ممبران و انواع آن
ممبران (Membrane)
ممبران مانعی انتخاب کننده است که اجازه می‌دهد برخی از ترکیبات خاص موجود در مایع از آن عبور کنند و ترکیبات دیگر از آن رد نشوند. جریان ورودی به یک ممبران، جریان خوراک (feed-stream) نامیده می‌شود، مایعی که از میان غشاء عبور می‌کند آب تصفیه‌شده (permeate) ، و مایعی که حاوی ترکیبات رد نشده است، مایع باقی‌مانده (retentate) یا غلیظ شده (concentrate) نامیده می‌شود.
روش غشائی از قرن هجدهم شناخته شده بود، اما تا پایان جنگ جهانی دوم در خارج از آزمایشگاه کمتر مورد استفاده قرار می‌گرفت. منابع آب آشامیدنی در اروپا به‌دلیل جنگ به‌خطر افتاده بود و از فیلترهای غشائی برای انجام آزمایش سلامت آب استفاده می‌شد. با این حال، به علت عدم اطمینان، عملکرد آهسته، قابلیت انتخاب اندک و هزینه‌های بالا، از ممبران‌ها به‌طور گسترده‌ای استفاده نشد. اولین استفاده از ممبران‌ها در مقیاس بزرگ، در فن‌آوری‌های مربوط به میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بود. از سال 1980، این فرآیند‌های جداسازی، همراه با الکترودیالیز، در کارخانجات بزرگ مورد استفاده قرار گرفتند و اکنون چندین شرکت با تجربه در این زمینه در خدمت بازار می‌باشند.
درجه انتخاب یک ممبران به اندازه منافذ غشاء بستگی دارد. برحسب اندازه منفذ، آنها را می‌توان تحت عنوان میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) طبقه‌بندی نمود. همچنین ممبران‌ها می‌توانند دارای ضخامت‌های مختلفی، با ساختارهای همگن یا ناهمگن باشند. ممبران‌ها می‌توانند از نظر بار الکتریکی خنثی یا باردار بوده، و ذرات منتقل شده می‌توانند فعال یا غیر فعال باشند. ذرات در صورت غیرفعال بودن می‌توانند با استفاده از گرادیان‌های فشار، غلظت، شیمیایی یا الکتریکی به‌سهولت از میان غشاء عبور کنند. به‌طور کلی ممبران‌ها می‌توانند به‌صورت ممبران‌های مصنوعی و ممبران‌های بیولوژیکی طبقه‌بندی شوند.
میکروفیلتراسیون (MF)
در فرآیند میکروفیلتراسیون ذرات بزرگ‌تر از 0.08 تا 2 µm حذف می‌شوند و فشار عملیاتی در محدودهی 7 تا 100 کیلو پاسکال می‌باشد. از فرآیند میکروفیلتراسیون برای حذف مواد جامد معلق باقی‌مانده (SS) ، حذف باکتری‌ها به‌منظور ضد عفونی کردن مؤثر آب و نیز به‌عنوان یک پیش تصفیه برای فرآیند اسمز معکوس استفاده می‌شود. بیو راکتور غشایی (MBR) فن‌آوری نسبتاً جدیدی است که در آن میکروفیلتراسیون و بیوراکتور جهت انجام تصفیه‌ی بیولوژیکی با هم ترکیب شده‌اند.
اولترافیلتراسیون (UF)
در فرآیند اولترافیلتراسیون ذرات بزرگ‌تر از 0.005 تا 2 µm حذف می‌شوند و فشار عملیاتی در محدودهی 70 تا 700 کیلو پاسکال می‌باشد. از فرآیند اولترافیلتراسیون برای بسیاری از کاربردهای مشابه با میکروفیلتراسیون استفاده می‌شود. برخی از غشاءهای اولترافیلتراسیون نیز برای حذف ترکیبات محلول با وزن مولکولی بالا، مانند پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه‌بر این، آنها قادر به حذف ویروس‌ها و برخی از اندوتوکسین‌ها (ترکیبات سمی) می‌باشند.
