شیمی

فیلتراسیون

مقدمه فرایند فیلتراسیون

یکی از وسایلی که دارای کاربرد وسیعی در جداسازی ذرات جامد از سیال می‌باشد فیلتر نامیده می‌شود. فیلتر وسیله‌ای است (معمولاً بصورت غشاء یا لایه) که به صورت فیزیکی از عبور برخی مواد جلوگیری کرده و در عین حال اجازه خروج برخی دیگر را می‌دهد و باعث حذف مواد جامد که بصورت معلق در سیال وجود دارند می‌شود. در فیلترها ذرات جامد موجود در سیال با عبور دادن سیال از یک محیط صاف کننده یا غشا از سیال جدا می‌شوند و در نهایت ذرات جامد روی غشا باقی می‌مانند. فرایند عبور مخلوط از میان فیلتر فیلتراسیون نامیده می‌شود. محلول بدست آمده بعد از فیلتر کردن ذرات معلق در محلول فیلتر شده  ( filtrate ) نامیده می‌شود و باقیمانده در فیلتر پس‌مانده (residue ) نام دارد.

تقریباً برای هر کاری لازم است که مواد زائد و معلق آب حذف شود. در عملیات تصفیه در صورتیکه آب دارای مواد خارجی و معلق زیادی نباشد برای بهبود کار ته‌نشینی و انعقادسازی،‌ صاف کردن یا فیلتراسیون یک روش فیزیکی برای حذف ذرات معلق در هر مایع از جمله آب است.

این ذرات معلق می‌توانند گل، رنگ، موادآلی، پلانکتون‌ها، باکتری‌ها و ذرات حاصل از خوردگی باشند. عمل تصفیه فیزیکی نهایی در درون فیلترها بسیار ابتدایی و توسط ماسه صورت می‌گیرد. بدین شکل که آب دارای املاحی ممکن است قبلاً عملیات تصفیه مقدماتی یا ته‌نشینی مواد معلق نیز بر روی آن انجام شده باشد از روی ماسه‌ها عبور کرده و در پایین آب زلالی قابل قبول داریم.

بدین صورت که آب حاوی ذرات معلق را از بستری از ذرات یک ماده که می‌توانند شن یا کربن فعال باشد عبور می‌دهند. در اثر عبور آب از خلل و فرج این ذرات مواد معلق آب گیر کرده و آب عاری از مواد معلق حاصل می‌گردد.

جمع شدن مواد در خلل و فرج صافی باعث افزایش افت فشار می‌گردد که اگر این افت فشار از حد معینی تجاوز کند می‌بایستی صافی را شستشو داد. همه فیلترها احتیاج به فشار داشته تا آب با فشار از میان آن جریان یابد که عموماً قبل از آنها از یک پمپ جهت ایجاد فشار لازم استفاده می‌شود.

صافی‌ها به تنهایی نیز می‌توانند وسیله تصفیه آب بود و دیگر نیاز به مرحله مقدماتی نخواهد بود. برای ‌آب‌های با درجه ناخالصی زیاد باید پیش از صافی از استخرهای ته‌نشینی ساده و یا از استخرهای پولساتور و اکسیلاتور و یا مرکب (روش ثقلی) استفاده نمود.

نیروی فیلتراسیون

سیال مورد نظر، تنها زمانی از محیط فیلتراسیون عبور می‌کند که نیروی محرکه‌ای به آن اعمال شود. این نیرو محرکه از منابع زیر قابل تامین است:

  1. نیروی گرانش
  2. سانتریفیوژ
  3. اعمال فشار به سیال در بالای فیلتر
  4. ایجاد شرایط خلاء در پایین فیلتر
  5. ترکیب مجموعه‌ای از نیروهای بالا

از نیروی ثقلی (گرانش) در بسترهای بزرگ ماسه‌ای و همچنین در آزمایشگاه‌ها بهره می‌گیرند. زمانی که نیروی بیشتری نسبت به نیروی گرانش نیاز داریم، می‌توان از سانتریفیوژ استفاده کرد که جایگزین مناسبی برای آن است. در مواقعی که فیلتراسیون آزمایشگاهی دشوار باشد، خلائی جزئی در زیر محیط فیلتر ایجاد می‌کنند تا سرعت فیلتر کردن افزایش یابد. بیشتر فرآیندهای صنعتی فیلتراسیون، شامل بکارگیری پمپ‌های خلا می‌شوند. این امر هم سرعت فیلتر کردن را افزایش و هم اندازه تجهیزات مورد نیاز را کاهش می‌دهد.

