فیلترها ابزارهای کلیدی در جداسازی ذرات از سیالات هستند و رتبهبندی آنها نقشی اساسی در انتخاب مناسب برای کاربردهای مختلف ایفا میکند. در این مقاله، مفاهیم و روشهای مختلف رتبهبندی فیلترها شامل رتبهبندی مطلق، اسمی، میانگین، نسبت بتا و رتبهبندی میکروبی بررسی شده است. همچنین پارامترهای مؤثر بر عملکرد فیلتر مانند افت فشار، سازگاری شیمیایی، استحکام مکانیکی، پایداری دمایی و ویسکوزیته مورد بحث قرار گرفته است. تأثیر شکل ذرات، مکانیسمهای جذب، و تفاوت میان شرایط آزمون و شرایط عملیاتی به عنوان عواملی مهم در تفسیر صحیح رتبهبندیها معرفی شدهاند. استانداردهای بینالمللی نظیر ISO، ASTM، European Norm و ASHRAE چارچوب آزمونهای رتبهبندی را تعیین میکنند. در پایان، رتبهبندی میکروبی با تأکید بر مفاهیمی مانند مقدار کاهش لگاریتمی (LRV) و کاربرد آن در صنایع حساس (مانند داروسازی) تشریح شده است.
فیلترها اغلب بر اساس عملکردشان در حذف ذرات با اندازه مشخص از یک سیال، رتبهبندی میشوند، به ویژه فیلترهایی که برای حذف آلایندهها استفاده میشوند (اگرچه رتبهبندی مدیاهای مورد استفاده برای فیلتراسیون کیک به این روش بسیار کمتر رایج است، زیرا جذب ذرات در کیک بر عملکرد کلی غالب است). از آنجایی که روشهای مختلفی برای مشخص کردن عملکرد وجود دارد که بسته به کشور یا صنعت متفاوت است، حیاتی است که هرگونه رتبهبندی کمی فیلتر با توضیح واضحی از روشها و استانداردهای آزمون مربوطه همراه باشد. این استانداردهای آزمون معمولاً دستگاه، نوع گرد و غبار (یا آئروسل) و شرایط مورد استفاده را به تفصیل مشخص میکنند. نمونهها شامل سازمان بینالمللی استاندارد (ISO)، انجمن مواد و تست آمریکا (ASTM)، استاندارد اروپایی (European Norm)، و انجمن مهندسان گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) هستند.
برخلاف سوسپانسیونهای آزمایشی که بهطور ویژه آماده شدهاند، بیشتر سوسپانسیونهای واقعی حاوی ذراتی با طیف وسیعی از اندازهها، چگالی، شکل، بارهای سطحی و سایر خواص فیزیکی هستند و راندمان حذف، مصالحهای بین مقدار جامد مجاز عبور کرده از فیلتر و انرژی مورد نیاز برای جذب بقیه است (یعنی ظرافت مدیا، که مصرف انرژی فیلتر و در نتیجه بخش بزرگی از هزینه عملیاتی را تعیین میکند).
همچنین درک خوب مکانیسمهای احتمالی جذب ذرات بسیار مفید است، زیرا آنها میتوانند مسیری برای بهینهسازی یا تشخیص انحراف از عملکرد بهینه ارائه دهند. علاوه بر اندازهگیری ساده جذب ذرات، مدیاهای فیلتر باید از نظر تمایلشان به رها کردن ذراتی که از قبل جذب شدهاند و به عنوان مثال، ظرفیت کلی نگهداری گرد و غبار آنها نیز ارزیابی شوند. این قابلیتها نیز در بسیاری از استانداردها گنجانده شدهاند.
علاوه بر عملکرد به عنوان فیلتر، فیلترها و دستگاههای فیلتراسیون باید برای عوامل مختلف دیگری نیز رتبهبندی شوند، از جمله:
علاوه بر این، فیلترهای مورد استفاده در تولید غذا یا دارو باید مطابق با استانداردهای دیگری از جمله ایمنی و مناسب بودن برای تولید غذا یا دارو گواهی شوند. واضح است که فیلتری که ۱۰۰% از محدوده اندازه ذرات را حذف میکند و تمام الزامات دیگر را برآورده میسازد، اما مواد شیمیایی مضر را از مواد خود به دارو نشت میدهد، برای این منظور مناسب نیست.
