فیلتراسیون در شیمی — از صفر تا صد

فیلتراسیون روشی است که به کمک آن، ناخالصی‌های جامدِ مایعات و گازها جدا می‌شوند. این جداسازی در محیطی صورت می‌گیرد که سیال از میان آن عبور می‌کند اما ذرات جامد، توانایی عبور نخواهند داشت. ممکن است ذرات جامد یا مایع فیلتر شده، هرکدام به عنوان یک فرآورده مورد نظر باشند. در برخی فرآیندها به هنگام تولید مواد شیمیایی، از هر دو ماده یعنی مایع و ذرات جامد استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که الکتریسته، نور و صوت نیز قابلیت فیلتر شدن دارند. سیالی که از محیط فیلتراسیون عبور می‌کند موسوم به «فیلترات» (Filtrate) است و ذرات جدا شده را «کیک فیلتر» (Filter Cake) می‌نامند.

مقدمه

هنر فیلتراسیون از زمان‌های کهن وجود داشته است حتی از زمانی که انسان‌ها از رودخانه گل‌آلود، آب تهیه می‌کردند. ابزارهای اصلی برای فیلتر کردن عبارتند از:

• «محیط فیلتراسیون» (Filter Medium)
• سیالی با ذرات معلق
• «نیروی محرکه» (Driving Force) همچون اختلاف فشار جهت جاری شدن سیال
• یک دستگاه مکانیکی (فیلتر) که این مجموعه را در خود جای دهد

فیلم آموزش مقدماتی غشا Membrane و فرایندهای جداسازی غشایی در فرادرس

کلیک کنید

دستگاه مکانیکی می‌تواند تجهیزات ویژه‌ای را برای حذف کیک فیلتر یا شستشوی کیک فیلتر و دیگر اجزا داشته باشد. روش‌های مختلفی برای حذف کیک فیلتراسیون، جداسازی مایع و همچنین تولید نیروی محرکه توسعه داده شده که موجب تولید تجهیزات مختلف فیلتراسیون شده است.

محیط فیلتراسیون

محیط فیلتراسیون را به دو بخش عمده می‌توان تقسیم کرد:

• بخش موانع،‌ شامل کاغذ و پارچه‌های صافی
• مجموعه‌ای از بسترهای ماسه‌ای، کربنی (ساخته شده از کُک)،‌ سرامیک متخلخل، فلز متخلخل به همراه یک پوشش که به طور معمول در فیلتر کردن صنعتی سیالاتی استفاده می‌شوند که شامل رسوبات ژلاتینی هستند.

یک محیط فیلتراسیون نازک شامل لایه‌ای است که حفرات آن از اندازه ذرات کوچکتر هستند و بدین ترتیب این ذرات از سیال حذف می‌شوند. اگر ذرات جامدی که توانایی گذر از حفرات محیط را ندارند، تشکیل یک کیک متخلخل بدهند، یک محیط فیلتراسیون تک‌لایه برای ادامه فرآیند کفایت می‌کند. در صورتیکه کیک فیلتر، حالت ژلاتینی داشته باشد و اجزای آن نرم و تراکم‌پذیر باشند، احتمال مسدود شدن حفرات کیک فیلتر وجود دارد و به اصطلاح، کیک فیلتر «کور» (Blind) می‌شود. در صورت بروز چنین حالتی، یک محیط چند لایه همچون بسترهای ماسه‌ای مورد نیاز است.

محیط چند لایه

بر خلاف حالتی که در محیط فیلتر، یک لایه نازک داشتیم، حفرات در محیط‌های چندلایه همچون ماسه، ممکن است بزرگتر از ذرات جامد باشند. در نتیجه، ذرات در مسیرهای تودرتو حرکت می‌کنند و در نهایت در میان خلل و فرج بستر به دام می‌افتند. تحت این شرایط، ذرات ژلاتینی و نرم که در حالت قبل، فیلتر را کور می‌کردند، این‌بار در طول بستر توزیع می‌شوند و در نهایت با شستشوی بستر، می‌توان دوباره از آن استفاده کرد.

