کاربرد غشاها در تصفیه آب و فاضلاب

غشاء چیست ؟

غشاء مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب یک سد گزینشی می باشد که به برخی از مواد اجازه عبور می دهد اما برخی دیگر را متوقف می کند. چنین موادی ممکن است ذرات با سایرکوچک، مولکول ها و یا یون ها باشند.

با توجه به تعریف فوق از غشاها نفوذ پذیری انتخابی بودن غشاها قابل استنباط است.

انواع غشاها در تصفیه آب و فاضلاب

غشا ها را می توان به طور کلی به غشا های مصنوعی و غشا های بیولوژیکی طبقه بندی کرد.

غشا های بیولوژیکی :

غشا های بیولوژیکی شامل غشای سلولی (پوشش های بیرونی سلول ها یا اندامک ها که اجازه عبور برخی از اجزای تشکیل دهنده را می دهند) می باشند.

غشاهای مصنوعی :

غشاهای مصنوعی توسط انسان برای استفاده در آزمایشگاه ها و صنایع (مانند کارخانه های شیمیایی) ساخته می شوند. اولین استفاده از غشاها در مقیاس بزرگ با فناوری میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بوده است.

درجه گزینش پذیری غشاء به اندازه منافذ غشا بستگی دارد. بسته به اندازه منافذ، می توان آنها را به عنوان غشاهای میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانو فیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) طبقه بندی کرد.

غشاها همچنین می توانند دارای ضخامت های مختلف، با ساختار همگن یا ناهمگن باشند. غشاها می توانند خنثی یا باردار باشند و انتقال ذرات می تواند فعال یا غیرفعال باشد.

طبقه بندی فرآیندهای غشایی:

• میکروفیلتراسیون

میکروفیلتراسیون ذرات بالاتر از 0.08-2 میکرومتر را حذف می کند و در محدوده 7-100 کیلو پاسکال عمل
می کند. میکروفیلتراسیون برای حذف جامدات معلق باقیمانده (SS) ، به منظور حذف باکتری ها برای آماده سازی آب به جهت گندزدایی موثر و به عنوان یک مرحله پیش تصفیه برای اسمز معکوس استفاده می شود.
نمونه ای از پیشرفت‌های نسبتاً اخیر بیوراکتورهای غشایی (MBR) هستند که میکروفیلتراسیون و بیوراکتور را برای تصفیه بیولوژیکی ترکیب می‌کنند.

• اولترافیلتراسیون

اولترافیلتراسیون ذرات بالاتر از 0.005-2 میکرومتر را حذف می کند و در محدوده 70-700 کیلو پاسکال عمل می کند. اولترافیلتراسیون برای بسیاری از کاربردهای مشابه میکروفیلتراسیون استفاده می شود. برخی از غشا های اولترافیلتراسیون نیز برای حذف ترکیبات محلول با وزن مولکولی بالا مانند پروتئین ها و کربوهیدرات ها استفاده شده است. همچنین، آنها می توانند ویروس ها و برخی از اندوتوکسین ها را حذف کنند.

• نانو فیلتراسیون

نانوفیلتراسیون می تواند ذرات کوچکتر از 0.002 میکرومتر را حذف کند.

از نانوفیلتراسیون برای حذف گزینشی ترکیبات محلول از فاضلاب استفاده می شود. نانوفیلتراسیون را می توان به عنوان یک پیش تصفیه قبل از اسمز معکوس استفاده کرد. اهداف اصلی پیش تصفیه نانوفیلتریاسیون عبارت اند از:

1. با حذف کدورت و باکتری، رسوب ذرات و میکروبی غشاهای RO را به حداقل می رساند.
2. با حذف یون های سختی از پوسته پوسته شدن جلوگیری می کند.
3. فشار عملیاتی فرآیند RO را با کاهش غلظت مواد جامد محلول در آب خوراک (TDS) را کاهش
   می دهد.

• اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس معمولا برای نمک زدایی استفاده می شود. همچنین، RO معمولاً برای حذف اجزای محلول از فاضلاب باقی مانده پس از تصفیه پیشرفته با میکروفیلتراسیون استفاده می شود.

اسمز معکوس یا RO  یون‌ها را حذف نمی‌کند، اما برای تولید آب دیونیزه به فشار بالا (850-7000 کیلو پاسکال) نیاز دارد.

RO به دلیل سادگی استفاده و هزینه انرژی نسبتا پایین در مقایسه با تقطیر که از فناوری مبتنی بر فرآیندهای حرارتی استفاده می کند، پرکاربردترین فناوری نمک زدایی است.

غشاهای RO اجزای آب را در سطح یونی حذف می کنند. برای انجام این کار، اکثر سیستم های RO فعلی از یک کامپوزیت لایه نازک (TFC) استفاده می کنند که عمدتاً از سه لایه تشکیل شده است: یک لایه پلی آمید، یک لایه پلی سولفون و یک لایه پلی استر.

• غشاهای نانوساختار

دسته ای از غشاهای نوظهور برای جداسازی مواد در مقیاس مولکولی می باشند که شامل غشاهای نانولوله کربنی، غشاهای گرافن، غشاهای ساخته شده از پلیمرهای میکروتخلخل ذاتی (PIMS) و غشاهای حاوی چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) می باشند.

این غشاها را می‌توان برای جداسازی‌های گزینشی بر اساس اندازه مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس، و همچنین جداسازی گزینشی جذب سطحی مانند الفین‌ها از پارافین‌ها و الکل‌ها از آب که به طور معمول به تقطیر پرهزینه و پرانرژی نیاز دارند، استفاده کرد.

فرایند اسمز معکوس:

اسمز، انتشار خود به خودی مولکول های حلال از طریق یک غشای انتخابی تراوا از یک ناحیه با غلظت املاح کمتر به ناحیه ای با غلظت املاح بالاتر، در جهتی که تمایل به یکسان سازی غلظت املاح در هر دو طرف را دارد، می باشد.

اسمز یک فرآیند حیاتی در سیستم های بیولوژیکی است، زیرا غشاهای بیولوژیکی نیمه تراوا هستند. به طور کلی، این غشاها در برابر مولکول‌های بزرگ و قطبی مانند یون‌ها، پروتئین‌ها و پلی‌ساکاریدها نفوذ ناپذیر هستند، در حالی که برای مولکول‌های غیرقطبی یا آبگریز مانند لیپیدها و همچنین نسبت به مولکول‌های کوچک مانند اکسیژن، دی اکسید کربن، نیتروژن و نیتریک اکسید نفوذپذیر هستند. نفوذپذیری به حلالیت، بار یا ترکیب شیمیایی و همچنین اندازه املاح بستگی دارد.