بررسی کلی فیلتراسیون با رویکردی دقیق تر به فیلتراسیون عمقی

در غربالگری سطحی، هر ذره ای که اندازه آن بزرگتر از منافذ محیط باشد، روی سطح رسوب می کند و تا زمانی که حذف شود در آنجا باقی می ماند. ذرات کوچکتر از منافذ، به سرعت از محیط عبور می کنند. این مکانیسم اصلی برای غربال نواری یا میله ای (اسکرین نواری) و پلاستیک تک رشته ای بافته شده ساده یا مش سیمی می باشد.

غربال گری عمقی نیز به طور کامل توسط اندازه یا شکل ذرات کنترل می شود. برای مدیاهای فیلتری که در مقایسه با قطر منافذشان نسبتاً ضخیم هستند، ذرات در امتداد منافذ حرکت می کنند، تا زمانی که به نقطه ای برسند که منافذ به اندازه ای کوچک شوند که ذره نتواند بیشتر پیش برود، و در نتیجه به دام می افتد. به بیان دقیق تر، غربالگری عمقی باید از فیلتراسیون عمقی متمایز شود. هر دو جایی در طول منافذ رخ می دهد. اگر چه، در فیلتراسیون عمقی حتی اگر قطر ذره کوچکتر از منافذ در آن نقطه باشد، می تواند در عمق محیط به دام ‌افتد. که چنین رفتاری شامل ترکیب پیچیده ای از مکانیسم های فیلتراسیون است.

ذرات ابتدا در اثر نیروهای اینرسی یا هیدرولیکی یا تحت حرکت براونی (مولکولی) با دیواره منافذ (یا بسیار نزدیک به آن)، در تماس قرار می گیرند. سپس با استفاده از نیروهای واندروالس و سایر نیروهای سطحی به دیواره منافذ یا به ذره دیگری که قبلاً به دام افتاده است، متصل می شوند. بزرگی و کارایی این نیروها ممکن است تحت تأثیر تغییرات عواملی مانند غلظت و گونه‌های یون‌ موجود در یک محلول آبی یا میزان رطوبت یک گاز باشد. این مکانیسم برای اکثر مدیاها مهم است، اما برای فیلترهای هوا با راندمان بالا و فیلترهای بستر عمیق (شنی) به صورت ویژه اهمیت دارد.
فرآیند کیک فیلتراسیون با تشکیل لایه ای از ذرات بر روی سطح محیط فیلتر آغاز می شود. که منافذ بزرگتر توسط گروهی از ذرات کوچکتر که ساختار پل مانندی ایجاد می‌کنند، ایجاد می‌شوند. روی این لایه، یک کیک از ذرات انباشته می شود تا به عنوان محیط فیلتر در فیلتراسیون بعدی عمل کند.
در واقع این تعاریف تأکید می‌کنند که مکانیسم‌های فیلتراسیون می توانند منجر به دام افتادن ذرات بسیار کوچک‌تر از اندازه منافذ موجود در محیط فیلتر شوند. مکانیسم واقعی یا ترکیبی از مکانیسم‌های مربوط به هر نمونه خاص، به ویژگی‌های مدیا و سوسپانسیون فیلتر شده بستگی دارد.
اگر محیط فیلتر با توجه به قطر الیاف یا ذرات آن دارای ضخامت زیاد باشد، جداسازی ذرات معلق از سیال هم از طریق غربال گری عمقی و هم فیلتراسیون عمقی انجام می شود و تفاوتی بین آنها وجود ندارد. بر این اساس، اصطلاح “فیلتراسیون عمقی” برای مکانیسم ترکیبی به کار می رود و در واقع معنایی است که در این مقاله از آن استفاده می شود.

شفاف سازی
دو هدف اصلی برای فیلتر کردن وجود دارد: مورد اول بازیابی مواد جامد معلق در سیال در حال فیلترشدن، تا حد امکان تغلیظ شده ، و دیگری حذف هر جامد معلق از یک سیال، می باشد. (اگرچه مطلوب است که هر دو هدف با هم محقق شوند). فرآیند بازیابی معمولاً با سوسپانسیون های نسبتاً غلیظ سروکار دارد، و از طریق فرآیند تشکیل کیک فیلتراسیون انجام می شود. از طرف دیگر، فرآیند شفاف سازی معمولاً شامل حذف آلاینده ها از مایع اولیه شامل مواد جامد معلق در غلظت های نسبتاً کم است.

