ممبران اولترافیلتراسیون UF
1403-08-14 1403-08-13 21:38ممبران اولترافیلتراسیون UF
اولترافیلتراسیون فرایندی است که در کلیه‌ها اتفاق می‌افتد. فرایند فیلتراسیون گلومرولی به‌عنوان اولترافیلتراسیون شناخته می‌شود؛ زیرا خون از طریق غشاهای بسیار ریز فیلتر می‌شود، به‌طوری‌که تمام اجزای پلاسمای خون به جز پروتئین‌ها منتقل می‌شوند. درمان‌های دیالیز در درجه اول این عملکرد را هنگام نارسایی کلیه‌ها انجام می‌دهند.
امروزه اولترافیلتراسیون (UF) یک فرایند تصفیه فشار محور است که با استفاده از یک محیط غشای فوق‌ریز، ذرات معلق را از ترکیبات محلول جدا می‌کند. اولترافیلتراسیون یک فناوری جداسازی عالی برای پیش تصفیه نمک‌زدایی، پیش تصفیه اسمز معکوس و احیای فاضلاب و همچنین تولید آب آشامیدنی است.
فناوری غشا (ممبران)
ممبران اولترافیلتراسیون برای جداکردن، غلیظ کردن یا تقسیم انواع مایعات استفاده می‌شود. غشاها به عنوان یک مانع نازک قابل انعطاف بین مایعات عمل می‌کنند. امکان عبور ترجیحی یک یا چند مورد از مواد موجود در خوراک هنگام اعمال نیروی محرکه (دیفرانسیل فشار) توسط غشا فراهم می‌شود.
عناصر غشای مارپیچ به‌صورت مماسی تغذیه می‌شوند. هنگامی‌که اختلاف فشار و غلظت کافی روی سطح غشا وجود داشته باشد، مولکول‌های کوچک‌تر از طریق منافذ روی سطح آن هدایت می‌شوند. این محلول که از غشا عبور می‌کند نفوذکننده نامیده می‌شود، درحالی‌که محلول رد شده توسط غشا، کنسانتره (یا نگهداری شده) نامیده می‌شود. غشاهای پلیمری بسته به انواع پلیمرها و روش‌های آماده‌سازی، توزیع منافذ متنوعی به شکل زنگوله دارند.
مفهوم کاهش وزن مولکولی (MWCO) به‌عنوان یک روش معمول برای توصیف توزیع اندازه منافذ برای غشاهای متخلخل برای ممبران اولترافیلتراسیون و غشاهای میکروفیلتراسیون است. MWCO به‌عنوان وزن مولکولی ذره‌ای تعریف شده است که 90٪ توسط غشا عبور داده می‌شود. به دلیل این واقعیت که توزیع اندازه منافذ برای غشاهای پلیمری ذاتی است و تولیدکنندگان غشاهای مختلف، استاندارد اندازه‌گیری خود را دارند، فقط چنین مقداری می‌تواند به‌عنوان مرجع استفاده شود.
علاوه بر این، عبور ذرات نه‌تنها با اندازه و شکل املاح، بلکه با اثر متقابل الکترواستاتیک و همچنین میل غشایی املاح مانند پیوند هیدروژنی اداره می‌شود. همچنین می‌تواند توسط شیمی محلول و قدرت یونی تحت تأثیر قرار گیرد. از این رو، فیلتراسیون غشایی یک فرایند آزمون‌وخطا است. برای یک کاربرد خاص روش مطالعات آزمایشی برای انتخاب بهترین غشا توصیه می‌شود.
ساختارهای غشایی
برای دانستن کارکرد ممبران اولترافیلتراسیون لازم است ابتدا با انواع ساختارهای ممبران آشنا شویم. پیکربندی یک غشا به هندسه غشا و موقعیت آن در فضا بستگی دارد. علاوه بر این به جریان سیال خوراک و نفوذ نیز مربوط می‌شود. چهار نوع اصلی از تنظیمات غشایی در صنایع غذایی استفاده می‌شود. این‌ها عبارت‌اند از:
- صفحه و قاب (plate-and-frame)
- مارپیچی (spiral wound)
- لوله‌ای (tubular)
- الیاف توخالی (hollow-fiber)
ساختار لوله‌ای از سرامیک، کربن، فولاد ضدزنگ یا تعدادی از ترموپلاستیک‌ها ساخته شده است. این نمونه از مدل‌ها دارای قطر داخلی ¼ تا حداکثر 1 اینچ هستند. به طور معمول، غشاها در داخل لوله پوشانده می‌شوند و محلول خوراک از داخل لوله جریان می‌یابد.
ساختارهای مویرگی (الیاف توخالی) از نظر طراحی مشابه مدل لوله‌ای هستند. قطر آنها کوچک‌تر است و معمولاً از پلیمرهای غشایی ساخته شده‌اند که به پشتیبانی صلب در هر انتهای لوله احتیاج دارند. این پشتیبانی توسط بسته الیاف داخل یک استوانه ارائه می‌شود. جریان خوراک یا در قسمت داخلی فیبر یا در خارج از آن قرار دارد.
ساختارهای مارپیچی از یک پاکت غشای ورقه‌ای ساخته می‌شوند. این مدل در اطراف یک لوله سوراخ شده است تا اجازه جمع‌شدن نفوذکننده را فراهم کند. آب خوراک با عبور از یک‌لایه غشا و جریان یافتن به محلول و نفوذ، تصفیه می‌شود.
ساختار غشایی مارپیچ
واحد وزن مولکولی (یا به عبارت بهتر، جرم) دالتون است. غشایی با MWCO بالاتر همیشه متخلخل‌تر از آنهایی است که دارای MWCO پایین‌تر هستند. اما هنگام مقایسه بین ممبران اولترافیلتراسیون‌های ساخته شده توسط فروشندگان مختلف، از این اعداد باید با احتیاط استفاده شود. این احتیاط به‌خاطر این است که هر تولیدکننده ممکن است از روش استاندارد خاص خود استفاده کنند.
غشاهای مارپیچی برای فیلتراسیون با جریان مماسی (یا جریان متقاطع)، جایی که جریان خوراک به‌موازات سطح غشا انجام می‌شود، طراحی شده‌اند. برخلاف فیلتراسیون معمولی که مواد جامد و املاح بلافاصله روی سطح غشا تجمع می‌یابند، جریان مماسی یک نیروی جارویی (یا برشی) در امتداد سطح غشا ایجاد می‌کند. این نیرو در شرایط کار عادی باعث طول عمر بیشتر فیلتر و چرخه‌های تمیزکردن کمتر می‌شود.
سیستم‌های غشایی ساخته شده برای کاربردهای فرایندی
سیستم‌های فیلتراسیون غشایی قلب بسیاری از فرایندهای جداسازی هستند. تحقیقات کاربردی، طراحی تجهیزات و کیفیت ساخت از عوامل مهم در موفقیت نهایی یک پروژه هستند. برای انتخاب یک ممبران اولترافیلتراسیون مناسب، باید پیکربندی مناسب غشایی انتخاب شود.
مدل‌های زیادی برای انتخاب از جمله صفحه و قاب، الیاف توخالی و لوله‌ای وجود دارند. یکی از این انتخاب‌ها غشاهای مارپیچ به دلیل توازن مناسب ویژگی‌ها است. عناصر مارپیچی دارای تراکم غشایی عالی (مساحت واحد در واحد حجم) ، مقاومت فیزیکی و شیمیایی مناسب هستند. یکی از معایب غشاهای مارپیچی این است که اکثر قریب به‌اتفاق مواد معلق و ذرات معلق باید از طریق پیش تصفیه حذف شوند.
ویژگی‌های ممبران اولترافیلتراسیون
ممبران اولترافیلتراسیون به قندها و سایر مولکول‌های کم‌وزن اجازه عبور از غشا را می‌دهند. این غشاها قادر به جداکردن مواد بزرگ‌تر مانند کلوئیدها، ذرات معلق، چربی‌ها، باکتری‌ها و پروتئین‌ها هستند. دامنه اندازه منافذ بین 0.01 تا 0.1 میکرومتر است. اندازه منافذ غشای اولترافیلتراسیون بین نانوفیلتراسیون و میکروفیلتراسیون قرار می‌گیرند. غشاهای UF معمولاً بین فشار 50 تا 120PSI (3.4 – 8.3 bar) کار می‌کنند و برای هدایت روند جداسازی به فشار غشایی وابسته هستند.
سایر خصوصیات غشای اولترافیلتراسیون پلیمری شامل مقاومت شیمیایی و دمایی قوی و تمایل به رسوب‌زدایی کم در صورت استفاده از پیش تصفیه مناسب است. بهره‌وری غشای اولترافیلتراسیون بالا است، درحالی‌که افت فشار و مصرف انرژی کمی دارد. از فناوری غشای U-X-Flow برای تولید آب آشامیدنی و فرآوری آب در فرایند پیش تصفیه آب دریا (SWRO) و اسمز معکوس استفاده می‌شود.
کارکرد غشای اولترافیلتراسیون چگونه است؟
سیستم‌های اولترافیلتراسیون دو نوع اصلی دارند:
- (Point-of-use): این‌ها معمولاً برای سیستم‌های آب آشامیدنی استفاده می‌شوند.
- (Point-of-entry): این‌ها معمولاً برای کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیازی به آب تصفیه شده به‌خوبی ندارند.
ممبران اولترافیلتراسیون بهداشتی و صنعتی هر دو از یک‌لایه غشایی پلیمری نیمه نفوذپذیر ساخته شده‌اند که روی یک‌لایه یکنواخت ریخته می‌شوند. اولترافیلتراسیون (UF) یک فرایند فیلتراسیون غشایی مشابه اسمز معکوس است که با استفاده از فشار هیدرواستاتیک، آب را از طریق یک عنصر غشایی نیمه نفوذپذیر وارد می‌کند. در این روش از الیاف توخالی Pentair X-Flow استفاده می‌شود. UF مانعی در برابر مواد جامد معلق، باکتری‌ها، ویروس‌ها، اندوتوکسین‌ها و سایر عوامل بیماری‌زا برای تولید آب با خلوص بسیار بالا و SDI کم است.
مقایسه غشای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون
اختلاف فشار نیروی محرکه غشا است. اختلاف فشار به آب اجازه می‌دهد تا از طریق منافذ غشا جریان یابد. تمام مواد بزرگ‌تر از منافذ در سطح غشا حفظ می‌شوند. این فرایند را حذف ذرات می‌نامند. غشا نیمه تراوا نامیده می‌شود زیرا باعث عبور آب می‌شود درحالی‌که مواد دیگر را در خود نگه می‌دارد. اندازه منافذ غشا اندازه ذرات خارج شده را تعیین می‌کند. اگر منافذ در اندازه میکرومتر باشند، غشا را غشای میکروفیلتراسیون می‌نامند، اگر منافذ کوچک‌تر از یک‌دهم میکرومتر باشند، غشا ممبران اولترافیلتراسیون نامیده می‌شود.
عناصر غشای میکرو و اولترافیلتراسیون قادر به حذف مواد جامد معلق، باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌های بزرگ‌تر مانند کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا هستند. علاوه بر این، اندازه منافذ اولترافیلتراسیون به‌اندازه کافی کوچک است تا مواد کوچک‌تر مانند ویروس‌ها، مولکول‌های ماکرو و مواد کلوئیدی را به طور قابل‌اعتمادی از بین ببرد. مواد محلول مفید توسط غشا از آب جدا نمی‌شوند.
اولترافیلتراسیون (UF) از فشار استاندارد آب خانگی برای عبور آب از غشای نیمه تراوا و حذف آلودگی‌ها استفاده می‌کند. برخلاف اسمز معکوس، اولترافیلتراسیون مواد معدنی موجود در آب را حفظ می‌کند، درحالی‌که باکتری‌ها، ویروس‌ها و انگل‌ها را فیلتر می‌کند.
مزایای غشاهای اولترافیلتراسیون
از مزایای ممبران اولترافیلتراسیون می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فرایند ساده و سیستم کوچک
- کیفیت ثابت و خوب آب تصفیه شده
- حذف میکروب و ویروس
- محیط‌زیست دوست
- مصرف بسیار کم مواد شیمیایی
- فشار عملیاتی کم موردنیاز (بالاتر از MF)
- مصرف انرژی کمتر از فیلتراسیون نانو یا اسمز معکوس
- اقدامات دستی کمی لازم است
- نسبتاً ارزان
- ضدعفونی از طریق حذف باکتری‌ها
این مواد توسط غشاها حذف می‌شوند
- میکروارگانیسم‌ها
- ویروس‌ها
- سیلیس
- سیل
- گل آلودگی
- باکتری‌ها
کدام غشا برای اولترافیلتراسیون استفاده می‌شود؟
ممبران اولترافیلتراسیون (UF) یک فرایند غشای کم‌فشار برای تصفیه آب است که برای ازبین‌بردن ذرات ناشی از آلودگی شامل ذرات جامد معلق، باکتری‌ها، مواد کلوئیدی و پروتئین‌ها طراحی شده است. بیشتر غشاهای UF از مواد پلیمری (پلی سولفون، پلی‌پروپیلن، استات سلولز، اسید پلی لاکتیک) استفاده می‌کنند. بااین‌حال از غشاهای سرامیکی برای کاربردهای با درجه حرارت بالا استفاده می‌شود.
درک تفاوت بین تصفیه آب RO ، UF و UV
روش‌های تصفیه آب آشامیدنی مانند RO ، UV وUF در دستگاه‌های تصفیه آب از ضروریات امروزی است. آب آلوده منجر به انتقال بیماری‌ها از طریق آب می‌شود. آب کثیف و آلوده دارای آلاینده‌هایی مانند آرسنیک، سرب و سایر ذرات سمی هستند که ممکن است در طولانی‌مدت کشنده باشند. برای چنین مواقعی، بهترین کار این است که در یک دستگاه تصفیه آب قابل‌اعتماد سرمایه‌گذاری کنید که هر ذره و حلال مضر را از بین ببرد و از سلامتی شما اطمینان حاصل کند.
بحثهای زیادی در مورد سیستم‌های تصفیه RO و UV در مقابل UF وجود داشته است. شما می‌توانید یکی از این ترکیبات یا ترکیبی مانند RO + UV Purifier را انتخاب کنید. تفاوتی بین فناوری RO UV و UF و چگونگی کمک آنها به ایمن‌سازی آب برای مصرف وجود دارد.
فیلتر UF
- به برق احتیاج ندارد
- تمام باکتری‌ها و ویروس‌ها را فیلتر می‌کند
- با فشار آب شیر طبیعی کار می‌کند
- اندازه ممبران اولترافیلتراسیون: 0.01 میکرون
فیلتر UV
- برای تصفیه به برق نیاز دارد
- همه باکتری‌ها و ویروس‌ها را از بین می‌برد
- با فشار آب شیر طبیعی کار می‌کند
فیلتر RO
- برای تصفیه به برق نیاز دارد
- تمام باکتری‌ها و ویروس‌ها را فیلتر می‌کند
- به فشار آب بالا نیاز دارد و از پمپ اضافی استفاده می‌کند
ممبران اولترافیلتراسیون و آب آشامیدنی
رعایت استانداردهای جهانی کیفیت آب آشامیدنی، به دلیل وجود منابع مختلف برای آب آشامیدنی، به طیف گسترده‌ای از روش‌های تصفیه نیاز دارد. اولترافیلتراسیون روش کاملی برای تولید آب آشامیدنی از آب‌های سطحی است. آب‌های زیرزمینی از منابع مختلف، مانند آب‌های زیرزمینی، آب‌های سطحی، آب دریاچه یا رودخانه یا آب دریا می‌توانند منابع آب آشامیدنی برای تصفیه باشند.
در بعضی موارد، حفره‌های جمع‌آوری آب‌های زیرزمینی که چندین دهه پیش استفاده می‌شدند از سنگ ساخته شده است. وقتی این سنگ‌ها در معرض حرکت زمین قرار بگیرند، ممکن است ترک‌هایی در آنها ایجاد شود که به آب سطحی اجازه می‌دهد به حفره‌ها وارد شود. آب زیرزمینی و تمیز سنتی می‌تواند به میکروارگانیسم‌ها آلوده شود. این آب‌ها به‌عنوان “آب‌های زیرزمینی تحت تأثیر آب‌های سطحی” نامیده می‌شوند.
ممبران اولترافیلتراسیون را می‌توان برای فیلترکردن آب‌های زیرزمینی برای حذف آلودگی‌ها و تضمین حذف کامل باکتری‌ها و ویروس‌ها استفاده کرد. آب سطحی شامل مواد میکروبیولوژیک و همچنین جامدات معلق است. گاهی اوقات مواد آلی محلولی وجود دارند که باعث ایجاد رنگ در آب‌های سطحی می‌شوند. راه‌حل‌های اولترافیلتراسیون می‌توانند یک سیستم تصفیه قابل‌اعتماد را فراهم کنند که نیاز به مراحل تصفیه متعدد را از بین می‌برد.
نتیجه‌گیری
ممبران اولترافیلتراسیون (UF) یک فرایند غشای کم‌فشار برای تصفیه آب است. این غشا برای ازبین‌بردن ذرات ناشی از آلودگی‌هایی مانند ذرات جامد معلق، باکتری‌ها، مواد کلوئیدی و پروتئین‌ها طراحی شده است. در بسیاری از سیستم‌های اولترافیلتراسیون از غشای الیاف توخالی استفاده می‌شود که آب را از داخل به خارج فیلتر می‌کند. یک سیستم UF مواد معدنی مفیدی را که یک سیستم RO از بین می‌برد، حفظ می‌کند. بااین‌حال، یک سیستم اولترافیلتراسیون نمک‌ها، فلوراید یا TDS محلول در آب را از بین نمی‌برد.
دامنه فیلتراسیون UF بین میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون (بین 0.01 تا 0.1 میکرومتر) است. غشاهای اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از رسوب زدگی با مواد جامد، خرابی تجهیزات و عوامل میکروبیولوژیکی مانند میکروب‌ها و جلبک‌ها استفاده می‌شوند. این غشاها به‌خاطر مصرف بسیار کم مواد شیمیایی، فشار عملیاتی کم موردنیاز (بالاتر از MF)، مصرف انرژی کمتر از فیلتراسیون نانو یا اسمز معکوس، اقدامات دستی کمی و ارزان بودن یک انتخاب بسیار مناسب است.