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:

• نیروی گرانش
• سانتریفیوژ
• اعمال فشار به سیال در بالای فیلتر
• ایجاد شرایط خلاء در پایین فیلتر
• 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 پیدا کند. 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.

انواع فیلتر

فیلترها را بر اساس طبیعت نیرومحرکه آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند. همانطور که گفته شد، این نیروها ممکن است حاصل از نیروهای ثقلی، پمپ‌های خلاء و اعمال فشار باشند. همچنین فیلترها را بر اساس شاخصه‌های مکانیکی هم دسته‌بندی می‌کنند. فیلتر‌ها همچنین ممکن است به صورت «دسته‌ای» (Batch) یا «پیوسته» (Continuous) عمل کنند.

انواع فیلتراسیون بر اساس فشار

همانطور که گفته‌ شد، فیلترها را بر اساس ایجاد احتلاف فشار نیز می‌توان دسته‌بندی کرد که عبارتست از فیلتراسیون فشاری،‌ فیلتراسیون خلا، فیلتراسیون ثقلی و سانتریفیوژ که در این مقاله به چندین مورد از این روش‌ها اشاره خواهیم کرد.

توضیح فرآیند فیلتراسیون

فیلتراسیون به منظور جداسازی ذرات معلق در سیال کاربرد دارد که این سیال می‌تواند یک مایع، گاز یا مایع «فوق بحرانی» (Supercritical) باشد. فیلتراسیون به عنوان یک عمل فیزیکی، نقش مهمی در شیمی ایفا می‌کند چراکه به منظور جداسازی مواد با ترکیبات مختلف از یکدیگر بکار می‌رود. در این فرآیندها یک حلال انتخاب می‌شود که بتواند تنها یکی از اجزا را در خود حل کند. با حل کردن مخلوط در حلال انتخابی، یکی از اجزا به صورت محلول از صافی گذر می‌کند درحالیکه دیگری باقی می‌ماند. این روش از مهم‌ترین راهکارها برای خالص‌سازی ترکیبات است.

فیلتر کردن همچنین به طور گسترده به عنوان «عملیات واحد» (Unit Operations) در مهندسی شیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فیلتراسیون را به طور همزمان در عملیات‌ واحدهای مختلف بکار می‌گیرند تا جریان خوراک را فرآوری کنند. نمونه‌ای از این کار را می‌توان در بیوفیلتر‌ها دید که ترکیبی از فیلتراسیون و دستگاه گوارش بیولوژیکی است.

فیلتراسیون و غربال کردن

لازم به ذکر است که فیلتراسیون با «غربال کردن» (Sieving) تفاوت دارد. در غربالگری، ذراتی که از اندازه الک بزرگتر هستند، در ظرف باقی می‌مانند درحالیکه در فیلتراسیون، یک شبکه چندلایه، از حرکت ذراتی که توانایی گذر از خلل و فرج فیلتر را ندارند جلوگیری می‌کند. اجزا با اندازه بزرگ ممکن است تشکیل یک کیک در بالای فیلتر بدهند و شبکه فیلتر را مسدود کنند. به طور تجاری، واژه فیلتر را به غشاهایی اطلاق می‌کنند که «شبکه جدایش» (Separation Lattice) به قدری نازک باشد که سطح فیلتر، به محل اصلی جدایش ذرات تبدیل شود. در تعاریف مختلفی، این نوع از فیلترها را نیز به عنوان غربال (الک) در نظر می‌گیرند.

فیلتراسیون و جذب

فیلتراسیون با «جذب» (Adsorption) تفاوت دارد چراکه در جذب، اندازه ذرات موجب جدایش نخواهد بود بلکه تاثیر «بار سطحی» (Surface Charge) است که این عمل را به عهده می‌گیرد. برخی دستگاه‌های جذب شامل کربن فعال و رزین‌های تبادل یونی را به صورت تجاری با نام فیلتر می‌شناسند، اگرچه فیلتراسیون به عنوان عملکرد اصلی آن‌ها قلمداد نمی‌شود.

فیلتراسیون و حذف مواد مغناطیسی

خوب است بدانید که فیلتراسیون با حذف مواد مغناطیسی از سیالات تفاوت دارد زیرا در این روش‌ها هیچ محیط فیلتراسیونی وجود ندارد. البته کالاهایی تجاری با نام «فیلترهای مغناطیسی» (Magnetic Filters) تولید شده‌اند که نام آن‌ها، تنها بازتابی از کاربرد آن‌ها است و ارتباطی با نوع عمل فیلتراسیون ندارد. در فیلترهای بیولوژیکی،‌ ذرات با اندازه بزرگتر به دام می‌افتند و بلعیده می‌شوند که در نتیجه آن ممکن است متابولیت‌هایی آزاد شوند.

روش‌های فیلتراسیون

روش‌های مختلفی برای فیلتراسیون وجود دارد که هدف تمامی آن‌ها جداسازی مواد از یکدیگر است. این جدایش به کمک نوعی از برهم‌کنش‌ها بین مواد صورت می‌گیرد. روش‌های فیلتر کردن بر اساس ماده مورد نظر تغییر می‌کند چراکه این ماده ممکن است یک محلول یا جامد باشد. روش‌هایی که برای فیلتراسیون در نظر گرفته می‌شوند عبارتند از فیلتراسیون گرم، سرد و خلاء.

فیلم آموزش بررسی انواع غشا و فرایندهای جداسازی غشایی در فرادرس

کلیک کنید

فیلتراسیون گرم

روش «فیلتراسیون گرم» (Hot Filtration)  به منظور جداسازی مواد جامد از محلول‌های گرم بکار می‌رود. این کار به منظور جلوگیری از تشکیل بلور در قیف فیلتر و دیگر دستگاه‌های در تماس با محلول صورت می‌گیرد. در نتیجه، دستگاه و محلول مورد استفاده را حرارت می‌دهند تا در صورت کاهش سریع دما، تبلور و به تبع آن توقف فیلتراسیون انجام نشود. یکی از مهم‌ترین ابزارهایی که می‌تواند از تشکیل بلور در طول فرآیند جلوگیری کند، «قیف بدون لوله» (Stemless Filter Funnel) است. به دلیل حذف لوله در این قیف، سطح تماس بین محلول و قیف کاهش پیدا می‌کند که این امر مانع از تبلور مجدد در فیلتر خواهد شد.

فیلتراسیون سرد

روش «فیلتراسیون سرد» (Cold Filtration) شامل استفاده از یک حمام یخ است و به جای اینکه به محلول زمان بدهند تا در دمای اتاق به آرامی سرد شود،‌ آن را به سرعت سرد می‌کنند تا متبلور شود. در نتیجه، بلورهای تشکیل شده، اندازه کوچکتری خواهند داشت.

فیلتراسیون ثقلی

از «فیلتراسیون ثقلی» (Gravity Filtration) به منظور حذف ناخالصی‌های جامد از یک مایع آلی استفاه می‌شود. در این نوع از فیلتر کردن، ناخالصی می‌تواند یک فرآورده فرعی یا واکنش‌دهنده‌ای باشد که در واکنش شرکت نکرده است. از فیلتراسیون ثقلی به منظور جداسازی ذرات جامد بهره می‌گیرند. البته برای این کار به طور معمول از فیلتراسیون خلاء استفاده می‌کنند چراکه سرعت بیشتری دارد.

برای انجام این روش، ابتدا اندازه مناسب کاغذ صافی را انتخاب کنید. کاغذ را بعد از تا کردن، در داخل قیف قرار دهید. برای تا کردن کاغذ صافی، ابتدا آن را از وسط تا کنید و مطابق تصویر این کار را ادامه دهید. در مرحله بعد، قیف شیشه‌ای را به گیره یا به بالای یک ارلن متصل کنید. کاغذ را با چند میلی‌لیتر از حلال، تر کنید تا در کف قیف بچسبد و سپس مخلوط را به اندازه مورد نیاز به درون قیف بریزید.

