ગાળણક્રિયા

ગાળણક્રિયા (filtration) : તરલ-ઘનના અવલંબન(suspension)ને પડદા(septum, membrane)માંથી પસાર કરીને તેના ઘટકરૂપ ઘન કણોને અલગ કરવાની ક્રિયા. આ કણો પડદા ઉપર કે તેની અંદર રોકાઈ રહે છે. આ પડદાને ગાળણ માધ્યમ કહે છે અને જેના આધારે આ માધ્યમને યોગ્ય સ્થાને ચુસ્ત રીતે ગોઠવી શકાય તથા ઘન કણોની કેક માટે જરૂરી અવકાશ (space) પ્રાપ્ત થઈ શકે તે માટેની જરૂરી રચના ધરાવનાર ઉપકરણને ગળણી (filter) કહે છે. આ સામાન્ય રીતે ગૃહઉપયોગમાં તથા પ્રયોગશાળામાં વપરાતી શંકુ આકારની ગળણીથી માંડીને વિવિધ પ્રકારની યાંત્રિક રચના ધરાવતું ફિલ્ટર તરીકે ઓળખાતું ઉપકરણ હોઈ શકે. ફિલ્ટરમાંથી બહાર આવતું ચોખ્ખું પ્રવાહી ગાળણ (filtrate) તરીકે ઓળખાય છે.

ગાળણનો ઉદ્દેશ તરલને તેમાંના કણો દૂર કરીને નિર્મળ (clarify) કરવાનો, તરલમુક્ત કણોને શુદ્ધ રૂપમાં મેળવવાનો અથવા બંને હોઈ શકે. કોઈ વાર ઘન અને પ્રવાહીનો નિકાલ કરવા માટે જ ગાળણ કરવામાં આવતું હોય છે.

તરલ વાયુ કે પ્રવાહી હોઈ શકે. અવલંબનમાં ઘન કણોની સાંદ્રતા (concentration) દસ લાખ ભાગે કેટલાક ભાગથી માંડીને 50 %થી વધુ પણ હોઈ શકે. ગાળણક્રિયાની ઉત્કૃષ્ટતા જેમ ઊંચી તેમ ખર્ચ વધુ હોય છે. આથી ઉત્કૃષ્ટતાની માગ અનુસાર જ યોગ્ય ફિલ્ટરપ્રણાલી પસંદ કરાય છે.

ગાળણ માધ્યમમાંથી તરલના પ્રવાહનો આધાર માધ્યમની બે બાજુઓ વચ્ચેના વિભેદી દાબ (pressure differential) ઉપર રહેલો છે. ફિલ્ટર દાબ (pressure) કે શૂન્યાવકાશ (vacuum) પ્રકારના હોઈ શકે. દાબ ફિલ્ટરમાં તરલને વાતાવરણના દબાણ કરતાં વધુ દબાણે ગાળણ માધ્યમમાંથી પસાર કરાય છે. આ દબાણ પ્રવાહીના સ્તંભ(column)ના ગુરુત્વીય દબાણથી, પંપ, બ્લોઅર કે સેન્ટ્રિફ્યૂજ મારફત ઉત્પન્ન કરાય છે. શૂન્યાવકાશ ફિલ્ટરમાં દાખલ થનાર તરલ વાતાવરણના દબાણે હોય છે જ્યારે બહાર આવતા તરલ પર વાતાવરણથી ઓછું દબાણ હોય છે. આ નીચું દબાણ શોષણ (suction) પંપથી પેદા કરાય છે. દાખલ થનાર પ્રવાહને ઊર્ધ્વપ્રવાહ (upstream) અને બહાર આવતા પ્રવાહને અનુપ્રવાહ (downstream) કહે છે.

ફિલ્ટરને બે પ્રકારમાં વહેંચી શકાય : (1) નિર્મલ કરનાર (clarifying) ફિલ્ટર : આ ફિલ્ટર વાયુને સાફ કરવા માટે અથવા પ્રવાહીને ચોખ્ખું ચમકદાર(sparkling) બનાવવા માટે (દા.ત., પીણાં) વપરાય છે. આમાં ઘન કણોનું પ્રમાણ < 0.1 % હોય છે. (ii) ટિક્કડ (cake) ફિલ્ટર : મોટા પ્રમાણમાં ઘન પદાર્થોને, સ્ફટિકો કે આપંક(sludge)ને, ટિક્કડના રૂપે અલગ પાડવા માટે વપરાય છે. આમાં ઘન કણોનું પ્રમાણ > 1.0 % હોય છે.

ગાળણક્રિયા : ઔદ્યોગિક ગાળણવિધિમાં આપંક કરકરો (granular), અસંપીડ્ય (incompressible), સરળતાથી ગાળી શકાય તેવો અથવા સંપીડ્ય (compressible) કલિલ પ્રકારનો હોઈ શકે. આપંકની વિશિષ્ટતાઓમાં (1) તેનું બંધારણ (structure) અને (ii) તેની સંપીડ્યતા ગણાય. કરકરો આપંક લગભગ અસંપીડ્ય હોય છે, જ્યારે કલિલ રૂપ આપંક સંપીડ્ય હોય છે. અસંપીડ્ય આપંક માટે ટિક્કડનો પ્રતિરોધ દબાણ ઉપર આધારિત નથી. આપંક સંપીડ્ય હોય તો ટિક્કડની એકમ જાડાઈનો પ્રતિરોધ દબાણ વધતાં ઝડપથી વધે છે. જ્યારે રગડો ગાળણ માધ્યમમાંથી પસાર થાય છે ત્યારે તેને બે પ્રકારના પ્રતિરોધનો સામનો કરવો પડે છે  : (1) ટિક્કડનો પ્રતિરોધ અને (ii) ગાળણ માધ્યમનો પ્રતિરોધ.

આથી કોઈ પણ સમયે દાબનો કુલ ઘટાડો (pressure drop) એ ટિક્કડ ઉપરના તથા ગાળણ માધ્યમના દાબ ઘટાડાના સરવાળા જેટલો હોય છે. કુલ દાબ ઘટાડો = ટિક્કડ ઉપરનો દાબ ઘટાડો + માધ્યમ ઉપરનો દાબ ઘટાડો. Δ p = Δ p_c + Δ p_m

(1) ટિક્કડનો પ્રતિરોધ : ઉદ્યોગમાં વપરાતી ટિક્કડમાંની મોટા ભાગની ટિક્કડ અલગ અલગ ર્દઢ કણોની બનેલી હોતી નથી. સામાન્ય આપંક બહુ નાના કણોનાં શિથિલ ઝૂમખાં(assemblies)ના સમૂહો(agglomerates, flocks)ના મિશ્રણરૂપ હોય છે. પ્રતિરોધનો આધાર આ સમૂહોની વિશિષ્ટતા ઉપર છે, નહિ કે અલગ અલગ કણોની ભૂમિતિ ઉપર. ઊર્ધ્વ પ્રવાહ બાજુએ આ સમૂહો નિક્ષિપ્ત થાય છે અને તેમાં નીકો(channel)ની અટપટી જાળ રચાય છે. ટિક્કડનો પ્રતિરોધ એક સ્થાનથી બીજા સ્થાને બદલાતો હોય છે. અમુક દાબ અને અમુક સમયે આવી ટિક્કડ સંપીડ્ય ટિક્કડ તરીકે ઓળખાય છે. વ્યવહારમાં સમય અને સ્થાન અનુસાર પ્રતિરોધના ફેરફારો ગણતરીમાં લેવાતા નથી.

(2) ગાળણ માધ્યમનો પ્રતિરોધ : દાબ-ઘટાડા, ઘસારો (age) અને માધ્યમની ચોકસાઈ ઉપર આનો આધાર છે. ગાળણની શરૂઆતના તબક્કે જ આ પ્રતિરોધ અગત્યનો ગણાય. શરૂઆતમાં ઓછા દબાણે ગાળણ ચાલુ કરાય છે. ટિક્કડના વધતા પ્રતિરોધનો સામનો કરવા દબાણ સતત વધારવામાં આવે છે. આથી ગાળણની ઝડપ અચળ રાખી શકાય છે. બીજી પદ્ધતિમાં શરૂઆતમાં દબાણ નીચું રખાય છે. જરૂરી પ્રમાણમાં ટિક્કડની જમાવટ થઈ જાય પછી દબાણને તેના મહત્તમ મૂલ્યે લઈ જઈને આ દબાણે ગાળણ કરાય છે. આને અચળ દાબ ગાળણ (constant pressure filtration) કહે છે. ગાળણ સતત (અવિરત, continuous) પ્રકારનું કે ઘાણ (batch) પ્રકારનું હોઈ શકે. અવિરત પ્રકારમાં ફિલ્ટ્રેટ અને ઘન ટિક્કડને ગાળણ પૂરું થાય ત્યાં સુધી સતત અલગ અલગ દૂર કરાય છે. ઘાણ પ્રકારમાં ગાળણ (filtrate) સતત દૂર કરાય છે, પણ ટિક્કડને સમયાંતરે (at intervals) દૂર કરાય છે. આ માટે ગાળણક્રિયાને અટકાવી ટિક્કડ દૂર કરીને ફરી ગાળણક્રિયા ચાલુ કરાય છે.

ફિલ્ટર–સહાયકો (aids) : રગડા(slurry)ને ગાળવામાં તકલીફ હોય તે દૂર કરવા માટે વિવિધ પ્રકારના સહાયકો વપરાય છે. આ સહાયકો ઘન સૂક્ષ્મ કણરૂપ પદાર્થ હોય છે પણ આ કણો ર્દઢ હોઈ જથ્થામાં સંપીડ્ય હોતા નથી. ઉદ્યોગમાં સામાન્ય રીતે વપરાતા અગત્યના સહાયકમાં ડાયેટોમેસિયસ માટી (diatomaceous earth) કે કીઝલગૂહર છે. આ દરિયાઈ સૂક્ષ્મ જીવસૃષ્ટિના ડાયેટોમ્સ તરીકે ઓળખાતાં સજીવોના સિલિકારૂપ અવશેષોની બનેલ હોય છે. તેને લગભગ શુદ્ધ સિલિકા ગણી શકાય અને તે કલિલના અધિશોષણ માટે જરૂરી વિશાળ સપાટી (surface) પૂરી પાડે છે. અવક્ષિપ્ત કૅલ્શિયમ કાર્બોનેટ કે એવો બીજો કોઈ કરકરો સ્ફટિકરૂપ અવક્ષેપ પણ ઉપયોગમાં લઈ શકાય. ફિલ્ટર-સહાયક વાપરતાં ટિક્કડ સીધી ઉપયોગમાં લઈ શકાતી નથી. એટલે સામાન્ય રીતે ટિક્કડનો પદાર્થ બિનઉપયોગી હોય તેવા સંજોગોમાં જ ફિલ્ટર-સહાયક વપરાય છે. ફિલ્ટર-સહાયક ત્રણ રીતે વાપરી શકાય છે :

(1) રગડો રેડતાં અગાઉ ગાળણ માધ્યમ ઉપર ફિલ્ટર-સહાયકનો પૂર્વલેપ (precoat) : સહાયકનું જરૂરી જાડાઈનું અસ્તર તૈયાર કરાય છે. આથી રગડાના કલિલ કણો ફિલ્ટર કાપડમાં પેસીને તેનો પ્રતિરોધ વધારી શકતા નથી. ટિક્કડને કાઢી લેવાનું પણ આથી વધુ સરળ થાય છે. આમ પૂર્વલેપ એ જ ગાળણનું વાસ્તવિક માધ્યમ બને છે. (2) રગડા સાથે જ સહાયકને ઉમેરવામાં આવે છે. સહાયકને કારણે આપંક વધુ છિદ્રાળુ બને છે, તે ઓછો સંપીડ્ય બને છે અને ટિક્કડનો પ્રતિરોધ ઘટે છે. (3) આ રીતમાં વિશિષ્ટ પૂર્વલેપ ફિલ્ટર વપરાય છે. ફક્ત સહાયકને રગડો શરૂઆતમાં રેડવામાં આવે છે અને પાંચ સેમી. કે વધુ જાડાઈનો પૂર્વલેપ તૈયાર કરાય છે. આ પછી રગડો રેડવામાં આવે છે.

ગાળણ માધ્યમ : રગડામાંના તરલના તથા કણોના ગુણધર્મ અનુસાર વિવિધ પ્રકારનાં ગાળણ માધ્યમો વપરાય છે. પ્રયોગશાળામાં ગાળણપત્ર વપરાય છે જ્યારે ઉદ્યોગમાં આ માટે વણેલ કાપડ (સુતરાઉ, સંશ્લેષિત રેસાઓનું, કે કાચના રેસાઓનું) વપરાય છે. નગરપાલિકા પાણીના મોટા જથ્થાને નિર્મળ કરવા માટે રેતીના થરનો ઉપયોગ કરે છે. પ્રયોગશાળામાં તથા ઔષધ ઉદ્યોગમાં સિંટર કાચ તથા પૉર્સલિનનાં માધ્યમ પણ વપરાય છે.

તરલના પ્રકાર પ્રમાણે ગાળણની યંત્રસામગ્રીની પસંદગી કરાય છે. સામાન્ય રીતે અવલંબનો બે પ્રકારનાં તરલવાળાં હોય છે : (1) વાયુરૂપ, (2) પ્રવાહીરૂપ.

વાયુરૂપ અવલંબનોનું ગાળણ : વાયુ ઘન-મિશ્રણમાંથી ઘન કણો દૂર કરવા માટેની જરૂરિયાત નીચેનાં કારણોને લીધે ઊભી થાય છે : (i) કણો–રજ–ધૂળને કારણે વાયુ કે હવા ઉપયોગમાં લેવા હિતાવહ ન હોય. (ii) આ કણો રહેવા દેવામાં આવે તો તે ગમે ત્યાં જામીને ઉપદ્રવ કરે. (પ્રદૂષણ દૂર કરવા ધુમાડામાંના કણો દૂર કરવા જરૂરી છે). (iii) ઘન કણો ઉપયોગી હોય પણ તેઓ વાયુમિશ્રણ રૂપે જ મળે માટે તેમને અલગ પાડવા જરૂરી છે (દા.ત., કાર્બન બ્લૅકની બનાવટ). આ માટે ગાળણ, સેન્ટ્રિફ્યૂઝ, સ્થિર વિદ્યુત (static electricity) અવક્ષેપન, માર્જન (scrubbing) વગેરે પદ્ધતિઓ વપરાય છે. ગાળણ માટે : (i) કરકરા કણોનો (રેતી, કાર્બન વગેરે) સ્તર (bed), (ii) વણેલ કાપડના કોથળા, (iii) સ્નિગ્ધ (viscous) તૈલી પ્રવાહીયુક્ત રેસાઓની જાળ (web) ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

પ્રવાહી અવલંબનોનું ગાળણ : આ માટે નીચે જણાવેલી યાંત્રિક સામગ્રી ઉપયોગમાં લેવાય છે : (i) રેતીનાં ફિલ્ટર (અ) ખુલ્લા  સ્તંભના ગુરુત્વીય દબાણ-આધારિત, (આ) દાબ-આધારિત; (ii) ફિલ્ટર પ્રેસ (અ) ચેમ્બર પ્રકારના, (આ) પ્લેટ અને ફ્રેમ પ્રકારનાં. આમાં વૉશિંગ, નૉનવૉશિંગ, ઓપન ડિલિવરી અને ક્લોઝ્ડ ડિલિવરી એમ ઉપપ્રકારો શક્ય છે. (iii) લીફ ફિલ્ટર, (iv) રોટરી કન્ટિન્યુઅસ ફિલ્ટર (અ) ડ્રમ, (આ) લીફ, (ઇ) ટૉપ ફીડ; (v) સેન્ટ્રિફ્યુગલ ફિલ્ટર્સ (a) સસ્પેન્ડેડ બૅચ, (1) ટૉપ સસ્પેન્ડેડ, (2) બૉટમ સસ્પેન્ડેડ; (ઓ) કન્ટિન્યુઅસ ફિલ્ટરિંગ સેન્ટ્રિફ્યૂગલ ફિલ્ટર્સ.

ઉપયોગો : ખાતર, પેટ્રોકેમિકલ, રંગક અને વર્ણક, ફાઇન કેમિકલ્સ, કીટનાશક વગેરે ઉદ્યોગોમાં ગાળણ અત્યંત આવશ્યક ઉપયોગી ક્રિયા છે.

ચાળણી પ્રકારનાં ફિલ્ટર ધૂળના કણોને અંતર્દહન એન્જિનમાં જતા અટકાવવા વપરાય છે. કૅન્ડલ અને બેડ ફિલ્ટર પીવાના પાણીના શુદ્ધીકરણમાં ઉપયોગી છે. ગાળણક્રિયામાં વપરાતાં કેટલાંક સાધનો આકૃતિ 2થી 5માં બતાવવામાં આવ્યાં છે.

હર્ષદરાય રસિકલાલ શાહ

અનુ. જયંતિલાલ જટાશંકર ત્રિવેદી