در واقع وظیفه اصلی فیلتراسیون عمقی، شفاف سازی است، که مکانیسم آن به صورت قابل توجهی، با توانایی آن در حذف ذرات کوچکتر از میانگین قطر منافذ در محیط فیلتر مرتبط است. یکی از ویژگی های مهم فیلترهای شفاف کننده توانایی آنها در نگهداری مقدار قابل توجهی از مواد جامد به دام افتاده قبل از مسدود شدن یا نیاز پیدا کردن به تمیز یا تعویض کردن است. این هدف با چین‌ دار کردن مدیا یا تغییر در ترتیب قرار دهی لایه ها محقق می شود. به گونه ای که بیشترین سطح ممکن از محیط را بتوان در حجم محفظه فیلتر قرار داد.

فیلترهای عمقی با استفاده از ضخامت مدیای خود، اغلب با اندازه‌ ی منافذی که در جهت جریان سیال کوچک‌تر می‌شوند، قابلیت نگهداری آلاینده ها را به دست می‌ آورند، به طوری که ابتدا ذرات درشت‌تر به دام می‌ افتند.این موضوع در رابطه با دو نوع فیلتر عمقی از جمله فیلتر بستر عمیق (یا شنی) و محیط فیلتر با ضخامت بالا، بسیار متفاوت می باشد.
هر فیلتر شفاف کننده (به غیر از انواع خود تمیز شونده) در نهایت پر از جامدات به دام افتاده هستند. که در این مرحله فیلتر باید با شستشوی معکوس یا شیمیایی تمیز، و یا تعویض شود.

تجهیزات فیلتراسیون عمقی
دو نوع فیلتر عمقی وجود دارد که قبلاً ذکر شد. که از نظر ساختار، کاربرد و روش تمیز کردن بسیار متفاوت هستند.

فیلتر بستر عمیق
فیلتر بستر عمیق، همانطور که از نامش پیداست، شامل فیلتراسیون عمودی از طریق یک بستر دانه بندی شده از مواد دانه ای یا فیبری است که ارتفاع آن به طور قابل توجهی بیشتر از ضخیم ترین مدیای فیلترهای پیوسته است. این فیلتر معمولا با فیلتر شنی معمولی شناخته می شود. فیلتر شنی آب با عمق تا یک متر را در حالی که از بستر ماسه ای درجه بندی شده عبور می کند، با مکانیسم های فیلتراسیون عمقی شفاف می نماید.

بسیاری از مواد مختلف دانه ای و خرد شده برای تشکیل بسترهای عمیق به کار رفته در فیلترهای گرانشی و فشار بالای رایج در صنایع تصفیه آب و تصفیه فاضلاب استفاده می شوند. علاوه بر ماسه، که کلاسیک ترین و رایج ترین ماده است، سایر مواد مورد استفاده عبارتند از: گارنت ، ایلمنیت ، آلومینا، مگنتیت، آنتراسیت و کوارتز. همچنین از کک و پوکه نیز استفاده می شود. اما به دلیل تخلخل، تمیز کردن آنها مشکل ساز است و در نتیجه خطر تکثیر بی رویه باکتری ها را به همراه دارد.

