غشاهای نانو فیلتراسیون: چگونه کار می کنند، چه چیزی را حذف می کنند و کجا استفاده می شوند

غشاهای نانو فیلتر چیست و چگونه کار می کنند؟

غشاهای نانو فیلتراسیون دسته ای از فیلترهای غشایی نیمه تراوا تحت فشار هستند که محدوده جدایی بین اولترافیلتراسیون (UF) و اسمز معکوس (RO) در طیف فیلتراسیون غشایی را اشغال می کنند. آنها با اندازه منافذ در محدوده تقریباً 1 تا 10 نانومتر - از این رو نام "نانو" - و یک برش وزن مولکولی (MWCO) معمولاً بین 200 تا 1000 دالتون مشخص می شوند. این محدوده اندازه باعث می‌شود که غشاهای نانو فیلتراسیون در دفع یون‌های دو ظرفیتی و چند ظرفیتی، مواد آلی طبیعی (NOM)، ریزآلاینده‌ها و مولکول‌ها در انتهای پایین محدوده آلی محلول به طور منحصربه‌فردی مؤثر باشند، در حالی که به یون‌های تک ظرفیتی مانند سدیم و کلرید اجازه می‌دهند با سرعت نسبتاً بالایی عبور کنند. این نفوذپذیری انتخابی یک مشخصه تعیین کننده است که غشاهای NF را از غشاهای UF (که ذرات بزرگتر را حذف می کنند اما بیشتر یون های محلول را عبور می دهند) و غشاهای RO (که تقریباً همه گونه های محلول را رد می کنند) متمایز می کند.

مکانیسم حمل و نقل در غشاهای نانو فیلتراسیون توسط ترکیبی از حذف اندازه (الک فیزیکی بر اساس اندازه مولکولی یا یونی نسبت به ابعاد منافذ غشاء)، دافعه الکترواستاتیکی (حذف دانان، که در آن بارهای سطح ثابت روی غشاء یون‌های دارای بار یکسان، به‌ویژه یون‌های چند ظرفیتی را دفع می‌کنند) و انتقال محلول- انتشار (که در آن از طریق حلال‌های حلال تری مرکب فعال به داخل حل می‌شود. لایه). سهم نسبی هر مکانیزم به مواد غشایی خاص، چگالی بار سطحی آن، قدرت یونی محلول خوراک و املاح هدف بستگی دارد. این رفتار جداسازی چند مکانیزمی به غشاهای نانوفیلتراسیون یک پروفایل انتخاب‌پذیری ظریف می‌دهد که می‌توان از آن برای دستیابی به جداسازی‌ها (مانند نرم‌کردن آب در حالی که نمک تک ظرفیتی برای فرآیندهای پایین‌دست نگه می‌دارد) استفاده کرد که نه UF و نه RO نمی‌توانند از نظر اقتصادی مطابقت داشته باشند.

ساختار و مواد: غشاهای نانو فیلتراسیون از چه ساخته شده اند

عملکرد یک غشای نانوفیلتراسیون اساساً با ساختار فیزیکی و ماهیت شیمیایی مواد تشکیل دهنده آن تعیین می شود. غشاهای NF مدرن ساختارهای ترکیبی نامتقارن تقریباً جهانی هستند، به این معنی که از چندین لایه مجزا تشکیل شده‌اند - که هر یک نقش عملکردی خاصی را ایفا می‌کنند - نه یک لایه همگن.

معماری کامپوزیت لایه نازک (TFC).

معماری غشای نانوفیلتراسیون غالب در استفاده تجاری امروزه ساختار کامپوزیت لایه نازک (TFC) است که از سه لایه تشکیل شده است. لایه فعال بالایی یک فیلم پلی آمیدی متراکم فوق نازک (معمولاً 50 تا 200 نانومتر ضخامت) است که از پلیمریزاسیون سطحی مستقیماً روی سطح لایه پشتیبانی تشکیل شده است. این لایه پلی آمید حاوی تابع جداسازی نانوفیلتراسیون است - شبکه پلیمری متقابل آن اندازه منافذ، بار سطحی و ویژگی های دفع املاح را تعیین می کند. در زیر لایه فعال یک لایه پشتیبان ریز متخلخل وجود دارد که معمولاً از پلی سولفون (PSf) یا پلی اتر سولفون (PES) ریخته می شود، که پایداری مکانیکی برای لایه فعال شکننده فراهم می کند و در عین حال حداقل مقاومت هیدرولیکی را ایجاد می کند. لایه زیرین یک پشتی پارچه پلی استر غیر بافته است که به ماژول غشا یکپارچگی ساختاری و قابلیت کنترل در طول ساخت و کار می دهد. عملکرد جداسازی یک غشای نانوفیلتراسیون TFC تقریباً به طور کامل توسط شیمی و ضخامت لایه فعال پلی آمید تعیین می شود، به همین دلیل است که فرمول پلیمریزاسیون سطحی یک جنبه کاملاً محافظت شده از دانش ساخت غشا است.

مواد غشایی جایگزین

در حالی که پلی آمید TFC ماده غالب برای غشاهای نانوفیلتراسیون تجاری در تصفیه آب است، مواد جایگزین در مواردی که مقاومت شیمیایی خاص، تحمل دما یا ویژگی های جداسازی مورد نیاز است استفاده می شود. غشاهای نانوفیلتراسیون استات سلولز (CA) تحمل کلر خوبی را ارائه می‌کنند - یک مزیت قابل توجه نسبت به پلی آمید، که به اکسیدان زیست‌کش بسیار حساس است - اما تحمل pH محدود و محدوده دمای عملیاتی باریک‌تری دارند. غشاهای پلی اتر سولفون سولفونه شده (SPES) بار سطح منفی ثابت بالاتری نسبت به پلی آمید استاندارد دارند که باعث می شود در دفع سولفات و دیگر آنیون های چند ظرفیتی موثرتر باشند. غشاهای نانوفیلتراسیون سرامیکی - معمولاً آلومینا (Al2O3)، تیتانیا (TiO2) یا زیرکونیا (ZrO2) با سطوح عملکردی - پایداری شیمیایی و حرارتی استثنایی را ارائه می‌کنند و آنها را برای جریان‌های فرآیندهای صنعتی تهاجمی، فیلتراسیون با حلال و غشاهای با درجه حرارت بالا مناسب می‌سازد. غشاهای سرامیکی NF هزینه قابل توجهی نسبت به جایگزین های پلیمری دارند، اما عمر مفیدی را ارائه می دهند که در دهه ها به جای سال ها در محیط های پر تقاضا اندازه گیری می شود.

غشاهای نانو فیلتراسیون چه چیزی را حذف می کنند: ویژگی های رد

نمایه رد غشای نانوفیلتراسیون - چه چیزی را حذف می کند و چه چیزی را عبور می دهد - نسبت به غشاهای UF یا RO ظریف تر است و یکی از دلایل اصلی برای تعیین NF بر روی آن جایگزین ها است. درک اینکه غشاهای نانوفیلتراسیون چه چیزی را در مقابل آنچه که از طریق آنها نفوذ می کند حفظ می کنند، برای تطبیق این فناوری با کاربرد مناسب ضروری است.

• یون های دو ظرفیتی و چند ظرفیتی (رد بالا): غشاهای نانوفیلتراسیون کلسیم (Ca2+)، منیزیم (Mg2+)، سولفات (SO42-)، کربنات (CO32-) و سایر یون‌های دو ظرفیتی را با نرخ‌های معمولاً بالای 90 تا 98 درصد دفع می‌کنند. این امر غشاهای NF را به فناوری اولیه برای نرم کردن آب (حذف کلسیم و منیزیم ایجاد کننده سختی بدون ورودی های شیمیایی تبادل یونی)، حذف سولفات در آب تولید شده نفت و گاز و جلوگیری از جرم گیری در سیستم های خنک کننده صنعتی و بویلر تبدیل می کند.
• مواد آلی طبیعی و مواد هیومیک (رد بالا): اسیدهای هیومیک، اسیدهای فولویک و سایر مواد آلی طبیعی (NOM) - پیش سازهای اولیه محصولات جانبی ضد عفونی در سیستم های آب آشامیدنی کلردار - به طور موثر توسط غشاهای NF با نرخ های 85-99٪ بسته به وزن مولکولی و ویژگی های بار دفع می شوند. این یک محرک اصلی برای پذیرش غشای NF در تصفیه آب آشامیدنی است، جایی که حذف NOM هم تشکیل محصول جانبی ضدعفونی و هم رنگ را کاهش می دهد.
• ریزآلاینده ها و آلاینده های نوظهور: آفت کش ها، داروها، ترکیبات مختل کننده غدد درون ریز (EDC) و سایر آلاینده های آلی با وزن مولکولی بالاتر از 200 تا 300 دالتون به طور قابل ملاحظه ای توسط غشاهای نانوفیلتراسیون رد می شوند. دفع ریزآلاینده ها به شدت به اندازه مولکولی، آب گریزی و بار بستگی دارد، به طوری که مولکول های باردار و بزرگتر به طور موثرتری نسبت به ترکیبات آبگریز کوچک، بدون بار، دفع می شوند.
• یون های تک ظرفیتی (دفع جزئی تا کم): برخلاف غشاهای RO، غشاهای NF بخش قابل توجهی از یون‌های تک ظرفیتی مانند سدیم (Na+)، پتاسیم (K+) و کلرید (Cl-) را از خود عبور می‌دهند. نرخ رد برای NaCl معمولاً بین 10-70٪ برای غشاهای استاندارد NF، در مقایسه با 95-99.5٪ برای غشاهای RO متغیر است. این عبور انتخابی یون‌های تک ظرفیتی در کاربردهایی مانند فرآوری لبنیات (که در آن باید تعادل مواد معدنی در حالی که لاکتوز و پروتئین‌ها متمرکز هستند حفظ شود) و در نرم‌کردن آب (که در آن Na+ اجازه عبور داده می‌شود در حالی که Ca2+ و Mg2+ رد می‌شوند) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• ویروس ها و باکتری ها (رد شدن زیاد با حذف اندازه): ویروس ها (20-300 نانومتر) و باکتری ها (0.5-10 میکرومتر) هر دو به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از اندازه منافذ غشاهای NF هستند و اساساً با حذف اندازه کاملاً رد می شوند. بنابراین غشاهای NF مانع میکروبیولوژیکی قابل توجهی در آب آشامیدنی و کاربردهای آب فرآیندی ایجاد می کنند.

نانوفیلتراسیون در مقابل اولترافیلتراسیون در مقابل اسمز معکوس: انتخاب غشای مناسب

انتخاب بین غشاهای نانوفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس یکی از مهم ترین تصمیمات در طراحی سیستم جداسازی غشا است. هر فناوری دارای مشخصات مشخصی از قابلیت، محدوده فشار عملیاتی و انرژی مورد نیاز است، و انتخاب صحیح بستگی به این دارد که دقیقا کدام املاح باید حذف شود، کدام یک باید حفظ شود، و انرژی سیستم و بودجه هزینه عملیاتی چه چیزی اجازه می دهد.

زمانی که هدف حذف سختی، NOM، سولفات‌ها یا میکروآلاینده‌ها از یک خوراک با شوری کم تا متوسط بدون هزینه انرژی و غیرمعدنی‌سازی کامل RO باشد، نانوفیلتراسیون انتخاب ارجح است. زمانی که نیاز به نمک‌زدایی کامل یا دفع زیاد یون‌های تک ظرفیتی است، مناسب نیست، و نسبت به UF انرژی‌برتر است، و زمانی که تنها حذف ذرات، کلوئیدی و میکروبی بدون حذف یون محلول مورد نیاز است، UF انتخاب بهتری است.

کاربردهای کلیدی سیستم های غشایی نانو فیلتراسیون

غشاهای نانوفیلتراسیون در طیف وسیعی از صنایع مستقر هستند که هر کدام از جنبه‌های متفاوتی از پروفایل حذف انتخابی غشا بهره‌برداری می‌کنند. کاربردهای زیر مهمترین کاربردهای تجاری تکنولوژی غشای NF را امروز نشان می دهد.

نرم کردن آب آشامیدنی و حذف NOM

تصفیه آب آشامیدنی شهری بزرگترین کاربرد منفرد برای غشاهای نانوفیلتراسیون است. در تصفیه آب های سطحی، غشاهای NF مواد آلی طبیعی، ترکیبات رنگ، طعم و بو، آفت کش ها و پیش سازهای فرعی ضد عفونی را حذف می کنند - که همه آنها به اندازه کافی توسط فرآیندهای انعقاد، لخته سازی و فیلتراسیون شنی کنترل نمی شوند. در تصفیه آب های زیرزمینی، غشاهای NF به طور خاص برای نرم کردن آب استفاده می شوند، جایی که حذف سختی کلسیم و منیزیم نیاز به نرم شدن شیمیایی با آهک یا کربنات سدیم را از بین می برد، مصرف مواد شیمیایی، تولید لجن و پیچیدگی عملیات را کاهش می دهد. انرژی مورد نیاز برای تصفیه آب NF - معمولاً 0.3 تا 0.8 کیلووات ساعت در هر متر مکعب برای آب های زیرزمینی با شوری کم - به طور قابل توجهی کمتر از RO است و NF را به فناوری غشایی ترجیحی تبدیل می کند که در آن نمک زدایی کامل غیر ضروری است.

لبنیات و فرآوری مواد غذایی

نانوفیلتراسیون کاربردهای گسترده‌ای در فرآوری لبنیات دارد، جایی که از آن برای تغلیظ آب پنیر و نفوذ شیر، غیر معدنی‌زدایی جزئی آب پنیر و بازیابی لاکتوز استفاده می‌شود. در فرآوری آب پنیر، غشاهای NF جریان آب پنیر رقیق حاصل از تولید پنیر را غلیظ می کنند و حجم و هزینه های حمل و نقل را قبل از تبخیر پایین دست و خشک شدن با اسپری کاهش می دهند. به طور همزمان، عبور جزئی نمک‌های تک ظرفیتی (Na+، K+، Cl-) از غشای NF در حالی که لاکتوز و پروتئین‌ها را حفظ می‌کند، اجازه می‌دهد تا درجه‌ای از املاح‌زدایی - معمولاً 25 تا 35٪ کاهش مواد معدنی - که مشخصات طعم کنسانتره پروتئین آب پنیر و ترکیبات شیر ​​خشک را بهبود می‌بخشد. در تولید شراب، غشاهای NF برای کاهش الکل و تثبیت تارتارات استفاده می شود. در فرآوری شکر، از NF برای خالص سازی و تغلیظ جریان های فرآیند استفاده می شود. در تمام کاربردهای غذایی، غشاها باید با مقررات مواد در تماس با غذا مطابقت داشته باشند و با مواد ضدعفونی کننده درجه مواد غذایی قابل تمیز کردن باشند.

فرآوری دارویی و بیوتکنولوژی

در تولید دارو، غشاهای نانو فیلتراسیون برای تغلیظ و خالص سازی مواد فعال دارویی (APIs)، حذف ناخالصی ها و محصولات جانبی واکنش، تبادل حلال و نمک زدایی محلول های پروتئین و پپتید استفاده می شود. توانایی غشاهای NF برای حفظ مولکول‌ها در محدوده 200 تا 1000 دالتون در حالی که نمک‌ها و حلال‌های کوچک‌تر را از خود عبور می‌دهند، آن‌ها را به ویژه در خالص‌سازی آنتی‌بیوتیک‌ها، پپتیدها و داروهای با مولکول کوچک ارزشمند می‌کند. غشاهای NF درجه دارویی باید دارای مشخصات دقیق مواد قابل استخراج و شستشو باشند و تحت چارچوب های نظارتی مانند دستورالعمل های FDA 21 CFR یا EMA تأیید شوند. گرایش به سمت تولید مستمر در تولید دارو باعث پذیرش رو به رشد فرآیندهای غشایی، از جمله نانوفیلتراسیون، به عنوان جایگزینی برای کروماتوگرافی ناپیوسته و مراحل تبخیر شده است.

تصفیه فاضلاب صنعتی و بازیابی منابع

غشاهای نانو فیلتراسیون در تصفیه فاضلاب صنعتی برای حذف فلزات سنگین، رنگ‌ها و ریزآلاینده‌های آلی از پساب‌های نساجی، آبکاری و فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شوند. در صنعت نساجی، غشاهای NF رنگ های واکنش پذیر (وزن مولکولی 300 تا 1500 دا) را از پساب رنگرزی با نرخ دفع بالای 95 درصد حذف می کنند که هم محدودیت های تخلیه را برآورده می کند و هم آب فرآیند را بازیافت و استفاده مجدد می کند. در معدن و هیدرومتالورژی، غشاهای NF به طور انتخابی سولفات را از جریان های فرآیند جدا می کنند و مدیریت سولفات را بدون نمک زدایی کامل مرتبط با RO امکان پذیر می کنند. بازیابی لیتیوم از آب نمک - برنامه ای که به سرعت در حال رشد است که توسط تقاضای فناوری باتری هدایت می شود - از غشاهای NF برای عبور انتخابی یون های لیتیوم (تک ظرفیتی) در حالی که یون های منیزیم (دو ظرفیتی) را رد می کند، استفاده می کند، که امکان جداسازی را فراهم می کند که دستیابی به روش های شیمیایی از نظر شیمیایی دشوار و گران است.

تصفیه آب تولید شده از نفت و گاز

سکوهای نفت و گاز فراساحلی از تزریق آب دریا برای حفظ فشار مخزن استفاده می کنند، اما آب تزریق شده باید برای حذف یون های سولفات تصفیه شود تا از تشکیل رسوب سولفات باریم و استرانسیم در مخزن جلوگیری شود - فرآیندی که حذف سولفات یا تصفیه سولفات (SRT) نامیده می شود. غشاهای نانوفیلتراسیون فناوری استاندارد برای حذف سولفات در دریا هستند، سولفات (SO42-، یک آنیون دو ظرفیتی) را با نرخ های بالاتر از 99 درصد دفع می کنند و در حین عبور کلرید سدیم (NaCl) و اجتناب از جریمه فشار اسمزی نمک زدایی کامل RO. سیستم های NF فراساحلی باید فشرده، مقاوم در برابر خوردگی، قادر به کار بر روی منابع تغذیه ناپایدار و مقاوم در برابر رسوب زیستی در محیط گرم و غنی از مواد مغذی آب دریا باشند.

پیکربندی‌های ماژول غشایی برای سیستم‌های نانوفیلتراسیون

غشاهای نانوفیلتراسیون به عنوان ماژول های غشایی در مخازن تحت فشار گنجانده می شوند - مجموعه های استاندارد شده ای که یک ناحیه غشایی بزرگ را در یک بسته فشرده و مکانیکی مقاوم و سازگار با لوله های فرآیند فشار بالا ایجاد می کنند. انتخاب پیکربندی ماژول بر فشردگی سیستم، سهولت تمیز کردن، حساسیت به رسوب و هزینه تعویض تأثیر می گذارد.

ماژول های زخم مارپیچی

ماژول‌های زخم مارپیچی پیکربندی غالب برای سیستم‌های نانوفیلتراسیون تجاری در تصفیه آب، فرآوری مواد غذایی و بیشتر کاربردهای صنعتی هستند. یک ماژول NF زخم مارپیچی با ساندویچ کردن غشای ورقه مسطح بین دو لایه شبکه جداکننده سمت خوراک و یک پارچه حامل در سمت نفوذ ساخته می‌شود، سپس مجموعه را محکم در اطراف یک لوله جمع‌آوری نفوذی سوراخ شده مرکزی می‌چرخاند. عنصر استوانه ای به دست آمده - معمولاً با قطر 2.5، 4 یا 8 اینچ و طول 40 اینچ - در یک مخزن فشار استاندارد بارگذاری می شود. آب تغذیه وارد یک انتهای ماژول می شود، در امتداد کانال های فاصله دهنده تغذیه جریان می یابد و نفوذ از طریق غشاء و مارپیچ به سمت داخل لوله جمع آوری مرکزی عبور می کند. ماژول‌های زخم مارپیچی بهترین توازن را از نظر چگالی بسته‌بندی (مساحت غشاء در حجم ماژول)، هزینه در واحد سطح و استانداردسازی ارائه می‌دهند، اما به رسوب ذرات حساس هستند و برای دستیابی به شار طراحی و اهداف عمر مفید نیاز به پیش تصفیه خوب دارند.

ماژول های فیبر توخالی

ماژول های نانوفیلتراسیون فیبر توخالی حاوی هزاران الیاف با سوراخ ریز (قطر داخلی معمولاً 0.5 تا 2 میلی متر) هستند که در یک پوسته استوانه ای قرار گرفته اند. بسته به کاربرد و خطر رسوب، خوراک را می توان در داخل (سمت لومن) الیاف یا در خارج (سمت پوسته) اعمال کرد. خوراک داخل به بیرون توزیع جریان بهتر و تمیز کردن هیدرولیکی آسان‌تر را فراهم می‌کند، در حالی که خوراک بیرونی تحمل رسوب بهتری را برای جریان‌های با کدورت بالاتر ارائه می‌دهد. ماژول‌های فیبر توخالی NF چگالی بسته‌بندی بسیار بالایی دارند و می‌توان آن‌ها را شستشو داد - یک مزیت عملیاتی قابل توجه برای کنترل رسوب - اما نسبت به ماژول‌های زخم مارپیچی بیشتر مستعد شکستن فیبر تحت نوسانات فشار یا شرایط تغذیه ساینده هستند.

ماژول های لوله ای و صفحه و قاب

ماژول‌های NF لوله‌ای - که در آن غشاء در داخل لوله‌های پشتیبانی متخلخل ریخته می‌شود - برای جریان‌های خوراکی بسیار چسبناک، با کدورت بالا یا ذرات که به سرعت باعث ایجاد زخم‌های مارپیچی یا ماژول‌های فیبر توخالی می‌شوند، استفاده می‌شوند. آنها در فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی (غلظت آب میوه، لبنیات)، تصفیه پساب خمیر و کاغذ و پردازش شیمیایی صنعتی رایج هستند. پیکربندی‌های صفحه و قاب مقاوم‌ترین طراحی ماژول در برابر رسوب‌پذیری هستند، زیرا ورق‌های غشایی تخت را می‌توان به صورت مکانیکی تمیز کرد، اما چگالی بسته‌بندی پایین و هزینه بالایی دارند و فقط برای کاربردهایی استفاده می‌شوند که تحمل رسوب آن‌ها حق بیمه را توجیه می‌کند. برای اکثر کاربردهای NF در مقیاس بزرگ، ماژول‌های مارپیچی در مخازن تحت فشار بهترین اقتصاد را ارائه می‌دهند و انتخاب استاندارد صنعت هستند.

رسوب در غشاهای نانوفیلتراسیون: علل، پیشگیری و تمیز کردن

رسوب غشایی - تجمع مواد روی یا درون غشاء که شار نفوذ را کاهش می دهد و ممکن است ویژگی های دفع را تغییر دهد - چالش اصلی عملیاتی در هر سیستم نانو فیلتراسیون است. مدیریت موثر رسوب برای حفظ بهره وری سیستم، دستیابی به عمر مفید طراحی برای عناصر غشایی و کنترل هزینه های عملیاتی بسیار مهم است. درک انواع رسوب و استراتژی های پیشگیری و اصلاح مناسب برای هر یک از اپراتورهای سیستم NF ضروری است.

• رسوب کلوئیدی و ذرات: ذرات معلق، کلوئیدها و سیلت ریز روی سطح غشاء و در کانال های اسپیسر خوراک رسوب می کنند که باعث افزایش مقاومت هیدرولیکی و کاهش شار می شود. پیشگیری به پیش تصفیه مؤثر - انعقاد / لخته سازی، فیلتراسیون چند رسانه ای یا پیش تیمار UF - برای کاهش شاخص چگالی سیلت (SDI) خوراک NF به زیر 5 (در حالت ایده آل زیر 3) متکی است. تمیز کردن با محلول‌های اسیدی با pH پایین و به دنبال آن محلول‌های قلیایی با pH بالا معمولاً شار را به طور مؤثر پس از دوره‌های رسوب کلوئیدی بازیابی می‌کند.
• رسوب آلی: مواد آلی طبیعی، مواد هیومیک و محصولات میکروبی محلول به سطح لایه فعال پلی آمید آبگریز غشاهای NF جذب می شوند و یک لایه رسوب ایجاد می کنند که هم شار و هم دفع NOM را کاهش می دهد. اصلاح سطح غشاهای TFC NF برای افزایش آب دوستی - از طریق پیوند PEG (پلی اتیلن گلیکول)، پوشش‌های زویتریونیک یا اکسیداسیون سطحی - یک منطقه فعال تحقیقاتی برای کاهش رسوب‌های آلی است. تمیز کردن قلیایی با هیدروکسید سدیم (NaOH) در pH 11-12 روش تمیز کردن استاندارد برای رسوب‌های آلی است که با سورفکتانت‌ها یا عوامل کیلیت برای رسوبات سرسخت تکمیل می‌شود.
• جرم گیری ( رسوب غیر آلی ): رسوب نمک های معدنی کم محلول - کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم، سیلیس و غیره - روی سطح غشاء و در کانال های سمت کنسانتره زمانی رخ می دهد که غلظت محلی یون های تشکیل دهنده رسوب از محصول حلالیت آنها (Ksp) بیشتر شود. جرم گیری با سرعت بازیابی زیر آستانه رسوب گذاری، افزودن مواد شیمیایی ضد رسوب به خوراک، تنظیم pH خوراک (اسیدیته شدن رسوب کربنات را کاهش می دهد) و تمیز کردن منظم با اسید (کلریدریک یا اسید سیتریک) برای حل کردن رسوب معدنی ته نشین شده کنترل می شود.
• رسوب زیستی: تشکیل بیوفیلم - کلونیزاسیون سطح غشاء و فاصله دهنده خوراک توسط باکتری ها و ترشح مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) - غیرقابل حل ترین شکل رسوب غشایی NF در نظر گرفته می شود زیرا دوز بیوسید مداوم با غشاهای پلی آمید استاندارد (که یک بار حساس به کلر هستند) امکان پذیر نیست و به دلیل ایجاد بیولوژیک بسیار دشوار است. استراتژی‌های کنترل رسوب زیستی شامل گندزدایی با اشعه ماوراء بنفش، دوز بیوسید غیر اکسید کننده (ایزوتیازولینون، DBNPA)، تمیز کردن منظم آفلاین با محلول‌های تمیزکننده بیوسیدال و قلیایی، و مدیریت دقیق کیفیت بیولوژیکی آب خوراک از طریق تصفیه بالادست است.

پارامترهای کلیدی برای تعیین و انتخاب غشاهای نانو فیلتراسیون

هنگام انتخاب یک غشای نانوفیلتراسیون برای یک کاربرد خاص، عملکرد و پارامترهای عملیاتی زیر باید ارزیابی و با الزامات فرآیند مطابقت داده شود. تکیه بر یک مشخصات سرفصل واحد مانند رد NaCl بدون بررسی مجموعه پارامترهای کامل، یک منبع رایج از تعیین نادرست است.

• قطع وزن مولکولی (MWCO): مقدار MWCO - معمولاً به عنوان وزن مولکولی تعریف می شود که در آن 90٪ رد یک املاح مرجع (مانند پلی اتیلن گلیکول یا دکستران) حاصل می شود - اندازه منافذ مؤثر غشاء را نشان می دهد و حد وزن مولکولی پایین گونه های باقی مانده را تعیین می کند. برای حذف ریزآلاینده، بررسی کنید که آلاینده های هدف دارای وزن مولکولی بالاتر از MWCO غشا هستند. برای کاربردهای شکنش انتخابی، MWCO را انتخاب کنید که بین وزن‌های مولکولی گونه‌هایی که قرار است جدا شوند قرار می‌گیرد.
• نفوذپذیری آب خالص (PWP): PWP که بر حسب L/m²/h/bar (LMH/bar) بیان می‌شود، نشان می‌دهد که چگونه آب تحت فشار واحد به راحتی از غشا عبور می‌کند. PWP بالاتر فشار عملیاتی مورد نیاز برای دستیابی به یک شار معین را کاهش می دهد و مستقیماً مصرف انرژی را کاهش می دهد. با این حال، غشاهای PWP بسیار بالا معمولاً دارای اندازه‌های منفذ مؤثر بزرگ‌تر و دفع یون کمتری هستند، بنابراین بین نفوذپذیری و گزینش پذیری که باید برای هر کاربرد متعادل باشد، تعادل وجود دارد.
• دفع یون دو ظرفیتی: برای نرم کردن و حذف سولفات، رد Ca2+، Mg2+ و SO42- تحت شرایط آزمایشی که نماینده شیمی آب خوراک (قدرت یونی، pH، دما) است، حیاتی ترین پارامتر عملکرد است. رد یون های دو ظرفیتی به شدت تحت تأثیر قدرت یونی خوراک قرار می گیرد - قدرت یونی بالاتر لایه دوگانه الکتریکی را در سطح غشاء فشرده می کند و اثربخشی حذف دونان را کاهش می دهد و رد را در مقایسه با مقادیر اندازه گیری شده در محلول های آزمایش رقیق کاهش می دهد.
• محدوده فشار عملیاتی و حداکثر فشار کاری: بررسی کنید که غشا می تواند در فشار غشایی مورد نیاز برای دستیابی به شار هدف و بازیابی آب تغذیه خاص شما کار کند و اینکه در هیچ شرایط کاری عادی یا ناراحت کننده از حداکثر فشار کاری تجاوز نکند. تجاوز از حداکثر فشار کاری، ساختار تکیه گاه غشا را فشرده می کند و می تواند آسیب جبران ناپذیری به لایه فعال وارد کند.
• pH و تحمل شیمیایی: اطمینان حاصل کنید که مواد غشایی از نظر شیمیایی با محدوده pH آب خوراک، غلظت مواد شیمیایی تمیزکننده و هر گونه مواد شیمیایی فرآیندی موجود در خوراک سازگار است. غشاهای پلی آمید NF معمولاً برای عملکرد مداوم در pH 3-10 و تمیز کردن کوتاه مدت در pH 1-13 درجه بندی می شوند. تحمل کلر برای پلی آمید استاندارد بسیار کم است - معمولاً کمتر از 0.1 ppm کلر آزاد در عملکرد مداوم - و مستلزم آن است که آب تغذیه قبل از سیستم NF کلر زدایی شود.
• محدوده دما: نفوذپذیری غشاء تقریباً 2-3٪ در هر درجه سانتیگراد افزایش دما افزایش می یابد، بنابراین دمای عملیاتی آب تغذیه به طور قابل توجهی بر شار و فشار عملیاتی مورد نیاز تأثیر می گذارد. بررسی کنید که غشا برای محدوده دمای واقعی خوراک، از جمله تغییرات فصلی، درجه بندی شده است. اکثر غشاهای پلیمری NF دارای حداکثر دمای عملیاتی پیوسته 40-45 درجه سانتیگراد هستند. عملیات بالاتر از این حد باعث تسریع تراکم و تخریب لایه فعال می شود.

پیشرفت ها و روندهای نوظهور در فناوری غشای نانو فیلتراسیون

فناوری غشای نانوفیلتراسیون یک حوزه فعال از تحقیقات علم مواد و مهندسی فرآیند است که با الزامات دوگانه بهبود عملکرد جداسازی و کاهش مصرف انرژی در تصفیه آب و پردازش صنعتی هدایت می‌شود. چندین پیشرفت مهم در حال شکل دادن به نسل بعدی محصولات و سیستم های غشایی NF هستند.

غشاهای نانوکامپوزیت و ماتریس مخلوط

ترکیب نانوذرات مهندسی شده در لایه فعال پلی آمید یا ساختار پشتیبان پلیمر، غشاهای نانوکامپوزیت NF را با خواص افزایش یافته نسبت به غشاهای TFC معمولی ایجاد می کند. چارچوب‌های ایمیدازولات زئولیتی (ZIFs)، چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs)، ورقه‌های اکسید گرافن (GO)، نانولوله‌های کربنی (CNTs) و نانوذرات TiO2 همگی در لایه‌های فعال غشای NF با پیشرفت‌های گزارش‌شده در نفوذپذیری (گاهی اوقات به‌طور چشمگیری، قابلیت ضدکف‌پذیری، انتخاب‌پذیری به‌طور چشمگیر)، قابلیت عکس‌برداری و گزینش‌پذیری، ترکیب شده‌اند. فعالیت ضد باکتریایی در حالی که بسیاری از این پیشرفت‌ها در مقیاس آزمایشگاهی نشان داده شده‌اند، افزایش تولید غشای نانوکامپوزیت به مقادیر تجاری در حالی که بهبود عملکرد مشاهده‌شده در آزمایشگاه حفظ می‌شود، همچنان یک چالش مهندسی مهم است که چندین گروه تحقیقاتی و استارت‌آپ‌ها فعالانه برای غلبه بر آن تلاش می‌کنند.

غشاهای مبتنی بر آکواپورین و بیومیمتیک

پروتئین های بیولوژیکی کانال آب به نام آکواپورین، انتقال آب تقریباً بدون اصطکاک را در غشای سلولی با گزینش پذیری بسیار بالا امکان پذیر می کنند. ترکیب پروتئین‌های آکواپورین در دولایه‌های لیپیدی مصنوعی یا غشاهای کوپلیمر بلوکی، غشاهای NF بیومیمتیک با نفوذپذیری آب فوق‌العاده بالا - چندین مرتبه بیشتر از غشاهای پلیمری معمولی - ایجاد می‌کند و در عین حال دفع یون عالی را حفظ می‌کند. غشاهای NF مبتنی بر آکواپورین توسط چندین شرکت تجاری شده اند و برای کاربردهای خاص تصفیه آب و پردازش دارویی در دسترس هستند، اگرچه در حال حاضر دارای هزینه قابل توجهی هستند و محدودیت هایی در محدوده فشار عملیاتی و تحمل شیمیایی دارند که استفاده از آنها را محدود به کاربردهایی می کند که نفوذپذیری استثنایی آنها هزینه اضافی را توجیه می کند.

بازیابی منابع حلقه بسته با سیستم های NF

فراتر از حذف ساده آلاینده ها، تمرکز فزاینده ای بر استفاده از غشاهای نانوفیلتراسیون به عنوان ابزاری برای بازیابی منابع وجود دارد - جذب یون های ارزشمند، ترکیبات آلی یا آب از جریان های فرآیندی که در غیر این صورت به عنوان زباله تخلیه می شوند. بازیافت لیتیوم و سایر مواد معدنی حیاتی از آب نمک های زمین گرمایی و پساب های معدنی، بازیافت فسفات از فاضلاب برای استفاده در کودهای کشاورزی، و بازیافت اسیدهای آمینه و مواد شیمیایی ویژه از آبگوشت های تخمیر، همگی کاربردهای نوظهوری هستند که در آن نفوذپذیری انتخابی غشاهای NF امکان استخراج مجدد را از نظر اقتصادی فراهم می کند. این رویکرد «اقتصاد دایره‌ای مبتنی بر غشاء» نانوفیلتراسیون را از هزینه تصفیه به مرحله فرآیند تولید ارزش تغییر می‌دهد، و زمینه اقتصادی سرمایه‌گذاری در سیستم NF را بهبود می‌بخشد و با روندهای نظارتی و پایداری به سمت تخلیه مایع صفر و بازیابی منابع در مدیریت آب صنعتی همسو می‌شود.