نانوفیلتراسیون (NF)
نانوفیلتراسیون که RO "بی‌قاعده (loose)" نیز نامیده می‌شود، می‌تواند ذرات کوچک‌تر از 0.001 µm را دفع نماید. از فرآیند نانوفیلتراسیون برای حذف ترکیبات محلول انتخاب شده‌ای در فاضلاب استفاده می‌شود. NF در درجه اول یک فرآیند سختی‌گیری با استفاده از غشاء است که به‌عنوان جایگزین برای سختی‌گیرهای شیمیایی پیشنهاد می‌شود.
همچنین، نانوفیلتراسیون می‌تواند به‌عنوان یک پیش‌تصفیه قبل از اسمز معکوس استفاده شود. اهداف اصلی جهت استفاده از NF در مرحله‌ی پیش‌تصفیه عبارتند از: (1) به‌حداقل رساندن لای‌گرفتگی ناشی از ذرات و میکروب‌ها در ممبران‌های RO توسط برطرف نمودن کدورت و باکتری‌ها، (2) جلوگیری از ایجاد رسوب توسط حذف یون‌های سختی، (3) کاهش فشار عملیاتی در فرآیند RO با کاهش غلظت کل جامدات محلول (TDS ) در آب خوراک.
اسمز معکوس (RO)
معمولاً از اسمز معکوس برای فرآیند نمک‌زدایی استفاده می‌شود. علاوه‌بر این، استفاده از RO جهت حذف ترکیبات محلول باقی‌مانده در فاضلاب، پس از انجام تصفیه پیشرفته با میکروفیلتراسیون متداول می‌باشد. فرآیند RO مانع از عبور یون‌ها می‌شود اما برای تولید آب بدون یون به فشار زیادی احتیاج دارد (850 تا 7000 کیلو پاسکال).
ترکیب‌بندی غشاء (Membrane Configurations)
در حوزه‌ی مربوط به غشاء، از عبارت مدول برای توصیف یک واحد کامل تشکیل‌شده از غشاء‌ها، ساختار حفظ فشار، ورودی خوراک، جریان‌های خروجی آب تصفیه‌شده و غلیظ شده ، و نیز یک ساختار پشتیبانی کلی استفاده می‌شود. انواع اصلی مدول‌های غشائی عبارتند از:
• لوله‌ای (tubular)، که در آن ممبران‌ها در داخل لوله‌های متخلخل محافظ قرار می‌گیرند، و این لوله‌ها با هم در یک پوسته استوانه‌ای جای می‌گیرند و یک واحد مدولی را تشکیل می‌دهند. این تجهیزات لوله‌ای در درجه اول به‌علت قابلیت آنها در فرآیندهایی که مقدار جامدات و ویسکوزینه بالایی دارند و نیز سهولت نسبی در امر تمیز شدن، برای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• الیاف توخالی (hollow fiber) ، شامل مجموعه‌ای از صدها تا هزاران فیبر توخالی است. کل این مجموعه در داخل یک لوله تحت فشار قرار می‌گیرد. جریان خوراک می‌تواند از داخل الیاف (جریان داخل به خارج) یا از خارج الیاف (جریان خارج به داخل) وارد شود.
• مارپیچی (spiral wound)، که یک جداکننده‌ی قابل انعطاف (flexible spacer) برای آب تصفیه شده بین دو ورقه‌ی صاف غشائی قرار می‌گیرد. یک جداکننده‌ی قابل انعطاف برای آب ورودی اضافه می‌شود و ورقه‌های صاف به‌شکل لوله پیچیده می‌شوند.
• صفحه و قاب (plate and frame) از یک سری ورقه‌های صاف غشائی و صفحات محافظ تشکیل شده است. آب با عبور کردن از میان غشاءهای مربوط به دو ساختار ممبرانی مجاور هم، تصفیه می‌شود. صفحه‌ی مورد نظر نیز از ممبران‌ها محافظت می‌نماید و مجرایی برای خروج آب تصفیه شده از واحد مدولی فراهم می‌سازد.
