که میتوان از این پارچهها برای ساخت کیسههای جمعآوری (Skimming Bags) استفاده کرد که از قایقها یا شناورهای دریایی برای جدا کردن نشتهای نفتی از دریاها، اقیانوسها و سایر منابع آبی مستقر میشوند.
در شکل ۶، کیسهای پر از روغن جمعآوریشده در حال بارگیری روی قایق جمعآورنده نشان داده شده است.
شایان ذکر است که پارچه این کیسهها (در این مورد نایلون Cerex) نه تنها باید توانایی جداسازی آب و روغن را داشته باشد، بلکه باید به اندازه کافی مقاوم باشد تا هنگام بالا کشیده شدن از آب پاره نشود.
روشهای مختلفی برای اندازهگیری میزان آبگریزی یک مدیای فیلتراسیون یا پارچه وجود دارد. برخی از این روشها استاندارد و برخی دیگر محلی یا سادهشده هستند.
یکی از روشهای استاندارد، روش TAPPI T558 است که در آن یک قطره مایع بهصورت دقیق روی سطح نمونه قرار داده میشود و زاویه تماس (Contact Angle) بین قطره و سطح توسط دستگاه مخصوص بهصورت خودکار اندازهگیری میشود (مطابق شکل ۷). هرچه زاویه تماس بزرگتر باشد، سطح آبگریزتر است.
روش دیگر شامل قرار دادن قطرهای از مایع روی سطح و اندازهگیری مدتزمان نفوذ آن در نمونه است. در یک روش مشابه، مخلوطهایی از آب و الکل روی سطح قرار داده میشوند. هرچه درصد الکل بیشتر باشد، قطره سریعتر در سطح نفوذ میکند. در این روش، درصد الکل لازم برای نفوذ قطره در مدت کوتاه (مثلاً ۱۰ ثانیه) معیاری از میزان آبگریزی سطح در نظر گرفته میشود.
همچنین، قابلیت جذب (Absorbency) نیز شاخصی از آبگریزی است. در آزمونهای جذب، یک ماده آبگریز آب کمتری نسبت به ماده غیر آبگریز جذب میکند.
علاوه بر این، چند روش دیگر نیز برای ارزیابی آبگریزی وجود دارد، از جمله:
این روشها گاهی به اشتباه آزمون مقاومت در برابر آب نامیده میشوند، اما در واقع آزمونی برای آبگریزی هستند. در این روش، ارتفاع ستونی از آب (Head of Water) که نمونه میتواند پیش از نفوذ آب تحمل کند اندازهگیری میشود. این ویژگی بهعنوان خاصیت سدکنندگی در برابر آب شناخته میشود.
یکی از معروفترین روشها در این دسته، آزمون AATCC 127 (آزمون Suter) است. همچنین، طبق استاندارد ASME AG-1، بخش FC، بند FC-I-3240 (منبع ۲۴۱)، انجام این آزمون برای مدیای فیلتر HEPA در تأسیسات هستهای الزامی است.
بهعنوان مثال، آزمون AATCC 22 از این نوع است. در این روش، مقدار معینی آب از فاصله حدود ۱۰ سانتیمتر از طریق نازل پخشکننده (Spreader Nozzle) روی نمونه پارچهای که با زاویه ۴۵ درجه قرار گرفته است، بهمدت ۳۰ ثانیه پاشیده میشود.
سپس، پارچه بهصورت چشمی از ۰ تا ۱۰۰ درجهبندی میشود: عدد ۰ نشاندهنده کمترین میزان آبگریزی (کاملاً خیس) و ۱۰۰ نشاندهنده بیشترین میزان آبگریزی (عدم خیس شدن) است. برای این ارزیابی، تصاویر استاندارد مرجع ارائه میشود تا بتوان درجه آبگریزی را مقایسه کرد.
این روشها از روش پاشش سختگیرانهتر هستند. نمونه معروف آن آزمون بوندسمن (Bundesmann Test – ISO 9865) است. در این آزمون، آب از ارتفاع ۱.۲ متر (۴ فوت) بهمدت ۱۰ دقیقه روی پارچه میبارد.
نمونههای پارچه در زاویه ۱۰ درجه نسبت به جهت پاشش بسته میشوند و در حین آزمون، تیغهای به شکل X از پشت پارچه حرکت داده میشود تا شرایط حرکت پارچه در یک باران واقعی شبیهسازی شود.