دلیل تلفات بستر فیلتر

  1. حبس هوا در بستر فیلتر
  2. طولانی بودن بیش از حد شستشو
  3. دبی زیاد شستشوی فیلتر بویژه در ماه‌های سرد سال
  4. نشست ذرات فیلتر از صفحه محافظ و نگهدارنده

در صورتی که اتلاف ذرات بستر زیاد باشد اپراتور باید اقداماتی تصحیح لازم چه برای یافتن علت و چه جایگزینی ذرات جدید را معمول دارد.

کنترل عملکرد فیلتر

چهار دستگاهی که برای کنترل عملکرد فیلتر بکار می‌روند عبارتند از: کدریت سنج، PH متر، دستگاه اندازه‌گیری اندازه و تعداد ذرات و نمایشگر توزیع افت فشار فیلتر.

پساب شست و شوی فیلتر چیست؟همچنین از این پساب چه استفاده ای میتوان کرد؟

در تصفیه‌خانه‌های معمولی حدود ۳-۲% از حجم آب تصفیه شده صرف شستشوی فیلترها می‌شود که به صورت پساب شستشوی فیلترها درمی‌آید. پساب فیلترها معمولاً بصورت فاضلاب دفع می‌شود. می‌توان پساب ‌شستشوی فیلتر را چه با تصفیه و چه بدون هیچگونه تصفیه‌ای به مدار تصفیه‌خانه برگشت داده و مورد استفاده قرار دارد. این کار نه فقط هیچ اثر سوئی روی کیفیت آب تصفیه شده نهایی ندارد بلکه معمولاً علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی باعث بهبود کیفیت آب تصفیه شده نهایی می‌شود. مقدار پساب فیلتر بستگی به کیفیت آب خام نوع تصفیه مقدماتی و نیز راندمان فرایند قبل از فیلتر دارد. مقدار پساب فیلتر معمولاً در ماه‌های گرم سال حدود ۲% آب تصفیه شده و در ماه‌های سرد سال حدود ۳% آب تصفیه شده است. برای استفاده مجدد پساب فیلتر باید از طریق سه روش زیر اقدام نمود:

  1. استفاده از لاگون به همراه ضدعفونی کردن و برگشت دادن به ابتدای تصفیه‌خانه
  2. انعقادسازی و ته‌نشینی معمولی به همراه ضدعفونی کردن و برگشت دادن به ابتدای تصفیه‌خانه
  3. برگشت مستقیم پساب به ابتدای تصفیه‌خانه

تقسیم بندی فیلتر ها

  1. فیلترهای سطحی که عامل جدا شدن ذرات معلق از مایع فقط در عمق بسیار کم که همان سطح فیلتر می‌باشد انجام می‌شود. مثل کاغذ صافی یا فیلترهای کیسه‌ای
  2. فیلترهای عمقی که عمل جداشدن ذرات معلق از مایع در اعماق بستر انجام می‌شود مثل فیلترهای ثقلی یا فیلترهای فشاری.

انواع فیلترها:

فیلتر خلاء – فیلتر اتمسفریک  – فیلتر سانتریفیوژ – فیلترشنی- فیلترشمعی که در ادامه با آن ها آشنا خواهیم شد.

۱. فیلتر خلاء

فیلترهای خلاء می‌توانند به صورت پیوسته یا ناپیوسته مورد استفاده قرار بگیرند. اما فیلترخلاء ناپیوسته در مقیاس وسیع  فرایندی رایج نیست. چون به کار زیادی برای کندن قالب نیاز دارد و اما فیلترهای خلاء عموماً به صورت پیوسته مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مهمترین نوع این فیلترها میتوان به فیلتر خلاء دوار اشاره کرد که در اکثر واحدهای روغن‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در فیلترهای خلاء پیوسته محلول از یک جدار غشایی متحرک مکیده می‌شود تا قالبی از جامد برجای بماند. در مورد فیلترهای استوانه‌ای دوار قالب ایجاد شده بر روی صافی فیلتر با یک تیغه تراشیده می‌شود و به این ترتیب مواد جامد در جریان مایع جداسازی می‌شوند.

