فیلتراسیون غشایی

غشاء و فرآیندهای غشایی به عنوان یک وسیله مناسب برای تصفیه آب در دهه 1960 با توسعه غشاهای مصنوعی با کارایی بالا ظاهر شدند. اجرای غشاهای تصفیه آب با استفاده از غشاهای پیشرفته تر ساخته شده از مواد جدید و به کار گرفته شده در پیکربندی های مختلف پیشرفت کرده است. کمبود فزاینده در منابع آب شیرین باعث فشار به سمت منابع جایگزین مانند آب اقیانوس شد.

غشاء و فرآیندهای غشایی به طور فزاینده ای برای تولید آب آشامیدنی از منابع زیرزمینی ، سطحی و آب دریا و همچنین برای تصفیه پیشرفته فاضلاب و نمک زدایی محبوب می شوند .

اقتباس شده از SAGLE & FREEMAN (2004)

چهار نوع اصلی ماژول وجود دارد: صفحه و قاب، لوله‌ای، زخم مارپیچی و فیبر توخالی. ماژول صفحه و قاب ساده ترین پیکربندی است که از دو صفحه انتهایی، غشای ورق تخت و فاصله دهنده ها تشکیل شده است. در ماژول های لوله ای، غشاء اغلب در داخل یک لوله قرار دارد و محلول تغذیه از طریق لوله پمپ می شود. محبوب ترین ماژول در صنعت برای نانوفیلتراسیون یا غشاهای اسمز معکوس، ماژول زخم مارپیچی است. این ماژول دارای یک غشای ورقه مسطح است که دور یک لوله جمع آوری تراوش سوراخ پیچیده شده است. خوراک در یک طرف غشا جریان دارد. تراوش در طرف دیگر غشا جمع آوری می شود و به سمت لوله جمع آوری مرکزی مارپیچ می رود.

ماژول های فیبر توخالی مورد استفاده برای نمک زدایی آب دریا از دسته های الیاف توخالی در یک مخزن تحت فشار تشکیل شده است. آنها می توانند یک پیکربندی خوراک سمت پوسته داشته باشند که در آن خوراک در امتداد بیرونی الیاف عبور کرده و از انتهای فیبر خارج می شود. ماژول های فیبر توخالی همچنین می توانند در پیکربندی تغذیه سمت سوراخ که در آن خوراک از طریق الیاف به گردش در می آید، استفاده شود. الیاف توخالی مورد استفاده برای تصفیه فاضلاب و در بیورآکتورهای غشایی همیشه در مخازن تحت فشار استفاده نمی شوند. دسته های الیاف را می توان در محلول خوراک معلق کرد و تراوش را از یک سر الیاف جمع آوری کرد.

اقتباس شده از SAGLE & FREEMAN (2004)

فرآیندهای تصفیه آب از انواع مختلفی از غشاها استفاده می کنند. آنها شامل غشاهای میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF) هستند. غشاهای میکروفیلتراسیون دارای بیشترین اندازه منافذ هستند و معمولاً ذرات بزرگ و میکروارگانیسم های مختلف را دفع می کنند. غشاهای اولترافیلتراسیون منافذ کوچکتری نسبت به غشاهای میکروفیلتراسیون دارند و بنابراین علاوه بر ذرات بزرگ و میکروارگانیسم ها می توانند باکتری ها و ماکرومولکول های محلول مانند پروتئین ها را دفع کنند. غشاهای اسمز معکوس به طور موثر غیر متخلخل هستند و بنابراین، ذرات و حتی بسیاری از گونه های با جرم مولی کم مانند یون های نمک، مواد آلی و غیره را حذف می کنند . آنها غشاهای متخلخل هستند، اما از آنجایی که منافذ در مرتبه ده آنگستروم یا کمتر هستند، عملکردی بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون از خود نشان می دهند.

اقتباس شده از SAGLE & FREEMAN (2004)

بیشتر غشاها پلیمرهای آلی مصنوعی (به عنوان مثال پلی سولفون، سلولز استات) هستند. غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون اغلب از مواد مشابهی ساخته می شوند، اما آنها در شرایط مختلف تشکیل غشا تهیه می شوند تا اندازه منافذ متفاوتی تولید شود.

غشاها را می توان از مواد معدنی مانند سرامیک یا فلزات نیز تهیه کرد. غشاهای سرامیکی میکرو متخلخل، از نظر حرارتی پایدار، از نظر شیمیایی مقاوم هستند و اغلب برای میکروفیلتراسیون استفاده می‌شوند. با این حال، معایبی مانند هزینه بالا و شکنندگی مکانیکی مانع استفاده گسترده از آنها شده است. غشاهای فلزی اغلب از فولاد ضد زنگ ساخته می شوند و می توانند بسیار ریز متخلخل باشند. کاربرد اصلی آنها در جداسازی گاز است، اما می توان از آنها برای تصفیه آب در دماهای بالا یا به عنوان تکیه گاه غشایی نیز استفاده کرد.

گرایش فعلی در توسعه غشا استفاده از غشاهای نانوعملکردی است. غشاهای پلیمری دوپ شده با نانوذرات نقره برای جلوگیری از رسوب زیستی نمونه ای از این غشاهای مدرن هستند (PRONK 2011).

