فیلتراسیون یک فرآیند فیزیکی یا مکانیکی است که ذرات جامد، ذرات معلق و کلوئیدی را براساس کیفیت مختلف فیزیکی و شیمیایی مواد، جداسازی می کند و فرآیند تصفیه را انجام می دهد ؛ و تمامی ذرات ایجاد کننده کدورت در آّب را گرفته و آب شفاف و زلالی تولید می شود.این فرآیند در صنایع غذایی، آبیاری کاربرد فراوانی دارد.
فرآیند فیلتراسیون:
هدف و فعالیت اصلی فیلتراسیون حذف جامدات و مواد معلق موجود درآب می باشد. فرآیند کار به گونه ای است که هنگام عبور آب از بستر یا محیط فیلتر، ذرات معلق و جامد از آب توسط محیط فیلتر گرفته شده و آب شفاف از فیلتر عبور می کند.
بدلیل آنکه تعداد، غلظت ذرات و اندازه ذرات موجود در آب و فاضلاب ها متفاوت است، از دستگاه ها با محیط فیلتر متفاوتی برای حذف ذرات معلق و کدورت از آب استفاده می شود.
نکته: پس از یک مدت و دوره بازه زمانی فیلتر دستگاه باید تمیز شود.
تاریخچه کاربرد فیلتراسیون
اولین تلاش برای تولید آب خالص به 2000 سال قبل از میلاد مسیح برمی گردد. روش فیلتراسیون آن ها جوشاندن آب یا قراردادن وسایل فلزی داغ در آب برای حذف ذرات معلق بوده است.
بعد از چند قرن بقراط یک روش فیلتر به نام آستین بقراط ابداع کرد. فرآیند این روش به این گونه بود که آب جوشانده شده را درون کیسه ای برای جذب رسوبات آب توسط کیسه میریخت و آب بصورت شفاف از کیسه عبور می کرد.
در سال 1627 میلادی، سر فرانسیس بیکن آب شیرین کن را کشف کرد و دریافت که هنگامی که آب دریا از شن و ماسه عبور کند، نمک دریا حذف می شود و آب شیرین تولید می شود. در ادامه با پیشرفت علم و تکنولوژی تحقیقات بیشتری در توسعه روش این دانشمند انجام گرفت و دستگاه های فیلتراسیون نوین ابداع شده است.
فیلتراسیون در جداسازی طلا، مایعات و طلا کاربرد دارد.
اهداف اصلی فیلتراسیون
هدف اصلی فیلتراسیون جدا کردن ذرات معلق و جامد در مایعات می باشد. این فرآیند همانطور که پیشتر بیان شده است کاربرد عملی در تقطیر، تصفیه آب و الکل دارد.
فیلتراسیون یک نقص کلی دارد و آن اینست که برخی ذرات جامد کوچک از فیلتر عبور می کنند.
فشار فیلتراسیون
برای ایجاد فشار در فیلتراسیون از سانتریفیوژهای حاوی محفظه متخلخل استفاده می شود. این نیرو ممکن است در اثر جاذبه ، نیروی گرانش در سانتریفیوژ، اعمال فشار به مایع بالای فیلتر یا اعمال خلاء در زیر فیلتر یا در اثر ترکیب چنین نیروهایی ایجاد شود.
مزایای کاربرد فیلتراسیون
قیمت مناسب است
فیلتر در انواع مختلف برای ذرات در اندازه های مختلف دارد.
به راحتی مسدود نمی شوند.
برای مایعات حساس به گرما مناسب است.
و می توانند حجم زیادی از مایعات را در زمانی منطقی فیلتر کنند
معایب فیلتراسیون
فقط برای فیلتراسیون مایعات و گازها مناسب است.
اتوکلاو در زمانی که فیلترهای دستگاه باید تعویض شوند، بطور کلی ارزان تر است.
فیلترهای جنس شیشه به راحتی خرد شده و می شکنند.
