چكيده:

فيلتر وسيله اي است (معمولاً به صورت غشاء يا لايه ) كه به صورت فيزيكي از عبور برخي مواد جلوگيري كرده و در عين حال اجازه خروج برخي ديگر را مي دهد. فيلتر ها اغلب در حذف مواد جامد كه بصورت معلق در سيال وجود دارند، استفاده مي شود. براي مثال در حذف آلاينده هاي هوا ، بدست آوردن آب قابل شرب و ساختن قهوه...
برخي وسايل كه فيلتر ناميده مي شوند ممكن است كه فرآيند هاي ديگري نيز انجام بدهند، مثل عمليات تصفيه (مثل بيوفيلتر ها) . فرآيند عبور مخلوط از ميان فيلتر، فيلتراسيون ناميده مي شود. محلول بدست آمده بعد از فيلتر كردن ذرات معلق در محلول، فيلتر شده (Filtrate) ناميده مي شود و اقي مانده در فيلتر، پس مانده (Residue) نام دارد.

مقدمه:

يكي از وسايلي كه داراي كاربرد وسيعي در جداسازي ذرات جامد از سيال مي باشد، فيلترها مي باشند . دراين وسايل، ذرات جامد وجود در يك سيال با عبور دادن سيال از يك محيط صاف كننده يا غشاء از سيال جدا مي شوند و در نهايت ذرات جامد روي غشاء باقي مي مانند. اين عمليات را فيلتراسيون مي نامند. با اين حال در صنايع فرايندي گازي، فيلتراسيون معمولاً به فرايندهايي اطلاق مي شود كه ذرات جامد و قطرات مايع از جريان گاز جدا شوند. راندمان جداسازي فيلتر ها از جداسازي سانتريفوژي بيشتر است اما مشكلي كه در مورد فيلتر ها وجود دارد اين است كه غشاء متخلخل فيلتر ها بايد پس از مدتي كار كردن تعويض شود . اندازه فيلتر ها نسبت به ساير جداساز ها تا حدي متفاوت است و سازنده فيلتر بايد توجه كافي به توزيع سايز ذرات ورودي به فيلتر و ميزان جداسازي مطلوب نيز داشته باشد. يكي از معمول ترين موادي كه براي ساخت غشاء فيلتر مورد استفاده قرار مي گيرد فايبرگلاس (Fiber glass) اين ماده مي تواند ذرات مايع ريزتر از يك ميكرون را نيز ازجريان گاز جدا كند بنابراين داراي راندمان بالايي مي باشد . در شكل  1، چند صفحه مربعي شكل كه به عنوان غشاء فيلتر مورد استفاده قرار مي گيرند نشان داده شده است كه در ادامه بحث مورد بررسي بيشتري قرار مي گيرد.
 

شكل 1 - صفحات غشايي مربعي شكل در ابعاد مختلف

راندمان يك فيلتر عمدتاً بستگي به نوع طراحي آن دارد. يكي از اين پارامتر هاي طراحي، افت فشار ايجاد شده در اثر فيلتر مي باشد. افت فشاري در حدود 14-7  kpas در مورد يك فيلتر تميز كه در صنايع گازي مورد استفاده قرار مي گيرد مقدار مناسبي است. اگر ذرات جامد زيادي در جريان گاز وجود داشته باشند، معمولاً زمانيكه افت فشار ايجاد شده در فيلتر به بيش از 70 kpas برسد، غشاء فيلتر تعويض مي شود . معمولاً از طرف شركت هاي سازنده فيلتر يك سري اعداد و ارقام براي توصيف شرايط كار فيلتر ارائه مي شود . به عنوان مثال جداسازي % 100 قطرات مايع كه داراي قطري بزرگتر از  8 ميكرون هستند و جداسازي 99/5 درصد از ذراتي كه قطر آنها دردامنه 0/5 تا 8 ميكرون قرار دارد از طرف سازنده فيلتر ارائه مي شود. اما رسيدن به اين نتايج در محيط واقعي تا حدودي مشكل مي باشد. به طور كلي سيالي كه از فيلتر عبور مي كند ممكن است گاز يا مايع باشد كه پس از عبور از فيلتر ذرات جامد آن جدا مي شود. اما ماده با ارزش حاصل از فيلتراسيون ممكن است سيال عبور كرده از فيلتر يا جامد جدا شده از جريان و يا هر دو مورد باشند. گاهي نيز هيچ يك از اين دو با ارزش نمي باشد. به عنوان نمونه مي توان به زماني كه ضايعات جامد را بايستي قبل از دور ريختن از ضايعات مايع جدا كرد اشاره كرد. معمولا قبل از عمليات فيلتراسيون، روي خوراك به طريقي كار مي كنند كه سرعت فيلتراسيون افزايش يابد. به عنوان مثال آن را حرارت مي دهند و يا تبلور مجدد مي كنند. يكي ديگر از مواردي كه در مورد فيلترهاي ناپيوسته مهم است، استفاده از فيلتر هاي موازي براي تغيير مسير جريان از يك فيلتر به فيلتر ديگر براي تميز كردن فيلتر اول است. در شكل 2 نحوه جريان يافتن سيال در سه فيلتر موازي كه در هر زمان يكي از آنها در حالت احتياج به تميزكاري دارد نشان داده شده است.
 

شكل  2 - نحوه جريان سيال در مورد فيلتر هاي ناپيوسته

شرح و توصيف:

براي جدا كردن ذرات جامد از سيال مي توان از ته نشين كننده هاي ثقلي، سيكلون ها، فيلتر ها و گيرنده هاي الكترواستاتيكي     (ESP) استفاده كرد. دستگاه هاي فوق به غير از فيلتر ها با هدايت ذرات جامد به سمت يك ديوار جامد باعث جدا شدن ذرات جامد از فاز سيال مي شوند. اما فيلتر ها با تقسيم جريان به قسمت هاي كوچكتر باعث جلوگيري از عبور ذرات جامد از اين قسمت هاي كوچكتر شده و به اين ترتيب باعث جداسازي دو فاز جامد وسيال مي گردند.

فيلتر ها را به طور كلي مي توان به دو نوع كلي تقسيم كرد:
فيلتر هاي سطحي (Surface filter)
فيلتر هاي عمقي (Depth filter)

فيلتر هاي سطحي بايد به گونه اي ساخته شوند كه قطر سوراخ هاي صافي فيلتر مشخص كننده قطر مواد جامدي است كه از سيال جدا مي شود. اما ساختن اين فيلتر ها در حالاتي كه ذرات ريز حدود 1 ميكرون و كوچكتر در سيال وجود دارد كار مشكلي مي باشد. از فيلتر هاي عمقي به طور وسيعي براي كنترل آلودگي هوا استفاده مي شود. در اين فيلتر ها، قالب مواد جامد روي سطح فيلتر كمتر مشاهده مي شود. بلكه جمع آوري ذرات در داخل غشاء فيلتر صورت مي گيرد . در شكل 3 نيز قسمتي از يك غشاء پليمري يك فيلتر عمقي كه از جنس PVC ساخته شده است، با بزرگنمايي خوبي نشان داده شده است. 

شكل  - 3بزرگنمايي قسمتي از يك غشاء پليمري از جنس PVC 

به طور كلي فيلتر ها به سه گروه عمده تقسيم مي شوند:
1 - فيلتر كيكي يا قالبي
2- فيلتر شفاف كننده
3- فيلتر با جريان متقاطع

همانطور كه در شكل 4 نيز مشاهده مي شود فيلتر كيكي ، مقادير نسبتاً زيادي از مواد جامد را به صورت قالبي از بلور يا گل جدا مي سازد. در اين فيلتر ها براي شستن قالب و خارج كردن مقداري از مواد جامد قبل از تخليه نهايي پيش بيني هايي صورت مي گيرد. در فيلتر هاي شفاف كننده، معمولا مقدار جامد جدا شده كم است و محصول يك گاز تميز يا يك مايع شفاف و زلال مي باشد.
 

شكل  -4- انواع غشاء فيلتر ها:الف)صافي قالبي، ب)صافي شفاف كننده، ج)صافي با جريان متقاطع

در فيلترهاي با جريان متقاطع، محلول سوسپانسيون خوراك تحت فشار با سرعت تقريبًا زياد از عرض محيط صافي جريان مي يابد. محيط صافي نيز يك غشاء سراميكي، فلزي يا پليمري با منافذ كوچك است كه بيشتر ذرات معلق را دفع مي كنند. اكثر فيلتر هاي صنعتي ، به صورت فيلتر هاي فشاري ، فيلتر هاي خلا و فيلتر هاي سانتريفوژي مي باشند . اين فيلتر ها با توجه به اينكه تخليه جامدات جدا شده از سيال به صورت پيوسته يا منقطع باشد به صورت پيوسته و يا ناپيوسته مورد استفاده قرار مي گيرند. در مورد فيلتر هاي ناپيوسته، بايد هر چند وقت يكبار جريان سيال را قطع كرد تا بتوان جامدات جمع شده را خارج ساخت. اما در فيلتر هاي پيوسته، تخليه جامدات و سيال زمانيكه دستگاه مشغول كار است قطع نمي شود. دليل حركت سيال در فيلتر وجود افت فشار در محيط فيلتر مي باشد.

عيوب و موارد عدم مطلوب بودن فيلتر ها

غشاء مورد استفاده در فيلتر بايد شرايط زير را داشته باشد:
بايد توانايي نگهداري جامداتي كه از جريان مايع جدا مي شوند را داشته باشد.
بايد از نظر شيميايي مقاوم باشد و از نظر فيزيكي به قدر كافي در برابر شرايط فرآوري مقاومت كند.
نبايد به سادگي مسدود شود.
بايد امكان تخليه تميز و كامل قالب تشكيل شده را دارا باشد.
نبايد خيلي گران باشد.
در تصفيه صنعتي، يك محيط رايج صافي، پارچه است كه به صورت شكسته يا اريب بافته شده است. براي حالات مختلف الگوهاي بافت بسيار متفاوت موجود است . براي مايعات خورنده بايد از محيط هاي صافي ديگري همچون پارچه پشمي، پارچه فلزي از جنس مونل يا فولاد ضد زنگ، پارچه شيشه اي يا كاغذ استفاده كرد. پارچه هاي مصنوعي همچون نايلون ، پلي پروپيلن و پلي استرهاي مختلف از نظر شيميايي نيز بسيار مقاومند . در يك پارچه با مش هاي با اندازه معين، الياف مصنوعي يا فلزي صاف كمتر از الياف طبيعي ريز در جدا كردن ذرات بسيار ريز كارايي دارند. معمولاً اين عيب الياف مصنوعي و فلزي فقط در شروع تصفيه بروز مي كند . لذا محصول تصفيه شده ابتدا ممكن است كدر باشد و بعد زلال شود. معمولا محصول تصفيه كدر براي تصفيه مجدد به مخزن دوغاب بازگردانده مي شود.
جامدات باريك يا بسيار ريز كه يك قالب متراكم و ناتراوا توليد مي كنند هر محيط صافي ريز را به سرعت مسدود مي كنند. تصفيه عملي چنين موادي مستلزم آن است كه تخلخل قالب يا كيك افزايش يابد تا محلول بتواند با سرعتي معقول عبور كند. اين كار با افزودن يك كمك صافي همچون سيليكاي دياتومه اي، پوليت، سلولز خالص، چوب يا هر جامد متخلخل و بي اثر ديگر به دوغاب قبل از تصفيه انجام مي شود. كمك صافي را بعداً مي توان با حل كردن جامدات يا سوزانيدن كمك صافي، از جامدات جدا كرد. اگر جامدات گرفته شده از سيال ارزشي نداشته باشند آنها را همراه با كمك صافي دور مي ريزند.
در فيلتراسيون، حركت جريان در محيط متخلخل صورت مي گيرد. در ضمن مقاومت اين تخلخل در برابر جريان باگذشت زمان افزايش مي يابد . كميت هاي عمده مورد نظر در عمليات فيلتراسيون شدت فيلتراسيون و افت فشار در فيلتر مي باشد. در عمليات فيلتراسيون با گذشت زمان يا شدت جريان كاهش مي يابد و يا افت فشار زياد مي شود و يا هر دو مورد صورت مي گيرد.