فیلتراسیون در فرایندهای تولید صنعتی

فهرست مطالب

چکیده

فیلتراسیون نقشی حیاتی در تضمین کیفیت، بازده (yield) و ایمنی در طیف گسترده‌ای از فرایندهای تولید صنعتی ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی کاربردهای فیلتراسیون در صنایع کلیدی از جمله الکترونیک (تولید آب فوق‌خالص و سیالات نیمه‌هادی)، فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی (ماءالشعیر، لبنیات، آبمیوه، ژلاتین)، صنعت کاغذ و خمیرکاغذ، نساجی، پردازش سطوح (چربی‌زدایی، آبکاری، فسفاته، آندایزینگ) و مایعات فلزکاری (خنک‌کننده‌ها و روان‌کننده‌ها) می‌پردازد. در هر بخش، منابع آلودگی، مشخصات فنی فیلترها (مانند اندازه منافذ، مواد سازنده، نرخ جریان)، و انواع فرایندهای غشایی شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس (RO) و الکترودیالیز (ED) تشریح شده است. نتایج نشان می‌دهد که انتخاب صحیح فیلتر بر اساس نوع سیال، میزان آلودگی و شرایط عملیاتی، مستقیماً بر بازده تولید، عمر تجهیزات، کاهش هزینه‌های عملیاتی و انطباق با استانداردهای زیست‌محیطی تأثیر می‌گذارد.

صنعت الکترونیک

کاربردهای حیاتی در صنعت الکترونیک شامل تولید آب فوق خالص (ultra-pure water) برای شستشوی مواد نیمه‌هادی (silicon chips) و پاک‌سازی سیالات شیمیایی (مایع و گازی) مورد استفاده در ساخت آن‌ها است. هدف واحد تولید آب فوق خالص برای ساخت نیمه‌هادی، تولید آبی تا حد امکان نزدیک به خلوص نظری است. کاربران آب فوق خالص باید تمام اقدامات لازم را برای اطمینان از اینکه فیلترهای انتخابی بالاترین استانداردهای کیفیت و عملکرد را دارند، انجام دهند.

هر سیالی که با سطوح مدار مجتمع (integrated circuit) تماس پیدا می‌کند، منبع بالقوه آلودگی است که بر بازده (yields) تأثیر می‌گذارد. به همین دلیل، فیلتراسیون این سیالات در نقطه مصرف (point of use) برای دستیابی به بازدهی بالا ضروری است.

در صنعت میکروالکترونیک سال ۱۹۷۷، سطح ناخالصی ۱۰ ذره در میلی‌لیتر (particles/ml) قابل قبول بود، اما امروزه سطحی به طور قابل توجهی کمتر از ۱ ذره در میلی‌لیتر مورد نظر است. سیالات با سطوح بالاتر از ۱ ذره در میلی‌لیتر می‌توانند بسیار مخرب باشند: ۱ نقص در هر سانتی‌متر مربع (defect/cm۲) روی یک ویفر VLSI می‌تواند باعث از دست رفتن بیش از ۸۰٪ بازده (yield loss) در هر ویفر شود.

حساسیت مدار مجتمع به آلودگی با کوچک‌تر شدن اندازه ترانزیستور افزایش می‌یابد. این بدان معنی است که برای هندسه‌های VLSI، ذرات ۰٫۱ میکرومتر منبع بالقوه نقص هستند و بنابراین بسیار مورد توجه هستند (در حال حاضر از وضوح دای ویفر ۲۲ نانومتر استفاده می‌شود).

منبع این آلاینده‌ها، سیالاتی هستند که در طول مراحل مختلف فرآیند با سطح ویفر تماس دارند. این سیالات شامل آب، مواد شیمیایی واکنش‌پذیر، گازها و فوتورزیست‌ها (photoresists) هستند که همگی در ساخت دستگاه استفاده می‌شوند. در این سیالات، طیف گسترده‌ای از جامدات نامحلول (ذرات معلق – particulates) وجود دارد که شامل کلوئیدهای پلیمری، سیلیس و آهن کلوئیدی، ذرات شیشه، الیاف و ذرات فلزی و معلق در هوا است. سطوحی که این ذرات بر ساخت دستگاه تأثیر می‌گذارند، به خود دستگاه، هندسه آن و فرآیند شیمیایی مورد استفاده بستگی دارد.

به عنوان یک قاعده، فیلترها باید به گونه‌ای اندازه‌گیری (sized) شوند که حداکثر میزان فیلتراسیون در کوچک‌ترین محفظه ممکن و با بالاترین سطح فیلتر در هر کارتریج در داخل محفظه انجام شود. کارتریج‌های فیلتر باید دارای سطح بزرگ، نرخ جریان (flow rate) بالا و افت فشار (pressure drop) پایین باشند. راه دیگر بیان این الزام برای بهینه‌سازی حذف ذرات و آلاینده‌ها این است که سرعت عبور سیال از سطح فیلتر (fluid face velocity) – حجم بر واحد سطح فیلتر شده – به حداقل برسد. به عنوان مثال، سرعت عبور سیال برای مایعات باید معمولاً کمتر از  از سطح غشاء (membrane area) نگه داشته شود.

فرآیند تولید ویفرها شامل علامت‌گذاری سطوح آن‌ها با مدارهای مورد نیاز به شکل فوتورزیست‌ها، اچ کردن (etching) سطح جایی که توسط فوتورزیست محافظت نشده است، و شستشوی آن پس از هر مرحله فرآیند می‌باشد.

اچ‌کننده‌ها (Etchants)

مواد شیمیایی مورد استفاده برای اچ کردن، اسیدهای خورنده مانند هیدروفلوئوریک، نیتریک و فسفریک هستند. مواد شیمیایی دیگر برای پاک‌سازی سطح ویفر و آماده‌سازی آن برای مرحله بعدی در فرآیند ساخت استفاده می‌شوند. تمام این مواد شیمیایی می‌توانند منابع بالقوه آلودگی ذره‌ای باشند. در رابطه با اچ‌کننده‌ها، دو منبع اصلی برای آلودگی ذره‌ای وجود دارد: فرآیند اچ کردن خود و منابع مرتبط با تحویل اسید به نقطه مصرف آن.

ذاتاً، اچ کردن یک فرآیند خودآلوده‌کننده است. در طی اچ کردن، اسیدها با مواد لایه نازک (thin film) که روی ویفر نمایان شده‌اند واکنش داده و این لایه را از سطح برمی‌دارند تا الگویی را در لایه، مطابق با نحوه قرارگیری فوتورزیست‌ها، ایجاد کنند. این فرآیند می‌تواند ذرات، کلوئیدهای معدنی و باقیمانده‌های واکنش (reaction residues) تولید کند.

ناخالصی‌های فلزی (کلوئیدها و ذرات) به دلیل توانایی‌شان در ادغام آسان در نواحی نمایان شده از طریق جایگزینی در شبکه بلوری، یا از طریق جذب شیمیایی (chemisorbed) به سطوح فعال، نگرانی ویژه‌ای هستند. سطوح ویفر به ویژه در طول فرآیندهای اچ کردن و پاک‌سازی در برابر جذب شیمیایی آسیب‌پذیر هستند. اسیدهای مورد استفاده برای این فرآیندها به طور مداوم سطوح فعال و واکنش‌پذیر شیمیایی تولید می‌کنند.

