فیلترهای بی‌بافت، فیلتراسیون و جداسازی

فیلترهای بی‌بافت در ساده‌ترین شکل خود به صورت ساختمان‌هایی متشکل از الیاف هستندکه معمولاًبه صورت یک صفحه یا لایه بوده و به منظور‌ جداسازی یک یا چند فاز از یک سیال مورداستفاده قرار می‌گیرند. فیلتراسیون (Filtration) معمولاً به جداسازی فازهای ذره‌ای از یک سیال در حال حرکت اطلاق می‌شود که می‌تواند ذرات موجود در سیال را در ساختمان پرپیچ و خم فیلتر به دام اندازد. ازدیگر مباحث فیلتراسیون می‌توان به حالت‌های دیگر جداسازی همچون جذب­السطحی یا رونشینی به معنی جمع شدن مولکول‌های گاز و مایع برروی سطح آب یا جسم جامد (Adsorption)، انعقاد استخراجی (Extraction Coalescence)، اثرات الکتریسیته ساکن (Electrostatic Effect)، فعالیت ضد میکروب و ضد باکتری (Antimicrobial Activity) اشاره نمود.

ازاین‌رو، در ادامه جهت فهم بهتر مطالب، به بیان موضوعاتی همانند فیلتراسیون، جداسازی، بی‌بافت‌ها و محیط‌های فیلتر پرداخته می‌شود.

فیلتراسیون و جداسازی

طبق تعاریف انجمن‌ها فیلتراسیون، مکانیزم یا شیوه‌ای برای جداسازی یک ماده یا جسم از یک جسم یا ماده دیگر است که برای جداسازی ناخالصی‌ها از یک سیال یا جدا کردن مواد با ارزش افزوده بالا (ارزشمند) مورداستفاده قرار می‌گیرد که از جمله کاربردها می‌توان به استفاده از  فیلتراسیون در عملیات و فرآیند‌های مواد و صنایع معدنی، صنایع شیمیایی و مواد غذایی‌ اشاره نمود.

انواع جداسازی‌ها را می توان به 6 گروه  مشخص زیر تقسیم‌بندی کرد :

• جداسازی جامد- گاز
• جداسازی جامد- مایع
• جداسازی جامد- جامد
• جداسازی مایع- مایع
• جداسازی گاز- مایع
• جداسازی گاز-گاز

جداسازی جامد- جامد، برای مخلوطی از ذرات یا کلوخه‌های بزرگ وکوچک انجام می‌شود که در راستای جداسازی ذرات یا کلوخه‌های کوچک از بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بعضی موارد، عمل جداسازی می‌تواند به وسیله جداسازی مغناطیسی انجام شود.

طبق تعریف دانشنامه بریتانیکا (Encyclopedia Britannica)، سیال (Fluid) به هر مایع یا گاز و بطور عموم هر ماده که نمی‌تواند در حالت سکون نیروی مماسی یا برشی را تحمل کند، اطلاق می‌شود؛ چرا که، هنگام اعمال تنش، ‌پیوسته شکل آن تغییر می‌کند. از این رو، بر اساس این تعریف، هم گاز‌ها و هم مایعات به عنوان سیال در نظر گرفته می‌شوند.

البته، جداسازی به فیلتراسیون ذرات جامد از سیال به وسیله به دام انداختن این ذرات  در ساختمان ماتریسی یا لایه فیلتر محدود نمی‌شود‌ و مطابق با تعاریف بالا در زمینه لایه فیلتر بی‌بافت،  سیال حرکت کرده و از  میان فیلتر عبور می‌نماید. این عمل مستلزم یک نیروی محرکه برای اعمال نیرو به سیال می‌باشد‌ که معمولاً  به شکل اختلاف فشار حاصل از گرانش (جاذبه)‌،  خلا‌ء،  عمل مویینگی‌،  یک دستگاه پمپ‌،  یک دستگاه کمپرسور‌، یک دستگاه فن یا یک دستگاه دمنده ایجاد می‌شود. از دیگر شکل‌های نیرو محرکه نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرد‌. به عنوان مثال‌، یک گرادیان یا اختلاف دما می‌تواند سبب عبور سیال از ناحیه داغ به ناحیه سرد یک محیط شود‌. همچنین، این نیرو می‌تواند حاصل از اختلاف غلظت  مواد در یک محیط باشد که در نهایت منجر به انتشار (Diffusion)  خواهد شد. کیسه چای کیسه‌ای (Teabag)‌،  نمونه بارزی  از فیلتر انتشار (Diffusion Filter) است، بدین صورت که در چای کیسه‌ای، آب داغ  اجزای مزه دار قابل حل را از برگ چای موجود در کیسه چای کیسه‌ای  بیرون کشیده و استخراج می‌کند‌. سپس، اجزای مزه دار قابل حل پس از عبور از لایه کیسه در داخل حجم بیشتری از آب داغ خارج از کیسه چای  پخش می‌شوند. در بعضی موارد‌، اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌تواند به جربان ذرات با بار الکتریکی  نیرو وارد کرده و آنها را به سمت سطح فیلتر حرکت دهد. این عمل در فیلتراسیون هوا  و به وسیله اثرات الکتریسیته ساکن می‌تواند انجام شود‌. در فیلتراسیون آب این عملیات می‌تواند در نتیجه اثرات الکترونیک یا الکتروسینتیک  همراه با پتانسیل  زتا (Zeta Potential) صورت پذیرد.

تعاریف بی‌بافت

طبق تعاریف INDA (Association of the Nonwoven Fabrics Industry) و EDANA (European Disposables And Nonwovens Association) که بر اساس ایزو 1988:9092 است، معیاری که برای بی‌بافت به کار می‌رود، نسبت طول به قطر لیف (L/D) و حجم آن است و هر دو این تعاریف، الیاف گیاهی که به صورت شیمیایی حل شده اند را مورد استثنا قرار داده­ اند‌.

عواملی که سبب تفاوت بین بی‌بافت‌ها و کاغذ می‌شود  عبارتند از:

1- حدود 50% از جرم آن شامل الیافی باشد که L/D آنها 300 یا بالاتر است (به استثنای الیاف گیاهی هضم شده )

2- مطابق با تعریف INDA، حدود 30% از جرم آن شامل الیافی باشد که L/D آنها 600 یا بیشتر است (به استثنای الیاف گیاهی هضم شده به روش شیمیایی) یا 30% از جرم آن شامل الیافی است که L/D آنها 300 یا بیشتر بوده و چگالی آن کمتر از g/cm²  4/0 می‌باشد (به استثنای الیاف گیاهی هضم شده به روش شیمیایی)

3- بر اساس تعریف EDANA، 30% از جرم آن شامل الیافی باشد که L/D  آنها 300 یا بیشتر است (به استثنای الیاف گیاهی  هضم  شده به روش شیمیایی) و چگالی آن کمتر از g/cm²  4/0 می‌باشد.

البته، INDA و EDANA دارای اختلافاتی در بیان این تعاریف هستند؛ به گونه‌ای که در تعریف INDA  یک بی‌بافت حاوی 30% جرمی از الیاف با نسبت L/D600 و بیشتر است، ولی در تعریف EDANA نسبت L/D الیاف باید بیشتر باشد‌.

بی‌بافت‌ها معمولاً به وسیله عملیات لایه‌سازی خشک و با روش‌های آیرودینامیک، استفاده از دستگاه‌ها و ماشین‌آلات مکانیکی و استفاده از اسپینرت ریسندگی برای تشکیل لایه تار عنکبوتی، تولید می‌شوند‌. درحالیکه‌، کاغذ در یک محیط آبی و با استفاده از یک لایه خیس و نمدار و یا عملیات ویژه ماشین‌های کاغذ سازی تولید می­شود. همچنین، محصولاتی حاصل از روش لایه‌سازی تر وجود دارند که در تعاریف INDA و یا EDANA صدق می‌کنند و به بی‌بافت شناخته می‌شوند‌. از جمله این محصولات می‌توان به لایه‌های کاغذ تولید شده  از الیاف شیشه (شامل کاغذ حاصل از میکرو فایبر‌های شیشه) ولایه‌های تولید شده به روش لایه‌سازی تر با درصد بالایی از الیاف سینتیک با طول بلند مانند الیاف نایلون و پلی­استر اشاره نمود‌. لایه‌های حاصل از لایه‌سازی تر که از الیاف غیر آلی مثل کربن‌، سرامیک و انواع فلزات تولید می‌شوند‌، شاید به عنوان یک محصول بی‌بافت شناخته شود اما چگالی لایه آنها کمتر از 4/0 است.

با توجه به تعاریفی که INDA و EDANA ارائه دادند، الیاف طبیعی هم می‌توانند برای تولید یک محصول بی‌بافت مورد استفاده قرار گیرند؛ اما اگر این الیاف به صورت شیمیایی هضم و گوارش شوند‌، نمی‌توانند به عنوان الیاف بلند به حساب آیند‌. این استثنا سبب حذف انواع مشخصی از لایه‌های الیاف بلند حاصل از لایه‌سازی تر که تصور می‌شود بی‌بافت هستند، می‌شوند‌‌. یک نمونه از این نوع کاغذ، کیسه چای کیسه­ای ساخته شده از الیاف اباکا (abca) که به کنف مانیل (Manila hemp) معروف است و یا سیسال (sisal) می­باشد که به صورت شیمیایی هضم شده‌اند‌. همچنین، الیاف طبیعی بلندی وجود دارند که به صورت شیمیایی هضم نشده و برای ساخت تار عنکبوتی بی‌بافت‌ها‌، حصیرها و نمدهایی که مصداق تعاریف INDA  و EDANA هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند‌. به عنوان مثال می توان به پنبه، پشم، سیسال، کنف، اباکا و جوت اشاره کرد که دارای ارزش تاریخی از نظر منشأ برای مواد بی‌بافت هستند‌. اکنون تمایل به احیای مصرف الیاف طبیعی برای تولید بی‌بافت‌ها وجود دارد‌، به این دلیل که الیاف طبیعی به صورت ذاتی زوال پذیر(Biodegradable) هستند و به هنگام امحای آنها در طبیعت‌، آسیب وارده به محیط زیست کم و ناچیز است‌. علاوه بر این، در طول زمان‌های بحران جهانی و یا کمبود‌های نفت، الیاف طبیعی جایگزین اقتصادی مناسبی برای الیاف شیمیایی بر پایه­ مواد پتروشیمی هستند. عوامل اقتصادی مشتقات سینتیک حاصل از منابع پتروشیمی، ‌سبب ترغیب به توسعه بی‌بافت‌های حاصل از منابع الیاف طبیعی شده­اند.

بعضی از انواع خمیر چوب به صورت شیمیایی هضم شده نیستند (چوب خرد شده یا خرده‌های چوب یا Ground wood)، اما آنها الیاف بسیار کوتاهی هستند که معیار نسبت L/D لازم را برای بی‌بافت‌ها برآورده نمی‌کنند. الیاف خمیر چوب معمولاً برای ساخت کاغذ با نسبت L/D کمتر از 1/200 مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بعضی از محصولات که به صورت خشک شکل داده شده‎اند، لزوماً مطابق با تعریف بی‌بافت نیستند. تار عنکبوتی‌های جاذب­الرطوبه و دیگر محصولات تولید شده بر روی ماشین‌ با لایه‌سازی هوایی‌،  نمونه‌ای از این محصولات هستند. این لایه‌های تار عنکبوتی به وسیله روش غلتک‌های فشاری و ضربه‌های ماتریسی بر روی خمیر چوب شکل می‌گیرند و مواد جاذب الرطوبه موجود دارای نسبت‌های L/D بسیار پایینی هستند. این محصولات معمولاً دارای حداقل الیاف بلند سینتیک بوده و مقدار این الیاف در داخل تار عنکبوتی بستگی به طرح و کاربرد این لایه‌ها دارد.

لازم است درک مناسبی از تمایز بین بی­بافت‌ها و کاغذ وجود داشته باشد. اما، در تمایز و تفاوت بین این دو گروه از محصولات، ابهامات فراوانی وجود دارد. علاوه بر این‌، در سطح بازار و حوزه تکنولوژی محصولات لایه‌های فیلتر مشترکات و همپوشانی‌های فراوانی دارند. محصولات بی‌بافت  و کاغذی در بسیاری از زمینه‌های فیلتراسیون و کاربرد‌های جداسازی رقیب و یا مکمل یکدیگر هستند‌. همچنین، بسیاری از قطعات و ساختمان‌های کامپوزیتی حاوی هردو محصول  از بی‌بافت‌ها و کاغذ‌ها هستند.