برچسپ:
ممبران مانعی انتخاب کننده است که اجازه می‌دهد برخی از ترکیبات خاص موجود در مایع از آن عبور کنند و ترکیبات دیگر از آن رد نشوند. جریان ورودی به یک ممبران، جریان خوراک (feed-stream) نامیده می‌شود، مایعی که از میان غشاء عبور می‌کند آب تصفیه‌شده (permeate) ، و مایعی که حاوی ترکیبات رد نشده است، مایع باقی‌مانده (retentate) یا غلیظ شده (concentrate) نامیده می‌شود.
روش غشائی از قرن هجدهم شناخته شده بود، اما تا پایان جنگ جهانی دوم در خارج از آزمایشگاه کمتر مورد استفاده قرار می‌گرفت. منابع آب آشامیدنی در اروپا به‌دلیل جنگ به‌خطر افتاده بود و از فیلترهای غشائی برای انجام آزمایش سلامت آب استفاده می‌شد. با این حال، به علت عدم اطمینان، عملکرد آهسته، قابلیت انتخاب اندک و هزینه‌های بالا، از ممبران‌ها به‌طور گسترده‌ای استفاده نشد. اولین استفاده از ممبران‌ها در مقیاس بزرگ، در فن‌آوری‌های مربوط به میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بود. از سال 1980، این فرآیند‌های جداسازی، همراه با الکترودیالیز، در کارخانجات بزرگ مورد استفاده قرار گرفتند و اکنون چندین شرکت با تجربه در این زمینه در خدمت بازار می‌باشند.
درجه انتخاب یک ممبران به اندازه منافذ غشاء بستگی دارد. برحسب اندازه منفذ، آنها را می‌توان تحت عنوان میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) طبقه‌بندی نمود. همچنین ممبران‌ها می‌توانند دارای ضخامت‌های مختلفی، با ساختارهای همگن یا ناهمگن باشند. ممبران‌ها می‌توانند از نظر بار الکتریکی خنثی یا باردار بوده، و ذرات منتقل شده می‌توانند فعال یا غیر فعال باشند. ذرات در صورت غیرفعال بودن می‌توانند با استفاده از گرادیان‌های فشار، غلظت، شیمیایی یا الکتریکی به‌سهولت از میان غشاء عبور کنند. به‌طور کلی ممبران‌ها می‌توانند به‌صورت ممبران‌های مصنوعی و ممبران‌های بیولوژیکی طبقه‌بندی شوند.
میکروفیلتراسیون (MF)
در فرآیند میکروفیلتراسیون ذرات بزرگ‌تر از 0.08 تا 2 µm حذف می‌شوند و فشار عملیاتی در محدودهی 7 تا 100 کیلو پاسکال می‌باشد. از فرآیند میکروفیلتراسیون برای حذف مواد جامد معلق باقی‌مانده (SS) ، حذف باکتری‌ها به‌منظور ضد عفونی کردن مؤثر آب و نیز به‌عنوان یک پیش تصفیه برای فرآیند اسمز معکوس استفاده می‌شود. بیو راکتور غشایی (MBR) فن‌آوری نسبتاً جدیدی است که در آن میکروفیلتراسیون و بیوراکتور جهت انجام تصفیه‌ی بیولوژیکی با هم ترکیب شده‌اند.
اولترافیلتراسیون (UF)
در فرآیند اولترافیلتراسیون ذرات بزرگ‌تر از 0.005 تا 2 µm حذف می‌شوند و فشار عملیاتی در محدودهی 70 تا 700 کیلو پاسکال می‌باشد. از فرآیند اولترافیلتراسیون برای بسیاری از کاربردهای مشابه با میکروفیلتراسیون استفاده می‌شود. برخی از غشاءهای اولترافیلتراسیون نیز برای حذف ترکیبات محلول با وزن مولکولی بالا، مانند پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه‌بر این، آنها قادر به حذف ویروس‌ها و برخی از اندوتوکسین‌ها (ترکیبات سمی) می‌باشند.