بیانیهها یا اعلامیههای مربوط به برخی یا تمام موارد فوق در مستندات محصول گنجانده خواهد شد.
با توجه به اینکه یک فیلتر ممکن است نتواند تمام جامدات معلق را حذف کند، با این وجود نقطهای برای حذف اندازه ذرات وجود دارد که بالاتر از آن هیچ ذرهای نباید از فیلتر عبور کند. بنابراین، نقطه حذف به قطر، که معمولاً بر حسب میکرومتر (µm یا به سادگی میکرون) بیان میشود، بزرگترین ذرهای است که از فیلتر عبور میکند. اگرچه این لزوماً کوچکترین ذرهای نیست که توسط فیلتر حفظ میشود، زیرا ذرات کوچکتر به احتمال زیاد، به عنوان مثال، از طریق مکانیزمهای جذب سطحی که قبلاً توضیح داده شد، حفظ میشوند.
اگر مدیای فیلتر دارای اندازه یا دهانه منفذی دقیق و یکنواخت باشد، آنگاه این نقطه حذف را میتوان “رتبهبندی مطلق” نامید. با این حال، بیشتر مدیای واقعی دارای اندازههای منفذ دقیقاً یکنواخت نیستند.
شکل ذرات در یک سوسپانسیون در واقع میتواند تأثیر قابل توجهی بر اثربخشی رتبهبندی شده فیلتر داشته باشد. یک ذره سوزنی شکل میتواند از منفذی با اندازهای بسیار کمتر از قطر اسمی ذره عبور کند، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. بنابراین، هر آزمون یا رتبهبندی مبتنی بر مهرههای کروی، اندازه ریزترین ذره حفظ شده توسط این مدیای فیلتر را مستقیماً به دست نمیدهد.
البته، وضعیت نشان داده شده در شکل ۱ نادر خواهد بود و شاید به مدیای فیلتراسیون سطحی محدود شود؛ با فیلتراسیون عمقی، احتمال عبور این نوع ذره نامنظم به حداقل میرسد. از آنجایی که وقوع نشان داده شده امری تصادفی است، استفاده از دو فیلتر یا لایههای جداگانه مدیا به صورت سری، این احتمال را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
مهم است که بدانیم رتبهبندی یک فیلتر همیشه تحت شرایط مرجع مشخصی ارائه میشود و تأمینکنندگان حداکثر فشار و جریان مجاز (به علاوه دما، pH و غیره) را ذکر میکنند. یک مدیای فیلتر لزوماً ساختاری ثابت و غیرقابل حرکت نیست؛ تحت شرایط خاص، ساختار آن و در نتیجه منافذ آن ممکن است به دلیل جریان یا فشار بیش از حد باز شود، یا ممکن است به دلیل تورم ناشی از جذب شیمیایی مواد، بسته شود.
وقوع منافذ پیوسته بزرگ نیز کاهش مییابد زیرا اکثر سیستمهای فیلتراسیون واقعی لایهای از کیک فیلتر ایجاد میکنند، حتی اگر بسیار نازک باشد. این مواد جامد نفوذپذیری مدیا را کاهش داده و راندمان فیلتراسیون را افزایش میدهند. این توضیح میدهد که چرا عملکرد یک فیلتر اغلب میتواند از رتبهبندی داده شده آن، بر اساس عملکرد یک المان تمیز، فراتر رود، اما همچنین چرا ارقام تست برای المانهای یکسان در شرایط تست متفاوت میتواند بسیار متفاوت باشد.
برخی از اشکال مدیاهای فیلتر، مانند کاغذ، نمد و پارچه بافته شده، ممکن است اندازه منفذ متغیری داشته باشند و بنابراین رتبهبندی مطلق ندارند. نقطه برش مؤثر عمدتاً توسط آرایش خاص منافذ و ضخامت مدیا تعیین میشود. عملکرد ممکن است سپس بر اساس یک نقطه برش اسمی یا رتبهبندی اسمی توصیف شود.
