تصفیه ها
فیلتراسیون یک فرایند جداسازی فیزیکی یا شیمیایی است که مواد جامد و سیال را از مخلوطی با استفاده از یک محیط فیلتر جدا می کند که دارای ساختار پیچیده ای است که فقط سیال می تواند از آن عبور کند. بیش از اندازه و مایعی که از آن عبور می کند فیلتراست نامیده می شود.
ذرات بیش از اندازه ممکن است یک کیک فیلتر در بالای فیلتر تشکیل دهند و همچنین ممکن است شبکه فیلتر را مسدود کرده و از عبور فاز مایع از فیلتر که به کور شدن معروف است جلوگیری کند. اندازه بزرگترین ذرات که می توانند با موفقیت از یک فیلتر عبور کنند اندازه منافذ موثر آن فیلتر نامیده می شود. جداسازی جامد و سیال ناقص است. مواد جامد با مقداری مایع آلوده می شوند و فیلتراسیون حاوی ذرات ریز (بسته به اندازه منافذ ، ضخامت فیلتر و فعالیت بیولوژیکی) است. تصفیه هم در طبیعت و هم در سیستم های مهندسی رخ می دهد. اشکال بیولوژیکی ، زمین شناسی و صنعتی وجود دارد.
فیلتراسیون همچنین برای توصیف سیستم های بیولوژیکی و فیزیکی مورد استفاده قرار می گیرد که نه تنها جامدات را از جریان سیال جدا می کند ، بلکه گونه های شیمیایی و موجودات بیولوژیکی را نیز با جذب ، فاگوسیتوز ، جذب و جذب حذف می کند.
به عنوان مثال می توان به فیلترهای ماسه ای کند و فیلترهای چکه کننده اشاره کرد. همچنین از یک اصطلاح کلی برای میکروفاژی استفاده می شود که در آن موجودات از ابزارهای مختلفی برای فیلتر کردن ذرات کوچک غذا از محیط خود استفاده می کنند. نمونه ها از Vorticella میکروسکوپی تا کوسه Basking ، یکی از بزرگترین ماهیها و نهنگهای بالن ، که همه آنها به عنوان فیلترهای تغذیه توصیف می شوند.
فرآیندهای فیزیکی
از فیلتراسیون برای جداسازی ذرات و سیال در یک سوسپانسیون استفاده می شود ، جایی که سیال می تواند مایع ، گاز یا سیال فوق بحرانی باشد. بسته به کاربرد ، ممکن است یکی یا هر دو جزء جدا شده باشند.
فیلتراسیون ، به عنوان یک عملیات فیزیکی ، مواد را با ترکیب شیمیایی مختلف جدا می کند.
حلال انتخاب می شود که یک جزء را حل می کند ، در حالی که دیگری را حل نمی کند. با حل شدن مخلوط در حلال انتخابی یک جزء به داخل محلول رفته و از فیلتر عبور می کند ، در حالی که قسمت دیگر باقی می ماند.فیلتراسیون به طور گسترده ای در مهندسی شیمی مورد استفاده قرار می گیرد.
ممکن است با عملیات دیگر واحد برای پردازش جریان تغذیه ، مانند فیلتر زیستی ، که یک فیلتر ترکیبی و دستگاه هضم بیولوژیکی است ، ترکیب شود.
فیلتراسیون با غربال کردن متفاوت است ، جایی که جداسازی در یک لایه منفذ (الک) رخ می دهد. در غربالگری ، ذراتی که برای عبور از حفره های غربال بسیار بزرگ هستند ، حفظ می شوند (توزیع اندازه ذرات را ببینید). در فیلتراسیون ، یک شبکه چند لایه آن ذراتی را که قادر به پیروی از کانال های پر پیچ و خم فیلتر نیستند ، حفظ می کند.
ذرات بیش از اندازه ممکن است یک لایه کیک در بالای فیلتر تشکیل دهند و همچنین ممکن است شبکه فیلتر را مسدود کرده و از عبور فاز سیال از فیلتر جلوگیری کند (کور شود). از نظر تجاری ، واژه فیلتر برای غشاهایی استفاده می شود که شبکه جداسازی آنقدر نازک است که سطح به منطقه اصلی جداسازی ذرات تبدیل می شود ، حتی اگر این محصولات به عنوان الک توصیف شوند.