فیلترهای غشایی به راحتی پاره می شوند.
گرفتگی ممکن است رخ دهد و روند آن طولانی است.
انواع فیلترها
فیلترها براساس نیروی محرکه و مشخصات مکانیکی ، اندازه ذرات طبقه بندی می شوند؛ و ممکن است بصورت دسته ای یا مداوم کار کنند.
بر اساس ماهیت نیروی محرکه ای :
فیلترهای ثقلی ، فیلترهای فشار و فیلترهای خلاء
براساس مشخصات مکانیکی فیلترهای صفحه و قاب ، فیلترهای کاغذی، فیلترهای درام چرخشی ، فیلترهای تغذیه ولتاژ بالا ، فیلترهای دیسکی و فیلترهای بستر شن
هرچه منافذ فیلتراسیون کوچکتر باشد. در این حالت ذرات بیشتری از بین می برد ولی انرژی بیشتری برای انتقال مایع نیاز است.
فیلتر ثقلی قدیمی ترین و ساده ترین نوع فیلتر است.
کاربرد انواع فیلتراسیون
روشهای مختلفی برای فیلتر کردن ماده وجود دارد .
فیلتراسیون خلا
از پمپ خلا برای کشیدن مایعات از بستر فیلتر استفاده می شود. در این روش از قیف های هیرش و بوخنر به همراه کاغذ فیلتر استفاده می شود.
فیلتراسیون سانتریفیوژ
با چرخاندن محلول، مواد دارای چگالی بیشتر از ماده با چگالی کمتر جدا شده و فرآیند جداسازی انجام می شود.
فیلتراسیون ثقلی
در این روش با استفاده کاغذ صافی در یک قیف شیشه ای ، ذرات جامد و معلق فیلتر می شوند. در این نوع فیلتراسیون ماده از نقطه بالاتر به نقطه پایین ریخته می شود. بسته به حجم مایع از فیلترهای مختلفی استفاده می شود.
فیلتراسیون سرد
این روش برای مواد از جمله ذرات اسید چرب که با خنک شدن محلول معلق شده و جدا می شوند از حمام یخ و مکان هایی با دماهای بسیار کم استفاده می شود.
فیلتراسیون گرم
این روش اغلب برای ترکیبات بلوری حاوی ناخالصی ها استفاده می شود. روش انجام این فیلتراسیون به این صورت است که مواد کریستالی موجود در محلول را ذوب کرده و ناخالصی های موجود در محلول مایع را از بین می بریم و در نهایت دوباره خالص سازی مجدد را انجام می دهیم تا ماده خالص به دست آید . غالباً توصیه می شود دستگاه مورد استفاده در این فیلتراسیون گرم شود تا ماده فیلتر شده در قیف متبلور نشود و جریان را مسدود نکند.
فیلتراسیون چند لایه
در این روش از چند لایه مختلف از جمله شن، ذغال و ماسه استفاده می شود؛ که ذرات با اندازه های مختلف در لایه های مختلف جذب شوند و در لایه های به دام می افتند. این روش برای محلول مایعی که با ذرات جامد در اندازه های مختلف مخلوط شده است؛ مناسب است.
فیلتراسیون عمقی
این روش برای فیلتر آب های سطحی مناسب است. در این روش برای حذف ذرات معلق و جامد از مایع، طبق یک واکنش رقیق شده از یک فیلتر متشکل از محیط فیلتر متراکم یا فشرده استفاده می شود. در این روش اگر ذره ای بماند، به ذرات رسوب شده قبلی در فیلتر متصل می شوند و اینگونه حذف می شوند.
فیلتراسیون سطحی
در این روش، مایع از یک فیلتر نازک عبور می کند و ذرات را رسوب می کند.
فیلتراسیون شنی آهسته(SSF)
این روش برای حذف مواد جامد از جمله جلبک ها، ویروس ها و… موثر و مناسب می باشد. مایعات از یک فیلتر شنی یا ماسه ای برای فیلتر شدن عبور می کنند و مواد جامد توسط این فیلتر جذب می شوند.
