فناوری نانو و فیلتراسیون

۱. فیلتر چیست؟فیلترها موادی متخلخلی1 هستند که در فرایند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها، داشتن خلل و فُرج‌هایی با اندازه‌ و ابعاد مشخص است، به همین دلیل، فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را دربرمی‌گیرند و شبکه پیچیده‌ای از حفره‌ها را می‌سازند. فیلترها می‌توانند از جنس پلیمـر و یا سرامیک باشند.

2. تعریف فیلترکردن یا فیلتراسیون²
فیلترکردن یا فیلتراسیون، فرایندی است که در آن یک مایع و یا گاز (سیال) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می‌کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک‌تر هستند از آن عبور کرده و ذرات با اندازه بزرگ‌تر، از سیال جدا شده و در پشت فیلتر می‌مانند (شکل1).

شکل (1). نحوه عمل فیلتراسیون. تنها ذراتی که اندازه آنها از اندازه حفرات فیلتر کوچک‌تر است عبور می‌کنند

3. عوامل مؤثر در فیلتراسیوندو عامل که در انتخاب نوع فیلتر و کارکرد آن مؤثر می‌باشد عبارت است از:
3-1- اندازه حفرات فیلتر
همان‌طور که گفته شد موادی با اندازه بزرگ‌تر از حفرات فیلتر، در پشت آن باقی می‌مانند و عبور نمی‌کنند، در نتیجه، برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد.
3-2- مقدار ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند.
ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیش‌تر می‌شوند. این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن روزنه‌های فیلتر شود. به این دلیل، باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض، و یا آن را پاک‌سازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می‌باشد از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا تعویض و یا حتی تمیزکردن فیلتر هزینه‌بر است.

4. انواع فیلتراسیون
4-1- میکروفیلتراسیون ³
میکروفیلتراسیون فرایندی است که برای جداسازی ذرات، جامدات معلق کوچک و موادی دیگر مثل باکتری‌ها و کیست‌ها و مولکول‌هـا و ذراتی بزرگتر از 0/2 میکرون استفاده می‌شود.
4-2- آلترافیلتراسیون ⁴
در آلترافیلتراسیون مولکول‌هایی بزرگ‌تر از 0/005 میکرون جدا می‌شوند. ابعاد حفره‌های فیلتر بین 2 تا 50 نانومتر است. این فرایند برای جداسازی و تغلیظ مواد کلوئیدی و سوسپانسیونی به کار می‌رود.
4-3- اسمز معکوس ⁵
اسمز معکوس فرایندی است که آب در اثر اختلاف فشار از یک غشای نازک عبور می‌کند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک، ویروس‌ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیر آلی را جدا کند و اتم ها و مولکول‌هایی در مقیاس کوچکتر از 0/001 میکرون را در محدوده یونی جدا می‌کند (شکل 2). 

شکل (2). نحوه عمل اسمز معکوس.

اسمز معکوس تکنیکی است که در دیالیز طبی هم از آن استفاده می‌شود. دیالیز مورد استفاده‌ی افرادی است که مشکل کلیوی دارند. کلیه‌ها باعث تصفیه خون شده، مواد زائد مثل اوره و آب را از خون جدا، و به شکل ادرار از بدن خارج می‌کنند. یک دستگاه دیالیز به تقلید از عملکرد کلیه‌ها، کار می‌کند. خون از بدن عبور کرده، وارد دستگاه دیالیز شده و از فیلتر اسمزی عبور می‌کند تا مواد زائد از آن جدا شود و خون تصفیه شده دوباره به بدن برگردد (شکل 3).

4-4- نانوفیلتراسیون ⁶
ابعاد حفره‌های نانوفیلتر بین 0/5 تا 2 نانومتر است. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانوفیلتراسیون جداسازی بر اساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد. اساساً این روش، جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده‌کننده‌هایی در اندازه میکرونی و یون‌های چند ظرفیتی می‌باشد. از دیگر کاربردهای نانوفیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده‌اند، حذف فلزات سنگین مانند جیوه، تصفیه‌ی آب‌های مصرفی، رنگ‌زدایی و حذف آلوده‌کننده‌ها اشاره کرد. نانوفیلتراسیون می‌تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری‌های موجود در آب را حذف کند. شکل (4) انواع مختلف فیلتراسیون را با توجه به نوع و اندازه ترکیبات قابل‌جداسازی نشان می‌دهد.

شکل (4). انواع مختلف فیلتراسیون

5. کاربرد فیلترها5-1- صنعت آب و فاضلاب
آب یکی از ضروری‌ترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگر چه بیش از 70 صد از سطح کرة زمین با آب پوشیده شده است اما، کمتر از 3 درصد آن آب شیرین می‌باشد. از این مقدار 79 درصد به قله‌های یخی تعلق دارد، 20 درصد آن آبهای زیر زمینی است که به راحتی قابل دسترسی نمی‌باشند و فقط 1 درصد آن شامل دریاچه‌ها و رودخانه‌ها و چاه‌ها می‌باشد که به راحتی به دست می‌آید. فرایند پاک‌سازی و تصفیه آب بسیار طولانی و زمان‌بر است. یکی از مراحل تصفیه آب جداکردن آلاینده‌ها از آب می‌باشد که در این مرحله از فیلتراسیون استفاده می‌شود.
5-2- صنایع غذایی
صنعت لبنیات، آب‌میوه و صنایع دیگری که در حوزه‌ی صنایع غذایی قرار می‌گیرند، یکی دیگر از مصرف‌کنندگان اصلی فرایند فیلتراسیون محسوب می‌شوند. به طور مثال، سیستم‌های آلترافیلتراسیون در تولید پنیر استفاده می‌شوند، هم‌چنین از سیستم‌های فیلتراسیون در پاستوریزاسیون و هموژنیزاسیون نیز استفاده می‌شود.
امروزه بوسیله آلترافیلتراسیون توانسته‌اند اجزای شیر را تغلیظ نموده و به طور جزء به جز ء جداسازی نمایند. این امر موجب شده است تا بتوان محصولات جدیدی مطابق با نیاز های مصرف کننده به بازار عرضه نمود.
5-3- صنایع داروسازی
تولید دارو با سیستم‌های مختلفی انجام می‌شود. داروی تولید شده، نیاز به خالص‌کردن دارد و اهمیت خالص‌سازی دارو کمتر از تولید دارو نیست. به طوری که تولید دارو 30 درصد از هزینه‌های دارو را دربرمی‌گیرد، در حالی که 70 درصد هزینه‌ها، صرف خالص‌سازی دارو می‌شود. مهم‌ترین مرحله ‌خالص‌سازی، فرایند فیلتراسیون می‌باشد. در خالص‌سازی ِ داروها از فرایندهایی مانند دیالیز، میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون استفاده می‌شود.
5-4- تصفیة هوا و خالص‌سازی گازها
یکی از کاربردهای اصلی فرایند فیلتراسیون تصفیه هوا و یا تولید گازهای خالص، مانند اکسیژن خالص و نیثروژن خالص می‌باشد که این گازها کاربردهای صنعتی زیادی دارند. در فرایندهایی که برای تولید اکسیژن و نیتروژن خالص به کار برده می‌شود، از فیلتر استفاده می‌شود.
یک مثال آشنا از کاربرد فیلترها برای تصفیه هوا، ماسک‌های صورت میباشند. ماسکهای معمولی که بیش‌تر در روزهای آلوده از آنها استفاده می‌کنیم، نوعی فیلتر دارند که به ذرات معلق هوا اجازه عبور نمی‌دهند و به این ترتیب مانع رسیدن آلودگیها به مجاری تنفسی ما میشوند (شکل 5).

6. نتیجه‌گیری
با توجه به مطالب گفته شده، اهمیت فیلترها و فرایند فیلتراسیون مشخص می‌شود. در این زمینه استفاده از فناوری‌نانو و ساخت نانوفیلترها برای جداسازی ذرات بسیار زیر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است که درمقاله‌های بعدی به آن خواهیم پرداخت.