فیلتراسیون با جذب متفاوت است ، جایی که جداسازی به بار سطحی بستگی دارد.
برخی از دستگاههای جذب کننده حاوی زغال فعال و رزین تبادل یونی را فیلتر می نامند ، اگرچه فیلتراسیون عملکرد مکانیکی اصلی آنها نیست.فیلتراسیون با حذف آلاینده های مغناطیسی از مایعات با آهنربا (به طور معمول روغن روان کننده ، خنک کننده ها و روغن های سوختی) متفاوت است ، زیرا هیچ محیط فیلتری وجود ندارد. دستگاه های تجاری به نام “فیلترهای مغناطیسی” فروخته می شوند ، اما نام آنها نشان دهنده استفاده آنهاست ، نه نحوه عملکرد آنها.
در فیلترهای بیولوژیکی ، ذرات بسیار بزرگ به دام افتاده و بلعیده می شوند و متابولیت های حاصله ممکن است آزاد شوند. به عنوان مثال ، در حیوانات (از جمله انسان) ، فیلتراسیون کلیه مواد زائد را از خون خارج می کند ، و در تصفیه آب و تصفیه فاضلاب ، اجزای نامطلوب با جذب در یک فیلم بیولوژیکی رشد یافته روی یا در محیط فیلتر ، مانند فیلتراسیون کند ماسه ، حذف می شوند.
مواد و روش ها
روشهای مختلف فیلتراسیون وجود دارد. همه هدف آنها دستیابی به جداسازی مواد است. جداسازی با نوعی تعامل بین ماده یا اشیاء حذف شده و فیلتر حاصل می شود. ماده ای که از فیلتر عبور می کند باید سیال باشد ، یعنی مایع یا گاز. روشهای فیلتراسیون بسته به محل قرارگیری مواد مورد نظر متفاوت است ، یعنی اینکه آیا در فاز سیال حل شده یا بصورت جامد معلق است یا خیر.
بسته به نتیجه مورد نظر چندین روش تصفیه آزمایشگاهی وجود دارد ، یعنی فیلتراسیون گرم ، سرد و خلاء. برخی از اهداف اصلی برای به دست آوردن نتیجه مطلوب ، حذف ناخالصی ها از مخلوط یا جداسازی جامدات از مخلوط است.
روش فیلتراسیون داغ عمدتا برای جداسازی جامدات از محلول داغ استفاده می شود. این کار به منظور جلوگیری از تشکیل کریستال در قیف فیلتر و سایر دستگاههایی که با محلول تماس پیدا می کند ، انجام می شود. در نتیجه ، دستگاه و محلول مورد استفاده به منظور جلوگیری از کاهش سریع دما که به نوبه خود منجر به تبلور جامدات در قیف شده و مانع از فرآیند فیلتراسیون می شود ، گرم می شوند.
یکی از مهمترین اقدامات برای جلوگیری از تشکیل کریستال در قیف و انجام فیلتراسیون داغ موثر ، استفاده از قیف فیلتر بدون ساقه است. به دلیل عدم وجود ساقه در قیف فیلتر ، سطح تماس محلول و ساقه قیف فیلتر کاهش می یابد ، بنابراین از متبلور شدن مجدد جامد در قیف جلوگیری می کند و بر روند فیلتراسیون تأثیر منفی می گذارد.
روش فیلتراسیون سرد استفاده از حمام یخ به منظور خنک کردن سریع محلول متبلور شده به جای خروج از آن برای خنک شدن آهسته آن در دمای اتاق است. این تکنیک منجر به تشکیل بلورهای بسیار کوچک می شود در حالی که کریستال های بزرگ با خنک کردن محلول در دمای اتاق خنک می شوند.
تکنیک فیلتراسیون خلاء بیشتر برای دسته های کوچک محلول به منظور خشک شدن سریع بلورهای کوچک ترجیح داده می شود. این روش برای اتصال به منبع خلاء به قیف بوکنر ، کاغذ صافی با قطر کمتر از قیف ، فلاسک بوشنر و لوله های لاستیکی نیاز دارد.
رسانه فیلتر
رسانه های فیلتری موادی هستند که برای جداسازی مواد مورد استفاده قرار می گیرند.
در آزمایشگاهها دو نوع اصلی فیلتر استفاده می شود: فیلترهای سطحی ، که الک های جامدی هستند که ذرات جامد را با یا بدون کمک کاغذ صافی به دام می اندازند (به عنوان مثال قیف بوکنر ، فیلتر کمربند ، فیلتر درام خلاء ، فیلترهای جریان متقاطع) ، فیلتر صفحه) ، و فیلترهای عمق ، بستری از مواد دانه ای که ذرات جامد را هنگام عبور حفظ می کند (به عنوان مثال فیلتر ماسه).
نوع فیلتر سطح اجازه می دهد تا ذرات جامد ، یعنی باقی مانده ، دست نخورده جمع آوری شوند. فیلتر عمق این اجازه را نمی دهد. با این حال ، فیلتر عمق به دلیل مساحت زیادتر که می توان ذرات را در آن گرفتار کرد ، کمتر مستعد گرفتگی است. همچنین وقتی ذرات جامد بسیار ریز هستند ، دور انداختن دانه های آلوده ارزان تر و آسان تر از تمیز کردن الک جامد است. [نیاز به منبع]
می توان محیط فیلتر را با شستشو با حلال ها یا مواد شوینده یا شستشوی عقب تمیز کرد. از طرف دیگر ، در کاربردهای مهندسی ، مانند تصفیه خانه های استخر ، ممکن است با شستشوی معکوس تمیز شوند. فیلترهای صفحه خود تمیز کننده از شستشوی معکوس نقطه ای برای تمیز کردن صفحه بدون قطع جریان سیستم استفاده می کنند.
دستیابی به جریان از طریق تصفیه
سیالات به دلیل تفاوت فشار از طریق یک فیلتر جریان می یابند-سیال از سمت فشار بالا به سمت فشار پایین فیلتر جریان می یابد. ساده ترین روش برای دستیابی به این روش گرانش است و در مثال قهوه ساز قابل مشاهده است. در آزمایشگاه ، فشار به شکل هوای فشرده در طرف تغذیه (یا خلاء در قسمت فیلتراسیون) ممکن است اعمال شود تا فرایند فیلتراسیون سریعتر انجام شود ، اگرچه این ممکن است منجر به انسداد یا عبور ذرات ریز شود. از طرف دیگر ، مایع ممکن است از طریق فیلتر با نیروی وارد شده توسط پمپ عبور کند ، روشی که معمولاً در صنعت هنگام کاهش زمان فیلتراسیون مهم است. در این حالت ، فیلتر نیازی به نصب عمودی ندارد.
کمک فیلتر
برای کمک به فیلتراسیون ممکن است از فیلترهای کمکی خاصی استفاده شود. اینها اغلب دیاتومه های تراکم ناپذیر یا کیزلگور هستند که عمدتاً از سیلیس تشکیل شده اند. همچنین از سلولز چوب و دیگر مواد جامد متخلخل بی اثر مانند پرلیت ارزان تر و ایمن تر استفاده می شود. کربن فعال اغلب در کاربردهای صنعتی استفاده می شود که نیاز به تغییر در ویژگی های فیلتراسیون ، مانند تغییر رنگ یا بو دارد.
از این فیلترهای کمکی می توان به دو روش مختلف استفاده کرد. می توان آنها را قبل از فیلتر شدن دوغاب به عنوان پوشش اولیه استفاده کرد. این امر باعث می شود مواد جامد ژلاتینی از بستن فیلتر جلوگیری کرده و همچنین فیلتراست شفاف تری را ایجاد کند. آنها همچنین می توانند قبل از فیلتراسیون به دوغاب اضافه شوند. این باعث افزایش تخلخل کیک و کاهش مقاومت کیک در طول فیلتراسیون می شود. در یک فیلتر دوار ، کمک فیلتر ممکن است به عنوان یک لایه اولیه استفاده شود. سپس ، برش های نازک این لایه با کیک بریده می شود.
استفاده از وسایل کمک فیلتر معمولاً به مواردی محدود می شود که کیک دور انداخته می شود یا رسوب می تواند از فیلتر شیمیایی جدا شود.
جایگزین، گزینه ها
فیلتراسیون یک روش کارآمدتر برای جداسازی مخلوط ها نسبت به دکانتاسیون است ، اما بسیار زمان بر است. در صورت وجود مقادیر بسیار کمی از محلول ، بیشتر محلول ممکن است توسط محیط فیلتر جذب شود.
یک جایگزین برای فیلتراسیون سانتریفیوژ است – به جای فیلتر کردن مخلوط ذرات جامد و مایع ، مخلوط را سانتریفیوژ می کنند تا جامدات (معمولاً) متراکم را به پایین فشار دهد ، جایی که اغلب یک کیک سفت تشکیل می دهد. سپس مایع فوق را می توان بریزید. این روش به ویژه برای جداسازی جامداتی که به خوبی فیلتر نمی شوند مانند ذرات ژلاتینی یا ریز مفید است. این جامدات می توانند به ترتیب فیلتر را مسدود کرده یا از آن عبور کنند.
فیلتراسیون بیولوژیکی
فیلتراسیون بیولوژیکی ممکن است در داخل یک ارگانیسم انجام شود یا جزء بیولوژیکی ممکن است در ماده ای که در حال فیلتر شدن است روی محیطی رشد کند. حذف جامدات ، اجزای امولسیون شده ، مواد شیمیایی آلی و یونها ممکن است با بلع و هضم ، جذب یا جذب حاصل شود. به دلیل پیچیدگی فعل و انفعالات بیولوژیکی ، به ویژه در جوامع چند ارگانیسم ، اغلب نمی توان تعیین کرد که کدام فرایندها به نتیجه فیلتراسیون می رسند. در سطح مولکولی ، اغلب ممکن است توسط اقدامات آنزیم کاتالیزوری فردی در موجودات زنده انجام شود. مواد زائد موجودات زنده ممکن است متعاقباً توسط سایر موجودات تجزیه شده و تا آنجا که ممکن است انرژی را استخراج کنند و بدین ترتیب مولکول های آلی پیچیده را به گونه های غیرآلی بسیار ساده مانند آب ، دی اکسید کربن و نیتروژن تبدیل کنند.
دفع
در داخل پستانداران خزندگان و پرندگان ، کلیه ها با فیلتراسیون کلیه عمل می کنند که در آن گلومرول به طور انتخابی اجزای نامطلوب مانند اوره را حذف می کند ، و به دنبال آن جذب مجدد انتخابی بسیاری از مواد ضروری برای بدن برای حفظ هموستاز انجام می شود. فرایند کامل دفع نامیده می شود. راه حلهای مشابه اما اغلب پیچیده تر در همه حیوانات حتی پروتوزوآها که در آن واکوئل انقباضی عملکرد مشابهی را ارائه می دهد ، استفاده می شود.
بیوفیلم
بیوفیلم ها اغلب اجتماعات پیچیده ای از باکتری ها ، فاژها ، مخمرها و اغلب موجودات پیچیده تر از جمله تک یاخته ها ، روتیفرها و آنلیدها هستند که فیلمهای پویا و پیچیده و غالباً ژلاتینی روی بسترهای مرطوب تشکیل می دهند. چنین بیوفیلم ها سنگهای اکثر رودخانه ها و دریا را می پوشانند و قابلیت فیلتراسیون اصلی Schmutzdecke را در سطح فیلترهای ماسه آهسته و فیلم روی فیلترهای فیلترهای چکه کننده که به ترتیب برای ایجاد آب آشامیدنی و تصفیه فاضلاب استفاده می شوند ، فراهم می کند.
فیلترهای تغذیه کننده
فیلتر فیدرها ارگانیسم هایی هستند که غذای خود را با فیلتر کردن محیط عموماً آبی خود دریافت می کنند. بسیاری از تک یاخته ها با استفاده از طیف وسیعی از سازگاری ها از جمله خوشه های سفت و سخت پروتوپلاسم که در جریان آب در سوکتریا نگه داشته می شوند به ترتیب انواع سیلیا را به سمت ذرات به دهان هدایت می کنند از جمله موجوداتی مانند Vorticella که دارای حلقه پیچیده ای از مژک ها هستند. که باعث ایجاد گردابی در جریان خروج ذرات به داخل حفره دهان می شود. روشهای تغذیه مشابه توسط Rotifera و Ectoprocta استفاده می شود. بسیاری از بندپایان آبی تغذیه کننده فیلتر هستند. برخی از ضرب و شتم اندام شکمی برای ایجاد جریان آب در دهان استفاده می کنند در حالی که موهای ساق پا هر ذره ای را به دام می اندازد. برخی دیگر مانند برخی از مگس های کادیس تارهای ریز را در جریان آب می چرخانند تا ذرات را به دام بیندازند.
کاربردها و نمونه ها
بسیاری از فرآیندهای فیلتراسیون شامل بیش از یک مکانیسم فیلتراسیون است و اغلب ذرات ابتدا از سیال خارج می شوند تا از گرفتگی عناصر پایین دست جلوگیری شود.
فیلتراسیون ذرات شامل موارد زیر است:
فیلتر قهوه برای جدا کردن تزریق قهوه از خاک رس.
فیلتر HEPA در تهویه مطبوع برای حذف ذرات از هوا.
فیلترهای کمربندی برای استخراج فلزات گرانبها در معدن.
فیلتر صفحه عمودی مانند فیلترهای مورد استفاده در فرآیند Merrill -Crowe.
فیلترهای Nutsche معمولاً در برنامه های دارویی یا فرآیندهای دسته ای که نیاز به جذب جامدات دارند استفاده می شود.
کوره ها از فیلتراسیون برای جلوگیری از رسوب عناصر کوره با ذرات استفاده می کنند.
سیستم های انتقال پنوماتیک اغلب از فیلتراسیون برای توقف یا کند کردن جریان مواد منتقل شده ، از طریق استفاده از یک انبار استفاده می کنند.
در آزمایشگاه ، اغلب از قیف بوشنر استفاده می شود که کاغذ صافی به عنوان مانع متخلخل عمل می کند.
فیلترهای هوا معمولاً برای حذف ذرات معلق در هوا در سیستمهای تهویه ساختمان ، موتورهای احتراق و فرآیندهای صنعتی استفاده می شود.
فیلتر روغن در خودروها ، اغلب به عنوان قوطی یا کارتریج.
فیلتر آکواریوم
فیلتراسیون جذب شامل موارد زیر است:
حذف دی اکسید کربن از گاز تنفسی در دستگاههای بازآرایی و سیستمهای حمایتی با استفاده از فیلترهای اسکرابر ،
فیلترهای کربن فعال برای حذف هیدروکربن های فرار ، بوها و سایر آلودگی ها از گاز تنفسی در گردش در محیط های بسته.
برنامه های ترکیبی شامل موارد زیر است:
تولید هوای تنفسی فشرده ، جایی که هوا قبل از ورود به کمپرسور از یک فیلتر ذرات عبور می کند ، که ذرات احتمالی آسیب رساندن به کمپرسور را از بین می برد ، به دنبال آن جدا شدن قطرات پس از سرد شدن پس از فشرده سازی و فیلتراسیون جذب محصول نهایی برای حذف آلاینده های هیدروکربنی گازی و آب بیش از حد بخار در برخی موارد ، پیش فیلترهایی که از محیط جذب برای کنترل سطح دی اکسید کربن استفاده می کنند ، از جذب نوسان فشار برای افزایش کسر اکسیژن استفاده می شود ، و در مواردی که خطر آلودگی مونوکسید کربن وجود دارد ، مبدلهای کاتالیزوری Hopcalite ممکن است در محیط فیلتراسیون محصول گنجانده شوند. همه این فرایندها به طور گسترده ای به عنوان جنبه های فیلتراسیون محصول نامیده می شوند.
تصفیه آب آشامیدنی با استفاده از فیلتراسیون بیوفیلم در فیلترهای ماسه ای کند.
تصفیه فاضلاب با استفاده از فیلتر بیوفیلم با استفاده از فیلترهای چکه کننده