فیلترسریع شنی(RSF)
عملکرد این فیلتر همانند فیلتر شنی آهسته می باشد با این تفاوت که سرعت عملکرد بالاتری دارد.
امروزه به عنوان روش موثر در افزایش کیفیت آب قبل از استفاده فیلتر غشایی کاربرد دارد.
فیلتر کربنی
فیلتر کربن برای جذب کلر، طعم، بوی و رنگ از آب و فاضلاب استفاده می شود. این فیلتر یک زغال چوب است که با اکسیژن موجود در هوا مخلوط شده و فرآیند فیلتراسیون را انجام می دهد.
ویژگی های این فیلتر:
نگهداری آسان
هزینه کم
فیلتراسیون عالی بدون هیچ گونه مواد شیمیایی
فیلتراسیون در پزشکی نیز کاربرد دارد.
موارد استفاده فیلتراسیون در پزشکی
این عمل در پزشکی برای تهیه تقطیر آب، تولید داروهای حساس به حرارت و محلول پروتئینی مناسب است. در این مورد فیلترهای غشایی کاربرد فراوانی دارد.
فیلتر های غشائی
فیلتراسیون غشایی در طیف وسیعی از نیروهای محرکه بکار رفته، گونه های نفوذناپذیر، ساختار شیمیایی و ترکیب غشاها طبقه بندی می شود.
این روش یک روش و فرآیند جداسازی از غشای نیمه پراکنده می باشد که جریان آن به دو بخش زیر تقسیم می شود:
فیلتر نفوذپذیری برای ماده ای که از غشا عبور می کند.
فیلتر نگهدارنده برای موادی که پشت فیلتر قرار می گیرند.
مهم‌ترین انواع فیلتراسیون غشایی عبارت‌اند از :
میکروفیلتراسیون(MF)،اولترافیلتراسیون(UF)،نانوفیلتراسیون(NF)،اسمز معکوس(RO)
میکروفیلتراسیون MF
این فیلتراسیون یک روشی است که بطور فزاینده در تصفیه آب آشامیدنی و شرب استفاده می شود. این روش آلودگی‌های کلوئیدی و باکتریایی و ذرات با اندازه ۰٫۱-۱۰ میکرون را در آب را با دستگاه آب شیرین کن حذف می کند و آب آشامیدنی تولید می کند. در این روش آب بصورت عمودی بر روی سطح فیلتر پمپ شده و آلودگی ها را بصورت لایه لایه جذب می کند.
انواع مختلفی از این فیلتر در صنایع تصفیه آب موجود است و استفاده می شوند؛ اما فیلتر هالو فایبری از بقیه انواع فیلترها متداول تر است.
استفاده از میکروفیلتراسیون در دستگاه تصفیه آب، احتمال بروز آسیب و آسیب رساندن در فیلتر ممبران اسمز معکوس را کاهش می‌دهد.
کاربردهای میکروفیلتراسیون
جدا کردن باکتری و آلودگی ها از آب
حذف مواد روغنی خاص از آب
انجام تصفیه آب قبل از عمل اسمز معکوس
شفاف سازی آب میوه ، صنایع نوشیدنی و …
اولترافیلتراسیون UF
بسیاری از ویروس ها پس از انجام عمل میکروفیلتراسیون در آب می ماند. اولترافیلتراسیون این ذرات و ویروس های موجود در آب را از بین میبرد. بعضی از ویروس ها نیز به راحتی از بین نمی روند و بهتر است قبل از انجام فیلتراسیون ویروس های موجود در آب را از طریق فیلتر کربن یا نمک های زاج جذب کنید و بعد عمل فوق را انجام دهید.
