دیاتومه ها
و
نقش آنها در فیلتراسیون
مشخصات عمومی دیاتومه ها
از نظر زمین شناسی و یا تجاری ، واژه ” دیاتومیت ” به تجمع رسوبات تقریبا خالص از اسکلت موجودات ریزی به نام دیاتومه اطلاق می شود. دیاتومه ها موجوداتی تک سلولی بسیار ریزی هستند که متعلق به خانواده جلبک های دریائی ( باسیلاریوفیس ) طلائی قهوه ای هستند . سلول های زنده دیاتومه ها با پوشش تازک و ژل مانندی که اغلب رنگی قهوه ای دارد ، پوشیده شده اند .
تاریخچه
اولین کاربرد صنعتی دیاتومیت به حدود 2000 سال پیش باز می گردد که یونانیان از خاک های دیاتومیتی سبک وزن در ساخت وسایل و ظروف سفالی و یا سرامیکی استفاده کرده اند. همچنین در قرن ششم میلادی از اجرهای دیاتومیتی در ساخت کلیسای صوفی شهر قسطنطنیه استفاده شده است .
یکی از مهم ترین کاربرد های اولیه دیاتومیت در اواسط دهه 1860 میلادی توسط آلفرد نوبل و در ساخت دینامیت بود . استفاده از دیاتومیت برای جذب نیتروگلیسیرین مایع و افزایش ایمنی در حمل و نقل آن بود . از دیگر کاربردهای اولیه دیاتومیت می توان به استفاده از آن در ساخت آجرهای نسوز و عایق کوره ها اشاره کرد . نخستین تولید اقتصادی دیاتومیت در سال 1884 از ذخائر مریلند آمریکا صورت گرفت .
در دهه 1920 میلادی با پیشرفت تکنولوژی و تهیه دیاتومیت کلسینه و کلسینه فلاکس ( گدازه ای ) کاربرد های متنوع دیگری نیز برای دیاتومیت به وجود آمد . در این فرایند جهت کلسینه کردن از مواد کمک ذوب نیز استفاده می شود .
مشخصات فیزیکی دیاتومیت
چگالی کم دیاتومیت که بین 320 تا 640 کیلو گرم بر متر مکعب است آن را از سایر مواد رسوبی ریز دانه متمایز می کنند قسمت اعظم ترکیب دیاتومیت از سیلیس تشکیل شده است . سیلیس موجود در اسکلت دیاتومه ها علاوه بر استحکام دیواره سلول باعث رشد و نمو آن می شود .
اسکلت سیلیسی علاوه بر داشتن 5/3 تا 8 درصد آب در شبکه خود ، حاوی مقدار کمی آلومینیوم ، آهن و فلزات قلیائی خاکی است . ترکیب شیمیائی دیاتومیت و ساختمان منحصر به فرد فیزیکی آن باعث شده است که دیاتومیت ، خواص ویژه ای داشته باشد و در مواردی نیز هیچ ماده ای نتواند جانشین آن بشود .
از آنجا که دیاتومیت از رسوبات بسیار ریز سیلیسی با منشاء موجودات زنده تشکیل شده است ، ترکیب اصلی آن عمدتا از سیلیس بی شکل که در بدنه اسکلت دیاتومه ها موجود است تشکیل شده است .
مقدار آب موجود در ساختمان داخلی دیانومه از 9/1 تا 6/9 درصد وزنی متغیر است . مقدار سیلیس موجود ( SiO 2) موجود به طور متوسط بین 80 تا 90 درصد بوده ولی در مواردی تا 97 درصد نیز مشاهده شده است .
ساختمان ظریف و پیچیده اسکلت دیاتومه ها باعث می شود تا دیاتومیت خواص ویژه ای نظیر وزن مخصوص کم ، سطح مخصوص بالا ، قدرت جذب فراوان و تخلخل زیاد دارا باشد. دیاتومه ها از دو کفه در هم فرو رفته صدف سیلیسی ( فراستل ) که یه اشکال بسیار متنوعی در طبیعت وجود دارند ، تشکیل شده اند .
چگالی ظاهری نمونه سنگ بر جا خشک شده دیاتومیت بین 320 تا 640 کیلوگرم بر متر مکعب اندازه گیری شده است . ولی نمونه های پودر شده و فرآوری شده آن پس از کلسیناسیون چگالی بین 80 تا 250 کیلوگرم بر متر مکعب دارند .
به طور کلی می توان خواص فیزیکی دیاتومه ها را به صورت زیر تقسیم بندی کرد :
1- اندازه دیاتومه :
اندازه هر یک از ذرات خاک کمک تصفیه دیاتومه بین 1 تا 200 میکرون است که بیشترین محدوده مورد استفاده برای محصولات با کیفیت بالا بین 14 تا 55 میکرون می باشد .
2- منافذ بسیار زیاد و قابلیت جذب بالا
تقریبا 90% از حجم دیاتومه در بر گیرنده حفره ها و دهلیزهای بسیار نازکی هستند که با هم در ارتباط می باشند. این منفذ های زیاد دیاتومه را قادر ساخته تا بتواند تا 5/2 برابر وزن خودش مایعات را جذب نماید .
3- ساختار منحصر به فرد ذرات :
ذرات دیاتومه توسط اشکال نا منظم مربوط به گونه های مختلف و ساختار حفره های خود مشخص می شوند . دیاتومه بسیار مسطح و نازک می باشد ( مانند برگ اغلب درختان ) بطوری که هر 454 گرم از دیاتومه بیش از 9000 متر مربع سطح دارد که چندین برابر هر نوع از مواد معدنی دیگر با همان اندازه ذرات می باشد .
4- حجم زیاد در واحد وزن :
ذرات دیاتومه که به شکل توده ای قرار می گیرند ، روی هم انباشته نمی شوند و در نتیجه تشکیل حجم زیادی را می دهند بدون اینکه وزن زیادی داشته باشند . در نتیجه وزن ذرات جدا از هم دیاتومه ها کمتر از 160 گرم در لیتر می باشد که به طور آشکاری چگالی کمتری نسبت به انواع مواد معدنی مشابه دارند .
مشخصات شیمیایی
مشخصات شیمیایی دیاتومه ها را نیز می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد :
1- بدنه سیلیسی
سیلیس بدنه اصلی ترکیب شیمیائی سنگ دیاتومیت را تشکیل می دهد و مقدار سیلیس بسته به کیفیت سنگ از 86 تا 94 درصد متغیر است . سیلیس موجود در اسکلت دیاتومه ها بی شکل ، آبدار و شبیه به اپال است . اسکلت سیلیسی توسط ماده ای ژل مانند پوشیده شده است که پس از مرگ دیاتومه ها تجزیه می شود .
2- ترکیب کاملا خنثی
به دلیل بدنه سیلیسی مقابل اکثر فعل و انفعالات شیمیایی خنثی می باشد ، در نتیجه :
تغییری در رنگ ، بو و طعم محصولات تصفیه شده نمی گذارد .
3- مقاوم در برابر حرارت بالا
4- مقاوم در برابر PH بالا
خواص فیزیکی دیاتومه ها از جمله انبوه حفره های میکروسکوپی و سطح بسیار زیاد انها به همراه خواص شیمیایی ، که مهمترین آن خنثی بودن دیاتومه هاست ، این خاک را قادر به جذب بسیاری از ذرات ریز جامد معلق در مایعات می نماید . ذرات بسیار ریزی که از اکثر فیلترها عبور می کنند توسط خاک دیاتومه جذب می شوند .
در نتیجه مایعات ، شفاف تر و خالص تر تصفیه شده و محصول نهایی با کیفیت بهتر وارد بازار می شود .
فیلتراسیون به کمک خاک دیاتومه
در یک تعریف ساده فیلتر کردن عبارت است از جدا سازی ذرات معلق در سیالات توسط عبور سیال از منافذ ریز که باعث گیر کردن ذرات در این منافذ و عبور خود سیال بشود . در یک فیلتر معمولی ، منافذ فیلتر ، ذرات بزرگتر از دهانه منافذ را بدام انداخته و پس از مدتی تمام منافذ بسته می شوند . بنابراین عبور سیال به سختی صورت می گیرد و یا به کلی متوقف می شود . استفاده از مواد واسطه ای نظیر دیاتومیت که دارای خلل و فرج در ابعاد گوناگون هستند باعث غلیه یر این اشکال عمده فیلترهای معمولی می شود . به این نوع مواد واسطه کمک فیلتر گفته می شود .
کمک فیلترها مواد ریزدانه ای هستند که ذرات معلق در مایعات را قبل از اینکه به سرند یا توری اصلی برسند جدا می کنند . ابعاد ذرات کمک فیلتر به گونه ای است که خود از توری اصلی عبور نمی کند و مانند پوششی روی توری اصلی عمل می کند . به طور کلی یک کمک فیلتر ایده آل دارای خواص اصلی زیر است :
– به بهترین وجه ذرات معلق را جدا می کند .
– جریان آسان مایعات را فراهم می سازد .
– برای مدت طولانی عمل کرده و نیاز به جایگزینی سریع نداشته باشد .
کمک فیلترها به دو طریق به فرایند فیلتراسون کمک می کنند :
طریقه اول : کمک فیلتر به صورت یک پوشش اولیه (Pre Coat ) است که با ابجاد یک لایه نازک روی توری اصلی از بسته شدن منافذ توری اصلی توسط ذرات معلق در مایعات جلوگیری می کند .
طریقه دوم : ورود تدریجی کمک فیلترها به داخل سیال عبوری ( به عنوان خوراک همراه – Body Feed ) است . این عمل باعث می شود که همیشه یک سطح نازک ولی تمیز از کمک فیلترها در مراحل اولیه عبور سیال از فیلتر اصلی وجود داشته باشد و عملا عبور سیال با گذشت زمان دچار مشکل خاصی نشود . شکل زیر به طور شماتیک فرایند فیلتراسیون به کمک دیاتومیت را نشان می دهد .
پودر دیاتومیت به عنوان کمک فیلتر و در روکش اولیه روی سرند اصلی در فیلترهای صنعتی به دو صورت فشاری و مکشی کاربرد دارد .
فیلترهای مکشی ( Vacuum Filter ) از یک سیلندر دوار افقی تشکیل شده اند که این سیلندر ابتدا در حوضچه ای از دوغاب دیاتومیت وارد می شود . با ایجاد مکش و خلا از داخل سیلندر به تدریج لایه ای نازک و یکنواخت از مواد کمک فیلتر روی بدنه اصلی سیلندر تشکیل می شود . با افزودن دیاتومیت به صورت تدریجی به همراه مایعی که باید تصفیه شود ضخامت این لایه اولیه افزایش می یابد . به وسیله تیغه ای که در کنار سیلندر در حال چرخش تعبیه شده است ضخامت کیک فیلتر ثابت نگه داشته می شود ویا به مرور از آن کاسته می شود .
فیلترهای فشاری (Pressure Filter ) به صورت استوانه های افقی ویا عمودی ساخته می شوند که دارای ضخامت افقی یا عمودی هستند . فیلترهای فشاری با صفحات افقی نیاز به تمیز کردن و شستشو با فشار و در جهت عکس جریان سیال تصفیه شونده دارند . در فیلترهای فشاری با صفحات عمودی وقتی که جریان سیال وفشار پشت آن متوقف شود ، کیک تشکیل شده از لایه های کمک فیلتر در اثر وزن خود سقوط کرده و سپس جمع آوری و از پروسه خارج می شود . استفاده از روکش اولیه ( Pre Coat ) روی فیلتر اصلی در تصفیه نوشیدنی ها ، روغن و گریس رایج است .
مقدار دیاتومیت مصرفی برای ایجاد Pre Coat بین 75/0 – 5/0 کیلوگرم بر متر مربع سطح فیلتر است . این مقدار دیاتومیت لایه ای به ضخامت حدود 5/2 میلیمتر ایجاد می کند . در مواردی که نیاز به ایجاد روکش ضخیم تر – که معمولا در تصفیه آب میوه های صنعتی و نظایر آن کاربرد دارد – باشد مقدار دیاتومیت مصرفی تا یک کیلوگرم بر متر مربع از سطح فیلتر نیز ممکن است افزایش یابد .
از همان دیاتومیت استفاده شده به عنوان کمک فیلتر ، به سیال در حال تصفیه نیز پمپاژ می شود ( خوراک همراه – Body Feed ). در بیشترموارد مقدار دیاتومیتی که به عنوان Body Feed استفاده می شود در حدود 1/0 درصد وزنی سیال تصفیه شونده می باشد . کاریرد هایی نیز وجود دارد که مقدار دیاتومیت مصرفی بسیار کمتر ویا خیلی بیشتر از این مقدار متوسط است .
به عنوان مثال مقدار دیاتومیت استفاده شده در تصفیه آبهای همراه نفت در حدود 003/0 درصد است در حالی که این مقدار برای تصفیه آنزیم ها یا لاکهای الکلی و سایر مایعات سنگین به 3 درصد نیز می رسد. به منظور دستیابی به بهترین وضعیت نفوذ در کیک فیلتر ، توزیع مناسب دانه بندی و وضعیت شکل دانه ها از اهمیت بالائی برخوردار هستند . این عوامل باعث می شود که دانه ها خیلی درهم نروند و در حدود 85 تا 90 درصد کیک فضای خالی بماند . دانه بندی مناسب علاوه بر گیر انداختن ناخالصی ها ، درصد بالائی از کانالهای عبوری را برای حرکت آسان سیال باز نگهدارد .
مقدار سطح آزاد موجود در کیک فیلتر نیز عامل مهم دیگری است چرا که نیروی کشش سطحی بین دانه ها باعث ایجاد مقاومت در برابر جریان آزاد سیال می شود . دانه های بسیار ریز باعث کاهش جریان و دانه های درشت هم از کیفیت فیلتراسیون و شفافیت مایع عبوری می کاهد . بنابراین توزیع دانه ها باید در محدوده کوچکی باشد .
مقایسه خاک دیاتومه با پرلیت
1- خاک های کمک تصفیه دیاتومه ، دارای بیشترین خلوص ( با بیش از 93% سیلیس ) در میان تمام خاک های کمک تصفیه جهان می باشند ، حال آنکه درصد سیلیس خاک های پرلیت در بهترین شرایط کمتر از 75% بوده و به همین دلیل درصد فلزات سنگین و مواد پنهان قابل انحلال در سیال بسیار زیاد است .
2- شکل میکروسکوپی ذرات دیاتومه و پرلیت با یکدیگر متفاوت است . بطوریکه در شرایط عملی ، یک فیلتر کیک ساخته شده با خاک دیاتومه به ضخامت 2 الی 4 میلیمتر می تواند کارایی یک فیلتر کیک پرلیت به ضخامت 5/1 سانتی متر را داشته باشد و بنابراین نسبت میزان مصرف آنها یک به چهار یا کمتر است
3- انتخاب دانه بندی منحصر به فرد در خاک دیاتومه با استفاده از بالاترین تکنولوژی روز دنیا و با دقت بسیار زیادی صورت می گیرد که در هیچ نمونه خاک کمک تصفیه دیگری در جهان وجود ندارد . این نوع تنوع ذرات در شرایط عملی موجب مکانیزمی در تشکیل فیلتر کیک می گردد که مدت زمان ماندگاری فیلتر کیک را 2 تا 3 برابر افزایش می دهد و این نیز به نوبه خود علاوه بر کاهش مصرف خاک ، موجب کاهش دفعات شستشوی فیلترها و به تبع آن کاهش استهلاک آنها و افزایش راندمان تولید می گردد .
4- ذرات خاک دیاتومه از پیوستگی مولکولی پائین برخوردارند . همین موضوع موجب خواص زیر می گردد :
الف ) بالا بودن پیوستگی مولکولی موجب می شود فیلتر کیک کاملا یکنواخت و ایستا بوده و هیچگونه ترک یا منفذی در بدنه ان وجود نداشته باشد و بنابراین سیال شفاف را در طول مدت فیلتراسیون بطور یکنواخت از خود عبور می دهد .
ب ) پائین بودن چسبندگی مولکولی موجب می شود که برای تمیز کردن فیلتر ، با استفاده از ارتعاش یا بک واش ، فیلتر کیک به راحتی از آن جدا شده و عملا در افزایش طول عمر پارچه و توری ها بسیار مؤثر است .
5- خاک دیاتومه علاوه بر جذب فیزیکی ذرات ناخالص ، قادر است شفاف سازی را به صورت یونی نیز انجام دهد که به طور چشمگیری موجب کاهش خاکستر و سایر آلاینده ها در سیال می گردد .
6- میان جذب روغن در خاک دیاتومه به مراتب کمتر از خاک پرلیت می باشد که همین تمایز موجب کاهش شدید میزان ضایعات و هدر رفت محصول مخصوصا در کارخانجات تولید روغن می گردد .
7- از پرلیت ، بدلیل اندازه درشت تر ذرات و تشکیل کیک منبسط ، بیشتر برای جداسازی ناخالصی های درشت استفاده می گردد که طبیعتا عبوردهی بیشتری هم نسبت به دیاتومه ها دارند .
نکته آخر : متفاوت بودن شرایط عملی و ازمایشگاهی
همانطور که مشخص است ، شرایط ازمایشگاهی دارای تفاوت های اشکار با شرایط عملی می باشد که از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود :
1- عدم وجود فشار اعمال شده بر فیلتر کیک
2- عدم امکان ایجاد شرایط مشابه چرخش اولیه خاک در داخل فیلتر
3- عدم امکان برآورد و مقایسه میزان مصرف نمونه های مختلف کمک تصفیه
4- عدم امکان برآورد و مقایسه زمان مسدود شدن فیلتر کیک
به همین علت کارایی فرایندهای بالا در شرایط عملی و آزمایشگاهی می تواند نمود کاملا متفاوت و بعضا متضادی داشته باشند به همین دلیل توصیه می گردد مزایای فراوان استفاده از خاک های کمک تصفیه دیاتومه را با بکار گیری آن در خط تولید ، در عمل مشاهده نمایید .