به طور معمول، دو نوع اصلی از فیلترهای شنی “آهسته” و “سریع” وجود دارد، که با جریان گرانشی به سمت پایین از طریق یک بستر عمیق ۰.۶-۱.۰ متر عمل میکنند. فیلترهای شنی آهسته با سرعت ۰.۱ تا ۰.۲ متر در ساعت از طریق یک بستر عمل می‌کنند. آنها در واقع تا حد زیادی از طریق غربال کردن بین لایه بیولوژیکی که روی سطح بستر تشکیل می شود، کار میکنند. که معمولا حذف کامل این لایه بدون ایجاد مشکلی برای بقیه بستر صورت می گیرد.
فیلترهای شنی سریع با سرعت ۵ تا ۱۵ متر در ساعت، و از طریق فیلتراسیون عمقی در بستر عمل می‌کنند. آنها به طور مکرر با توقف فرآیند تمیز می شوند و به دنبال آن یک جریان معکوس آب شستشو در جهت بالا با سرعتی که بستر منبسط می شود تزریق می‌شود و ذرات آلاینده به دام افتاده را آزاد می کند. این جریان تمیز کننده ممکن است با محرک هایی از جمله تزریق هوای فشرده در زیر بستر یا برخورد جت های هیدرولیک به سطح، افزایش یابد. این فرآیند تمیز کردن یک اثر ثانویه مهم دارد، که طبقه‌بندی مجدد دانه‌های بستر بر اساس تأثیر ترکیبی اندازه و چگالی آنها است. به طوری که بستر شسته شده از ریزترین در بالا تا درشت‌ترین در پایین بستر درجه‌بندی می‌ شود.
نوع دیگری از فیلترهای بستر عمیق فیلتر های شنی سریع هستند. از جمله مدل های تحت فشار و جریان رو به بالا به طوری که آب ورودی ابتدا با درشت ترین دانه ها و در آخر با ریزترین دانه ها مواجه می شود. این بسترها نیز با یک جریان رو به بالا در حال انبساط شسته می شوند و پساب آلوده به طور جداگانه خارج می گردد.
فیلترهای چند لایه با فیلتراسیون جریان رو به پایین معمولی، نتایج یکسانی با استفاده از بسترهای شامل دو یا چند ماده با چگالی متفاوت به دست می‌آورند، به طوری که طبقه‌بندی هیدرولیکی حاصل از تمیز کردن، ذرات ریزتر و متراکم‌تر را روی (بالای) ذرات درشت‌تر و کم‌چگال‌تر قرار می‌ دهد.
مدرن ترین نسخه فیلتر شنی سریع از یک بستر متحرک شنی استفاده می کند، که به موجب آن هم فیلتراسیون و هم تمیز کردن، به صورت مداوم و همزمان انجام می شوند. شواهد اخیر (از EPA ایالات متحده) نشان می دهد که چنین فیلترهایی می توانند به اندازه کارخانه های فیلتراسیون غشایی در حذف پاتوژن هایی مانند کریپتوسپوریدیا و ژیاردیا از آب آشامیدنی موثر باشند.
فیلتر بستر عمیق عمدتاً برای جریان‌های آب آلوده با مقیاس بالا استفاده می‌ شود، اما فیلترهای بستر متحرک برای تصفیه گازهای خروجی داغ و غبارآلود استفاده می‌شوند، به همین منظور رقیب قوی فیلترهای شمعی سرامیکی هستند.

فیلترهای با مدیای عمیق (ضخیم)
شکل دیگر فیلتر عمقی عمدتاً از یک فیلتر کارتریجی ، به شکل استوانه ای (برای قرار گرفتن در یک مخزن استوانه ای شکل) تشکیل شده است. این کارتریج ممکن است یا یک استوانه از مواد متخلخل ضخیم، یا شکلی مشابه این داشته باشد. که با قرار دادن یک لایه ضخیم از مواد متخلخل بر روی یک هسته استوانه‌ای شکل ایجاد می‌شود، یا فرمت کاملاً متفاوتی که با چسباندن مجموعه‌ای از دیسک ها به هم ایجاد می‌شود. دیسک‌ هایی که هر کدام از دو لایه دایره‌ای مواد ضخیم ساخته شده‌ اند و در لبه بیرونی خود به هم چسبیده‌اند.
ماده ای که چنین کارتریج هایی از آن ساخته می شوند، شامل طیف بسیار گسترده ای از مواد طبیعی و مصنوعی است. از جمله میتوان به یک نمد به‌صورت خود چسبیده ، پشم‌های بی بافت با پیوند حرارتی ، یا استوانه قالب‌گیری شده که با رزین پیوند داده شده اند، اشاره نمود . الیاف پایه ممکن است فلزی، شیشه ای یا سرامیکی و همچنین آلی باشد و همه این مواد ممکن است قبل از پیوند حرارتی (sintering) یا پیوند با رزین به صورت گرانول استفاده شوند. به‌طور فزاینده‌ای، از انواع مواد مدرن بی بافت ساخته‌شده از ترموپلاستیک‌های اکسترود شده، که مستقیماً از فرآیند اکستروژن که روی یک هسته اعمال می‌شود، برای ایجاد لایه‌ای با ضخامت دلخواه، استفاده می شود.
این کارتریج همچنین ممکن است از یک نخ پیوسته چند رشته ای با زاویه ای در اطراف یک هسته ساخته شود به صورتیکه یک محیط مارپیچی ایجاد کند. از طرف دیگر ممکن است، ورقه های ضخیم از مواد بافته شده، نبافته یا چسبانده شده، بریده شوندو دور یک هسته پیچیده و سپس در لبه بلند به هم متصل شوند.
با این حال، صرف نظر از نحوه ساخت محیط فیلتر عمقی، می‌توان با انتخاب مناسب اندازه و شکل الیاف یا دانه (گرانول)پایه، بازدهی مناسب فیلتراسیون، مقاومت جریان و ظرفیت نگهداری آلاینده ها مورد نیاز را در المنت فیلتر ایجاد کرد.

کاربردها

همانطور که قبلاً اشاره شد، عملکرد فیلتر عمقی عمدتاً حذف مقادیر کمی از مواد معلق ناخواسته از جریان سیال است – در جایی که یک سیال ممکن است محصول یا خوراک یک فرآیند باشد. یا جریان پسماند که باید قبل از تخلیه در محیط تمیز شود. به ندرت اتفاق می افتد که جامد جدا شده چیزی غیر از مواد زائد باشد (که امیدواریم مقدار آن قبل از رسیدن به فیلتر عمقی به حداقل برسد)، به طوری که فرآیند تمیز کردن المنت فیلتر به گونه ای طراحی می شود که تا جای ممکن المنت ویژگی های فیلتراسیون اولیه خود را بدست آورد. و معمولا هدف از فرایند تمیز کردن بازیابی جامدات انباشته شده نیست.
در مورد فیلترهای بستر عمیق، کاربرد آنها عمدتا در شفاف سازی آب آشامیدنی و فرآیندی است.
معمولا در تصفیه فاضلاب ها قبل از تخلیه، هم در فرایند های تصفیه شهری و هم در سایت های صنعتی، مورد استفاده قرار میگیرند. البته برای تمیز کردن گازهای داغ خروجی هم قابل توجه است. اما در هیچ کجا قابل مقایسه با استفاده برای تصفیه آب نیست.
فیلترهای با مدیای ضخیم تقریباً در هر فرآیند صنعتی، عمدتاً (و نه کاملا)، در تمیز کردن مایعات استفاده می شوند. آنها برای حفظ یکپارچگی سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک، همچنین برای تمیز کردن مایع خنک کننده ماشین ابزارها استفاده می شوند. در طیف گسترده ای از کاربردهای دیگر ، فیلترهای با مدیای ضخیم (عمیق) شفافیت مایع مورد نیاز را به عنوان خوراک فرآیندهای غشایی، محصولات غذایی و نوشیدنی، مواد شیمیایی با کیفیت و بخش های لوازم آرایش فراهم می کنند.

بیوتکنولوژی
در اکثر فرآیندهای تولید بیوشیمیایی، فرآیند تخمیر محصول ارزشمندی را تولید می‌کند، که در طول واکنش از سلول تراوش می‌شود، یا پس از واکنش در سلول باقی می‌ماند. پس از اینکه ذرات بزرگتر، معمولاً با سانتریفیوژ، قبل یا بعد از شکستن دیواره سلولی جدا می شوند، یک فرایند شفاف‌سازی حیاتی باید روی سوسپانسیون‌های بسیار گرانقیمت انجام می گیرد. ثابت شده است که فیلترهای عمقی در این مورد بسیار مناسب هستند، و این امکان را فراهم می‌کنند که محصولات تخمیر به سرعت، به نظم و با نرخ تولید بالا آماده شوند. آنها همچنین در تهیه خوراک مختلف برای بیوراکتورها مهم هستند. محدوده فیلترهای عمقی، که به عنوان پیش فیلتر استفاده می شوند، بسیار گسترده است.
یک پیشرفت مهم در این بخش حرکت به سمت فیلترهای یکبار مصرف است. تا از هر گونه خطر آلودگی متقابل جلوگیری شود. این به هزینه های اعتبارسنجی فرآیند کمک زیادی می کند، زیرا تضمین می کند که هر بار فیلترهای استریل استفاده می شود. از نظر اقتصادی، هزینه های استفاده از فیلترهای یکبار مصرف در فرآیند های بیوتکنولوژی در مقایسه با صرفه جویی در فرآیند ناچیز است.

[۱] Ken Sutherland

[۲] cross-flow filtration

۱ Derek B Purchas and Ken Sutherland, Handbook of Filter Media (2nd Edition), Elsevier Advanced Technology (2002).
۲ Mahesh Prashad & Klaus Tarrach (2006), Filtration+Separation, 43, September, 28–۳۰.
۳ Mandar Dixit & Ulrich Bräutigam (2007), Filtration+Separation, 44, July/August, 24-6.

لینک مقاله:

https://www.filtsep.com/content/features/filtration-overview-a-closer-look-at-depth-filtration