برگرفته از ویکی‌پدیا (2012)

رسوب غشایی فرآیندی است که در آن املاح یا ذرات بر روی سطح غشاء یا منافذ غشا رسوب می کنند به نحوی که عملکرد غشا را کاهش می دهد. این یک مانع بزرگ برای استفاده گسترده از این  فناوری است .  رسوب  غشاء می تواند باعث کاهش شدید شار  شود و بر کیفیت آب تولید شده تأثیر بگذارد. گرفتگی شدید ممکن است نیاز به تمیز کردن شدید  شیمیایی  یا تعویض غشا داشته باشد. این امر هزینه های عملیاتی یک تصفیه خانه را افزایش می دهد. انواع مختلفی از تلمبه ها وجود دارد: کلوئیدی (رس، لخته)، بیولوژیکی ( باکتری ها ،  قارچ ها )، آلی ( روغن ها ، پلی الکترولیت ها، هیومیک ها) و پوسته پوسته شدن (رسوب های معدنی).

رسوب گیری را می توان بر اساس قدرت چسبندگی ذرات به سطح غشاء به رسوب برگشت پذیر و غیر قابل برگشت تقسیم کرد. رسوب برگشت پذیر را می توان با نیروی برشی شدید  شستشوی معکوس از بین برد . تشکیل یک ماتریس قوی از لایه رسوب با املاح در طی یک فرآیند فیلتراسیون مداوم منجر به تبدیل رسوب برگشت پذیر به یک لایه رسوب غیرقابل برگشت می شود. رسوب برگشت ناپذیر چسبندگی قوی ذرات است که با تمیز کردن فیزیکی نمی توان آنها را از بین برد.

برگرفته از HOA (2009)

Eawag، KWB و Opalium یک سیستم در مقیاس کوچک مبتنی بر غشاء ابداع کردند که می‌تواند بدون جریان متقاطع، جریان برگشتی، هوادهی یا تمیز کردن شیمیایی کار کند. مجهز به فیلتر بیوسند به عنوان پیش تصفیه، به گونه ای طراحی شده است که قوی، انرژی کافی (بر اساس گرانش) باشد و با مداخلات شیمیایی محدود (فقط کلر باقیمانده ) کار کند. به عنوان تنها نیاز عملیاتی، رآکتور غشایی به سادگی باید به صورت روزانه تا هفتگی تخلیه شود تا به صورت سطحی مواد باقی مانده توسط غشاء و انباشته شده در ماژول تخلیه شود. در غیر این صورت، سیستمی که فقط توسط یک هد فشار دیفرانسیل 40 سانتی‌متری (یعنی 40 میلی‌بار) هدایت می‌شود، کاملاً خودکفا و مستقل است.

برگرفته از AMTA (2007)

کیفیت آب خام باید به طور مکرر مورد بازبینی قرار گیرد و پارامترهای عملیاتی قطار تصفیه غشایی باید به طور مداوم در حال تغییر و مقایسه با شرایط راه اندازی اولیه باشد. راندمان قبل از درمان و کارهای پس از درمان نیز باید به دقت بررسی شود. این وظایف می توانند به اپراتورها از مشکلات معلق به موقع هشدار دهند تا اقدامات اصلاحی قبل از تحت تأثیر قرار گرفتن قابلیت های تولید رخ دهد. در حالی که برخی تغییرات در فرآیند تصفیه ممکن است تاثیر قابل توجهی بر بهره وری کارخانه یا کیفیت آب نهایی نداشته باشد، ممکن است منجر به تخریب غشا، تمیز کردن مکررتر و به طور کلی هزینه های عملیاتی بالاتر در طول زمان شود، اگر به درستی مورد توجه قرار نگیرد.

هنگامی که نقص درمان یا تجهیزات آشکار می شود، بسیار مهم است که منابع تعمیر و نگهداری کافی در دسترس باشد. مانند هر تاسیسات صنعتی، فعالیت‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه معمول باید با احتیاط طبق برنامه انجام شود، در حالی که پاسخگویی به تعمیرات پیش‌بینی‌نشده نیز باید به موقع باشد. برخلاف سایر فناوری‌های تصفیه، که با کاهش کیفیت آب خام، محصول با کیفیت پایین‌تری تولید می‌کنند، سیستم‌های غشایی کیفیت آب ثابتی را تولید می‌کنند در حالی که خود سیستم‌ها کاهش می‌یابند.

بنابراین، تشخیص زودهنگام تغییرات آب خام و ایجاد تنظیمات در پارامترهای عملیاتی برای تطبیق با تغییرات، کلید موفقیت آمیز عملیات کارخانه است. یک کارخانه با طراحی خوب باید شامل «ابزار» لازم و دارای تمهیدات مناسب و کافی برای انجام آزمایش‌ها و بازرسی‌های معمول باشد. چنین مقرراتی شامل یک آزمایشگاه مجهز، ابزار و وسایل آزمایش و نقاط نمونه برای پروفایل می باشد.

هزینه های سرمایه ای سیستم های فیلتراسیون غشایی ، بر اساس دلار به ازای هر حجم ظرفیت تصفیه نصب شده، با کاهش اندازه کارخانه به سرعت افزایش نمی یابد. این عامل باعث می شود که غشاها برای سیستم های کوچک کاملاً جذاب باشند. علاوه بر این، برای منابع آب زیرزمینی که نیازی به پیش تصفیه ندارند، نصب فناوری‌های غشایی نسبتاً ساده است و سیستم‌ها به پمپ تغذیه، پمپ تمیزکننده، ماژول‌های غشایی و برخی مخازن نگهدارنده نیاز دارند.