پس از آزمون، میزان مروارید شدن آب (Beading) روی سطح با استانداردهای دیداری مقایسه میشود و از درجه ۱ تا ۵ رتبهبندی میگردد (۵ = بهترین آبگریزی).
همچنین، با اندازهگیری مقدار آب نفوذ کرده به فنجان زیر نمونه، میتوان میزان نفوذپذیری را تعیین کرد. علاوه بر این، میزان جذب آب پارچه نیز با وزنکشی قبل و بعد از آزمون قابل اندازهگیری است.
مقاومت در برابر آب معیاری از توانایی مدیای فیلتر در حفظ خواص و ویژگیهای خود پس از غوطهور شدن یا خیس شدن با آب است. مهمترین نگرانیها در این زمینه عبارتاند از: تجزیه یا فروپاشی ساختار مدیا، از بین رفتن استحکام، و تورم الیاف.
مدیاهای فیلتری که برای فیلتراسیون مایعات آبی به کار میروند، باید دارای استحکام مرطوب کافی (Wet Strength) باشند تا هنگام تماس با محیط آبی از هم نپاشند. نمونهی بارز این نوع مدیا، کاغذ کیسه چای است که باید در محیط آب داغ دوام آورده و حتی هنگام فشار دادن با قاشق، مقاومت در برابر پارگی داشته باشد. در مقابل، فیلترهای هوای چینخورده مانند فیلترهای هوای ورودی موتور در برابر رطوبت آسیبپذیرند و در صورت تماس با آب (مثلاً در اثر باران)، ممکن است نرم شده یا چینها (Pleats) فرو بریزند.
برای ارزیابی عملکرد این نوع فیلترها، نسبت استحکام مرطوب به استحکام خشک (Wet/Dry Strength Ratio) معیاری مناسب محسوب میشود. بهویژه نسبت سختی مرطوب به خشک (Wet/Dry Stiffness Ratio) شاخص خوبی برای بررسی یکپارچگی ساختاری مدیای چینخورده است.
الیاف سلولزی در تماس با آب دچار تورم (Swelling) میشوند که این امر باعث تغییر ابعادی (Dimensional Change) در مدیا خواهد شد. چنین تغییراتی میتواند به کاهش استحکام مکانیکی و افت کارایی ساختاری فیلتر منجر شود.
استاندارد ISO 5635:1978 که برای کاغذ و مقوا تدوین شده، این تغییر ابعادی را با غوطهورسازی نمونه در آب و اندازهگیری میزان تغییر اندازه ارزیابی میکند. در مدیای فیلتری، تورم الیاف ممکن است موجب بسته شدن منافذ، افزایش مقاومت جریان، و افت راندمان فیلتراسیون شود. تاکنون استاندارد مشخصی برای ارتباط مستقیم بین تورم الیاف و عملکرد فیلتراسیون وجود ندارد.
در برخی مطالعات، آزمونهایی انجام شده است که طی آن جریان عبوری از مدیای مرطوب با مدیای خشک مقایسه شده تا تغییر در افت فشار (Pressure Drop) بررسی شود، اما نتایج این آزمایشها یکسان و قابلاعتماد نبوده است.
در برخی آزمونهای کاربردی، مدیا بهصورت واقعی درون محفظه فیلتر قرار داده میشود و آب بهعنوان آلاینده به سیال آزمون تزریق میگردد. در این نوع آزمایشها، معمولاً خرابی فیلتر به دلیل تغییر ابعاد مدیا و فروپاشی ساختاری آن رخ میدهد.
مقاومت در برابر رطوبت عمدتاً به توانایی مدیا در حفظ پایداری ابعادی خود در شرایط رطوبت بالا یا تغییرات رطوبتی مربوط میشود. پایداری ابعادی (Dimensional Stability) به معنای توانایی یک مدیا برای حفظ اندازهها و شکل اولیه خود در برابر شرایط نامطلوبی مانند رطوبت، حرارت، اعمال بار مکانیکی، یا گذر زمان است.
اصطلاح رطوبت انبساطی (Hygroexpansivity) به تغییر ابعاد مدیا در اثر تغییرات رطوبت محیط اطلاق میشود.
همچنین، خزش (Creep) یا آنچه گاهی جریان سرد (Cold Flow) نیز نامیده میشود، به تغییر تدریجی ابعاد مدیا در طول زمان در شرایطی که تحت بار ثابت قرار دارد، گفته میشود.