كاربرد سيستم اولترا فيلتراسيون
حذف مواد روغنی خاص و نفت از آب
حذف بازمانده ها و پساب صنایع نفت و گاز و پتروشیمی در چرخه آب برگشتی
حذف تمامی مواد های نگهدارنده از جمله آمینواسید، آنزیم ها، هورمن ها و شیرین کننده های مصنوعی استفاده شده در صنایع غذایی و دارو از آب
حذف مواد آلوده و شفاف سازی آب آشامیدنی
کاربرد بصورت معلق و غرق شده جهت تصفیه فاضلاب
بازیافت آب تبرید
انجام تصفیه قبل از عمل اسمز معکوس
مزاياي استفاده از سيستمهاي اولترا فيلتراسيون
– نرخ پايين گرفتگي ممبرانها
– قابليت شستشوي معكوس جهت بهبود عملكرد سيستم
– تهیه و تولید آب با كيفيت بالا با كمترين انرژي
– سرعت جریان بالا
-مقاومت در برابر آلودگی و موثر در حذف ویروس ها و ذرات کلوئیدی
– مقاومت بالا در برابر حرارت و مواد شيميايي
نانو فیلتراسیون NF
نانوفیلتراسیون یک روش دیگری از فیلتراسیون می باشد. این روش جهت تنظیم املاح آب مصرفی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، جذب مواد قندی و جداسازی نمک های دو ظرفیتی، پروتئین ها و سایر موادی که وزن مولکولی بالای ۲۵۰ دالتون دارند؛ استفاده می شود.از فرآیند نانو فیلتراسیون برای حذف کلسیم، منیزیم و نمک های یون دار از آب استفاده می شود و اینگونه باعث نر شدن آب سخت می شود.
غشاء نانو فیلتراسیون تحت تأثیر بار الکتریکی ذرات قرار می گیرد و ذراتی که بار الکتریکی بالایی دارند را راحت تر جذب می کند و روی مواد آلی با وزن مولکولی پایین تاثیری ندارد.
اسمز معکوس RO
این فیلتراسیون تمامی مولکول های آلی و ویروس ها ، یونهای یک ظرفیتی و بسیاری از مواد معدنی موجود در آب را از بین می برد و آب را شیرین می کند.
قبل از توضیح چگونگی عمل اسمز معکوس ابتدا باید عملکرد اسمز درک شود و سپس سراغ فرآیند اسمز معکوس رفت.
فرآیند اسمز زمانی رخ می دهد که غشای نیمه تراوا دو محلول با غلظت های مختلف را از هم جدا کند. اینگونه که آب را با جذب نمک از محلول رقیق به محلول غلیظ تبدیل می کند و این فرآیند تا زمانی هر دو از محلول از نظر غلظت به یک تعادل برسند؛ انجام می شود.
روش اسمز معکوس همانند روش اسمز می باشد با این تفاوت که آب از محلول غلیظ تر به محلول رقیق تر حرکت می کند و به فشار نیاز دارد . به بیان دیگر آلودگی ها در یک طرف غشا نیمه نفوذپذیر و آب خالص در طرف دیگر غشا قرار می گیرد.
اسمز معکوس تمامی کدورت آب و تقریباً تمام مواد محلول را از بین می برد.
فقط بعد از استفاده از روش اسمز معکوس یک نکته باید رعایت شود:
بدلیل آنکه اسمز معکوس علاوه بر میکروب ها مواد معدنی آب را از بین می برد بعد از تصفیه آب به روش اسمز معکوس، آب را برای غنی سازی باید از بستر مواد معدنی منیزیم و کلسیم عبور داد.
معایب استفاده از اولترافیلتراسیون ، نانو فیلتراسیون یا اسمز معکوس در تصفیه
روش های فوق معایب کمی دارند. در ادامه به مهم ترین عیب این روش ها اشاره شده است.
بدلیل آنکه میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون تمامی آلودگی، کدورت و میکروب های آب را نمی توانند جذب کنند بعد از مراحل فوق از روس اسمز معکوس استفاده می شود. که این روش علاوه بر حذف تمامی میکروب ها و ویروس های آب ، مواد معدنی موجود در آب را حذف می کنند.
حذف مواد معدنی ، از جمله کلسیم و منیزیم در روش اسمز معکوس ، آب را ناسالم کند و برای افرادی که رژیم غذایی مناسبی ندارند مضر است. که عیب فوق با غنی سازی آب برطرف می شود.
عملکرد فیلتر در فیلتراسیون در فصولی که دما بالا است بهتر است فصول با دمای پایین است. زیرا در دمای بالا فرآیند فیلتراسیون برای تشکل لخته ذرات و ته نشینی لخته ها با سرعت بیشتری انجام می شود.
مقایسه فیلترهای فشاری و ثقلی
استفاده از فیلترهای ثقلی بر فیلتر فشاری در عموم ترجیح داده می شوند، ولیکن فیلترهای فشاری در صنایع کاربرد بالایی دارد.
مزایای فیلترهای فشاری
در این روش بدلیل توانایی در قراردادن فیلترهای فشاری بین لوله ها، دیگر به پمپاژ نیاز نیست.
در حجم بسیار کمتر از فیلتر ثقلی عمل می کنند.
در هنگام افت فشار زیاد نیز کار می کنند.
فیلترهای جدید را می توان به راحتی به سیستم فیلتراسیون اضافه کرد.
معایب فیلترهای فشاری
شن ها و مواد رسوب شده در درون فیلتر را حتی بعد از شستن فیلترها دید.
در این سیستم کنترل کار و فرآیند فیلتراسیون سخت است.
و ثابت نگه داشتن دبی خروجی در سیستم فیلتراسیون فشاری مشکل است.
تعمیر و نگهداری فیلترها
باید موارد زیر مرتب چک شود؛ موارد در ابتدا بیان شده و در ادامه به تفسیر آن پرداخته می شود.
1)کدورت آب فیلتر شده
2)مدت زمان سرویس دهی فیلتر و بررسی فاصله زمانی دو شستشو
3) بررسی نسبت حجم آب لازم برای شستشو به حجم آب فیلتر شده
کدورت آب فیلتر شده
میزان کدورت آب در شرایط مطلوب 2 می باشد و بطور کلی میزان آن باید کمتر از 5 باشد.
طول زمان سرویس دهی فیلتر
سرعت فیلتراسیون باتوجه به اندازه ذرات، کیفیت آب ورودی، دمای ورودی و بستر فیلتر متفاوت است. طول زمان سرویس دهی مطلوب کمتر از 24 ساعت با سرعت بیشتر از 15 متر بر ساعت می باشد.
گاهی اوقاتی مشکلاتی ایجاد می شود که طول زمان سرویس دهی را کمتر می کنند. مشکلات اصلی :
- اندازه ذرات متفاوت باشد و همگی در سطح بستر فیلتر جمع بشوند.
- ذرات معلق و جامد در آب زیاد باشد.
- بستر فیلتر از ذرات پر شده باشد و نیاز به تعویض داشته باشد.
- جلبک های موجود در آب بیش از اندازه زیاد باشند.
- حبس هوا
- استفاده بیش از حد از کمک مواد منعقده کننده یا پلیمری
- برگشت ناکافی آب فیلتر شده نسبت به آب ورودی
این نسبت در شرایط مطلوب کمتر از 2% بوده و در شرایط معمولی 3% می باشد و در شرایط غیر منطقی 5 % می باشد.
2.اندازه موثر ذرات بستر فیلتر برای سرعت فعلی فیلتراسیون بسیار کوچک باشد.
تصفیه حجم آب به ازای واحد بستر فیلتر
میزان عملکرد با شاخص UFRV نشان داده می شود. اگر میزان آن کمتر از 22 سانتی متر بر لیتر باشد ، غیرمنطقی است و اگر بیش از 24 سانتی متر بر لیتر باشد، معرف و نشان دهنده ی شرایط مطلوب و عملکرد خوب فیلتر می باشد.