مثال آزمایشگاهی

برای تولید کلسیم کربنات جامد با فرمول $$CaCO_3$$ می‌توان محلول کلسیم کلرید و سدیم کربنات را با یکدیگر مخلوط کرد که واکنش آن به صورت زیر است:

$$\mathrm { CaCl } _ { 2 } ( \mathrm { aq } ) + \mathrm { Na } _ { 2 } \mathrm { CO } _ { 3 } ( \mathrm { aq } ) \rightarrow \mathrm { CaCO } _ { 3 } ( \mathrm { s } ) + 2 \mathrm { NaCl } ( \mathrm { aq } )$$

یکی از فرآورده‌های این واکنش، رسوب کلسیم کربنات است. مخلوط را به کمک کاغذ صافی، از یک قیف عبور می‌دهیم. حاصل این کار، به دام افتادن ذرات $$CaCO_3$$ روی کاغذ صافی و عبور $$NaCl$$ محلول خواهد بود.

فیلتراسیون خلاء

«فیلتراسیون خلاء» (Vacuum Filtration)، معمول‌ترین روش برای دسته‌ای از محلول‌ها با مقادیر کم است تا به کمک آن بتوان بلورهای جامد (خشک) ریزی بدست آورد. این روش، به قیف بوخنر، کاغذ صافی با قطری کمتر از قیف، ارلن بوخنر و یک لوله لاستیکی برای اتصال به منبع خلاء نیاز دارد.

فیلتراسیون خلاء از فیلتراسیون ثقلی سریع‌تر است چرا که حلال یا محلول و هوا از طریق افت فشار، مجبور به عبور از کاغذ صافی می‌شوند. زمانی که نقطه جوش مایع پایین باشد یا اینکه هدف فیلتراسیون، خودِ مایع باشد، نباید از این روش استفاده کرد زیرا مایعات با نقطه جوش پایین، به دلیل کاهش فشار، در طول فرآیند تبخیر خواهند شد. برای انجام فیلتراسیون به کمک خلاء، مراحل زیر را مطابق با تصاویر طی کنید:

• ارلن بوخنر را به پایه و گیره متصل کنید.
• به کمک یک تبدیل لاستیکی،‌ قیف بوخنر را بر بالای ارلن تخلیه (بوخنر) سوار کنید.
• کاغذ صافی را درون قیف قرار دهید. اندازه کاغذ صافی باید به گونه‌ای باشد که در طول فرآیند به صورت تخت در قیف قرار بگیرد و به خوبی منفذ قیف را بپوشاند. در صورت نیاز می‌توانید، کاغذ صافی بزرگتری را به اندازه دلخواه ببُرید.
• ارلن بوخنر را به کمک لوله رابط لاستیکی به منبع خلاء متصل کنید. حتما از لوله‌های ضخیم استفاده کنید که در اثر کاهش فشار و خلاء، مسدود نشوند.
• کاغذ صافی را به حلال آغشته کنید. تر کردن کاغذ صافی سبب می‌شود تا کاغذ به کف قیف بچسبد و عمل فیلتر کردن بهتر انجام شود. پمپ خلاء را روشن کنید و مطمئن شوید که کاغذ به خوبی در جای خود قرار گرفته و دستگاه آزمایش، به خوبی به گیره متصل شده است.

• مخلوط را از بالا به قیف اضافه کنید. وجود خلاء، به سرعت مایع را به درون قیف هدایت می‌کند. کنترل کنید که ذرات به طرف لبه‌های کاغذ صافی حرکت نکنند. اگر این اتفاق افتاد، به طور مجدد این کار را تکرار کنید و مراقب باشید که این‌بار، مایع را دقیقا به مرکز کاغذ صافی بریزید.
• کیک حاصل را با مقادیر کمی از حلال سرد شستشو دهید تا به حذف ناخالصی‌های محلول در فیلترات کمک کنید.
• لوله رابط را به دقت جدا کنید.
• کاغذ صافی و کیک باقی‌مانده روی آن را از قیف خارج کنید.
• به طور معمول، بهتر است کیک حاصل را روی شیشه‌ساعت و در معرض هوا قرار دهید تا خشک شود.

فیلتراسیون غشایی

فیلتراسیون غشایی فرآیندی فیزیکی برای جداسازی مولکول‌ها با اندازه‌های مختلف است. نیرومحرکه این فیلتراسیون بر اساس اختلاف فشار بین دو بخش یک غشا ایجاد می‌شود. چهار نوع مختلف از فیلتراسیون غشایی وجود دارند که عبارتند از:

• نانوفیلتراسیون
• اسمز معکوس
• اولترافیلتراسیون
• میکروفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون (NF) از آخرین متدهای فیلتراسیون غشایی است که برای تصفیه آب‌های سطحی و حذف مواد آلی طبیعی و مصنوعی استفاده می‌شود. همچنین این روش در صنایع غذایی و لبنیات کاربرد دارد.

غشاهای نانوفیلتراسیون، حفراتی به اندازه ۱-۱۰ نانومتر دارند که از نوارهای باریک پلیمری ساخته شده‌اند. موادی که در این غشاها بکار برده می‌شوند، شامل «پلی‌اتیلن ترفتالات» (Polyethylene Terephthalate) یا فلزاتی همچون آلومینیوم است. اندازه حفرات نیز به کمک pH، دما و مدت زمان ساخت کنترل می‌شود.

کاربرد نانوفیلتراسیون

از نانوفیلتراسیون و دیگر فناوری‌های غشایی به منظور جدایش مولکولی در محلول‌های آبی بهره می‌گیرند. کاربرد اصلی نانوفیلتراسیون، تصفیه و سختی‌گیری آب است که در آن، یون‌های آبدار دو ظرفیتی $$Ca ^ {2+}$$ و $$Mg ^ {2+}$$ نمی‌توانند از فیلتر عبور کنند.

اسمز معکوس

روش اسمز معکوس از سخت‌‌ترین غشای ممکن برای جداسازی بهره می‌گیرد. در این حالت، آب تنها ماده‌ای است که از غشا می‌تواند عبور کند و دیگر مواد همچون باکتری، چربی‌ها، نمک‌ها و ... توانایی عبور ندارند.

فیلم آموزش طراحی اسمز معکوس با نرم افزارهای مختلف در فرادرس

کلیک کنید

اولترافیلتراسیون

در روش اولترافیلتراسیون، اندازه سوراخ‌ها بزرگ‌تر و فشار نسبتا پایین است. نمک، قند، اسیدهای آلی و پپتیدهای کوچک توانایی عبور دارند اما پروتئین‌ها، چربی‌ها و پلی‌ساکاریدها نمی‌توانند عبور کنند.

میکروفیلتراسیون

در میکروفیلتراسیون، جامدات معلق، باکتری‌ها و چربی‌ها تنها موادی هستند که از غشا نمی‌توانند عبور کنند.

فیلتراسیون میکروبی

بسیاری از سیستم‌های تصفیه آب توانایی فیلتر کردن میکروب‌ها، باکتری‌ها و جلبک‌ها را ندارند چراکه اندازه آن‌ها بسیار کوچک است و از فیلتر عبور می‌کنند. فیلتراسیون میکروبی آب عبارتست از فرآیند تصفیه و حذف میکروب‌های ناخواسته از آب. فیلتراسیون میکروبی آب به کمک ایجاد لختگی و فیلتر کردن میکروارگانیسم‌ها،‌ آب را تصفیه می‌کند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش مقدماتی غشا (Membrane) و فرایندهای جداسازی غشایی
• فیلتر هوای خودرو چگونه کار می‌کند؟ — آشنایی اولیه
• غلظت محلول ها — به زبان ساده

^^