در فیلترهای چینخورده (Pleated Filters)، ترکیب اثرات رطوبت انبساطی و خزش میتواند منجر به تغییر شکل یا حتی فروپاشی چینها شود. در شکل ۸ نمونهای از یک فیلتر چینخورده نشان داده شده است که چینهای آن بهصورت S شکل یا موجدار درآمدهاند؛ این تغییر شکل بدون شک ناشی از تأثیر رطوبتانبساطی یا خزش پس از فرآیند تولید است.
مشکلات کیفیتی مرتبط با تغییر ابعاد به دلیل رطوبتانبساطی احتمالاً جدیترین مشکلات در صنعت منسوجات بیبافت هستند، بهویژه زمانی که مدیا شامل الیاف رطوبتگیر مانند سلولز باشد. مدیاهایی که با مواد ضدحریق جاذب رطوبت (Hygroscopic Flame Retardants) پردازش شدهاند، حساسیت بیشتری به اثرات نامطلوب رطوبتانبساطی دارند. به عنوان مثال، تغییرات عرض شکاف رولهای تمامشده اغلب به دلیل تغییر ابعاد عرض رولها در اثر تماس با شرایط آب و هوایی و تغییرات اقلیمی پس از تولید و برش رولها رخ میدهد.
مشکلات ناشی از رطوبتانبساطی و خزش تنها محدود به مدیای فیلتر نیستند. مطالعات نشان دادهاند که کاغذ تحت شرایط رطوبتی متناوب بیشتر خزش میکند تا در شرایط رطوبت ثابت. دلایل وجود دارد که این موضوع برای مدیای فیلتر نیز صادق باشد. این «خزش تسریعشده» به دلیل تمرکز تنش ناشی از جذب رطوبت (Sorption-Induced Stress) و پاسخ غیرخطی خزش رخ میدهد که این پدیده هنوز بهخوبی درک نشده است.
با وجود تمام نگرانیها در مورد رطوبتانبساطی، تعداد استانداردها و روشهای آزمون منتشرشده برای این ویژگی بسیار کم است و آنچه موجود است، عمدتاً مربوط به کاغذ و مقوا است. از جمله این استانداردها میتوان به ISO 8226-1:1994 (تا رطوبت نسبی ۶۸٪) و ISO 8226-2:1990 (تا رطوبت نسبی ۸۶٪) اشاره کرد.
اکثر روشهای آزمون تغییراتی از دستگاه Neenah Multiple Specimen Paper Expansimeter هستند. توسعه این دستگاه به دهه ۱۹۴۰ بازمیگردد و هنوز توسط Adirondack Machine Company در آمریکا تبلیغ میشود.
نمونهها در اتاقک رطوبتی کنترلشده قرار میگیرند. نمونهها نوارهایی به طول ۱ اینچ هستند که در دو انتها ثابت شدهاند و به صورت عمودی قرار میگیرند. یک انتها ثابت و انتهای دیگر به یک گیره متحرک متصل است که با تغییر ابعاد نمونه تحت رطوبتهای بالاتر حرکت میکند. تغییرات ابعادی توسط میکرومترهای داخلی اندازهگیری میشوند و دستگاه امکان آزمایش تا ۲۰ نمونه بهصورت همزمان را فراهم میکند.
یکی از تغییرات این روش، دستگاه STFI است که ابتدا توسط Packforsk در استکهلم، سوئد بازاریابی شد. این دستگاه در شکل ۹ نشان داده شده است.
در حالیکه در روش Neenah، نمونههای آزمایش بهصورت عمودی در گیرهها قرار میگیرند، در روش STFI نمونهها در وضعیت افقی قرار دارند. برای نگهداری نمونهها از تیغهای ریز (Razor Blades) به عنوان گیره استفاده میشود. طراحی فنردار این دستگاه باعث میشود گیرهی متحرک تیغی با تغییر ابعاد نمونه در اثر تغییرات رطوبت (رطوبتانبساطی) حرکت کند.
تغییرات ابعادی توسط مبدل LVDT (Linear Variable Differential Transformer) اندازهگیری میشود.
LVDT یک مبدل الکترومکانیکی است که خروجی الکتریکی آن متناسب با جابجایی هستهی متحرک داخلی است. در دستگاه STFI، این هسته به گیرهی متحرک متصل است تا حرکت آن و خروجی الکتریکی متناظر، میزان رطوبتانبساط نمونه آزمایش را نشان دهد.
آزمایشهایی با نسخهای تغییریافته از دستگاه STFI انجام شده است که در آن از سیستم قرائت پرتو لیزر برای اندازهگیری حرکت گیرهی متحرک استفاده شده است. شایان ذکر است که هنگام ثبت اندازهگیریها، وزنهای بر روی نمونهها قرار داده میشود تا هرگونه تغییر شکل خارج از صفحه (Out-of-plane deformities) ناشی از رطوبتانبساط، صاف شود.
ظاهراً شرکت Innventia این دستگاه را بهبود داده است. تجهیزات جدید آنها برای اندازهگیری رطوبتانبساط مواد کاغذی، کاملاً خودکار، کاربرپسند و زمانکارآمد است و امکان انجام ۳۰ آزمایش مستقل رطوبتانبساطی بهصورت همزمان را فراهم میکند. این دستگاه به تولیدکنندهی بخار رطوبتی (Moisture Generator) متصل است که میتواند رطوبت محیط را برنامهریزیشده و کنترلشده تغییر دهد تا شرایط مختلف رطوبتی شبیهسازی شوند.
در فرانسه، شرکت Techpap SAS دستگاهی با نام Varidims Expansimeter تولید میکند (نشاندادهشده در شکل ۱۰). از نظر ظاهری، اتاقک رطوبتی دستگاه Varidims مشابه دستگاه Neenah است، اما تفاوت آن در استفاده از گیرههای مغناطیسی و مبدلهای LVDT برای اندازهگیری تغییرات رطوبتانبساطی است.
دستگاه Varidims قادر است آزمونهای متنوعی برای اندازهگیری خواص انبساطی کاغذ انجام دهد. این سیستم میتواند بهطور پیوسته تغییرات ابعادی تا ۱۰ نوار کاغذی را در اتاقک کنترلشده با رطوبت نسبی بین ۱۵٪ تا ۹۰٪ اندازهگیری کند.
این دستگاه توسط رایانه کنترل میشود و دادهها را ذخیره میکند تا کاربر بتواند بهراحتی آنها را تحلیل کند. همچنین نقاط تنظیم (Set Points) و مدت زمان آزمایش همراه با میزان رطوبت ثبت میشود.
نتایج میتوانند بهصورت جدول یا نمودار نمایش داده شوند و تمام دادههای خام قابل انتقال به اکسل هستند. افزون بر این، دستگاه قادر است مدول یانگ (Young’s Modulus) را برای سنجش الاستیسیته نمونه در سطوح مختلف رطوبت محاسبه کند.
در نهایت، روش دیگری به نام OPTIDIM برای اندازهگیری رطوبتانبساط معرفی شده است. در این روش، نمونه بهصورت صاف درون اتاقک رطوبتی قرار میگیرد و وزنههای شیشهای روی آن گذاشته میشود تا صاف بماند.
اندازهگیریهای ابعادی در این روش با استفاده از دوربین CCD انجام میگیرد.
مدیاهای آبدوست و آبگریز بخش حیاتی سیستمهای فیلتراسیون در صنایع گوناگون محسوب میشوند. شناخت دقیق ویژگیهای شیمی سطح، انرژی سطحی، و رفتار قطرات مایع بر روی سطوح، در طراحی فیلترهای کارآمد ضروری است.
مدیای آبگریز، با جلوگیری از خیس شدن و نفوذ رطوبت، عملکرد فیلتر را در محیطهای مرطوب یا در تماس با سوخت بهبود میدهد، در حالیکه مدیای آبدوست برای کاربردهایی مانند فیلتراسیون مایعات و فرایندهای غشایی مناسبتر است.
فیلترهای کوالسر با ترکیب دو نوع مدیای عمقی و سطحی، توانایی جداسازی مؤثر آب از سوخت را فراهم میکنند و بهویژه در صنایع هوایی و دریایی اهمیت دارند.
بهعلاوه، بررسی مقاومت در برابر آب و رطوبت، آزمونهای هیدرواستاتیک، زاویه تماس و پایداری ابعادی، معیارهای کلیدی در ارزیابی عملکرد مدیای فیلتراسیون هستند.
در نهایت، انتخاب بهینهی مواد اولیه مانند الیاف شیشهای، پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE)، و رزینهای آبگریز، همراه با طراحی دقیق ساختار مدیا، میتواند به افزایش طول عمر، راندمان بالا و پایداری عملکرد فیلتر در شرایط عملیاتی گوناگون منجر شود.
[۱] U.S. Department of Energy, Nuclear Air Cleaning Handbook, Chapter 3: Filters for the Nuclear Industry. energy.gov, DOE-HDBK-1169-2003. [Online] U.S. Department of Energy, (2003)
[۲] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