فیلتر خلاء با استوانه‌ای دوار Rotary Vacuum-Drum filter   گونه خاصی از تجهیزات فیلتراسیون می‌باشد که در آن از یک غشاء دوار و جریان خلاء برای جداسازی مواد جامد از دوغاب استفاده می‌شود. عملکرد این دستگاه به این ترتیب است که یک استوانه دوار که دیواره آن را غشاء فیلتر تشکیل می‌دهد داخل دوغاب شامل مواد جامد چرخش می‌کند و به طور همزمان جریان منفی فشار از داخل استوانه موجب عبور ذرت از فیلتر می‌شود. این فرایند منجر به تشکیل یک فیلتر کیک در سطح استوانه می‌شود. در قسمت بالا استوانه تیغه‌ای قرار دارد که کیک تشکیل شده را از استوانه جدا کرده و سطح فیلتر مجدداً آماده استفاده می‌شود.

در فیلتر استوانه‌ای دوار حرکت چرخشی غشاء فیلتر باعث می‌شود که پس از جداشدن مواد جامد از روی صافی فیلتر این قسمت از فیلتر مجدداً وارد قسمت خوراک دوغاب شده و با توجه به وجود خلاء و چرخش استوانه مواد جامد بر روی استوانه باقی می‌مانند و به این ترتیب عملیات جداسازی جامد از مایع صورت می‌گیرد.

فیلترهای خلاء عموماً به صورت پیوسته مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مهمترین نوع این فیلترها میتوان به فیلتر خلاء دوار اشاره کرد که در اکثر واحدهای روغن‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در فیلترهای خلاء پیوسته محلول از یک جدار غشایی متحرک مکیده می‌شود تا قالبی از جامد برجای بماند.

  1. فیلترهای خلاء دوار را گاهی اوقات تحت فشارهای مثبت در حدود ۱۵ اتمسفر و در مواردی که سایر فیلترهای خلاء  قابل استفاده یا مقرون به صرفه نمی‌باشند مورد استفاده قرار می‌دهند. این مورد معمولاً وقتی پیش می‌آید که جامدات خیلی کند تصفیه می‌شوند و یا فشار بخار مایع بسیار زیاد است.
  2. یکی دیگر از موارد کاربرد این فیلترها در مورد محلول‌های با ویسکوزیته بالاتر از  ۱poise  می‌باشد.

اگر خوراک حاوی ذرات درشت با قابلیت ته‌نشینی سریع باشد،فیلتر با استوانه دوار ضعیف عمل می‌کند و یا اصلاً عمل نمی‌کند. در این مورد، ذرات درشت نمی‌توانند در ظرف دوغاب به صورت معلق باقی بمانند و به این ترتیب قالبی که تشکیل می‌شود اغلب به سطح استوانه‌ای غشاء نمی‌چسبد. برای رفع این مشکل می‌توان از یک فیلتر افقی که خوراک از بالای آن وارد می‌شود استفاده کرد. فیلتر با تسمه افقی در شکل زیر نشان داده شده است. این نوع فیلتر دارای کاربرد ویژه‌ای در مورد مواد زائد مفید می‌باشد.

۲. فیلتر خلاء نواری

در فیلتر خلاء نواری    Vacuum Belt Filter     از فشار منفی خلاء جهت جداسازی جامد از مایع استفاده می‌شود. بخش‌های مختلف فیلتر به نحوی طراحی می‌شوند تا امکان فیلتراسیون، شستشوی کیک، خشک کردن و شستشوی پارچه صورت پذیرد. این تجهیز می‌تواند در صنایع متالوژی، معدنی، شیمیایی، کاغذ، صنایع غذایی، دارویی و محیط زیست جهت جداسازی مایع از جامد استفاده شود. مخصوصاً در مورد آبگیری از گچ در فرایند سولفورزدایی.

این تجهیز یکی از پربازدیدترین تجهیزات جداسازی جامد از مایع در صنایع فوق ‌الذکر می‌باشد. محفظه خلاء و نوار می‌بایست کاملاً مطابق با هم باشد. محفظه خلاء و نوار می‌بایست روی استراکچر به راحتی حرکت کند . این تجهیز در حقیقت بطور پیوسته امکان فیلتراسیون پیوسته، شستشوی کیک، تخلیه و تمیز کردن کیک را به همراه خواهد داشت و این در حالی است که مایع فیلتراسیون اولیه (مادر لیکور) و مایع شستشوی کیک بطور جداگانه قابل بازیافت می‌باشد. از مزایای فیلتر نواری بازدهی بالا، ساخت در ابعاد بزرگ، بازدهی شستشوی بالا، رطوبت کیک پایین، عملکرد هوشمندانه، نگهداری آسان و… می‌باشند.

نویسنده

مریم السادات شاهچراغی - کارشناس مهندسی شیمی

محصولات پیشنهادی رهام صنعت

مطالب مرتبط