نانوفیلتراسیون (NF)
نانوفیلتراسیون که RO "بی‌قاعده (loose)" نیز نامیده می‌شود، می‌تواند ذرات کوچک‌تر از 0.001 µm را دفع نماید. از فرآیند نانوفیلتراسیون برای حذف ترکیبات محلول انتخاب شده‌ای در فاضلاب استفاده می‌شود. NF در درجه اول یک فرآیند سختی‌گیری با استفاده از غشاء است که به‌عنوان جایگزین برای سختی‌گیرهای شیمیایی پیشنهاد می‌شود.
همچنین، نانوفیلتراسیون می‌تواند به‌عنوان یک پیش‌تصفیه قبل از اسمز معکوس استفاده شود. اهداف اصلی جهت استفاده از NF در مرحله‌ی پیش‌تصفیه عبارتند از: (1) به‌حداقل رساندن لای‌گرفتگی ناشی از ذرات و میکروب‌ها در ممبران‌های RO توسط برطرف نمودن کدورت و باکتری‌ها، (2) جلوگیری از ایجاد رسوب توسط حذف یون‌های سختی، (3) کاهش فشار عملیاتی در فرآیند RO با کاهش غلظت کل جامدات محلول (TDS ) در آب خوراک.
اسمز معکوس (RO)
معمولاً از اسمز معکوس برای فرآیند نمک‌زدایی استفاده می‌شود. علاوه‌بر این، استفاده از RO جهت حذف ترکیبات محلول باقی‌مانده در فاضلاب، پس از انجام تصفیه پیشرفته با میکروفیلتراسیون متداول می‌باشد. فرآیند RO مانع از عبور یون‌ها می‌شود اما برای تولید آب بدون یون به فشار زیادی احتیاج دارد (850 تا 7000 کیلو پاسکال).
ترکیب‌بندی غشاء (Membrane Configurations)
در حوزه‌ی مربوط به غشاء، از عبارت مدول برای توصیف یک واحد کامل تشکیل‌شده از غشاء‌ها، ساختار حفظ فشار، ورودی خوراک، جریان‌های خروجی آب تصفیه‌شده و غلیظ شده ، و نیز یک ساختار پشتیبانی کلی استفاده می‌شود. انواع اصلی مدول‌های غشائی عبارتند از:
• لوله‌ای (tubular)، که در آن ممبران‌ها در داخل لوله‌های متخلخل محافظ قرار می‌گیرند، و این لوله‌ها با هم در یک پوسته استوانه‌ای جای می‌گیرند و یک واحد مدولی را تشکیل می‌دهند. این تجهیزات لوله‌ای در درجه اول به‌علت قابلیت آنها در فرآیندهایی که مقدار جامدات و ویسکوزینه بالایی دارند و نیز سهولت نسبی در امر تمیز شدن، برای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• الیاف توخالی (hollow fiber) ، شامل مجموعه‌ای از صدها تا هزاران فیبر توخالی است. کل این مجموعه در داخل یک لوله تحت فشار قرار می‌گیرد. جریان خوراک می‌تواند از داخل الیاف (جریان داخل به خارج) یا از خارج الیاف (جریان خارج به داخل) وارد شود.
• مارپیچی (spiral wound)، که یک جداکننده‌ی قابل انعطاف (flexible spacer) برای آب تصفیه شده بین دو ورقه‌ی صاف غشائی قرار می‌گیرد. یک جداکننده‌ی قابل انعطاف برای آب ورودی اضافه می‌شود و ورقه‌های صاف به‌شکل لوله پیچیده می‌شوند.
• صفحه و قاب (plate and frame) از یک سری ورقه‌های صاف غشائی و صفحات محافظ تشکیل شده است. آب با عبور کردن از میان غشاءهای مربوط به دو ساختار ممبرانی مجاور هم، تصفیه می‌شود. صفحه‌ی مورد نظر نیز از ممبران‌ها محافظت می‌نماید و مجرایی برای خروج آب تصفیه شده از واحد مدولی فراهم می‌سازد.
برچسپ: