فیلتراسیون چیست و چه کاربردهایی دارد؟

فیلتراسیون جداسازی مواد بر اساس کیفیت های مختلف فیزیکی و شیمیایی آنهاست. به طور خلاصه ما فیلتراسیون را به عنوان حذف ذرات جامد از محلول ها می شناسیم.

معمولاً در این فرآیند از ابزاری استفاده می شود که دارای منافذ بوده و به ما اجازه می دهد تا قسمت مایع را عبور دهیم. کاغذ، شن و پارچه برخی از این ابزارها هستند. فیلتراسیون به طور طبیعی نیز در بدن ما در کلیه ها اتفاق می افتد وقتیکه خون در فرآیندی به نام فیلتراسیون گلومرولی فیلتر می شود.

از نظر تعریف فیلتراسیون عملیاتی است که برای جداسازی جامدات نامحلول از مایعات استفاده می شود. از حذف فیزیکی میکروارگانیسم ها با فیلتراسیون می توان برای بازیابی فاز ناپیوسته جامد (سلول ها) برای تولید، مثلاً استارترهای غلیظ، یا از بین بردن فاز پیوسته ذرات میکروبی (فیلتراسیون هوا، فیلتراسیون میکروبی، فیلتراسیون سطحی) استفاده کرد.

از فیلتراسیون در صنایع غذایی، مانند استخراج شکر، آبگیری نشاسته، جداسازی سوسپانسیون های گلوتن، تصفیه روغن های خوراکی، تصفیه آب و نوشیدنی ها استفاده می شود.

تاریخچه کاربرد فیلتراسیون:
اولین تلاش های ثبت شده برای یافتن یا تولید آب خالص به 2000 سال قبل از میلاد مسیح برمی گردد. در نوشته های اولیه سانسکریت روش هایی برای تصفیه آب ذکر شده است. این روشها از جوشاندن یا قرار دادن وسایل فلزی داغ در آب قبل از نوشیدن آن گرفته تا فیلتر آب از طریق شن و ماسه یا فیلترهای زغال چوب متغیر بوده است.این نوشته ها حاکی از آن است که انگیزه اصلی در تصفیه آب تهیه آب آشامیدنی با مزه بهتر بوده است.

قرن ها بعد، بقراط شروع به انجام آزمایش هایی در رابطه با تصفیه آب کرد. این فیلتر بعداً به "آستین بقراط" معروف شد زیرا کیسه ای پارچه ای بود که ابتدا بقراط آب را جوشانده سپس درون این کیسه میریخت و آب را از آن عبور می داد. پارچه می توانست رسوبات ایجاد شده در اثر حرارت را در خود به دام بیندازد.

سال 1627 میلادی بود که جهان شاهد پیشرفت های بیشتری در فناوری فیلتراسیون آب بود. سر فرانسیس بیکن اولین دانشمندی بود که آب شیرین کن را کشف کرد. آزمایشات و مطالعات وی به این نتیجه رسید که اگر او آب دریا را از طریق شن و ماسه نفوذ کند، نمک حذف می شود. تلاش های وی برای شیرین سازی آب موفقیت آمیز نبود، اما زمینه را برای تحقیقات بیشتر در این زمینه فراهم کرد.

هنر تصفیه برای انسان های اولیه شناخته شده بود، آنها با کندن یک گودال و پاشیدن شن و ماسه در حاشیه رودخانه تا عمق زیر سطح آب رودخانه، آب زلال رودخانه را دریافت می کردند. آب صافی که توسط شن و ماسه فیلتر می شد به داخل گودال می ریخت همین فرآیند در مقیاس بزرگ تر در حال حاضر برای تصفیه آب برای شهرها استفاده می شود.

اهداف اصلی فیلتراسیون:
جداسازی مواد معدنی مانند طلا کاربرد اساسی فیلتراسیون در جهان بوده است. از طرف دیگر تصفیه فاضلاب نمونه ای از هدف دوم است. هر چند لزوماً به این معنی نیست که فیلتراسیون فقط برای جداسازی مایعات به کار میرود. از فیلتراسیون برای جداسازی گازها نیز استفاده می شود. اهداف فیلتراسیون شامل:

• به دام انداختن مواد جامد معلق در مایع.
• جدا کردن ماده مایع وقتی که ماده جامد در آن معلق است.

چرا فیلتراسیون یک موضوع مهم است؟
اهمیت فیلتراسیون در استفاده روزمره به خوبی خود را نشان می دهد. تقطیر آب و همچنین تصفیه آب و تولید الکل، از دیگر کاربردهای عملی فیلتراسیون است. تصفیه پسماندهای شهری که نیاز به جداسازی ذرات بزرگ تر دارد نیاز به فیلتراسیون دارد.

در همین حال، تصفیه جریان جانبی برای برج های خنک کننده که جزء جدایی ناپذیر سیستم های خنک کننده هستند، یک راه حل مقرون به صرفه برای رفع نگرانی های خوردگی یا رسوب گذاری در برج های تقطیر هستند. در واقع اگر فیلتراسیون نبود، دستیابی به تعدادی از فرایندهای ضروری برای یک زندگی سالم و راحت غیرممکن بود.

با اینحال فیلتراسیون به طورکلی یک فرآیند ناقص است زیرا مقداری مایع در سمت فیلتر باقی مانده و برخی از ذرات جامد کوچک از طریق فیلتر به سوی دیگر راه پیدا می کنند. به عنوان یک روش شیمی و مهندسی، همیشه مقداری محصول از دست رفته وجود دارد، خواه مایع باشد یا جامد.

تأمین نیازهای فیلتراسیون در صنعت که فشار عملیاتی بالاتر از فشار اتمسفر نیاز به نوآوری مدرن و مفید دارد که تا هم اکنون پیشرفت های چشمگیری در آن صورت گرفته است.

نیروی مورد نیاز جهت فیلتر کردن:
مایعی که فیلتر می شود فقط در صورت اعمال نیروی محرکه از محیط فیلتر عبور می کند. این نیرو ممکن است در اثر جاذبه، سانتریفیوژ، اعمال فشار به مایع بالای فیلتر یا اعمال خلاء در زیر فیلتر یا در اثر ترکیب چنین نیروهایی ایجاد شود. از نیروی جاذبه به تنهایی می توان در فیلترهای بزرگ بستر شن و فیلترهای آزمایشگاهی ساده استفاده کرد.

سانتریفیوژ های حاوی یک محفظه با محیط فیلتر متخلخل ممکن است به عنوان فیلترهایی در نظر گرفته شوند که در آن نیروی گرانش با نیروی گریز از مرکز جایگزین شود که چندین برابر بیشتر از جاذبه زمین است. اگر تصفیه در آزمایشگاه دشوار باشد، معمولاً خلاء جزئی زیر محیط فیلتر اعمال می شود تا میزان فیلتراسیون افزایش یابد. بیشتر فرآیندهای فیلتراسیون صنعتی بسته به نوع فیلتر مورد استفاده، برای افزایش سرعت تصفیه و همچنین برای کاهش اندازه تجهیزات مورد نیاز از فشار یا خلاء استفاده می کنند.

انواع فیلترها:
فیلترها ممکن است بر اساس ماهیت نیروی محرکه ای که باعث فیلتراسیون می شود، طبقه بندی شوند (یعنی فیلترهای ثقلی، فیلترهای فشار و فیلترهای خلاء) آنها همچنین با توجه به مشخصات مکانیکی (به عنوان مثال، فیلترهای صفحه و قاب، فیلترهای کاغذی، فیلترهای درام چرخشی، فیلترهای تغذیه ولتاژ بالا، فیلترهای دیسکی و فیلترهای بستر شن) دسته بندی می شوند. فیلترها ممکن است به صورت دسته ای یا مداوم کار کنند. فیلتر ثقلی قدیمی ترین و ساده ترین نوع فیلتر است.

فیلتراسیون به اندازه منافذ بستگی دارد، هرچه منافذ کوچک تر باشد می تواند ذرات بیشتری را از بین ببرد، اما همچنین انرژی بیشتری برای انتقال مایع از طریق آن لازم است. اندازه منافذ می توانند به اندازه 0.01 میکرومتر باشند که به اندازه کافی برای جلوگیری از عبور ویروس ها کوچک است اما پروتئین های کوچک تر هنوز هم می توانند عبور کنند. حتی فیلترهای واقعاً کوچکی به نام فیلترهای نانو وجود دارند که ویروس ها، پروتئین ها و برخی سموم را حذف می کنند.

برای فیلتراسیون تکنیک های خاصی مورد نیاز است. مثلا اگر ماده فیلترشده بسیار فشرده، ژلاتینی یا لغزنده باشد و تمایل به کور کردن فیلتر داشته باشد برای رفع این مشکل از یک فیلتر به علاوه مواد جامد متخلخل استفاده می شود.

نمونه هایی از فیلتراسیون در زندگی روزمره:
در حالی که فیلتراسیون یک روش مهم جداسازی در آزمایشگاه است، اما در زندگی روزمره نیز رایج است. مثلا دم کردن قهوه شامل عبور آب گرم از قهوه آسیاب شده و فیلتر است. قهوه مایع فیلتر شده است. آماده سازی چای نیز تقریباً از روش مشابهی استفاده می کند چه از چای کیسه (فیلتر کاغذ) استفاده کنید و چه از چای خشک (معمولاً از فیلتر فلزی).

کلیه های انسان نمونه ای از یک فیلتر بیولوژیکی هستند و خون توسط گلومرول فیلتر می شود. مولکول های ضروری دوباره جذب خون می شوند. کولرها و بسیاری از جاروبرقی ها از فیلترهای HEPA برای از بین بردن گرد و غبار و گرده هوا استفاده می کنند.

بسیاری از آکواریوم ها از فیلترهای حاوی الیاف استفاده می کنند که ذرات معلق را جذب می کنند. آب موجود در یک سفره خاکی نسبتاً خالص است زیرا از طریق شن و ماسه و سنگ های نفوذ پذیر در زمین فیلتر شده است.

مزایای کاربرد فیلتراسیون:

• نسبتاً ارزان است، به جز مواردی که نیاز به فیلتر با منافذ بسیار کوچک می باشد.
• فیلترها به راحتی مسدود نمی شوند.
• برای مایعات حساس به گرما مناسب است زیرا فیلترها از گرما استفاده نمی کنند.
• فیلتر ها می توانند حجم زیادی از مایعات را با سرعت منطقی فیلتر کنند.

معایب فیلتراسیون:

• فیلترها فقط می توانند برای مایعات و گازها مورد استفاده قرار بگیرند.
• اتوکلاو معمولاً ارزان تر از فیلتراسیون است زیرا جایگزینی فیلترها، به ویژه فیلترهای نانو، گران قیمت است.
• فیلترهای شیشه ای بسیار شکننده هستند و می توانند به راحتی خرد شوند.
• فیلترهای غشایی به راحتی پاره می شوند.
• محلول موجود در فیلترهای Sietz ممکن است توسط پد خود فیلتر جذب شود.
• گرفتگی ممکن است رخ دهد و روند آن طولانی است.

کاربرد انواع فیلتراسیون:
روشهای مختلفی برای فیلتر کردن ماده وجود دارد و در زیر فقط چند مورد از آنها ذکر شده است که می توانیم در جداسازی مواد از آنها استفاده کنیم.

فیلتراسیون خلا:
در این روش، از پمپ خلا برای کشیدن سریع مایعات از طریق فیلتر استفاده می شود. از قیف های هیرش و قیف های بوخنر که در دو اندازه مختلف موجود هستند به همراه کاغذ فیلتر به این منظور استفاده می شوند.

فیلتراسیون سانتریفیوژ:
این روش با چرخاندن بسیار زیاد محلول جداسازی صورت می گیرد. به دلیل چرخش افقی، ماده دارای چگالی بیشتر از ماده دارای چگالی کمتر جدا می شود.

فیلتراسیون ثقلی:
در این روش مخلوط از نقطه بالاتر به نقطه پایین ریخته می شود. این کار معمولاً از طریق فیلتراسیون ساده، با استفاده از کاغذ صافی در یک قیف شیشه ای انجام می شود، جایی که ذرات جامد نامحلول توسط کاغذ فیلتر گرفته می شوند و مایع با قدرت جاذبه از آن عبور می کند. بسته به حجم مایع می توان از فیلترهای مختلفی استفاده کرد.

فیلتراسیون سرد:
از دماهای بسیار کم استفاده می کند، از حمام یخ در این روش بسیار استفاده می شود. بعضی از مواد، مانند ذرات اسید چرب با خنک شدن در مخلوط معلق می شوند که به ما امکان می دهد آنها را راحت تر فیلتر کنیم.

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 می توانید از چندین لایه از مواد مختلف، از جمله شن، ذغال و ماسه که در آن لایه های مختلفی حاوی ذرات با اندازه مختلف هستند استفاده کنید. در این نوع فیلتراسیون، مخلوطی از مایع و ذرات جامد نامحلول بر روی لایه ها ریخته می شود و ذرات جامد در سراسر این لایه ها به دام می افتد و در نتیجه مایعی کاملا جداسازی شده به دست می آوریم.

موارد استفاده فیلتراسیون در پزشکی:
فیلتراسیون در فرآوری داروها معمولاً برای داروهای حساس به حرارت و محلول های پروتئینی استفاده می شود. همچنین به طور فزاینده ای در تصفیه آب جهت تولید آب مقطر استفاده می شود.

بیشترین نوع فیلتر استفاده شده در پزشکی میکروفیلتراسیون است. محدوده اندازه منافذ غشای میکروفیلتراسیون معمولاً 10-10/0 میکرومتر است که پرکاربردترین آن 0.2 میکرومتر و 45/0 میکرومتر است که برای از بین بردن باکتری ها و قارچ ها کافی است.

هنگام پردازش نمونه های بیولوژیکی که ویروس ها باید حذف یا غیرفعال شوند از نانو فیلترها با اندازه منافذ کوچک تر از 20-50 نانومتر (نانو فیلتر) استفاده می شود.

از میکروفیلتراسیون به طور فزاینده ای در تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود. این فیلتر به طور موثری پاتوژن ها و آلاینده های اصلی مانند کیست های Giardia lamblia، اووسیست های Cryptosporidium و باکتری های بزرگ را از بین می برد. برای این کاربرد، فیلتر باید 0.2 میکرومتر یا اندازه منافذ کوچک تر درجه بندی شود.

اولترافیلتراسیون چیست؟
اندازه یک منافذ فیلتر میکروفیلتراسیون در حدود 0.1 میکرون است، بنابراین هنگامی که آب تحت میکروفیلتراسیون قرار می گیرد، بسیاری از میکروارگانیسم ها را از بین می روند، اما ویروس ها در آب باقی می مانند. اولترافیلتراسیون این ذرات بزرگ تر را از بین می برد و ممکن است برخی ویروس ها را از بین ببرد. نه میکروفیلتراسیون و نه اولترافیلتراسیون نمی توانند مواد محلول را از بین ببرند، مگر اینکه ابتدا جذب شوند (با کربن فعال) یا منعقد شوند (با نمک های زاج یا آهن).

نانو فیلتراسیون چیست؟
یک فیلتر نانو فیلتراسیون دارای منافذی در حدود 0.001 میکرون است. فیلتراسیون نانو اکثر مولکول های آلی، تقریباً همه ویروس ها، بیشتر مواد آلی طبیعی و طیف وسیعی از نمک ها را از بین می برد. نانو فیلتراسیون یونهای دو ظرفیتی را که باعث سخت شدن آب می شوند را از بین می برد، بنابراین نانو فیلتراسیون اغلب برای نرم کردن آب سخت استفاده می شود.