میتوان استدلال کرد که اصطلاح «رتبهبندی مطلق» در بیشتر موارد توصیف واقعبینانهای نیست. به طور دقیق، یک رتبهبندی مطلق، همانطور که از نامش پیداست، مطلق است و هیچ ذرهای بزرگتر از آن رتبهبندی نمیتواند از فیلتر عبور کند. این امر نوع مدیاهایی را که میتوانند رتبهبندی مطلق داشته باشند به آنهایی با اندازه منفذ ثابت محدود میکند که قادر به حفظ ۱۰۰٪ ذرات هستند. همچنین احتمال دارد که رتبهبندی مطلق، از نظر اطمینان، نیاز به بالاتر از میانگین مشاهده شده عملی یا رتبهبندی اسمی باشد. حتی با اندازههای منفذ یا بازشدگیهای ثابت، یک رتبهبندی مطلق در صورتی که بر اساس کوچکترین بعد یک بازشدگی غیر دایرهای مانند مربع، مثلث یا مستطیل باشد، واقعبینانه نیست.
تفاوتهای قابل توجهی بین عملکرد واقعی و رتبهبندیهای ذکر شده نیز ممکن است به دلیل تفاوت بین شرایط سرویس و تست رخ دهد. تستهای عملی برای تعیین رتبهبندیها به طور معمول با غلظتهای بالای ذرات معلق انجام میشود که به دلیل اثر کیک فیلتر، منجر به راندمان بالاتر فیلتر میشود. در واقع، بسیاری از تستها ممکن است تحت شرایط نزدیک به گرفتگی فیلتر انجام شوند، در حالی که در عمل، فیلتر ممکن است برای مدت طولانی با مایعات نسبتاً تمیز و در حالت بارگذاری سبک کار کند، زمانی که راندمان آن به مراتب کمتر است. یک رتبهبندی مطلق واقعی برای پیشبینی عملکرد فیلتراسیون تحت این شرایط ضروری است.
در نهایت، معمول است که مدیاهای فیلتر بر اساس تمایل آنها به آب یا مایعات دیگر توصیف شوند. به عنوان مثال، در کاربرد دارویی، فیلترهای آبگریز (هیدروفوبیک) باید برای تهویه (برای جلوگیری از ورود آلودگی به داخل مخزن) استفاده شوند. اگر از یک فیلتر آبدوست (هیدروفیلیک) استفاده شود، منافذ ممکن است با آب پر شوند و از عبور گاز به داخل مخزن جلوگیری کنند، که منجر به خلاء القایی و احتمالاً فروپاشی مخزن میشود.
یک رتبهبندی اسمی، مقداری اختیاری برای عملکرد یک فیلتر است که توسط سازنده فیلتر تعیین میشود و بر اساس درصد حذف یک آلاینده مشخص (معمولاً دانههای کروی شیشهای) با اندازهای معین بیان میشود. این مقدار همچنین نشاندهنده یک راندمان اسمی برای فیلتر است. ارقامی که معمولاً ذکر میشوند در سطح ۹۰٪، ۹۵٪ یا ۹۸٪ حذف اندازه ذره مشخص شده هستند. بسیاری از تولیدکنندگان فیلتر از چنین آزمایشهایی استفاده میکنند، اما عدم یکنواختی و تکرارپذیری باعث شده است که این معیار کمتر مورد استفاده قرار گیرد.
تغییرات میتواند بسیار زیاد باشد. به عنوان مثال، یک المنت نمدی با رتبهبندی اسمی ۳۰ میکرومتر ممکن است ۲۰ تا ۴۰ درصد ذرات با این اندازه را عبور دهد. در عین حال، ممکن است بخش قابل توجهی از ذرات بسیار کوچکتر را نیز حفظ کند. البته این حفظ ذرات کوچکتر همیشه اتفاق میافتد و مقدار واقعی آن به طراحی المنت بستگی دارد.
میانگین رتبهبندی فیلتر
میانگین رتبهبندی فیلتر اندازهگیری میانگین اندازه منفذ یک المنت فیلتر است. این رتبهبندی بسیار معنادارتر از رتبهبندی اسمی فیلتر است و در مورد المنتهای فیلتر با اندازههای منفذ متغیر، واقعیتر از رتبهبندی مطلق است. این رتبهبندی اندازه ذرهای را که فیلتر از آن به بعد مؤثر واقع میشود، تعیین میکند و با استفاده از تست نقطه حباب، نسبتاً آسان تعیین میشود.
رتبهبندی اسمی یک فیلتر را میتوان با این عدد راندمان بیان کرد. با درصد بیان میشود و مستقیماً از تعداد ذرات قابل محاسبه است:
مخصوص یک اندازهی ذرهی معین، که در آن Ex راندمان ذرات میکرومتر است و Nu و Nd به ترتیب تعداد ذرات (یا به طور جایگزین، جرم در واحد حجم سیال) در بالادست و پاییندست فیلتر هستند. این مورد در کل محدودهی اندازهی ذرات، تا مقدار برش مطلق (absolute cut-off value) اعمال میشود، که در آن نقطه تعداد ذرات خروجی باید صفر باشد و راندمان ۱۰۰٪. در هر سطح اندازهی ذرهی کوچکتر از برش مطلق، راندمان لزوماً باید کمتر از ۱۰۰٪ باشد.
روش کلاسیک تعیین راندمان فیلتر، تست چالش مهره (bead challenge test) است، اگرچه اشکال استاندارد دیگر ذرات آزمایشی نیز وجود دارند.
نسبت بتا یک سیستم رتبهبندی است که با هدف ارائه یک مقایسه دقیق و قابلاعتماد میان مدیاهای مختلف فیلتر به هر دو گروه سازندگان فیلتر و کاربران فیلتر معرفی شده است. این نسبت تمایل دارد درجه جداسازی را در راندمانهای بالاتر فیلتر بهتر نشان دهد؛ برای مثال، یک راندمان فیلتر برابر با ۹۹.۵٪ دارای نسبت بتای ۲۰۰ است، در حالی که راندمان ۹۹.۹٪ دارای نسبت بتای معادل ۱۰۰۰ میباشد.
نسبت بتا بهصورت نسبت تعداد ذرات در واحد حجم، بزرگتر از یک اندازه مشخص x، در سوسپانسیون موجود در بالادست فیلتر، به همان پارامتر در جریان پاییندست فیلتر تعریف میشود، و این مقدار در یک دستگاه آزمایشی تعیین میگردد که شمارش دقیق ذرات را در دو ناحیه جریان امکانپذیر میسازد. بنابراین نسبت بتا بهصورت زیر است:
که در آن نسبت بتا برای ذرات بزرگتر از x میکرون، تعداد ذرات در واحد حجم، بزرگتر از x میکرون، در بالادست، و تعداد ذرات در واحد حجم، بزرگتر از x میکرون، در پاییندست است.
از این رابطه نتیجه میشود که هرچه مقدار نسبت بتا بالاتر باشد، ذرات بیشتری با اندازه مشخص یا بزرگتر، توسط فیلتر نگه داشته میشوند. راندمان فیلتر در این اندازه ذره با نسبت بتا بهصورت زیر مرتبط است:
یک مورد خاص مهم از تصفیه مربوط به حذف آلایندههای میکروبی به منظور تولید مایع استریل است. استفاده از غشاهای با رتبهبندی ۰.۲ میکرومتر به طور کلی در صنایع حساس به عنوان یک روش رضایتبخش برای دستیابی به استریلیتی، که با تست چالش باکتری یا قارچ نشان داده شده است، در نظر گرفته میشود. یک تست چالش معمولی از Brevundimonas diminuta (که با نام Pseudomonas diminuta یا ATCC 19146 نیز شناخته میشود) به عنوان میکروب برای به چالش کشیدن فیلتر، تحت شرایط تست استاندارد استفاده میکند.
یک روش استاندارد برای بیان رتبهبندی میکروبی فیلتر، مقدار کاهش لگاریتمی، یا LRV است. این به عنوان لگاریتم (مبنای ۱۰) نسبت کل تعداد باکتریها در سوسپانسیون چالش به تعداد مربوطه در مایع فیلتر شده تعریف میشود، زمانی که فیلتر تحت چالش خاصی قرار میگیرد. به طور کلی، یک فیلتر برای استفاده استریلکننده مناسب در نظر گرفته میشود اگر خروجی آن فاقد باکتری در چالشی به میزان ۱۳۱۰۷ ارگانیسم در سانتیمتر مربع از مساحت مؤثر فیلتر (EFA) باشد. مفهوم LRV البته میتواند برای فیلتراسیون غیر از ۰.۲ میکرومتر (یا حتی برای انواع دیگر جداسازی) اعمال شود، مشروط بر اینکه تست با بار میکروبی طبیعی مایع، یا با یک باکتری با اندازهی مناسب انجام شود. (ارگانیسمهای دیگر، مانند Acholeplasma laidlawii، Serratia marcescens، Lactobacillus plantarum، Saccharomyces cerevisiae، Candida albicans، به ترتیب تقریبی اندازه، ممکن است برای رتبهبندی استفاده شوند.)
به عنوان مثال از محاسبه LRV، یک دیسک استاندارد ۲۹۳ میلیمتری قطر از غشا یا مدیای فیلتر را در نظر بگیرید که در یک نگهدارنده غشا نصب شده است و EFA به مساحت ۴۶۸ سانتیمتر مربع را فراهم میکند. این سپس با سوسپانسیون باکتریایی معادل ۱۳۱۰۷ ارگانیسم در سانتیمتر مربع به چالش کشیده میشود و برای تعیین تعداد باکتریها ارزیابی میشود. کل تعداد ارگانیسمها در چالش ۴۶۸۳۱۳۱۰۷، یا ۴.۶۸۳۱۰۹ است.
طبق تعریف، تعداد ایدهآل ارگانیسمها در فیلتر صفر است، اما این نسبت را بینهایت بزرگ میکند، بنابراین معمول است که عدد ۱ را برای این عبارت وارد کرد (و عبارت LRV را به ‘بزرگتر از’ تغییر داد). نسبت سپس ۴.۶۸۳۱۰۹ میشود که لگاریتم آن ۹.۶۷ است و LRV سپس گفته میشود که بزرگتر از ۹.۶۷ است.
رتبهبندی فیلترها مفهومی چندبعدی است که صرفاً بر اساس اندازه منفذ یا درصد حذف ذرات قابل تعریف نیست. انتخاب یک فیلتر مناسب نیازمند درک جامعی از روشهای آزمون، استانداردهای مرجع، و شرایط واقعی عملیاتی است. رتبهبندی مطلق اگرچه ایدهآل به نظر میرسد، اما در بسیاری از مدیاهای واقعی به دلیل توزیع غیریکنواخت منافذ، تغییر شکل ذرات، و تأثیر کیک فیلتر قابل دستیابی نیست. رتبهبندی اسمی به دلیل عدم تکرارپذیری و وابستگی شدید به شرایط آزمون، کاربرد محدودتری یافته است. نسبت بتا به عنوان روشی دقیقتر و قابل قبولتر برای مقایسه مدیاهای مختلف، به ویژه در راندمانهای بالا، معرفی شده است. در کاربردهای حساس مانند تولید محصولات استریل، رتبهبندی میکروبی بر پایه چالش با میکروارگانیسمهای استاندارد (مانند Brevundimonas diminuta) و معیار LRV مبنای تصمیمگیری است. در نهایت، آگاهی از محدودیتهای هر روش رتبهبندی و تطابق آن با نیازهای فرآیندی، کلید عملکرد موفق یک سیستم فیلتراسیون محسوب میشود.
[۱] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