مشخصات فیلتر (Filter specifications)

فیلترهای مورد استفاده در فرآیندهای اچ کردن باید قادر به تحمل طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی خورنده، از اسیدهای قوی گرفته تا بازهای قوی یا حلال‌های قوی باشند. این فیلترها باید در شرایط عملیاتی با این طیف گسترده از مواد شیمیایی، سطح پایینی از مواد قابل استخراج (extractables) داشته باشند و نباید مستعد آزاد کردن الیاف باشند. خود فیلتر باید خودترشونده (self-wetting) باشد تا حمل و نقل آن آسان شود.

از آنجایی که فرآیند اچ کردن خود منبع آلودگی ذره‌ای است، محلول اچ‌کننده باید به طور مداوم فیلتر شود. چنین فرآیندهای غوطه‌وری (immersion processes) باید اجازه دهند تا اسیدهای عاری از آلودگی مجدداً گردش یابند (recirculated) و از فیلتر غشایی در نقطه مصرف (point-of-use) استفاده شود. گردش مجدد، پاک‌سازی مداوم زیر میکرومتری را برای به حداقل رساندن چسبندگی ذرات و کلوئیدهای حاوی فلزات مضر به سطوح فعال ویفر که توسط فرآیند اچ کردن ایجاد می‌شوند، تضمین می‌کند. فیلتر مورد استفاده در این فرآیند باید دارای نقطه برش (cut-point) ۰٫۲ میکرومتر ( ) باشد. به طور سنتی، PTFE برای ماده فیلتر واقعی استفاده شده است، اگرچه مواد پلی‌پروپیلن نیز در حال محبوبیت یافتن هستند.

فوتورزیست‌ها (Photoresists)

فیلتر کردن محلول فوتورزیست، که مایعی بسیار دشوار است، باید با استانداردهای دقیقی انجام شود تا از انتقال الگوها به لایه‌های نازک اطمینان حاصل شود. نه تنها فوتورزیست، بلکه حلال‌های مورد استفاده برای توسعه مقاومت (developing the resist) نیز باید فیلتر شوند.

آلاینده‌های ذره‌ای در فوتورزیست یا پلیمرهای حل نشده هستند یا زباله‌های تولیدی از فرآیند ساخت مواد شیمیایی فوتورزیست. فوتورزیست منفی از محصولات با وزن مولکولی بالا فرموله می‌شود که اغلب حل کردن و پاک کردن آن‌ها از سطح ویفرها دشوار است. فوتورزیست مثبت، به دلیل ماهیت خود، با گروه‌های بسیار فوتوراکتیو ناپایدار است. این گروه‌ها می‌توانند محصولات جانبی واکنش به همراه ژل‌های خودپلیمریزه (auto-polymerized gels) تشکیل دهند. این توده‌های ژل منبع سوراخ سوزنی (pinholing)، اعوجاج تصویر و تشکیل جزایر اکسیدی (oxide-island formation) در طول فرآیند اچ کردن هستند.

فیلتراسیون در نقطه مصرف (point-of-use) برای فوتورزیست‌ها ضروری است و باید در آخرین نقطه ممکن انجام شود. زیرا علاوه بر ناخالصی‌هایی که ممکن است در طول فرآیند لیتوگرافی نوری (photolithographic process) وجود داشته باشند یا تشکیل شوند، توزیع فوتورزیست نیز می‌تواند آلاینده‌های ذره‌ای را وارد کند. دستگاه‌های توزیع خودکار می‌توانند ذراتی را از پمپ‌ها، سوپاپ‌ها، نازل‌ها، لوله‌ها و باقیمانده فوتورزیست رسوب کرده روی این قطعات تولید کنند.

فیلترهای غشایی (Membrane filters) نیز برای این کاربرد توصیه می‌شوند، زیرا در حذف مقادیر قابل توجهی از پلیمرهای ژلاتینی و قابل تغییر شکل (gelatinous deformable polymers) همراه با ذرات سخت موجود در فوتورزیست بسیار کارآمد هستند. مانند مواد شیمیایی، اندازه منافذ پیشنهادی ۰٫۲ میکرومتر ( ) است.

یک پیش‌فیلتر (prefilter) باید قبل از فیلتر غشایی استفاده شود تا افت فشار هنگام فیلتر کردن از غشا کاهش یابد و در نتیجه اندازه محفظه مورد نیاز برای کارتریج‌های فیلتر کاهش یابد. این کار عمر سیستم فرآیند را افزایش داده و بار را از روی فیلتر غشایی که حذف ذرات ریزتر را انجام می‌دهد، برمی‌دارد. در مورد مواد شیمیایی مورد استفاده برای توسعه فوتورزیست‌ها، گردش مداوم و فیلتراسیون غشایی تکنیک‌های ارجح هستند. کنترل دقیق دما و جو باید حفظ شود. هوای فشرده و آب دو ابزار جداگانه اما ضروری در تولید قطعات و سیستم‌های الکترونیکی هستند.

پردازش مواد غذایی و آشامیدنی (FOOD AND BEVERAGE PROCESSING)

در سال ۱۹۱۶، ورقه‌های فیلتر استریل برای فیلتراسیون استریل در صنایع نوشیدنی و لبنی در دسترس قرار گرفتند. به زودی کاربردهای دیگری برای این ماده یافت شد، از جمله در پردازش واکسن‌ها، لوازم آرایشی، شکر، جوهر، فیلم و رنگ. امروزه، به دلیل سمیت آزبست، دیگر از آن در تولید ورقه‌های فیلتر استفاده نمی‌شود. تحقیقات قابل توجهی منجر به در دسترس قرار گرفتن ورقه‌های فیلتر بدون آزبست شده است که از الیاف سلولزی و مخلوطی از کیزلگور طبیعی (کلسینه نشده) و پرلیت استفاده می‌کنند. انواع دیگر ورقه‌ها نیز سیستم رزین پیشرفته‌ای را در خود جای داده‌اند.

تمام مواد غذایی و نوشیدنی‌ها باید با محصولاتی که از اجزای مطابق با مقررات بین‌المللی غذا و دارو برای استفاده در تماس با مواد غذایی ساخته شده‌اند، فیلتر شوند. استخراج رزین‌ها (binders) یا افزودنی‌های شیمیایی از فیلتر و مهاجرت اجزای مدیا فیلتراسیون به داخل غذا بسیار نامطلوب است، زیرا ممکن است طعم را تغییر داده یا بدتر از آن، ایمنی را تحت تأثیر قرار دهند. به طور کلی، یک کارتریج فیلتر بدون رزین و با اتصال حرارتی (thermally bonded) ترجیح داده می‌شود.

با این حال، فیلترهای غشایی اکنون برای وظایف شفاف‌سازی (clarification duties) در صنعت ماءالشعیرسازی استاندارد هستند و در سراسر کسب و کار مواد غذایی و آشامیدنی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کارتریج‌های فیلتر عمقی (Depth filter cartridges) می‌توانند مزایایی در هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی نسبت به فیلتراسیون ورقه‌ای سنتی با استفاده از فیلتر پرس صفحه و قاب (plate and frame filter press) ارائه دهند. فیلترهای تصفیه کننده (Polishing filters) اکنون ماءالشعیرهایی با شفافیت بالا و کدورت کم تولید می‌کنند. فیلترهای غشایی همچنین پایداری میکروبیولوژیکی ماءالشعیر را بدون نیاز به پاستوریزاسیون فراهم می‌کنند. بسته‌بندی آسپتیک (Aseptic packaging) از طریق فیلتراسیون از هزینه و تأثیر منفی طعمی پاستوریزاسیون جلوگیری می‌کند.

فیلترهای غشایی نسبت به عملیات حرارتی (پاستوریزاسیون) مزایای بسیاری دارند و باید از نظر فنی قادر به برآورده کردن مشخصات زیر باشند:

  • حفظ میکروارگانیسم‌های مضر برای ماءالشعیر در دماهای پایین محصول.
  • عدم تأثیر منفی بر اجزای ضروری و خاص ماءالشعیر.
  • عدم آزادسازی یون.
  • بازسازی مؤثر با آب داغ.
  • بازسازی مؤثر با عوامل شیمیایی.
  • عدم هیدرولیز.
  • ترشوندگی خوب (good wettability).
  • تلفات محصول کم.
  • جابجایی ساده.
  • مفاهیم دستی یا کاملاً خودکار.
  • مصرف کم مایع و انرژی.
  • فیلتراسیون مقرون به صرفه به دلیل طول عمر بالا.
  • قابلیت تست یکپارچگی (integrity).

در میان جدیدترین تحولات در فیلتراسیون غشایی در صنعت ماءالشعیرسازی، غشاهای فیلتراسیون سرامیکی جریان متقاطع (ceramic cross-flow filtration membranes) محبوبیت دارند، تا حدی به این دلیل که اندازه منافذ غشا توسط سازنده قابل کنترل است و با نیازهای خاص کاربر نهایی تنظیم می‌شود. اندازه منافذ یک غشای میکروفیلتراسیون جریان متقاطع تأثیر قابل توجهی بر ماهیت لایه ژل یا گرفتگی (fouling) غشا دارد که به نوبه خود بر شار (flux) و کیفیت ماءالشعیر تأثیر می‌گذارد. لازم به ذکر است که تعاریف اندازه منافذ ممکن است در بین تأمین کنندگان غشا متفاوت باشد.

فیلتراسیون آب شستشوی بطری و بشکه (keg) کاربردهایی هستند که اغلب نادیده گرفته می‌شوند. فیلتراسیون مناسب آب شستشو به ویژه زمانی اهمیت دارد که بطری یا بشکه پاستوریزه نخواهد شد. میکروارگانیسم‌های موجود در آب با فیلتراسیون ضعیف می‌توانند ماءالشعیر غیر پاستوریزه را مجدداً آلوده کنند. آب شستشو باید به همان دقت ماءالشعیر فیلتر شود. فیلتر کردن آب ضدعفونی شده نیز مهم است و باید حداقل تا همان سطح فیلترهای فرآیندی که قرار است ضدعفونی کنند، انجام شود.

آلودگی مالت (wort) به کیفیت ماءالشعیر آسیب می‌زند و منبع اصلی آلودگی، هوادهی نامناسب مالت است. هوادهی برای تولید موفق ماءالشعیر به منبع هوای استریل، تمیز و به خوبی فیلتر شده نیاز دارد. کارتریج‌های فیلتر غشایی هیدروفوبیک (غیر ترشونده) برای فیلتراسیون هوای استریل و گاز ایده‌آل هستند.

محصولات لبنی (Dairy products)

اسمز معکوس (RO) با مزایای قابل توجهی در صنایع غذایی و لبنی استفاده می‌شود، دلیل اصلی آن کاهش هزینه در مقایسه با تبخیر (evaporation) به دلیل حذف این فرآیند است.

کاربردهای اسمز معکوس در صنعت لبنیات شامل تصفیه آب، شکست (fractionation)، بازیابی محصول و مواد شیمیایی، تغلیظ (concentration) و دناتوره کردن (denaturing) است. تغلیظ جریان‌های فرآیندی از حدود ۱۰% جامد کل به ۲۵% با هزینه کمتر نسبت به تبخیر قابل دستیابی است. همچنین کاهش قابل توجهی در اتلاف ترکیبات طعم‌دهنده فرار و تغییرات نامطلوب در اجزای حساس به حرارت (دناتوراسیون پروتئین) وجود دارد. اسمز معکوس همچنین حجم تخلیه به تأسیسات تصفیه آب را کاهش می‌دهد و آب قابل استفاده مجدد تولید می‌کند.

عملکرد اسمز معکوس در تغلیظ شیر به دلیل فشار اسمزی محدود شده است و بیشتر ماژول‌های تجاری دارای محدودیت فشار عملیاتی ۳۰-۴۰ بار هستند که تغلیظ شیر را به ضریب سه تا چهار محدود می‌کند. در تولید پودر شیر اسکیم یا کامل، شیر معمولاً قبل از خشک کردن پاششی تا ۴۵-۵۰% جامد کل تغلیظ می‌شود. بنابراین، اسمز معکوس نمی‌تواند به طور کامل جایگزین تبخیر معمولی شود، بلکه به عنوان یک مرحله پیش‌تغلیظ قبل از تبخیر برای کاهش هزینه‌های عملیاتی یا افزایش ظرفیت تأسیسات موجود استفاده می‌شود. مصرف انرژی نسبی اسمز معکوس و روش‌های تغلیظ حرارتی در تغلیظ شیر، یک مرتبه بزرگی تفاوت دارد و با غشاهای کامپوزیت فیلم نازک (thin film composite membranes)، هزینه اسمز معکوس حتی کمتر است.

اولترافیلتراسیون (ultrafiltration) شیر با استفاده از غشاهای نوع پلی‌سولفون (polysulphone) یا پلی‌اترسولفون (polyethersulphone) کاربردهای متعددی دارد. اولترافیلتراسیون شیر در مزارع به عنوان وسیله‌ای برای کاهش هزینه‌های تبرید و حمل و نقل، و تولید نوشیدنی‌های تخصصی مبتنی بر شیر، کاربردهای جذابی هستند. تولید پنیر با استفاده از اولترافیلتراسیون منطقه دیگری است که استفاده از فیلتراسیون غشایی در صنعت لبنیات در حال گسترش است.

شکست آب پنیر (whey) توسط اولترافیلتراسیون برای تولید کنسانتره‌های پروتئین می‌تواند محتوای پروتئین اولیه را از ۱۰% یا ۱۲% (بر اساس وزن خشک) به ۳۵%، ۵۰% یا حتی ۸۰% پروتئین با از دست دادن کم در عملکرد پروتئین آب پنیر افزایش دهد. کاهش مواد معدنی آب پنیر را می‌توان از طریق تبادل یونی، الکترودیالیز و نانوفیلتراسیون (nanofiltration) به دست آورد.

صنایع غذایی و نوشیدنی

فرآوری سویا:

سویا منبع مهمی از پروتئین است و فرآیند بازیابی پروتئین و چربی آن نیازمند حذف ترکیبات نامطلوب است. روش‌های سنتی حذف شامل استخراج، حرارت‌دهی و سانتریفیوژ برای جداسازی پروتئین و چربی از این ترکیبات است. از ماژول‌های اولترافیلتراسیون الیاف توخالی برای بازیابی کنسانتره‌های پروتئین سویای کامل چرب و ایزوله سویای چرب استفاده می‌شود.

فرآوری محصولات حیوانی:

از اولترافیلتراسیون برای حذف مواد زیستی قابل تجزیه از پساب‌ها استفاده می‌شود تا پسابی مناسب برای تخلیه به سیستم فاضلاب ایجاد شود.

فرآوری آب میوه:

این فرآیند کاربرد اصلی فیلترهای غشایی است، به ویژه برای شفاف‌سازی (با استفاده از میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون)، تغلیظ (با استفاده از RO) و کاهش اسیدیته (با استفاده از الکترودیالیز). شفاف‌سازی آب سیب با اولترافیلتراسیون اکنون یک فرآیند مهم است، چه برای تولید آب شفاف و چه محصولات “طبیعی” (یعنی کدر).

توسعه فرآوری مرکبات:

پیکربندی‌های غشایی که اغلب در شفاف‌سازی آب میوه استفاده می‌شوند عبارتند از غشاهای لوله‌ای یا ماژول‌های الیاف توخالی، و همچنین سیستم‌های صفحه‌ای و قاب با استفاده از غشاهای ورقه‌ای. روش سنتی تغلیظ آب میوه‌ها و پوره‌ها تبخیر بوده است، اما امروزه اسمز معکوس (RO) موفقیت آمیز بوده است. عملکرد غشاهای RO به ویسکوزیته آب میوه، فشار اسمزی محلول، و محدودیت‌های ناشی از نیاز به کیفیت خاص محصول بستگی دارد.

کاربردهای بالقوه فرآیندهای غشایی در تولید غلات:

در تصفیه مایع تقطیر شده، عملیات فرآوری مرطوب ذرت، تبخیر آب شیرین، تغلیظ آب شیرین رقیق و پالایش نفوذ RO و بخارات بالایی تقطیرکننده است. پروتئین‌های ذرت را می‌توان از مایعات تقطیر شده حاصل از فراکسیون‌های آسیاب خشک ذرت (مانند گریتس، آرد و غیره) با RO بازیابی کرد.

استفاده از اولترافیلتراسیون (UF) و الکترودیالیز (ED):

UF همچنین برای جداسازی و تغلیظ پروتئین‌ها از پساب‌های فرآوری سیب‌زمینی استفاده می‌شود. سایر پروتئین‌های آب پنیر را می‌توان با RO فرآوری کرد. الکترودیالیز برای تعدادی از کاربردها در صنایع غذایی و آشامیدنی، از جمله حذف یون یا کاهش اسیدیته در آب میوه‌ها، شراب‌ها و در صنایع لبنی، شیر و آب پنیر استفاده می‌شود. این فرآیند اغلب مستقیماً با فرآیندهای تبادل یونی رقابت می‌کند.

فیلتراسیون ورقه‌ای سنتی:

با وجود پیشرفت چشمگیر فیلتراسیون غشایی، فیلتر ورقه‌ای سنتی همچنان بخش مهمی از کسب و کار را در اختیار دارد. ورقه‌های فیلتر معمولی مورد استفاده در فرآیندهای نوشیدنی برای داشتن ضخامت استاندارد و استفاده انحصاری از کیزلگور طبیعی و پرلیت طراحی شده‌اند. سایر ورقه‌ها از کیزلگور طبیعی به عنوان ماده فعال فیلتراسیون به همراه پالپ چوب فرآوری شده به عنوان پرکننده استفاده می‌کنند. ورقه‌های سلولز خالص که حاوی رزین‌های مقاوم در برابر رطوبت در ماتریکس ورقه هستند، در سیستم‌های فیلتر صفحه‌ای و قاب استفاده می‌شوند (شکل ۱). کمک فیلترها ممکن است در ابتدا به عنوان یک لایه پیش‌پوشش (precoat) و سپس به عنوان یک افزودنی به خوراک اصلی اعمال شوند. سایر ورقه‌های فیلتر شامل افزودن کربن فعال هستند.

شکل ۱- شکل شماتیک مجموعه‌ای از صفحات و قاب‌ها. هر صفحه با پارچه‌ای پوشانده شده است و هنگامی که بسته با هم جمع می‌شوند، مجموعه‌ای از مخازن بسته را تشکیل می‌دهند.

تولید نوشیدنی:

پایداری شیمیایی (حذف فلزات سنگین مانند آهن و مس، تارتارات‌ها و گاهی آلبومین‌ها) و پایداری بیولوژیکی (عاری از مخمر و باکتری) حیاتی هستند. فیلتراسیون نقش اصلی را در این فرآیندهای جداسازی ایفا می‌کند.

فیلترهای ورقه‌ای، شامل فیلتر صفحه‌ای فلاش یا پرس فیلتر صفحه‌ای و قاب، به عنوان تجهیزات استاندارد در صنعت نوشیدنی استفاده می‌شوند. اندازه‌های استاندارد از المنت‌های ۴۰ × ۴۰ سانتی‌متر یا ۶۰ × ۶۰ سانتی‌متر استفاده می‌شند.

سطوح فلزی صفحات فیلتر، درج‌های فلزی گسترده و قاب‌های فیلتر که در طول فرآوری با نوشیدنی در تماس هستند، ترجیحاً از فولاد ضد زنگ ۳۱۶ با سطوح صاف و صیقلی ساخته می‌شوند تا از آلودگی میکروبی جلوگیری شود.

اولین مرحله فیلتراسیون نوشیدنی به احتمال زیاد در زمان اولین تخلیه (racking) است. به طور کلی، کیزلگور به عنوان مدیای فیلتر استفاده می‌شود. برای این منظور، فیلتر صفحه‌ای و قاب معمولاً با یک ورقه سلولزی با مقاومت بالا در برابر رطوبت که روی صفحه جمع‌آوری خروجی آویزان شده و توسط آن پشتیبانی می‌شود، پوشانده می‌شود. بستر پیش‌پوشش و فیلتر روی ورقه سلولزی رسوب کرده و بستر در قاب‌های ورودی یا محفظه‌های دو طرف صفحه خروجی ساخته می‌شود. فیلتر در پایان چرخه تمیز می‌شود و ورقه‌ها عموماً قابل استفاده مجدد هستند.

عملکرد کمی فیلتر به دبی ساعتی (که به نوبه خود به مساحت سطح فیلتر کننده بستگی دارد) و کل ظرفیت عبور در هر چرخه (که به حجم کیک موجود بستگی دارد) بستگی دارد.

صنعت ماءالشعیرسازی:

فیلتراسیون ماءالشعیر تخمیر شده، پس از دوره نگهداری در سرما، همچنان به طور گسترده به عنوان یک عملیات دو مرحله‌ای با فیلتراسیون ورقه‌ای نهایی انجام می‌شود. مرحله اول مواد کدر قابل مشاهده را حذف می‌کند و از کیزلگور به عنوان محیط فیلتر در پرس فیلتر استفاده می‌کند.

برای فیلتراسیون ورقه‌ای به عنوان مرحله نهایی، استفاده از ورقه‌های تثبیت کننده برای افزایش پایداری ماءالشعیر در برابر کدر شدن ناشی از سرما و اکسیداسیون با حذف بخشی از آنتوسیانوژن‌ها و کوتاه کردن زمان نگهداری در سرما مهم است.

فیلتراسیون مالت:

فیلتراسیون قبل از بطری کردن، چه انواع مخلوط و چه مالت خالص، برای تضمین عمر مفید، پایداری و شفافیت ضروری است. این فرآیند به هیچ وجه ساده نیست و مهم است که تجهیزات و مدیاهای فیلتراسیون صحیح مورد استفاده قرار گیرند و فیلتراسیون تحت شرایط به دقت کنترل شده انجام شود.

پرس‌های فیلتر عموماً برای حذف کدراهای شیمیایی و فیزیکی، از جمله روغن‌های اتری، استفاده می‌شوند. معمولاً مالت‌ها قبل از فیلتراسیون نهایی سرد می‌شوند تا تجمع گلوبول‌های بزرگ روغن روی سطوح ورقه‌های فیلتر تسهیل شود. وجود هوا در مالت باید در طول فیلتراسیون حذف شود.

کارخانه نوشابه:

مواد اصلی مورد فیلتراسیون عبارتند از شربت قند و آب برای فرآیند بطری‌سازی. فیلتراسیون شربت قند یک فرآیند بچ (batch) است که در آن مقادیر اندازه‌گیری شده شکر و آب مخلوط شده، تحت فشار پمپ فیلتر می‌شوند و به مخزن منتقل می‌شوند.

پرس‌های فیلتر صفحه‌ای و قاب به طور گسترده برای فیلتراسیون شربت قند استفاده می‌شوند. نرخ فیلتراسیون محلول شربت قند بسته به ویسکوزیته، کیفیت شکر و غیره از ۹۵۰ لیتر در متر مربع در ساعت تا ۳۰۰ لیتر در متر مربع در ساعت متغیر است.

سایر کاربردهای فیلتراسیون ورقه‌ای (خارج از صنایع غذایی و آشامیدنی):

برخی از مهمترین کاربردها شامل آنتی‌بیوتیک‌ها، شربت‌های دارویی، محصولات بهداشتی و آرایشی، ژلاتین و سرکه است.

فرآوری مایع ژلاتین:

معمولاً شامل یک فرآیند فیلتراسیون چند مرحله‌ای است. فیلتراسیون اولیه ذرات معلق درشت را حذف می‌کند و فیلتراسیون ثانویه شفافیت را بیشتر بهبود می‌بخشد و درخشندگی را به مایع می‌بخشد. در مواردی که مایعات ژلاتین قرار است از ستون‌های تبادل یونی عبور کنند، فیلتراسیون درشت قبل از مرحله حذف یون انجام می‌شود.

عملیات اولیه با استفاده از کیزلگور به عنوان مدیای فیلتر بهترین نتایج را به دست می‌دهد. از ورقه‌های پشتیبان قابل شستشو استفاده می‌شود. فیلتراسیون ثانویه باید در مرحله‌ای از فرآیند تغلیظ انجام شود که ترکیب ظرفیت عبور و ویسکوزیته برای بهینه‌سازی مشخصات فیلتر ایده‌آل در نظر گرفته شود.

سرکه:

سرکه معمولاً در مرحله بطری‌سازی فیلتر می‌شود. ورقه‌های فیلتر استریل کننده برای سرکه‌های مالت مورد نیاز است.

صنعت کاغذ و خمیر کاغذ

مقادیر عظیمی آب در صنعت کاغذ و خمیر کاغذ مصرف می‌شود. آب به عنوان مایع حامل برای فرآیند خمیرسازی و مراحل سفیدگری و همچنین برای شستشو استفاده می‌شود. در نتیجه، حجم زیادی پساب تولید می‌شود که نیاز به فیلتر شدن دارد.

فرآیندهای اولترافیلتراسیون برای تصفیه پساب‌ها، تصفیه لیکور سیاه، پساب‌های سفیدگری و آب‌های شستشوی ماشین کاغذ موفقیت‌آمیز بوده‌اند. همچنین در تصفیه پساب‌های فرآیند کرافت (Kraft) مورد استفاده قرار گرفته‌اند و استفاده فزاینده‌ای از اولترافیلتراسیون برای بازیابی لیگنوسولفونات و لیگنین قلیایی از لیکورهای مصرف شده برای تولید محصولات دیگر وجود دارد. اسمز معکوس (RO) در صنعت کاغذ و خمیر کاغذ برای تغلیظ لیکور سولفات، با استفاده از ماژول‌های صفحه‌ای و قاب و غشاهای سلولز استات استفاده می‌شود. RO همچنین در تصفیه پساب‌های سفیدگری پس از مراحل مختلف پیش‌تصفیه استفاده می‌شود.

نساجی

کاربردهای متعددی برای اولترافیلتراسیون و RO در صنعت نساجی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این موارد شامل تصفیه پساب‌های آلوده به آهار و لاتکس، آب‌های شستشوی پشم و پساب‌های حاصل از عملیات رنگرزی است. فرآیندهای غشایی جایگزین فرآیندهای مکانیکی، بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی کلاسیک مانند رسوب‌دهی، لخته‌سازی، شناورسازی و جذب سطحی هستند. استفاده فزاینده از غشاها در اولترافیلتراسیون مواد آهارزنی مورد استفاده برای پوشش دادن نخ‌ها در طول بافندگی مشهود است، جایی که فرآیند فیلتراسیون برای آهار محلول در آب و با ویسکوزیته پایین استفاده می‌شود. بازیابی بالاتر قابل دستیابی است اما با هزینه سرمایه‌گذاری بالاتر.

فرآیندهای غشایی همچنین می‌توانند در تصفیه پساب‌های کارخانه‌های رنگرزی، پساب‌های شستشوی پشم و نخ، آب فرآیند و پساب‌های حاوی مواد ضد بید و سایر آفت‌کش‌ها استفاده شوند. به عنوان مثال، RO می‌تواند برای بازیابی تا ۸۰٪ پساب گرم کارخانه رنگرزی برای استفاده مجدد استفاده شود. طول عمر غشا معمولاً ۲ سال است.

اولترافیلتراسیون با استفاده از غشاهای پلی‌سولفون می‌تواند در فرآیند شستشوی پشم، برای تغلیظ آلاینده‌های مهم‌تر در حجم کم، بسیار مؤثر باشد. همچنین می‌تواند مقادیر زیادی مایع صافی (permeate) مناسب برای استفاده مجدد در فرآیند شستشو تولید کند.

مواد شیمیایی پردازش سطوح

قطعات فلزی تولید شده و محصولات نهایی ممکن است تحت طیف کاملی از فرآیندهای پردازش سطوح قرار گیرند. این فرآیندها شامل عملیات شیمیایی و الکتروشیمیایی مانند شستشو، اسیدشویی، چربی‌زدایی، فسفاته کردن، گالوانیزه کردن، آبکاری و غیره، و همچنین مراحل متعدد آبکشی می‌باشند. فیلتراسیون و شفاف‌سازی مؤثر سیالات مختلف درگیر می‌تواند صرفه‌جویی قابل توجهی را به همراه داشته باشد و در مورد سیستم‌های کاملاً خودکار، چنین تصفیه‌ای ضروری است تا سیالات مورد استفاده قابل اعتماد باقی بمانند. علاوه بر این، بسیاری از عملیات ممکن است لجن‌هایی تولید کنند که اغلب حاوی نمک‌های فلزی سمی هستند و مشکل دفع دشواری را ایجاد می‌کنند. در این موارد، استفاده از آب‌زدایی لجن برای فشرده‌سازی توده بزرگی از ماده مرطوب و چسبنده به یک کیک خشک بسیار کوچک‌تر و با قابلیت جابجایی آسان‌تر، که ممکن است ارزش بیشتری نیز داشته باشد یا نداشته باشد، مزایای قابل توجهی دارد. فرآیند آب‌زدایی ممکن است همزمان سیال فرآیندی ارزشمند را بازیابی کند.

آب تمیز یک الزام ضروری برای آندایزینگ، آبکاری و فرآیندهای مشابه است که ممکن است نیاز به نرم‌سازی یا تصفیه کربن آب خام ورودی داشته باشند. برخی فرآیندها همچنین نیاز به استفاده از آب دیونیزه دارند که با تبادل یون یا تصفیه RO قابل دستیابی است. در تمام این موارد، پیش‌فیلتراسیون آب برای حذف آلاینده‌های جامد که می‌توانند راندمان فرآیند تصفیه آب مورد نظر را کاهش دهند، بسیار مطلوب است. درجه فیلتراسیون مناسب در اینجا ۱۵ میکرومتر است.

سپس آب تصفیه شده می‌تواند با پس‌فیلتراسیون برای جذب هرگونه مهاجرت از مدیای تصفیه، مانند آنچه که می‌تواند در تصفیه کربن فعال پودری رخ دهد، بهره‌مند شود.

در مواردی که تقاضای دقیقی برای کیفیت آب برای پردازش وجود ندارد، تامین آب فیلتر شده همچنان برای جلوگیری از گرفتگی نازل‌ها، اسپری‌ها، شیرهای کنترل و غیره و کاهش سایش پمپ‌ها مطلوب است. همچنین در سیستم‌های در گردش مجدد، به ویژه جایی که آب برای شستشو استفاده می‌شود، ضروری می‌شود. انتخاب فیلتر در چنین مواردی معمولاً به میزان جامدات احتمالی، درجه حفاظت مطلوب (یعنی درجه فیلتراسیون مورد نیاز)، فضای موجود و هزینه بستگی دارد.

حمام‌های چربی‌زدایی

فرآیندهای چربی‌زدایی آبی از محلول‌های قلیایی یا اسیدی حاوی مواد شیمیایی و افزودنی‌های مختلف استفاده می‌کنند. این حمام‌ها با روغن آلوده می‌شوند و هنگامی که حمام کارایی خود را از دست می‌دهد، محتویات آن باید با هزینه بالا تعویض شوند یا روغن باید حذف شود. یک روش آزمایش شده برای حذف روغن بر اساس استفاده از غشاهای فیلتر CFCC (کامپوزیت کربن-فیبر کربن) و غشاهای پلیمری هیدروفیلیک دائمی است.

این فرآیند می‌تواند روغن را از حمام‌های غوطه‌وری یا اسپری حذف کند. در حین عملیات، بخشی از حجم حمام به طور مداوم تخلیه شده و برای حذف مقداری روغن برابر با ورودی فرآیند، تصفیه می‌شود. پیش‌تصفیه ابتدا روغن و جامدات آزاد را حذف می‌کند. سپس به یک مخزن تغلیظ منتقل می‌شود که در آن روغن به طور مداوم با گردش بر روی غشاهای CFCC حذف می‌شود. محلول بدون روغن سپس به حمام بازگردانده می‌شود. هنگامی که مقدار کافی روغن جمع شد، مخزن تغلیظ تخلیه می‌شود.

این فرآیند صرفاً یک جداسازی مکانیکی است. بازسازی حمام دسته‌ای نیز امکان‌پذیر است.

الکترودیالیز

تعداد زیادی از فرآیندهای پردازش سطوح به یک مایع شستشو نیاز دارند که نمک‌های تولید شده در فرآیند را حل کند. با استفاده از تجهیزات الکترودیالیز می‌توان بیش از ۸۰ درصد نمک‌ها را در مایع شستشو بازیابی کرد. این فرآیند الکتروشیمیایی به ویژه برای بازیابی نمک‌های نقره، مس، نیکل و روی مناسب است. این روش شامل تعداد زیادی سلول الکترولیتی سری است. هر سلول شامل یک غشای کاتیونی و یک غشای آنیونی با یک فاصله دهنده بین هر جفت غشا است.

یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) از غشاهای کاتیونی به سمت کاتد عبور می‌کنند، اما نمی‌توانند از غشاهای آنیونی عبور کنند. به طور مشابه، یون‌های با بار منفی در جهت مخالف، به سمت آند حرکت می‌کنند و از غشاهای آنیونی عبور کرده و سپس توسط غشاهای کاتیونی متوقف می‌شوند. نتیجه این است که در یک سلول، محلول هم با یون‌های مثبت و هم منفی (یعنی با کل نمک) غنی می‌شود، در حالی که در سلول‌های مجاور، غلظت یون‌های مثبت و منفی کاهش می‌یابد (یعنی محلول دیونیزه می‌شود).

کاربردهای الکترودیالیز شامل موارد زیر است:

  • دمینرالیزاسیون لیکور از تبلور
  • بازیابی و تغلیظ اسیدها
  • تصفیه لیکورهای تخمیر
  • کنترل استانداردسازی یونی غلظت یونی، و
  • واکنش جانشینی و تجزیه مضاعف.

حمام‌های اسیدشویی

در حمام‌های اسیدشویی غیر خودکار، معمولاً فیلتراسیون محلول‌ها وجود ندارد و آلاینده‌های جامد اجازه داده می‌شوند تا از سوسپانسیون ته‌نشین شوند. با این حال، فیلتراسیون دسته‌ای می‌تواند عمر اسیدها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و تصفیه زباله را ساده کند.

محلول‌های تمیز کننده قلیایی

محلول‌های تمیز کننده غوطه‌وری قلیایی و تمیز کننده‌های الکتریکی به طور کلی مقادیر قابل توجهی جامدات و آلاینده‌های آلی و همچنین کف شناور را جمع‌آوری می‌کنند. دومی معمولاً با کف‌روبی حذف می‌شود. جامدات را می‌توان با ته‌نشینی هنگام بیکار بودن کارخانه، سپس با دکانته کردن (بیرون کشیدن) مایع و حذف جامدات ته‌نشین شده، حذف کرد. خود مایع به صورت دوره‌ای، در صورت لزوم، مثلاً زمانی که تجزیه و تحلیل نمونه نشان می‌دهد که به پایان عمر مفید خود نزدیک می‌شود، جایگزین می‌شود. در مواردی که بارهای گرد و غبار سنگین وجود دارد، فیلتراسیون پیوسته یا دوره‌ای (دستی) با یک فیلتر نسبتاً درشت (۵۰ میکرومتر) می‌تواند مزایای اقتصادی قابل توجهی نشان دهد.

محلول‌های آندایزینگ

محلول‌های آندایزینگ معمولاً در کارخانه‌های غیر خودکار فیلتر نمی‌شوند، اگرچه فیلتراسیون دوره‌ای دسته‌ای مطلوب است. محلول‌های آب‌بندی از فیلتراسیون پیوسته یا بای‌پس سود می‌برند و همچنین ممکن است نیاز به تصفیه کربن دوره‌ای برای حذف تغییر رنگ ناشی از رنگ‌های مورد استفاده داشته باشند. یک سیستم فیلتراسیون شامل یک المنت فیلتر اصلی و یک محفظه کربن فعال می‌تواند حفاظت پیوسته را در طول عمر المنت و محتوای کربن فراهم کند. در حالت ایده‌آل، باید از یک فیلتر جداگانه بر روی مخزن آب‌بندی استفاده شود.

محلول‌های فسفاته

محلول‌های فسفاته حاوی فسفات روی، آهن یا منگنز و اسید فسفریک با شتاب‌دهنده‌های مناسب هستند. در طول فرآیند، قطعات فولادی تمیز در حمام فسفات فلزی اسید فسفریک غوطه‌ور می‌شوند (یا با آن اسپری می‌شوند)، آهن در سطح حل شده و یک پوشش فسفاته تشکیل می‌شود. عملکرد این حمام‌ها نیازمند کاربرد یکنواخت محلول و کنترل شیمیایی خوب است. تجمع لجن منجر به کیفیت پایین، اتلاف تولید و نیاز به نگهداری مکرر می‌شود. لجن تولید شده به خود فرآیند فسفاته آسیب نمی‌رساند، اما برای عملکرد مضر است زیرا مبدل‌های حرارتی، پمپ‌های چرخشی و صافی‌ها، نازل‌های اسپری و غیره را کثیف و مسدود می‌کند. بنابراین، لجن باید حذف شود، ترجیحاً با یک سیستم جداسازی خودکار، مانند فیلتر غلتکی پیوسته.

محلول‌های آبکاری

تقریباً تمام محلول‌های آبکاری از فیلتراسیون پیوسته سود می‌برند. همچنین برای بازیابی شفافیت، به ویژه محلول‌هایی که حاوی مواد مرطوب‌کننده هستند، نیاز به تصفیه دوره‌ای دارند، زیرا هر روغنی که با حمام وارد شود در سراسر محلول پراکنده شده و می‌تواند روی قطعات کار شده رسوب کرده و باعث پوسته‌پوسته شدن یا آبکاری ناقص شود. تصفیه معمولاً با تصفیه کربن فعال انجام می‌شود.

جامدات به طور مداوم به محلول اضافه می‌شوند، بنابراین حفظ محلول کاری ۱۰۰% عاری از آلودگی جامد غیرممکن است. بنابراین، فرآیند آبکاری همیشه در محلولی انجام می‌شود که تا حدودی کثیف است. بازگرداندن محلول کریستالی شفاف از فیلتر به مخزن آبکاری زمانی که نرخ افزودن آلاینده‌ها از نرخ حذف آنها بیشتر است، ارزش کمی دارد. نرخ فیلتراسیون جریان بسیار مهم است. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که وقتی یک حجم مخزن در ساعت فیلتر شد، ۶۳% بار کثیفی حذف شد. هنگامی که نرخ جریان به دو حجم مخزن در ساعت افزایش یافت، ۸۶% بار کثیفی از محلول فیلتر شد و هنگامی که نرخ جریان از طریق فیلتر به پنج حجم مخزن در ساعت افزایش یافت، بیش از ۹۹% جامدات در آن ساعت حذف شد. قانون طلایی در انتخاب درجه میکرون، انتخاب درشت‌ترین محیط ممکن در عین حفظ آبکاری خوب و بدون زبری است.

تصفیه با کربن فعال

چندین بار به تصفیه حمام آبکاری با استفاده از کربن فعال اشاره شد. کربن فعال می‌تواند برای تصفیه اکثر محلول‌های آبکاری استفاده شود، اما باید قبل از آن فیلتراسیون انجام شود (اگر سیستم به طور مداوم فیلتر نمی‌شود) تا از پوشیده شدن سطح کربن توسط ذرات آلاینده و کاهش اثربخشی آن جلوگیری شود.

چهار روش اساسی تصفیه با کربن وجود دارد:

  1. فیلترهای کارتریج کربن که در محفظه‌های فیلتر استاندارد قرار می‌گیرند و برای سیستم‌های با حجم کم مناسب هستند.
  2. محفظه‌های کربن حاوی کربن فعال دانه‌بندی شده برای فیلتراسیون بای‌پس یا دسته‌ای.
  3. تصفیه حجمی با کربن که در آن کربن دانه‌بندی شده در یک محفظه فیلتر با عنصر فیلتر جداگانه بارگیری می‌شود.
  4. فیلترهای پیش‌پوششی کربن با استفاده از کربن پودری.

در موارد ۲ و ۳، به عنوان یک راهنمای کلی، تقریباً ۱ کیلوگرم کربن برای تصفیه هر ۱۰۰۰ لیتر محلول آبکاری برای فیلتراسیون دسته‌ای مورد نیاز است. نرخ جریان باید نسبتاً آهسته باشد تا زمان تماس کافی برای جذب مؤثر فراهم شود. نرخ جریان سریع‌تر با فیلترهای پیش‌پوششی کربن به دلیل سطح بزرگ ارائه شده توسط کربن پودری امکان‌پذیر است.

مایعات کار با فلزات

بیشتر عملیات کار با فلزات نیازمند استفاده از روان‌کننده‌ها و خنک‌کننده‌ها برای روان‌کاری سطح بین قطعه کار و ابزار، و حذف حرارت تولید شده توسط فرآیند است. مزایای اضافی این مایعات شامل شستشوی تراشه‌های ریز از ناحیه کار و مهار خوردگی است. رایج‌ترین انتخاب برای مایع کار با فلزات، امولسیون آب و روغن است که در آن محتوای روغن روان‌کاری را فراهم می‌کند و آب به عنوان عامل اصلی خنک‌کننده عمل می‌کند؛ چنین مایعاتی به طور کلی به عنوان خنک‌کننده شناخته می‌شوند.

استفاده از تجهیزات فیلتراسیون و شفاف‌سازی مناسب تقریباً برای کاربردهای ماشین‌کاری ضروری است، از جمله:

  • سنگ‌زنی داخلی و خارجی
  • سنگ‌زنی پروفیل، رزوه و شیار
  • سنگ‌زنی با دقت بالا لنگه‌زنی داخلی و خارجی
  • برش، تراش و سنگ‌زنی چرخ‌دنده
  • ماشین‌کاری در خطوط انتقال
  • ماشین‌کاری در خطوط FMS
  • دریل‌کاری سوراخ عمیق
  • برش‌کاری
  • عملیات گالوانیکی
  • عملیات حرارتی
  • فرسایش جرقه‌ای با نفوذ و سیم
  • شستشوی قطعات، و
  • بازیابی و تصفیه روغن‌ها.