اسمز معکوس چیست؟
فیلترهای اسمز معکوس دارای اندازه منافذ در حدود 0.0001 میکرون هستند. پس از عبور آب از فیلتر اسمز معکوس، در اصل آب خالص است. علاوه بر از بین بردن تمام مولکول های آلی و ویروس ها، اسمز معکوس همچنین بسیاری از مواد معدنی موجود در آب را از بین می برد. اسمز معکوس یونهای یک ظرفیتی را نیز از بین می برد، به این معنی که آب را شیرین می کند. برای درک چگونگی عملکرد اسمز معکوس، درک اسمز مفید است.

اسمز زمانی اتفاق می افتد که یک غشای نیمه تراوا دو محلول غلظت های مختلف را از هم جدا کند. آب از محلول رقیق به محلول قوی تر منتقل خواهد شد تا زمانی که دو محلول از نظر غلظت به تعادل برسند زیرا غشای نیمه تراوا اجازه عبور آب را می دهد، اما اجازه عبور به نمک را نمی دهد.

در اسمز معکوس، این دو محلول توسط یک غشا نیمه تراوا از هم جدا می شوند، اما برای معکوس کردن جریان طبیعی آب فشار اعمال می شود. این باعث می شود که آب از محلول غلیظ تر به محلول رقیق تر حرکت کند. بنابراین، آلودگی ها در یک طرف غشا نیمه نفوذ پذیر قرار دارند و آب خالص در طرف.

فواید اولترافیلتراسیون، نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس:
اولترافیلتراسیون باکتریها، پروتوزوآها و برخی ویروسها را از آب خارج می کند. نانوفیلتراسیون میکروب ها و همچنین اکثر مواد آلی طبیعی و برخی مواد معدنی طبیعی، به ویژه یون های دو ظرفیتی را که باعث ایجاد آب سخت می شوند را از بین می برد. با این وجود نانو فیلتراسیون، ترکیبات محلول را از بین نمی برد. اسمز معکوس کدورت، از جمله میکروب ها و تقریباً تمام مواد محلول را از بین می برد.

درحالی که اسمز معکوس بسیاری از مواد معدنی مضر مانند نمک و سرب را از بین می برد، برخی از مواد معدنی سالم مانند کلسیم و منیزیم را نیز از بین می برد. به همین دلیل است که آبی که با اسمز معکوس تصفیه می شود را باید با عبور دادن از بستر معدنی منیزیم و کلسیم غنی سازی کنیم. این باعث افزایش کلسیم و منیزیم به آب می شود و در عین حال باعث افزایش pH و کاهش پتانسیل خوردگی آب می شود.

معایب استفاده از اولترافیلتراسیون، نانو فیلتراسیون یا اسمز معکوس در تصفیه:
در مقایسه با مزایای استفاده از فیلتراسیون غشایی برای تصفیه آب، معایب بسیار کمی وجود دارد. اگر فرآیندهای متداول تصفیه آب بتوانند به طورموثر آب را تصفیه کنند، ساخت یک مرکز تصفیه آب با اسمز معکوس هزینه های زیاد و غیرضروری می باشد.

اما برای جوامعی که از کمبود آب های طبیعی و آب های زیر زمینی رنج می برند، یک سیستم تصفیه اسمز معکوس می تواند سرمایه گذاری ارزشمندی باشد که می تواند آب آشامیدنی سالم را برای ساکنان فراهم کند.

اسمز معکوس علاوه بر مواد معدنی و ذرات مضر، تعدادی از مواد معدنی سالم را از آب خارج می کند. حذف این مواد معدنی، از جمله کلسیم و منیزیم، می تواند آب را ناسالم کند، به ویژه برای افرادی که رژیم غذایی ناکافی دارند و افرادی که در آب و هوای گرم زندگی می کنند، زیرا آب می تواند این مواد معدنی لازم را تأمین کند. افزودن کلسیم و منیزیم، همانطور که در بالا توضیح داده شد، می تواند این نگرانی ها را برطرف کند.