مدیای میکروفایبرگلاس یکی از اجزای کلیدی در سیستمهای فیلتراسیون هوا و مایعات در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، نیروگاهی، نفت و گاز، دارویی و صنایع حساس به آلودگی ذرات به شمار میرود. این گزارش بهصورت عملیاتی به معرفی ساختار، روشهای تولید و معیارهای انتخاب مدیای میکروفایبرگلاس میپردازد و تمرکز آن بر ایجاد توازن میان راندمان فیلتراسیون، افت فشار، دوام مکانیکی و قابلیت تولید صنعتی است. در این محتوا، انواع ترکیبهای شیشهای مورد استفاده در تولید الیاف از منظر مقاومت حرارتی، خواص الکتریکی و میزان آلودگیزایی بررسی شده و اثر قطر الیاف و توزیع آن بر عملکرد نهایی فیلتر تشریح میشود. همچنین فرآیندهای متداول تولید میکروالیاف شامل روشهای از نظر پیچیدگی تولید، هزینه، یکنواختی محصول و کاربرد صنعتی مقایسه شدهاند. کاربردهای رایج این مدیا در فیلترهای پنلی، پیشفیلترها، مدیاهای HEPA، کوالسرها، مهگیرها و فیلترهای مخصوص توربینهای گازی مورد بررسی قرار گرفته و محدودیتهای عملیاتی مانند شکنندگی، دشواری در موجدارکردن و نیاز به تقویت مکانیکی تحلیل شده است. در نهایت، راهکارهای مهندسی شامل طراحی چندلایه، استفاده از لایههای پشتیبان و افزودنیهای عملکردی بهعنوان ابزارهایی برای افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان سیستمهای فیلتراسیون ارائه میشود.
الیاف معدنی (Inorganic fibers)، چه فلزی و چه غیر فلزی، نسبت به الیاف آلی مقاومتر، سختتر، دارای نقطه ذوب بالاتر و مقاومتر در برابر حرارت هستند. از بین الیاف معدنی فایبرگلاس مهمترین الیاف مورد استفاده در فیلتراسیون است که ویژگیهای معمول آن در جدول ۱ ارائه شده است.
فایبرگلاس به گروهی معروف به الیاف مصنوعی موسوم به synthetic vitreous fibers تعلق دارند. این مواد از جرم مذاب مواد خام تحت شرایط کاملاً کنترلشده تولید میشوند. این الیاف دارای مقاومت و مدول بالایی هستند. این الیاف مقاومت بالایی در برابر حرارت و مواد شیمیایی دارند. در مقایسه با الیاف آلی، سختتر هستند اما از قابلیت کشش کمتری برخوردارند. این الیاف هم به صورت مدیاهای بیبافت و هم بافته شده استفاده میشوند.
الیاف آزبست که در گذشته به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و مواد شیمیایی و قطر آنها در مقیاس نانو، در گذشته برای کاربردهای فیلتراسیون با بازده بالا بسیار محبوب بودند و حتی در فیلترهای ماسکهای گاز نظامی و مدیاهای HEPA استفاده میشدند، ه دلیل خطرات سرطانزایی در دهه ۱۹۷۰ کنار گذاشته شد و فایبرگلاس با ویژگیهای مشابه اما ایمنتر جایگزین آن شد.
در نتیجه، فایبرگلاس با ویژگیهای فوقالعاده خود—مقاومت بالا در برابر حرارت و مواد شیمیایی، قابلیت پخش آسان، و ایمنی بیشتر—جایگزین آزبست شد. امروزه فایبرگلاس به عنوان استاندارد صنعتی در بسیاری از مدیاهای فیلتری با بازده بالا مورد استفاده قرار میگیرد و کاربردهای محدود آزبست به موارد بسیار تخصصی و با مقادیر کم محدود شده است.
از الیاف شیشه برای تولید لایههای بیبافت به روش «لایهگذاری مرطوب» بیش از ۷۰ سال است که استفاده میشود. این الیاف از رایجترین الیاف مورد استفاده در تصفیه هوا برای پاکسازی هوا در خانهها، بیمارستانها، ساختمانهای تجاری و صدها صنعت مختلف هستند. محصولات تولید شده با این مدیا شامل فیلترهایی برای ورودی هوای خودرو، هوای کابین خودرو، سیستمهای گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) در محیطهای تجاری و مسکونی، اتاقهای تمیز، هودهای آزمایشگاهی، فیلترهای بزرگ کیسهای، صافیهای گاز دودکش، گرد و غبار صنعتی، فیلترهای کیسهای جاروبرقی و غیره هستند. تقریباً تمام مدیاهای فیلتر HEPA و ULPA که حاوی میکروالیاف شیشهای هستند
همچنین این الیاف از رایجترین الیاف مورد استفاده در تصفیه مایعات هستند. بیشترین حجم مدیاهای الیاف شیشهای مورد استفاده در تصفیه با روش لایهگذاری مرطوب تولید میشود و معمولا از رزینهای ملامین فرمالدهید و ملامین فرمالدهید ملامین فرمالدهید برای افزایش مقاومت استفاده میشود.
الیاف شیشهای در دامنه وسیعی از قطرها تولید میشوند و بر اساس قطر و ترکیب شیمیایی طبقهبندی میشوند. این الیاف میتوانند به صورت میکروالیاف یا الیاف کوتاه تولید شوند. این فرآیند یک نوع فرآیند ملتبلون (melt-blown) است که مشابه فرآیند ملتبلون برای تولید وبهای پلیمری است. دو فرآیند اصلی برای تولید میکروالیاف شیشهای عبارتند از: کاهش قطر با چرخش (rotary attenuation) و کاهش قطر با شعله (flame attenuation).
شکل ۱، ارائه شده توسط شرکت Lauscha Fiber International در آلمان، تصویری از میکروالیاف شیشهای تولید شده با هر دو روش را نشان میدهد. در هر دو فرآیند، الیاف با شعله کاهش قطر داده میشوند تا قطر آنها کنترل شود.
چهار نوع فرآیند وجود دارد:
الف. فرآیند چرخشی (Rotary Process):
در فرآیند چرخشی، مذاب شیشه به یک دستگاه چرخان شبیه سبد که دارای تعداد زیادی سوراخ به عنوان خروجیهای گریز از مرکز است، وارد میشود (شکل ۲). به دلیل نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش، مذاب شیشه به سمت دیواره محیطی جریان پیدا کرده و از طریق سوراخها به صورت فیلامنت (monofilaments) خارج میشود. جریان گاز داغ که به صورت عرضی نسبت به جهت رشتهها حرکت میکند، آنها را به الیاف شیشهای ریز میکشد.
ب. فرآیند CAT (Controlled Attenuation Technology):
فرآیند CAT، یک فناوری چرخشی اصلاحشده است که با رشتههای کمتر و نازکتر و جریان گاز بسیار قویتر انجام میشود (شکل ۳).
ج- فرآیند کاهش قطر با شعله (Flame Attenuation Process):
این فرآیند با مونوفیلامنتهایی با قطر ۲۵ تا ۳۸ میکرومتر مشخص میشود که از یک بوشینگ پلاتینیومی کشیده شده و سپس توسط جریان گاز داغ با شتاب بالا به الیاف تبدیل میشوند (شکل ۴).
فرآیند دوگانه (Duplex Process):
مواد اولیه در این روش، میلههای شیشهای هستند که از آنها فیلامنتهایی با قطر ۰.۳ تا ۱.۰ میلیمتر بهطور مداوم به صورت مکانیکی کشیده میشوند و سپس در جریان گاز داغ با شتاب و دمای بالا به الیاف تبدیل میشوند (شکل ۵).
چند ترکیب شیشه برای تولید میکروالیاف شیشهای در دسترس است. شرکت Lauscha Fiber International سه ترکیب A، B و E را در جدول ۱ فهرست کرده است.
شرکت Johns Manville دو ترکیب ارائه میدهد: ترکیب شیمیایی ۴۷۵ برای سری ۱۰۰ میکروالیاف شیشهای و ترکیب شیمیایی ۲۵۳ با بور کم برای سری ۲۰۰ (جدول ۲).
قطر الیاف تعیینکننده کارایی فیلترهای ساخته شده از میکروالیاف شیشهای است؛ هرچه قطر الیاف ریزتر باشد، کارایی مدیا بیشتر است.
فایبرگلاس یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت فیلترهای هوا، بهویژه در سیستمهای تهویه مطبوع خانگی و محیطهای کاری است.
فیلترهای فایبرگلاس از این نوع، معمولاً به صورت تشکهای الیافی (glass mat filters) با تخلخل بالا تولید میشوند که از الیاف شیشهای با قطر تقریبی ۱۵ تا ۶۰ میکرومتر تشکیل شدهاند. این ساختار باعث عبور آسان جریان هوا همراه با توانایی مناسب در به دام انداختن ذرات معلق درشت میشود.
کاربرد اصلی این فیلترها، محافظت از تجهیزات سیستمهای HVAC در برابر آلودگیها و ذراتی است که میتوانند به اجزای حساس مانند فنها، موتورها، کویلهای سرمایشی و مبدلهای حرارتی آسیب وارد کنند. به دلیل افت فشار کم و نفوذپذیری بالا، این فیلترها بدون ایجاد اختلال قابل توجه در جریان هوا عمل میکنند.
از نظر طراحی، این فیلترها معمولاً در قالب فیلترهای پنلی با ضخامت حدود ۱.۹ تا ۲.۵ سانتیمتر تولید میشوند و در اندازههای استاندارد و سفارشی برای کاربردهای مسکونی در دسترس هستند. هزینه پایین تولید و سهولت تعویض، این فیلترها را به گزینهای اقتصادی برای استفاده گسترده تبدیل کرده است. بهطور معمول توصیه میشود این فیلترها در شرایط استفاده عادی، ماهانه تعویض شوند.
اگرچه راندمان فیلتراسیون فایبرگلاس در مقایسه با فیلترهای پیشرفتهتر مانند فیلترهای الکترواستاتیکی یا الکترونیکی پایینتر است، اما به دلیل قیمت مناسب، سادگی ساختار و عملکرد قابل قبول در حذف ذرات درشت، همچنان یکی از رایجترین گزینهها در فیلتراسیون هوای خانگی محسوب میشود.
مفهوم هوای با کارایی بالا (HEA) اصطلاحی جدید است که شامل فیلترهای هوای با کارایی بالا میشود، نه تنها در محدوده HEPA و ULPA بلکه در محدوده زیر HEPA نیز. این شامل تمام فیلترهای کلاس H و U طبق استاندارد EN1822 و فیلترهایی با رتبهبندی MERV 15 به بالا میشود. به طور کلی، فیلترهایی با بهرهوری ۸۵٪ یا بیشتر به عنوان فیلترهای HEA در نظر گرفته میشوند.
به طور سنتی، مدیاهای تولید شده از میکروفایبر گلاس، انتخاب غالب برای فیلترهای HEA بودهاند. این الیاف در طیف وسیعی از قطرها موجود هستند. تکنولوژیست متخصص در زمینه مدیای فیلتر میتواند این الیاف را به گونهای فرمولبندی کند که خواص فیلتراسیون مورد نظر را ارائه دهد. از آنجایی که الیاف از شیشه هستند، مدیاها به طور ذاتی مقاوم در برابر آتش و حرارت هستند و همچنین مقاومت زیادی در برابر مواد شیمیایی خورنده دارند.
مدیای فیلتر برای فیلتراسیون توربین گازی به عوامل متعددی بستگی دارند، از جمله محل نصب، محیط، بهرهوری فیلتراسیون مورد نظر، افت فشار و خواص مکانیکی. انواع رسانهها شامل سلولزی، ترکیب سلولز و پلیاستر، میکروفایبر گلاس و ترکیب میکروفایبر گلاس و الیاف مصنوعی و ساختارهای کامپوزیتی با لایههای ملتبلون یا الکتروریسی شده هستند. برای کاربردهای پیشفیلتر، همچنین تشکهای بلند از فایبر گلاس در دسترس هستند که میتوانند به عنوان پوشش پیشفیلتر دور فیلترهای نهایی استفاده شوند. به عنوان مثال، ترکیبهای فیلتر کارتریجی مخروطی یا استوانهای میتوانند با یک تشک پریفیلتر بلند پوشانده شوند تا عمر و کارایی فیلتر نهایی افزایش یابد.
شرکت AAF مجموعه گستردهای از مدیاها را برای کاربردهای مختلف فیلتر ماشینآلات دوار خود ارائه میدهد. این مدیاها شامل میکروفایبر گلاس با نسخههای چگالی تدریجی (gradient density) هستند.
در فرآیند کوالسینگ عمقی (depth coalescence)، مدیای فیلتر ذرات مایع را همانند ذرات جامد، با بهدام انداختن در ساختار الیاف جدا میکند. کوالسینگ زمانی رخ میدهد که ذرات مایع بهدام افتاده یا با قطرات مجاور ترکیب شده و/یا توسط قطرات دیگری که به سمت مدیا حرکت میکنند نفوذ میکنند، برخورد کنند. برای اینکه این فرآیند اتفاق بیفتد، الیاف باید انرژی سطحی نسبتاً بالایی داشته باشند.
اغلب مدیاهای کوالسر عمقی درصد قابل توجهی از الیاف ریز مانند میکروفایبرگلاس دارند. الیاف ریزتر ذرات مایع کوچکتر را بهتر جدا میکنند. شایان ذکر است که برای بهترین عملکرد، سطح الیاف نباید بیش از حد آبگریز (oleophobic) یا بیش از حد آبدوست (oleophilic) باشد، بلکه باید در حد متوسط باشد. اگر الیاف بیش از حد آبگریز باشند، ذرات مایع نمیچسبند و کوالسینگ رخ نمیدهد. از طرف دیگر، اگر بیش از حد آبدوست باشند، ذرات مایع روی سطح الیاف پخش شده و آن را میپوشانند. این لایه مایع به مرور جمع شده و باعث گرفتگی مدیا میشود.
در جداسازی آب و روغن، مدیای فیلتر کوالسر شامل یک المنت چیندار بالادست و تشکهای فایبرگلاس پیچیده پاییندست است. المنتهای چیندار شامل کاغذهای فیلتری هستند که تا ۲۰٪ فایبرگلاس دارند و در برخی موارد با رزین فنولیک آغشته شدهاند تا در برابر فشار بالا و ارتعاش مقاوم باشند.
یکی از انواع مهگیرها، مهگیرهای دایرهای هستند که همانطور که در شکل ۶ نشان داده شدهاند، مورد استفاده قرار میگیرند. المنت فیلتر کوالسر (Coalescing) از مدیای شیشهای با توزیع قطر الیاف بسیار ریز بهره میبرد. این مدیا به صورت یک بستر یا تشک ضخیم از الیاف شیشهای است که ضخامت آن به اندازهای است که فقط مقدار محدودی از آب و/یا روغن بتواند از میان ماده فیلتر عبور کند. همچنین سرعت عبور هوا از میان مدیا باید به اندازهای کم باشد که فیلتراسیون بهدرستی انجام شود.
فیلترها به صورت عمودی نصب میشوند تا قطرات مهِ همجوششده به سمت پایین محفظه فیلتر جریان یافته و از آنجا تخلیه شوند. در حالت ایدهآل، این تخلیه باید به صورت یک لایه نازک مایع باشد که در امتداد سمت خروجی (سطح داخلی) بستر الیافی جاری میشود؛ با این حال، در بسیاری از موارد، انتقال مایع تحت تأثیر نیروی گرانش از درون ساختار الیافی خود مدیا نیز رخ میدهد.
فیلترهای شمعی (Candle Filters) نوعی کارتریج فیلتر استوانهای هستند که به صورت عمودی نصب میشوند. معمولاً تعداد زیادی از این شمعها درون یک محفظه قرار میگیرند. این فیلترها عمدتاً در کاربردهای فیلتراسیون هوا مورد استفاده قرار میگیرند. دو کاربرد رایج آنها عبارتاند از: فیلترهای سرامیکی، شیشهای یا فلزی برای فیلتراسیون گازهای داغ (تا دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد).
بوهمیت (Boehmite) یک ذره هیدروکسید اکسید آلومینیوم با فرمول (γ-AlOOH) است که دارای گروههای هیدروکسیل اضافی روی سطح خود میباشد. این ماده یکی از اجزای سنگ معدن آلومینیوم، یعنی بوکسیت، است.
شرکت Ahlstrom مدیای فیلتری Disruptor را بر پایه اتصال فیبریلهای بوهمیت به سطح الیاف فایبرگلاس توسعه داده است (شکل ۷). قطر فیبریلهای بوهمیت حدود ۲ نانومتر و طول آنها حدود ۲۵۰ نانومتر است. ذرات بوهمیت ذاتاً الکتروپوزیتیو هستند و در فرآیندهای فیلتراسیون آبی، اثر جذب الکتریکی (electrosorptive effect) ایجاد میکنند.
فایبرگلاس علاوه بر بوهمیت، میتواند حاوی کربن فعال و نقره بهعنوان افزودنی میکروبی باشد و چهار فناوری جداسازی را در یک قطعه مدیای فیلتر ترکیب کند: فیلتراسیون ذرات، جذب، خاصیت ضد میکروبی و الکتروکینتیک.
الیاف شیشه مقاوم در برابر آتش هستند و نمیسوزند، زیرا هیچ ترکیبی در آنها وجود ندارد که با اکسیژن واکنش داده و شعله تولید کند.
استفاده از مواد ضدحریق در مدیاهای فیلتر نگرانیهای زیادی به دلیل اثرات سمی شیمیایی آنها ایجاد کرده است. یافتن استانداردها و مقررات خاص ضدحریق برای مدیاهای فیلتر دشوار است، اما اهمیت استفاده از مدیاهای فیلتر ضدحریق باید نسبت به سایر مدیاها یا مواد مورد توجه قرار گیرد. ماهیت مواد ضدحریق به گونهای است که در فرآیند مقاومت در برابر شعله، مواد شیمیایی بسیار سمی را به محیط آزاد میکنند، بهویژه مواد ضدحریق هالوژنه. در بسیاری از حوادث آتشسوزی، مرگ و آسیب ناشی از مواد شیمیایی سمی شدیدتر از خود آتش است. علاوه بر این، بر این باورند که مدیاهای ضدحریق، بهطور تدریجی گازها و بخارات سمی را آزاد میکنند که ممکن است اثرات بلندمدت سلامتی داشته باشد. در بسیاری از موارد، مدیای فیلتر میتوانند این ویژگی را با استفاده از الیاف مقاوم در برابر آتش مانند فایبرگلاس بهدست آورند.
مدیای فایبرگلاس تمایل به شکنندگی و ضعف دارد. مدیای فایبرگلاس پردازش سختتری دارند، به ویژه در ماشینهای چیندار کردن (pleating machines). مدیاهای ساختهشده از میکروفایبرگلاس بسیار دشوار قابل موجدار شدن هستند، زیرا الیاف بسیار قابلیت کشش کمی دارد.
در عملیات میدانی، مدیای فایبرگلاس در برابر اختلالات مکانیکی آسیبپذیر است و ممکن است دچار سوراخ، پارگی و ترک شود. راهحلهای این مشکلات شامل بهبود ساختار میکروالیاف و همچنین جایگزینهای الیاف مصنوعی به جای میکروفایبر گلاس است.
انتخاب نوع شیشه (A, B, E) باید براساس نیازهای کاربردی انجام شود؛ مثلاً شیشه A برای کاربردهای حساس به بور (اتاقهای تمیز) و E-Glass برای کاربردهای دارای نیاز به هدایت الکتریکی یا کاربردهای تحلیلی مناسبتر است.
قطر و توزیع قطر الیاف عامل تعیینکننده اصلی بازده فیلتراسیون است؛ الیاف ریزتر کارایی جمعآوری ذرات و کوالسینگ را افزایش میدهند ولی قابلیت پردازش و دوام مکانیکی را کاهش میدهند. بنابراین انتخاب بین فرآیندهای Rotary, CAT, Flame Attenuation و Duplex باید براساس توازن بین کارایی و قابلیت تولید صورت گیرد.
مدیای چندلایه با چگالی تدریجی (gradient density) یا ترکیب میکروفایبرگلاس با لایههای پشتیبانِ الیاف مصنوعی/مشهای تقویتی، بهترین توازن بین افت فشار، عمر مفید و پایداری مکانیکی را فراهم میآورد. استفاده از لایههای پیشفیلتر (تشکهای فایبرگلاس یا لایههای سلولزی-پلیمری) عمر لایههای نهایی را افزایش میدهد.
برای کاربردهای حساس (HEPA/ULPA، آشکارسازی الکترونیکی) باید با انتخاب شیشه کم-بور و کنترل آلودگی تولید (contamination control) اقدام شود. در فیلتراسیون توربینهای گازی و محیطهای با گازهای خورنده، بهرهگیری از الیاف مقاوم به دما و ترکیب شیشه مناسب ضروری است.
فایبرگلاس ذاتی غیرقابلاحتراق است و میتواند جایگزین افزودنیهای ضدحریقِ هالوژنه شود که در صورت استفاده ممکن است گازهای سمی آزاد کنند؛ لذا ترجیحاً از مدیاهای مقاوم در برابر آتش مبتنی بر الیاف شیشه بهعنوان راهکار ایمن استفاده گردد.
برای حل شکنندگی و مشکلات موجدارکردن، توصیه میشود از: (۱) تقویت مکانیکی با مش یا توری پشتیبان، (۲) استفاده از رزینهای نفوذی/افزودنیهای پیونددهنده کنترلشده (برای استحکام مکانیکی در حین حفظ نفوذپذیری)، و (۳) ترکیب با الیاف مصنوعی انعطافپذیر در لایههای پشتی استفاده شود.
[۱] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.
[۲] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