طیف وسیعی از مایعات در صنعت متالورژی برای وظایف خنک‌کاری و روان‌کاری استفاده می‌شود، از جمله:

  • امولسیون‌ها
  • محلول‌های سنتزی
  • روغن‌های سنگ‌زنی
  • روغن‌های لنگه‌زنی
  • روغن‌های برش
  • روغن‌های لمینیت
  • روغن‌های تمپرینگ
  • نفت سفید
  • تینر
  • حلال‌های شستشو
  • مایعات دی‌الکتریک، و
  • حمام‌های گالوانیکی.

آب، البته، در بسیاری از موارد به عنوان یک مایع شستشو استفاده می‌شود، اما همچنین به جای برخی از ترکیبات آلی فرار (VOCs) استفاده می‌شود، به دلیل نیاز به کاهش انتشار VOCs به اتمسفر.

کاهش خواص خنک‌کننده می‌تواند منجر به از دست دادن دقت کار، کاهش عمر ابزار، سایش شدید قطعات ماشین، نیاز به پر کردن مکرر خنک‌کننده و یک محیط کاری ناخوشایند، با بوها، بخارات و حتی خطر بیماری پوستی شود. بنابراین، تمیز کردن مؤثر کل سیستم گردش قبل از استفاده از سیال جدید، و روش‌های مؤثر تصفیه و گردش مجدد خنک‌کننده‌ها، به عنوان نظافت خوب و یک سرمایه‌گذاری منطقی توصیه می‌شود.

فیلتراسیون موفق به این معنی است که مایعات خنک‌کننده تمیز هستند، و بنابراین می‌توان تولید بالاتری را به دست آورد. ذرات آلاینده سطح قطعات ماشین‌کاری شده را خراب می‌کنند زیرا بین ابزار یا سنگ‌های سنگ‌زنی و قطعه کار گیر می‌کنند. در عملیات سنگ‌زنی، فیلتراسیون صحیح از مسدود شدن منافذ سنگ سنگ‌زنی جلوگیری می‌کند، که ممکن است باعث فشار بیش از حد به قطعه در حال سنگ‌زنی شود و منجر به تغییر شکل هندسی، و همچنین ایجاد ریز ترک در سطح آن شود. فیلتراسیون صحیح خنک‌کننده‌های مورد استفاده در طول فرآیند تولید، چسبندگی بهتر پوشش‌های سطحی، مانند نیترید تیتانیوم را نیز تضمین می‌کند.

در مواردی که سیالات برش در حجم قابل توجهی استفاده می‌شوند، به عنوان مثال، برای گروه‌هایی از ماشین‌های جداگانه، سیستم‌های تأمین مرکزی اغلب بهتر از مدارهای جداگانه هستند. چنین سیستمی همچنین می‌تواند شامل یک واحد تمیز کننده مرکزی برای پذیرش خنک‌کننده کثیف از ماشین‌ها و بازگرداندن آن به صورت تمیز باشد. چنین تأسیسات تمیزکننده‌ای را می‌توان به طور خاص با الزامات ماشین‌ها و تأسیسات درگیر تطبیق داد.

آلاینده‌های موجود ممکن است مایع یا جامد باشند، و دومی ممکن است ریز یا درشت، الیافی، تراشه‌ها، لزج یا سوزنی (مانند سوزن) باشند، و همچنین از نظر اندازه بسیار متفاوت باشند. عملیات سنگ‌زنی به ویژه ذرات بسیار ریز تولید می‌کند که به راحتی توسط فیلترهای معمولی جدا نمی‌شوند. آب مورد استفاده به عنوان رقیق‌کننده در سیالات آب و روغن نیز می‌تواند اثر قابل توجهی داشته باشد. آب سخت می‌تواند باعث تشکیل کف شود که فیلترها را مسدود می‌کند؛ آب نرم در صورت اغتشاش شدید می‌تواند باعث کف‌سازی شود. محتوای مواد معدنی بالا در آب می‌تواند باعث شود که باقی‌مانده‌های سیال جامدتر از زمانی باشند که از آب خالص استفاده می‌شود.

روغن‌ها به ویژه باید از خنک‌کننده‌های آب و روغن حذف شوند، زیرا حضور آنها می‌تواند خواص خنک‌کننده را به طرز چشمگیری تخریب کند، و در نتیجه عمر مفید آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد؛ به عنوان مثال، می‌تواند باعث از دست دادن خواص خنک‌کنندگی و ترشوندگی شود، امولسیون‌کننده‌ها را تخلیه کند، بازدارنده‌های زنگ را خنثی کند و فیلتراسیون را مختل کند. در واقع، برای هر ماشین خاص، حداکثر سطح روغن وجود دارد که سیستم می‌تواند بدون نیاز به خاموش کردن ماشین یا سیستم مرکزی برای تمیز کردن، آن را تحمل کند. در حالت ایده‌آل، یک سیستم باید یک جداکننده روغن داشته باشد که تضمین کند سطح روغن باقی‌مانده در سیستم همیشه زیر حداکثر حد قابل قبول برای فرآیند (برش، سنگ‌زنی و غیره) باشد.

نتیجه‌گیری

فیلتراسیون یک فرایند جدایی‌ناپذیر در صنایع تولیدی مدرن است. در صنعت الکترونیک، با کاهش ابعاد ترانزیستورها به زیر ۲۲ نانومتر، حذف ذرات حتی در اندازه ۰٫۱ میکرومتر برای جلوگیری از افت بازده بالای ۸۰٪ ضروری است. در صنایع غذایی و آشامیدنی، فیلتراسیون غشایی (به ویژه اولترافیلتراسیون و RO) جایگزین مؤثر و کم‌هزینه‌تری برای روش‌های حرارتی مانند تبخیر و پاستوریزاسیون شده است، ضمن اینکه طعم و مواد مغذی را حفظ می‌کند. در پردازش سطوح و آبکاری، فیلتراسیون پیوسته با نرخ جریان حداقل ۱ تا ۵ حجم مخزن در ساعت، می‌تواند بیش از ۹۹٪ ذرات جامد را حذف و کیفیت پوشش‌دهی را بهبود بخشد. همچنین در مایعات فلزکاری، حذف روغن‌ها و ذرات ساینده از خنک‌کننده‌ها، عمر ابزار و دقت ماشین‌کاری را افزایش می‌دهد. به طور کلی، طراحی صحیح سیستم فیلتراسیون (شامل انتخاب مدیای مناسب، اندازه منافذ، نرخ جریان و روش تمیزکاری) مستقیماً بر بهره‌وری، کاهش ضایعات، بازیابی مواد باارزش و رعایت استانداردهای زیست‌محیطی تأثیر می‌گذارد.

منابع و مراجع

[۱] R.B. Bird, W.E. Stewart, E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, second ed., J. Wiley & Sons, Inc., 2002.

نویسنده: امین فروزان

FavoriteLoadingذخیره پست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *