الک های نانومتری(1)

نحوه عمل فیلتراسیون. تنها ذراتی که اندازه آنها از اندازه حفرات فیلتر کوچک‌تر است عبور می‌کنند

همان طور که می دانیم فیلترها موادی متخلخلی هستند که در فرایند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها، داشتن خلل و فُرج‌هایی با اندازه‌ و ابعاد مشخص است، به همین دلیل، فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را دربرمی‌گیرند و شبکه پیچیده‌ای از حفره‌ها را می‌سازند. فیلترها می‌توانند از جنس پلیمـر و یا سرامیک باشند.

فیلترکردن یا فیلتراسیون، فرایندی است که در آن یک مایع و یا گاز (سیال) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می‌کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک‌تر هستند از آن عبور کرده و ذرات با اندازه بزرگ‌تر، از سیال جدا شده و در پشت فیلتر می‌مانند. در ساده ترین تعاریف، فیلتراسیون واحدی است که ماده ای را طی فرآیندی از ماده دیگر جدا می کند و این امر را با حداق مصرف انرژی صورت می دهد. محصول اصلی فیلتراسیون جامد پر ارزش یا سیالی تمیز خواهد بود.

مایع و گاز دو سیال معمول عبوری از فیلترها هستند. فیلتراسیون مایع به جدا سازی ذرات معلق از یک مایع با عبور آن از یک محیط یا غشای متخلخل اطلاق می شود. زمانی که سیال یا محلول حاوی ذرات معلق با فشار به داخل سوراخ ها یا حفره های محیط فیلتر وارد می شود، ذرات جامد در سطح پشت فیلتر و در برخی از موارد، دیواره سوراخ های فیلتر می مانند و سیال از فیلتر عبور می کند. وقتی ابعاد نانومتری می شود، این مولکول ها هستند که جدا می شوند.

فیلترهای نانویی می توانند در خالص سازی آب آشامیدنی، تصفیه آب آلوده و برای جداسازی آب و نفت مورد استفاده قرار بگیرند. نانومواد تأثیر بسزایی در توسعه فیلترها دارند. اندازه سوراخ فیلترها می تواند آنقدر کوچک ساخته شود که حتی کوچک ترین ذرات ویروسی را نیز به دام بیاندازد. فیلترها می توانند با مواد فعالی مثل نانوذرات دی اکسید تیتانیوم همراه شوند که می تواند مولکول های آلی شامل باکترها و ویروس ها را متلاشی کند.

 با توجه به این کار محیط های فیلتری نمی توانند به تنهایی کیفیت مطلوب را ایجاد نمایند، باید مجموعه ای از فرآیندها در کنار هم قرار گیرند و بهینه ترین بازدهی ممکن از آن ها به دست آید.

جداسازی ذرات در فیلتر تحت تأثیر پنج عامل اصلی قرار می گیرد:

*اندازه حفرات فیلتری:

همان‌طور که گفته شد موادی با اندازه بزرگ‌تر از حفرات فیلتر، در پشت آن باقی می‌مانند و عبور نمی‌کنند، در نتیجه، برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد. اندازه فیلتر، کل مساحت موجود برای جداسازی جریان و کانال های عبور را تعیین می کند، میزان فیلتراسیون در واحد زمان، مدت تماس سیال و فیلتر را تعیین می کند. با توجه به ارتباط فیلتراسیون به اندازه ذرات، آگاهی از این اندازه ها ضروری است. برای مثال برای جداسازی باکتری ها باید مطلع بود که ابعاد آن ها بالای 10 میکرون است. گلبون های قرمز حدود 10 میکرومتر قطر دارند. سایر سلول های زنده حیوانی 10 تا 20  میکرومتری و سلول های گیاهی 20 تا 30 میکرومتری هستند. بیشتر باکتری ها بین 1 تا 5 میکرومتر قطر دارند. برخی ویروس ها در محدوده بالای 100 نانومتر قرار دارند و کوچکترین آنها بین 20 تا 30 نانومتر قرار دارد. بدیهی است فیلتری که برای جداسازی باکتری ها به کار می رود، کافی است ابعاد بالای میکرومتر را جدا نماید.

*نرخ فیلتراسیون یا بارگذاری فیلتر

* قطر موثر ذرات یا توزیع ابعاد ذرات:

قطر موثر ذرات و توزیع آن روی مکانیزم جداسازی ذرات،برروی مساحت سطح در دسترس و تخلخل که مدت کارایی فیلتر را تعیین می کنند، تاثیر می گذارد.

* نرخ جریان و میزان ذراتی که پشت فیلتر باقی می ماند

ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیش‌تر می‌شوند. این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن روزنه‌های فیلتر شود. به این دلیل، باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض، و یا آن را پاک‌سازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می‌باشد از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا تعویض و یا حتی تمیزکردن فیلتر هزینه‌بر است. نرخ جریان نیروهای برشی را تعیین می کند. با جدا سازی ذرات جامد توسط فیلتر مولفه های سطحی فیلتر کاهش می یابد و کانال های جریان سیال تغییر می کند.

بازدهی فیلتر در جمع آوری ذرات به این صورت تعریف می شود:

تعداد موفقیت ها در جداسازی کل ذراتی که در مساحت سطح مقطع جدا کننده وجود دارند، تقسیم بر تعداد ممکن (100 درصد ذرات موجود) ذرات. این بازدهی را می توان بر حسب کل ذرات در جریان مایع بیان کرد که با سه ساز و کار مختلف شامل سد کردن، حرکت براونی و برخورد انجام می گیرد. تأثیر عواملی مانند گرانش و نیروی الکترواستانیکی در فیلتراسیون ابعاد ریز بسیار کم است. کار اصلی محیط فیلتر به حداکثر رساندن قابلیت جمع آوری و استخراج ذرات معلق است. طوری که با حداقل میزان افت انرژی جریان سیال همراه باشد.

در طراحی یک سیستم فیلتراسیون ایده آل، خواص فیزیکی و شیمیایی ذرات و سیال، نرخ جریان، تنش های پاکسازی و فیلتراسیون، ساختمان فیلتر، طراحی مسیرهای عبوری، نسبت زمان کار به زمان تمیز شدن، نسبت جریان سیال به مساحت فیلتر، فضا و هزینه های مورد نیاز و روش پاکسازی مورد اهمیت هستند.درواقع محیط فیلتری قلب هر واحد فیلتراسیون است و هر گونه تغییری در آن، منجر به خروجی متفاوتی می گردد. کارایی سیستم فیلتراسیون موفق تا حدودی زیادی به انتخاب یک محیط متخلخل مناسب بر می گردد.

فیلتراسیون غشایی

انواع روش های فیلتراسیون با عناوین فیلتراسیون ذرات ،میکرو فیلتراسیون ،الترافیلتراسیون ،نانوفیلتراسیون،اسمز معکوس (هایپر فیلتراسیون)دسته بندی می کنند.فنون فیلتراسیون پیشرفته می توانند ذرات را تا یک آنگستروم جدا کنند.فیلترهایی که جزء  چهار دسته آخر هستند تحت یک عنوان مشترک بانام غشا قرار می گیرند که یکی از ابزارهای قدرتمند در فیلتراسیون هستند.25 سال است که از تجاری شدن این محصولات می گذرد.انواع غشاهای پلیمری ،لیفی و سرامیکی در فرایند های فیلتراسیون استفاده می شوند. نیروی کار این غشاها اختلاف فشار بالاست. همان طور که می دانیم انواع فیلترها بر حسب فیزیک محیط شامل فیلترهای لیفی، غشاها، مواد مویینه و بسترهای گرانولی (مانند شن) هستند. فیلتراسیون با فیلترهای لیفی یکی از روش های اصلی برای برداشتن ذرات در محدود گسترده ای از ابعاد است. فیلترهای لیفی نسبتاً ارزان بوده و کار با آن ها بسیار ساده است، لذا پر بازده ترین فیلترها برای جمع آوری ذرات به شمار می آیند. مهم ترین مشخصه فیلترهای لیفی تخلخل بالای آنها است که عامل بسیار مهم در عبوردهی آب یا هوا می باشد. فیلتر محیطی متخلخل است. روش ایجاد حفره های آن، میزان ارتباط داخلی آنها، موقعیت آنها، ابعاد و شکل آن ها، خواص محیط متخلخل را شکل می دهند. تخلخل نسبتی از حجم محیط متخلخل است که شامل فضای خالی می باشد.

ادامه دارد...