فیلترهای بیبافت، فیلتراسیون و جداسازی
ناگفته هایی از رنگزای خمی
لایه فیلتر
با توجه به تعریف لایههای فیلتر ارائه شده در کتاب Filtration Dictionary and Glossary که توسط ویکمن (Wakeman) نوشته شده است، هرماده نفوذپذیر مورداستفاده در فیلتراسیون به طوری که مواد جامد بر روی آن یا داخل آن تجمع یابد را، لایه فیلترمینامند. بر اساس استدلال سوترلند و پرچاس (Sutherland & Purchas)، لایه فیلتر به صورت مادهای متخلخل در یک فیلتر است که جداسازی واقعی را انجام میدهد. البته در فصل اول از کتاب آنها، تعریف فیلتر گستردهتر و به صورت زیر انجام شده است:
”A filter medium is any material that, under the operating conditions of the filter, is permeable to one or more components of a mixture, solution, or suspension, and is impermeable to the remaining components.”
تعریف ارائه شده توسط پرچاس و سوترلند با فیلترهای بیبافت سازگارتر است، چون این تعریف دربرگیرنده دیگر عملیات جداسازی به غیر از به داماندازی ذرات (particle entrapment) ساده است. در ادامه به انواع دیگری از لایههای جداسازی در ذیل اشاره میشود:
- لایههای رونشینگر
لایههای فیلتر حاوی مواد رونشینگر (جاذبالسطحی یا Adsorbent Media) هستند که مایعات و ناخالصیهای حلشدنی را از جریان سیال و به وسیله جذب سطحی یا رونشینی جدا میکنند، یعنی ناخالصیها به سطوح لایهها میچسبند و در نتیجه اثرات فیزیکی-شیمیایی در سطح نگهداشته میشوند. کربن فعال شده (Activated Carbon) که به کربن فعال معروف است، یک ماده جاذبالسطحی معمول است که در لایههای فیلتر استفاده میشود. در فیلتراسیون مایعات معمول است که از این ماده (کربن فعال) برای جداسازی هیدروکربنها و ناخالصیهای بدمزه از آب آشامیدنی استفاده میشود. این مواد برای جداسازی مواد شیمیایی سمی و نامطبوع از هوا از قبیل استفاده در ماسکهای گاز و دستگاههای تنفس مصنوعی نیز به کار برده میشوند. در امور نظامی، مواد جاذبالسطحی مانند کربن فعال برای حفاظت از پرسنل نظامی و شهروندان در مقابل اثرات سمی مواد شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند. دیگر مواد جاذبالسطحی شامل آلومینیوم فعال، زئولیتها، رزینهای تبادل یونی و جوش شیرین (بیکربنات سدیم) در لایههای فیلتر به کار گرفته میشوند. لایههای جاذبالسطحی به طور گستردهای در فیلترهای کابین خودروها، جایی که آنها برای بیرون کشیدن و خروج بوهای بد و بخار متصاعد شده بسیار مؤثر هستند، مورداستفاده قرار میگیرند. در چند دهه گذشته، مواد جاذبالسطحی به عنوان لایههای جداکننده مؤثر در سیستمهایHVAC (Heat Ventilation Air Condition) یا سیستمهای گرمایشی، سرمایشی و تهویه مطبوع در محل کار، ادارات و منازل به کار گرفته میشوند.
شکل1- زئولیت، نمونهای از مواد جاذبالسطحی
- لایههای جاذب
در حالیکه یک لایه جاذبالسطحی، ناخالصیها را با یک اثر سطحی از جریان جدا میکند، یک لایه جاذب (Absorbent) میتواند عملیات جداسازی ناخالصیهای موجود در جریان عبوری را با جذب در ساختمان متخلخل خود، انجام دهد؛ چنانکه یک قطعه اسفنج آب را از یک سطح خیس به داخل میکشد و در خود نگه میدارد. بیبافتها اغلب با ساختمانهای جاذب مورداستفاده قرار میگیرند تا مواد جاذب را درخود نگه دارند و به صورت یک لایه انتقال برای سیال و به منظور جریان به داخل مواد جاذب عمل نمایند. با این حال، ساختمان جاذب مانند کُرک پوشک بچه، دستمالهای خشککُن به عنوان لایه فیلتر به حساب نمیآیند، برای اینکه این لایهها عمل جداسازی را انجام نمیدهند (یا اینکه سیال در داخل آنها جریان نیافته و عبور نمیکند، بلکه به عنوان جاذبالرطوبه، نم و مواد همراه را در خود نگه میدارند). از سوی دیگر، بعضی از مواد به صورت انتخابی و گزینشی عمل میکنند. مثل پلیاولفینها، اگرچه غیر جاذبالرطوبه و آبگریز هستند، ولی تمایل به جذب روغنها را داشته و معمولاً برای جذب روغن موجود در آب مورد استفاده قرار میگیرند. پلیمرهای پلیاولفین اغلب برای کنترل نشت مواد نفتی دریا استفاده میشوند.
دربسیاری از اوقات، خاصیت جذب یک خاصیت ناخواسته در لایههای فیلتر میباشد. مثلا تمایل لایههای سلولزی برای جذب آب منجر به نرم شدن و ضعیف شدن ساختمان فیلتر شده و عمر فیلتر را کم میکند. علاوه بر این، مواد سلولزی موجود در فیلتر در اثر رطوبت متورم میشوند و این تورم سبب اختلال در عمل فیلتراسیون میشود.
- لایه های انعقادی
انعقاد (Coalescing) فرآیندی است که بدین وسیله یک لایه فیلتر میتواند ذرات مایع مخلوط نشدنی را از داخل یک جریان مایع یا گاز جدا نماید. این فرآیند، شامل جداسازی هیدروکربنهای دیسپرسشده در آب، بخارات روغن از داخل هوا، رطوبت و بخار از داخل هوا و رطوبت از داخل سوخت هوانوردی میشود. این پدیده یک فیلتراسیون ذرهای (Particulate Filtration) است؛ به طوریکه لازم است یک قالب و ماتریسی از الیاف ظریف برای به دام انداختن ذرات مایع و نگه داشتن آنها در الیاف، وجود داشته باشد. یک اثر جداگانه برای جداسازی مواد منعقد شده موردنیاز است، و بر این اساس باید پیشبینی لازم برای انتقال ذرات مایع به دام افتاده شده (جذب شده) انجام شود تا این مواد بتوانند به صورت یک جریان جداگانه از محیط خارج شوند مانند بهره گیری از مکانیزمهای شناوری یا تهنشینی.
شکل2- نمونهای از لایههای فیلتر انعقادی
- الکتروفیلتراسیون (فیلتراسیون الکتریکی)
الکتروفیلتراسیون یا فیلتراسیون الکتریکی روشی است که در آن از اثرات الکتریسیته در فیلترها استفاده می شود. لایههای فیلتر و یا الیاف مورداستفاده برای لایههای فیلتر میتوانند به صورت الکتروستاتیک (الکتریسیته ساکن) شارژ شوند و به این روش خواص فیلتراسیون آنها افزایش مییابد. اگرچه میتوان استدلال نمود که لایههای الکتروستاتیک میتوانند ذرات را با فیلتراسیون جدا نمایند، با این حال، این پدیده یک نوع متفاوتی از جداسازی به حساب میآید، چون در این فرآیند نوع متفاوتی از فناوری به کار گرفته میشود. الیاف و یا لایه فیلتر شارژ شده اغلب تحت عنوان الکترت ها (electrets) شناخته میشوند. الکترتها موادی هستند که پس از گدازش و سرد شدن در میدان الکتریکی قوی دارای الکتریسیته دائم (باردار) میشوند. الکترتها مواد دیالکتریکی هستند که در غیاب یک میدان الکتریکی فعال، یک میدان الکتریکی خارجی از خود نشان میدهند. چنانچه، این مواد در فیلتراسیون هوا به کار گرفته شوند، میتوانند به مقدار بسیار زیادی راندمان فیلتراسیون ابتدایی را افزایش داده و افت فشار را نیز کاهش دهند. لایههای الکتروستاتیک یکی از پدیدههای مهم در بازارهای فیلتراسیون هوا شدهاند.
فیلتراسیون الکتروکینتیک (Electro kinetic) در فیلتر کردن مایعات به کار گرفته میشود. این لایه یک شارژ الکترونی مثبت ایجاد میکند که آن را قادر میسازد تا بیشتر ذرات با بار منفی (Anionic) موجود در جریان یک سیال قطبی را جذب نماید.شرکت IncorporatedCuno (یکی از شرکتهای گروه3m) لایههای فیلتری از نوع الکتروکینتیک را تحت عنوان Zeta Plus تولید و به بازار عرضه میکند.
شکل3- نمونههایی از فیلترهای zeta plus شرکت IncorporatedCuno
- لایههای ضدمیکروب
لایههای فیلتر ضدمیکروب (Antimicrobial Media) حاوی موادی برای حفاظت فیلتر بوسیله جلوگیری از رشد باکتری، قارچ و مخمر هستند. در بعضی موارد، عمل ضدمیکروبی با هدف جلوگیری از مهاجرت میکرواورگانیسمهای بیولوژیکی به عملیات فیلتر کردن یا محصول فیلتر شده نیز مورداستفاده قرار میگیرد. مواد ضدمیکروب میتوانند به صورت یک مرحله تکمیلی بر روی لایههای فیلتر اعمال شوند یا اینکه به صورت یکپارچه بر روی الیاف مورداستفاده برای تولید لایه فیلتر به کار برده شوند.
شکل 4- نمونهای از فیلترهای ضدمیکروب مورداستفاده در تهویه هوا
- استخراج
استخراج (Extraction) پدیدهای است که در لایه فیلتر به وجود نمیآید، بلکه لایه به عنوان ساختمان نگهدارنده برای فرآیند استخراج عمل میکند. فیلتر قهوه مثال خوبی برای استخراج میباشد. در فرآیند فیلتر یا صافی قهوه، آب داغ اجزای مزهدار و قابل حل را از خردههای قهوه که در داخل لایه فیلتر قهوه نگه داشته شدهاند، استخراج میکند. در این فرآیند آب خوشرنگ حاوی قهوه از داخل فیلتر عبور میکند، درحالیکه خردههای قهوه در داخل لایه باقی میمانند. کیسههای چای کیسهای و فیلترهای چای معمولاً به این شکل عمل میکنند.
- نگهدارنده فیلتر
کاربردهایی وجود دارند که در آنها لایه بیبافت عمل فیلترینگ انجام نمیدهد بلکه به عنوان ساختمان نگهدارنده یک لایه که عمل فیلتر را انجام میدهد، عمل میکند و به نگهدارنده فیلتر (Filter Support) معروف است. انواع معینی از بیبافتها مثل لایههای ذوب- دمشی یا ملت بلون (Melt-Blown) و لایههای الکتروریسی شده (Electro Spun) معمولاً بسیار نازک و ضعیف هستند که بتوانند یکپارچگی و پایداری ساختمانی خود را حفظ کنند. بنابراین، این گونه لایهها نیاز به مواد محکمتر و قویتر از قبیل پارچههای تاری-پودی، اسپان باند، نمدهای سوزنزنی شده یا لایههای تار عنکبوتی سلولزی دارند تا استحکام کافی را در عمل و هنگام مصرف به آنها بدهد. بیشتر اوقات برای چنین اهدافی از تورهای فلزی استفاده میشود.
در بسیاری از کاربردها، فیلترهای غشایی (Membrane Filters) به وسیله یک ساختمان یا لایه بیبافت نگهداشته میشوند. لایههای فیلتر غشایی در حوزه بحث این کتاب قرار نمیگیرند. ولی لایههای بیبافت نگهدارنده در حوزه بحث این کتاب میگنجند.
در بسیاری از موارد، لایهای که برای استحکام مکانیکی و نگهداری یک لایه فیلتر مورد استفاده قرار میگیرد، خود لایه نگهدارنده نیز در عمل فیلتراسیون مشارکت میکند. اغلب، لایه نگهدارنده به عنوان یک لایه پیشفیلتر یا فیلتر مقدماتی برای لایه فیلتر اصلی که دارای کارایی بالایی است به حساب میآید؛ در نتیجه، یک گرادیانی از لایه فیلتر ایجاد میشود به طوریکه لایه فیلتر ترکیبی از دو یا چند لایه خواهد بود که در این صورت هر لایه دارای راندمان بیشتری نسبت به لایه قبلی خواهد بود.
- ساختمانهای کامپوزیتی
یک فیلتر با لایههای نگهدارنده که در بالا مورد بحث قرار گرفته است، نمونهای از ساختمانهای کامپوزیتی (Composite Structures) است. روبرت مورفی (Robert Murphy) از شرکت هولینکزوُرت و ووز (Hollingsworth & Vose Co) فیلترهای کامپوزیتی را به صورت “دو یا چند تکنولوژی تارعنکبوتی (وب) متفاوت که به منظور بهینه کردن خواص لایه فیلتر با یکدیگر ترکیب میشوند” دانسته است. کامپوزیتها شرایطی را فراهم میکنند که فرصت بیش از یک فرآیند جداسازی در یک فیلتر به وجود آید.
لایههای فیلتر بیبافت
با ترکیب مباحثی که پیشتر (شماره قبل و این شماره) اشاره شده است، تعاریف زیر برای یک لایه فیلتر بیبافت متبادر میشود:
یک لایه فیلتر بیبافت، پارچه متخلخلی است که از ترتیب بینظم و اتفاقی الیاف یا فیلامنتها تشکیل شده و عملکرد ویژه آن فیلتر کردن و/ یا جداسازی فازها و اجزای یک سیال که از داخل لایه عبور میکنند، یا نگهداری لایهای که جداسازی را به عهده دارد، میباشد. پارچه دارای ساختمانی صفحهای شکل است که در طول به اندازه کافی دراز تولید میشود و میتوان آن را به صورت یک رول پیچید. اگرچه ساختمان لیفی بینظم به عنوان استخوانبندی تار عنکبوتی به حساب میآید، اما این ساختمان میتواند حاوی اجزای دیگری باشد که این اجزا مانند (شاید محدود به این موارد نباشد) خردههای پُرکننده (مثل انواع خاکها، کلسیم، پودرهای جاذبالسطحی و غیره) مواد آهاری، مواد مقاومکننده در حالت مرطوب، افزودنیهای ضدمیکروب، پلاستیسایزرها، رنگزاها و پیگمنتها، مواد نرمکننده و مواد مرطوبکننده بخشی از عملیات شکلدهی یا شکلپذیری میباشند.
به طور ضمنی در تعاریف مربوط به بیبافتها اشاره شده است که الیاف و فیلامنتهای موجود در لایه بیبافت باید به طریقی به یکدیگر چسبانده و متصل (Bond) شوند. پارچه یا همان لایه بیبافت تشکیل شده به همان صورتی که شکل میگیرند، الیاف آن به یکدیگر چسبانده شده و اتصال بین آنها برقرار میشود. یک مثال از این نوع، پیوندهای هیدروژنی بین الیاف سلولز در لایههای تشکیل شده به روش لایهسازی تر (Wet Lay Process) میباشد. لایههای بیبافت میتوانند بعد از شکلگیری پارچه و در یک فرآیند ممتد یا بر خط (on-line) یا منفصل (off-line) تحت عملیات اتصال (Bonding) قرار گیرند. عملیات اتصال بعد از تشکیل لایه بیبافت میتواند شامل یکی از عملیات درگیری الیاف به صورت سوزنزنی (Needle Punching)یا جت آب (Hydro Entanglement)، دوخت بخیهای یا استیچ باندینگ (Stitch Bonding)، عملیات با لاتکس بر پایه آب (Water Based Latex)، عملیات رزین بر پایه حلال (Solvent Based Resin) و اتصال حرارتی (Thermal Bonding) باشد. تا زمانی که لایه تار عنکبوتی مورد استفاده برای فیلتراسیون و یا جداسازی یک ساختمان لیفی نامنظم باشد، یک عمل اتصال معین، محدودیتی برای تعریف بیبافت ایجاد نمیکند.
پارچه ای که تولید می شود، به منظور تقویت و ارتقای خواص ممکن است تحت برخی تکمیلهای شیمیایی و مکانیکی قرار گیرد. برای مثال میتوان به عملیات و موادی از قبیل کوتینگها و تکمیلها، مواد ضدآتش، مواد ضدمیکروب، مواد ضدآب، رنگزاها و مواد نرمکننده اشاره کرد. این نوع لایهها یا پارچهها پس از عملیات فوق در پایین دست خط تولید میتوانند تحت عملیات تبدیلی یا تکمیلی مکانیکی از قبیل چروکدار کردن، شیار یا موجدار کردن، برجستهکاری، نواربُری (Slitting)، دوبارهپیچی (Rewinding)، چین و پلیسهدار کردن، کیسهای سازی، روکشدهی و برش قالبی (Dye/Die Cutting) و مهرزنی چنانچه برای مصرف نهایی فیلتراسیون و جداسازی لازم باشد. نیز قرار بگیرند.
