غشاهای نانو فیلتراسیون ساده ساخته شده اند: چگونه کار می کنند، کجا استفاده می شوند و چگونه می توان غشاهای مناسب را انتخاب کرد

غشاهای نانو فیلتراسیون چیست و چگونه در طیف فیلتر قرار می گیرند؟

غشاهای نانوفیلتراسیون موقعیت دقیقی را در سلسله مراتب فیلتراسیون غشایی مبتنی بر فشار اشغال می‌کنند - بین اولترافیلتراسیون (UF) و اسمز معکوس (RO) از نظر اندازه منافذ، فشار کاری و آنچه که در مقابل عبور نگه می‌دارند. اندازه منافذ اسمی آنها بین 0.5 تا 2 نانومتر است و در فشارهای غشایی 3 تا 20 بار (45 تا 300 psi) کار می کنند که به طور قابل توجهی کمتر از 15 تا 80 بار معمولاً برای سیستم های RO مورد نیاز است. این باعث می شود که نانوفیلتراسیون جایگزین بسیار کارآمد انرژی برای RO در کاربردهایی باشد که نمک زدایی کامل لازم نیست، اما حذف انتخابی یون و مولکولی لازم است.

ویژگی تعیین کننده یک غشای نانوفیلتراسیون توانایی آن در تمایز بین املاح بر اساس اندازه و بار است. بر خلاف غشاهای RO که تقریباً تمام یون‌های محلول را رد می‌کنند، غشاهای NF گزینش پذیری قوی نسبت به یون‌های دو ظرفیتی و چند ظرفیتی (کلسیم، منیزیم، سولفات، فلزات سنگین) نشان می‌دهند در حالی که به بخش قابل‌توجهی از یون‌های تک ظرفیتی (سدیم، کلرید، پتاسیم) اجازه عبور می‌دهند. این نفوذپذیری انتخابی تنها تابعی از ساختار منافذ در مقیاس نانومتری نیست، بلکه همچنین تابعی از بار سطحی مواد غشایی است - اکثر غشاهای NF دارای بار منفی خالص در pH خنثی هستند که به صورت الکترواستاتیکی آنیون‌های چند ظرفیتی با بار منفی مانند سولفات (SO42-) و فسفات (PO435) را دفع می‌کند.

این ترکیبی از حذف اندازه و حذف دونان (رد بر اساس شارژ) باعث می‌شود غشاهای نانو فیلتراسیون برای کاربردهایی مانند نرم‌کردن آب، حذف رنگ، حذف ریزآلاینده‌ها، غلظت جریان‌های لبنی و بازیابی انتخابی ترکیبات ارزشمند در تولید دارو - که همگی با انرژی معکوس بسیار کمتری دارند، مناسب باشند.

چگونه غشاهای نانو فیلتراسیون اثر: مکانیسم های جداسازی توضیح داده شد

درک مکانیسم‌های انتقال از طریق غشاهای NF برای پیش‌بینی عملکرد، عیب‌یابی رد و طراحی سیستم‌هایی که به جداسازی هدف می‌رسند ضروری است. سه مکانیسم اصلی بر انتقال املاح از طریق یک غشای نانوفیلتراسیون نظارت دارند.

حذف اندازه (مانع فضایی)

اندازه منافذ فیزیکی غشاء NF عبور مولکول ها و یون های هیدراته شده بزرگتر از قطر منفذ موثر را محدود می کند. مولکول های آلی با وزن مولکولی بالاتر از وزن مولکولی غشا (MWCO) - معمولاً 200 تا 1000 دالتون برای غشاهای NF - به طور فضایی از نفوذ حذف می شوند. به همین دلیل است که غشاهای NF در حذف مواد آلی طبیعی (NOM)، اسیدهای هیومیک، آفت‌کش‌ها، ترکیبات فعال دارویی (PhAC) و رنگ‌ها که همگی دارای وزن مولکولی در محدوده 200-2000 دالونی هستند، مؤثر هستند. یون های هیدراته کوچکتر مانند Na+ و Cl- که دارای شعاع هیدراته موثر بسیار کمتر از اندازه منافذ هستند، نسبتاً آزادانه عبور می کنند.

طرد دونان (دفعه الکترواستاتیک)

اکثر غشاهای تجاری NF از مواد کامپوزیت لایه نازک پلی آمید (TFC) ساخته می شوند و بار سطحی منفی خالص را در محدوده pH خنثی تا قلیایی حمل می کنند. این بار منفی یک پتانسیل الکترواستاتیک در سطح غشاء ایجاد می کند - پتانسیل Donnan - که آنیون های چند ظرفیتی مانند سولفات (SO42-)، فسفات (PO43-) و آرسنات (AsO43-) را به شدت دفع می کند. رد کاتیون های دو ظرفیتی مانند Ca2+ و Mg2+ نیز افزایش می یابد زیرا خنثی بودن الکتریکی مستلزم آن است که عبور آنها از غشاء با آنیون های رد شده جفت شود. این مکانیسم اصلی پشت قابلیت نرم شدن آب غشاهای NF است: یون های سختی (Ca2+، Mg2+) به طور انتخابی در 85-98٪ دفع می شوند در حالی که سدیم و کلرید با نرخ های دفع کمتر 20-50٪ عبور می کنند، فشار اسمزی و مصرف انرژی را در مقایسه با RO کاهش می دهند.

حذف دی الکتریک

سومین مکانیسم کمتر بصری، حذف دی الکتریک است که از تفاوت در ثابت دی الکتریک بین آب محصور در منافذ در مقیاس نانومتر و آب حجیم ناشی می شود. یون ها باید پوسته های هیدراتاسیون خود را تا حدی از بین ببرند تا وارد نانوحفره شوند که از نظر انرژی نامطلوب است. این اثر برای یون‌های چند ظرفیتی (که پوسته‌های هیدراتاسیون بزرگ‌تری دارند) بارزتر است و به رد شدن گونه‌های دو ظرفیتی فراتر از اندازه‌ای که حذف اندازه و اثرات دانان به تنهایی پیش‌بینی می‌کنند، کمک می‌کند. در عمل، حذف دی الکتریک در قطر منافذ زیر تقریباً 1 نانومتر قابل توجه است و برای غشاهای NF محکمی که در آب های تغذیه با قدرت یونی کم کار می کنند، بسیار مرتبط است.

NF در مقابل RO در مقابل UF: یک مقایسه عملی برای طراحان سیستم

انتخاب بین نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون مستلزم درک روشنی از آنچه که هر فناوری غشایی می تواند و نمی تواند به دست آورد، دارد. در اینجا یک مقایسه جانبی از عملکرد کلیدی و پارامترهای عملیاتی وجود دارد:

در عمل، تصمیم اغلب به هدف کل مواد جامد محلول (TDS) و بودجه انرژی بستگی دارد. اگر هدف کاهش سختی و حذف مواد آلی از منابع آب شهری یا زیرزمینی با TDS 500-2000 میلی گرم در لیتر باشد، غشاهای NF عملکرد مورد نیاز را با 30 تا 50٪ انرژی کمتر از RO ارائه می دهند. اگر برنامه به آب آشامیدنی از آب دریا (TDS 35000 میلی گرم در لیتر) یا تولید آب فوق خالص برای میکروالکترونیک نیاز دارد، RO تنها گزینه غشایی قابل دوام است.

مواد غشایی و پیکربندی‌های ماژول برای سیستم‌های NF

عملکرد و دوام یک سیستم غشایی نانوفیلتراسیون اساساً توسط مواد غشا و نحوه بسته بندی آن در یک ماژول تعیین می شود. هر دو تصمیم پیامدهای مهمی برای تحمل تمیز کردن، مقاومت شیمیایی، پایداری شار و هزینه چرخه عمر دارند.

پلی آمید کامپوزیت لایه نازک (TFC-PA)

پلی آمید TFC ماده غالب برای غشاهای NF تجاری است که در محصولات Dow Filmtec (در حال حاضر DuPont Water Solutions)، Toray، Hydranautics و Nitto استفاده می شود. این غشاء از سه لایه تشکیل شده است: یک پارچه پشتیبان پلی استر (برای استحکام مکانیکی)، یک لایه پلی سولفون ریز متخلخل (برای ثبات ابعادی)، و یک لایه نازک پلی آمید معطر متقاطع (ضخامت 40 تا 200 نانومتر) که از پلیمریزاسیون سطحی تشکیل شده است. لایه فعال پلی آمید مسئول ویژگی های گزینش پذیری و شار است. غشاهای TFC-PA NF عملکرد دفع عالی و شار بالا دارند اما به کلر حساس هستند - حتی 0.1 ppm کلر آزاد می تواند لایه پلی آمید را در طول زمان تخریب کند و نیاز به کلر زدایی آب خوراک با بی سولفیت سدیم قبل از سیستم غشایی دارد.

استات سلولز (CA)

غشاهای NF استات سلولز پیش از فناوری TFC-PA هستند و در تاسیسات جدید کمتر رایج هستند. آنها عملکرد رد متوسطی را ارائه می دهند و به ویژه در برابر کلر (حداکثر 1 ppm مداوم) تحمل بیشتری دارند، که می تواند مدیریت ضد عفونی آب خوراک را ساده کند. با این حال، غشاهای CA مستعد هیدرولیز در pH شدید (بهترین عملکرد بین pH 4-8) و حمله باکتریایی در سیستم‌های آب گرم هستند و دامنه کاربرد آنها را در مقایسه با TFC-PA محدود می‌کند. آنها همچنان در برخی از نرم‌افزارهای آب‌های زیرزمینی و صنایع قند مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که تحمل کلر آنها ارزشمند است.

غشاهای سرامیکی NF

غشاهای نانوفیلتراسیون سرامیکی – بر پایه موادی مانند آلومینا (Al2O3)، تیتانیا (TiO2)، یا زیرکونیا (ZrO2) – بخش رو به رشدی از بازار NF را برای کاربردهای صنعتی خشن نشان می‌دهند. آنها مقاومت شیمیایی فوق العاده ای دارند (با pH 0-14، اکسیدان قوی، حلال ها و دمای بالا تا 400 درجه سانتیگراد)، استحکام مکانیکی و طول عمر عملیاتی بسیار طولانی 10 تا 20 سال. اشکالات اولیه آنها هزینه سرمایه به طور قابل توجهی بالاتر (5-10× غشاهای پلیمری) و چگالی بسته بندی کمتر در واحد حجم است. غشاهای سرامیکی NF در کاربردهایی مانند آبگیری با حلال، تصفیه پساب نساجی با دمای بالا، و جریان‌های تهاجمی پردازش مواد غذایی که شامل چرخه‌های اسیدی/کاستیک مکرر CIP می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پیکربندی ماژول فیبر توخالی در مقابل زخم مارپیچی

اکثریت قریب به اتفاق غشاهای NF پلیمری در ماژول‌های زخم مارپیچی بسته‌بندی می‌شوند - همان قالبی که برای RO استفاده می‌شود. یک عنصر NF زخم مارپیچی متشکل از ورقه‌های پوشش غشایی است که به دور یک لوله جمع‌آوری نفوذ مرکزی پیچیده شده‌اند، با فاصله‌دهنده‌های تغذیه و فاصله‌دهنده‌های نفوذی که لایه‌ها را از هم جدا می‌کنند. اندازه های استاندارد 2.5، 4، و 8 اینچ قطر در طول 40 اینچ هستند، با عناصر 8 اینچ 40 اینچ فرمت اسب بخار برای سیستم های NF شهری و صنعتی است. ماژول های زخم مارپیچی چگالی بسته بندی بسیار بالایی دارند (معمولاً 800-1000 متر مربع سطح غشاء در هر متر مربع حجم ماژول) و برای نصب در مقیاس بزرگ مقرون به صرفه هستند. ماژول‌های NF فیبر توخالی در کاربردهای خاصی که نیاز به جریان داخل به بیرون یا قابلیت شستشوی معکوس دارند، مانند برخی از سیستم‌های پیش تصفیه آب و غلظت لبنیات استفاده می‌شوند، اما شیوع کمتری نسبت به زخم مارپیچی برای جریان اصلی NF دارند.

کاربردهای عمده غشاهای نانوفیلتراسیون در سراسر صنایع

قابلیت جداسازی انتخابی غشاهای NF آنها را در طیف وسیعی از صنایع ضروری کرده است. در اینجا مهم‌ترین حوزه‌های کاربردی با جزئیات خاص در مورد آنچه که از هم جدا می‌شود و عملکرد مورد انتظار وجود دارد.

نرم کننده و رفع سختی آب آشامیدنی

غشاهای NF کم مصرف ترین فناوری برای تولید آب آشامیدنی نرم شده از آب های سخت زیرزمینی یا سطحی هستند. یک سیستم معمولی نرم‌کننده NF شهری 85 تا 98 درصد کلسیم و منیزیم را دفع می‌کند در حالی که 75 تا 85 درصد از آب خوراک را به‌عنوان تراوش بازیابی می‌کند (بقیه کنسانتره تخلیه می‌شود یا بیشتر تصفیه می‌شود). TDS تراوش معمولاً از 500 تا 800 میلی‌گرم در لیتر به 150 تا 300 میلی‌گرم در لیتر کاهش می‌یابد، با سختی کمتر از 2 درجه دسی‌هولت - به اندازه‌ای نرم است که پوسته‌پوزی را در سیستم‌های توزیع و لوازم خانگی بدون نمک و ضایعات بازسازی مرتبط با نرم شدن تبادل یونی از بین ببرد. کارخانه‌هایی در فلوریدا، هلند و بخش‌هایی از چین، بیش از 20 سال است که سیستم‌های نرم‌کننده NF را در مقیاس شهری با سوابق قابلیت اطمینان عالی راه‌اندازی کرده‌اند.

حذف میکرو آلاینده ها و آفت کش ها

آلاینده‌های نوظهور - از جمله آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها، ترکیبات فعال دارویی (PhAC)، مختل‌کننده‌های غدد درون ریز، و مواد پر و پلی فلوروآلکیل (PFAS) - به طور فزاینده‌ای در منابع آب‌های سطحی و زیرزمینی در غلظت‌هایی شناسایی می‌شوند که فرآیندهای تصفیه معمولی نمی‌توانند به طور قابل اعتماد آن را به محدودیت‌های نظارتی کاهش دهند. غشاهای NF بیش از 90 درصد بیشتر ریزآلاینده ها را با وزن مولکولی بالاتر از 200 دالتون دفع می کنند و آنها را به یکی از موثرترین موانع برای این آلاینده ها تبدیل می کند. به طور خاص برای PFAS، غشاهای NF با MWCO محکم (200-300 Da) به PFOA و PFOS رد بالای 95 درصد می‌رسند که با توجه به اینکه محدودیت‌های نظارتی در اتحادیه اروپا و ایالات متحده به سطح زیر 10 ppt سخت‌تر شده‌اند بسیار مهم است.

حذف رنگ و NOM از آب سطحی

اسیدهای هیومیک و فولویک - اجزای اصلی ماده آلی طبیعی (NOM) که مسئول رنگ زرد قهوه ای آب های سطحی هستند - دارای وزن مولکولی عمدتاً در محدوده 500-5000 Da هستند و به طور موثر توسط غشاء NF حفظ می شوند. رد رنگ 95-99٪ به طور معمول به دست می آید، و یک نفوذ با جذب UV254 زیر 0.02 سانتی متر-1 ایجاد می کند. این امر به ویژه برای شرکت‌های آب در اسکاندیناوی، کانادا و بریتانیا که در آن آب‌های سطحی با NOM بالا و کدورت کم چالش‌هایی را برای تصفیه متداول مبتنی بر انعقاد ایجاد می‌کنند، ارزشمند است. حذف NOM همچنین پتانسیل تشکیل محصول جانبی ضدعفونی (DBP) را کاهش می دهد، زیرا مواد هیومیک پیش سازهای تری هالومتان ها (THMs) و اسیدهای هالواستیک (HAAs) تولید شده در طول کلرزنی هستند.

صنعت لبنیات: غلظت آب پنیر و شیر

در فرآوری لبنیات، از غشاهای نانوفیلتراسیون برای تغلیظ آب پنیر و غیر معدنی‌سازی آن به طور همزمان استفاده می‌شود – فرآیندی که در صنعت به آن دمیرینالیزاسیون جزئی یا «نانو» می‌گویند. آب پنیر شیرین حاصل از تولید پنیر حاوی لاکتوز، پروتئین آب پنیر و مواد معدنی است. غشاهای NF لاکتوز (وزن مولکولی 342 Da) و پروتئین‌های آب پنیر را با سرعت بسیار بالا رد می‌کنند در حالی که بخش قابل‌توجهی از مواد معدنی تک ظرفیتی (NaCl) را عبور می‌دهند و محتوای خاکستر کنسانتره آب پنیر را در مقایسه با تبخیر به تنهایی 25 تا 35 درصد کاهش می‌دهند. این آب پنیر غلیظ NF در شیر خشک نوزادان، محصولات تغذیه ورزشی، و برنامه های غذایی کاربردی که در آنها محتوای مواد معدنی کنترل شده مورد نیاز است استفاده می شود. NF همچنین حجم آب پنیر خشک شده با اسپری را کاهش می دهد و در مقایسه با تبخیر آب پنیر رقیق در انرژی صرفه جویی می کند.

تصفیه فاضلاب نساجی و بازیابی رنگ

پساب های نساجی یکی از چالش برانگیزترین پساب های صنعتی هستند که حاوی رنگ های واکنش پذیر با وزن مولکولی 300-1500 Da، نمک (NaCl، Na2SO4) در غلظت های بالا (50-200 گرم در لیتر) و ترکیبات رنگی هیدرولیز شده هستند. غشاهای NF در دفع رنگ‌ها (معمولاً بیش از 98٪) در هنگام عبور بخش قابل توجهی از نمک کلرید سدیم بسیار مؤثر هستند - فرآیندی به نام «جداسازی نمک/رنگ» را امکان‌پذیر می‌سازد که به آب و نمک امکان بازیافت مجدد به فرآیند رنگ‌سازی را می‌دهد. این امر باعث بسته شدن حلقه آب و نمک در رنگرزی می شود و مصرف آب شیرین را 50 تا 80 درصد کاهش می دهد و هزینه های تهیه نمک را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. غشاهای NF محکم با MWCO در حدود 300 Da برای کاربردهای رنگ راکتیو ترجیح داده می شوند.

فرآوری دارویی و بیوتکنولوژی

در تولید دارو، غشاهای نانوفیلتراسیون برای تغلیظ و دیافیلتراسیون API ها (مواد فعال دارویی)، پپتیدها، آنتی بیوتیک ها و ویتامین ها در محدوده وزن مولکولی 200 تا 2000 دا استفاده می شوند. مزایای کلیدی نسبت به غلظت تبخیری شامل پردازش دمای محیط (جلوگیری از تخریب حرارتی APIهای حساس به حرارت)، عدم تغییر فاز (حفظ یکپارچگی محلول آبی) و مقیاس پذیری عالی است. NF همچنین برای تبادل حلال (جایگزینی یک حلال با حلال دیگر از طریق دیافیلتراسیون)، حذف ناخالصی و تصفیه آب فرآیند استفاده می شود. الزامات نظارتی برای سیستم های غشایی دارویی شامل انطباق با FDA 21 CFR قسمت 11 برای یکپارچگی داده ها، گواهی مواد USP کلاس VI برای سطوح تماس با محصول، و پروتکل های تمیز کردن و تست یکپارچگی معتبر است.

مشخصات کلیدی برای ارزیابی هنگام انتخاب غشای نانوفیلتراسیون

هنگام تعیین غشاهای NF برای یک سیستم جدید یا جایگزینی غشاها در یک تاسیسات موجود، این پارامترهای فنی هستند که تعیین می‌کنند آیا غشاء اهداف عملکردی را برآورده می‌کند و عمر مفید قابل قبولی را ارائه می‌کند.

• MWCO (قطع وزن مولکولی): به طور معمول به عنوان وزن مولکولی تعریف می شود که در آن 90٪ رد با استفاده از یک املاح مرجع خنثی به دست می آید. برای غشاهای NF، این محدوده بین 200 تا 1000 Da است. برای حذف مولکول‌های آلی کوچک (آفت‌کش‌ها، PhACs، PFAS) یک MWCO محکم‌تر (200-300 Da) انتخاب کنید. یک MWCO شلتر (500-1000 دا) برای کاربردهایی که نیاز به شار بالاتر و فشار کمتری دارند که در آن فقط مولکول های بزرگتر نیاز به رد شدن دارند.
• رد MgSO4: تست استاندارد صنعت برای طبقه بندی غشاء NF از 2000 ppm MgSO4 در فشار آزمایشی خاص (معمولاً 4.8 بار / 70 psi) استفاده می کند. مقادیر رد 85-98٪ غشاهای NF شل تا سفت را مشخص می کند. این عدد متداول‌ترین شاخص عملکرد NF است که در برگه‌های داده تامین‌کننده ذکر شده است و امکان مقایسه مستقیم محصول به محصول را فراهم می‌کند.
• شار نفوذ (L/m²/hr، LMH): مقادیر معمولی شار غشای NF در شرایط تست استاندارد از 10 تا 30 LMH متغیر است. شار بالاتر به معنای سطح غشای کوچکتر مورد نیاز برای خروجی معین است که هزینه سرمایه را کاهش می دهد. با این حال، شار عملیاتی باید به طور محافظه کارانه تنظیم شود (اغلب 20-40٪ کمتر از حداکثر شار نامی) تا قطبش غلظت و نرخ رسوب را محدود کند، به ویژه برای آب های تغذیه با NOM یا سختی بالا.
• محدوده PH عملیاتی: اکثر غشاهای NF پلی آمید TFC دارای pH 2-11 در طول کار و pH 1-13 برای چرخه های تمیز کردن کوتاه مدت هستند. اطمینان حاصل کنید که PH آب تغذیه و هر گونه تنظیم pH در طول پیش تصفیه در محدوده عملیاتی مشخص شده سازنده قرار دارد و قبل از انتخاب یک پروتکل تمیز کردن اسید یا قلیایی تهاجمی، سازگاری با pH تمیز کردن را بررسی کنید.
• حداکثر تحمل کلر: غشاهای NF پلی آمید TFC اساساً تحمل صفر برای کلر آزاد دارند - هر کلر آزاد موجود در خوراک باید با متابی سولفیت سدیم (SMBS) تا کمتر از 0.1 ppm خاموش شود. عدم انجام این کار منجر به تخریب اکسیداتیو برگشت ناپذیر لایه فعال پلی آمید می شود که به صورت افزایش چشمگیر در عبور نمک و از دست دادن عملکرد پس زدن ظاهر می شود. برخی از انواع جدیدتر پلی آمید متحمل به کلر و غشاهای پلیمری جایگزین (مبتنی بر PES، PVDF) مقاومت بهتری را ارائه می دهند اما به قیمت برخی عملکردهای شار یا رد شدن.
• محدوده دما و اصلاح شار: شار غشایی NF تقریباً 3٪ در هر درجه سانتیگراد افزایش در دمای خوراک به دلیل کاهش ویسکوزیته آب افزایش می یابد. شرایط استاندارد تست 25 درجه سانتیگراد است و سازندگان فاکتورهای تصحیح دما (TCF) را برای عادی سازی اندازه گیری شار در شرایط استاندارد ارائه می کنند. کارکرد در دمای زیر 15 درجه سانتیگراد (معمولاً در کاربردهای آب زیرزمینی سرد) به طور قابل توجهی شار را کاهش می دهد و ممکن است به عناصر غشایی اضافی یا فشار عملیاتی بالاتر برای رسیدن به اهداف جریان نفوذ نیاز داشته باشد.

رسوب در غشاهای NF: انواع، علل و پیشگیری

رسوب گیری - رسوب و تجمع مواد روی یا درون غشای NF - چالش اصلی عملیاتی در سیستم های نانوفیلتراسیون است. رسوب گیری کنترل نشده منجر به کاهش شار، افزایش فشار غشایی، کاهش دفع و کوتاه شدن عمر غشا می شود. درک مکانیسم رسوب برای انتخاب استراتژی مناسب پیش تصفیه و تمیز کردن ضروری است.

جرم گیری (رسوب غیر آلی)

از آنجایی که آب در سیستم NF متمرکز می شود، نمک های کم محلول - به ویژه کربنات کلسیم (CaCO3)، سولفات کلسیم (CaSO4)، سولفات باریم (BaSO4) و سیلیس (SiO2) - می توانند از حد حلالیت خود فراتر رفته و در سطح غشا رسوب کنند. پوسته پوسته شدن کربنات کلسیم رایج ترین شکل است و با کاهش pH آب خوراک به 6.0-6.5 (تبدیل HCO3- به CO2) یا با دوز کردن مواد شیمیایی ضد اسکالانت (بازدارنده های مبتنی بر پلی کربوکسیلات یا فسفونات در 2 تا 5 پی پی ام) که باعث تداخل هسته ای می شوند، کنترل می شود. شاخص اشباع Langelier (LSI) و محاسبات Stiff-Davis Saturation Index باید برای هر طراحی سیستم NF انجام شود تا ریسک پوسته پوسته شدن در جریان کنسانتره را کمیت کند.

رسوب آلی

مواد آلی طبیعی، پروتئین ها، روغن ها و سورفکتانت ها می توانند بر روی سطح غشای پلی آمید جذب شوند و یک لایه ژل تشکیل دهند که مقاومت هیدرولیکی را افزایش می دهد. رسوب آلی به ویژه در کاربردهای NF آب های سطحی با غلظت NOM بالا و در سیستم های NF لبنی مشکل ساز است. پیش تصفیه با انعقاد/لخته سازی، جذب کربن فعال دانه ای (GAC)، یا پیش فیلتراسیون UF به طور قابل توجهی بار رسوب آلی را بر روی غشای NF کاهش می دهد. تمیز کردن سوز آور با NaOH در pH 11-12 (به علاوه سورفکتانت برای رسوب روغن) پروتکل استاندارد برای حذف رسوب آلی در طول CIP است.

رسوب زیستی

تشکیل بیوفیلم روی غشاهای NF - ناشی از چسبندگی باکتری ها، رشد و تولید مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) - یکی از سخت ترین حالت های رسوب گیری برای کنترل است زیرا بیوفیلم ها ذاتاً در برابر تمیز کردن شیمیایی مقاوم هستند. رسوب زیستی شار را کاهش می دهد، فشار دیفرانسیل را در سراسر عنصر غشاء افزایش می دهد و در موارد شدید می تواند به غشاء و مواد فاصله ساز آسیب فیزیکی وارد کند. استراتژی‌های کنترل شامل حفظ کلر آزاد در خوراک تا نقطه دکلره (برای محدود کردن تشکیل بیوفیلم در لوله‌کشی قبل از تیمار)، دوز دوره‌ای شوک زیست‌کش‌های غیر اکسیدکننده سازگار با غشا (مانند DBNPA، ایزوتیازولون) و CIP منظم با عوامل بیوسیدال است. تمیز نگه داشتن اسپیسرهای خوراک از طریق سرعت جریان متقاطع مناسب و چرخه های دوره ای فلاش رو به جلو، میزان تجمع رسوب زیستی را کاهش می دهد.

رسوب کلوئیدی و ذرات

ذرات کلوئیدی (مواد معدنی خاک رس، هیدروکسیدهای آهن، کلوئیدهای سیلیس) و جامدات معلق در آب تغذیه می توانند کانال های فاصله دهنده تغذیه را مسدود کرده و در سطح غشاء تجمع کنند. شاخص چگالی سیلت (SDI) پارامتر استاندارد کیفیت آب خوراک است که برای پیش‌بینی خطر رسوب کلوئیدی برای سیستم‌های NF زخمی مارپیچی استفاده می‌شود - معمولاً SDI کمتر از 3 مورد نیاز است و کمتر از 1 برای سیستم‌های با شار بالا ترجیح داده می‌شود. پیش تصفیه برای دستیابی به SDI هدف شامل فیلتراسیون چند رسانه ای، فیلتراسیون کارتریج (5-20 میکرومتر مطلق)، و در موارد چالش برانگیز، پیش تصفیه UF برای کاهش SDI به زیر 0.5 قابل اطمینان است.

طراحی سیستم NF: پیش درمان، بازیابی و مدیریت کنسانتره

غشای نانوفیلتراسیون تنها یکی از اجزای یک سیستم کامل NF است. قطار پیش تصفیه در بالادست و استراتژی مدیریت کنسانتره در پایین دست به همان اندازه تعیین کننده عملکرد سیستم، عمر غشا و هزینه کل عملیاتی هستند.

الزامات قبل از درمان

حداقل، آب تغذیه NF باید بلافاصله قبل از پمپ فشار بالا از فیلتر کارتریج 5 میکرومتری عبور کند تا عناصر غشایی و اجزای پمپ را از آسیب ذرات محافظت کند. برای تغذیه آب های سطحی، انعقاد، ته نشینی و فیلتراسیون چند رسانه ای مراحل پیش تصفیه استاندارد برای کاهش کدورت و بارگذاری NOM هستند. برای آب های زیرزمینی با آهن یا منگنز بالا، اکسیداسیون و فیلتراسیون در بالادست سیستم NF از رسوب این فلزات به سطح غشاء به عنوان رسوب هیدروکسید جلوگیری می کند. تنظیم pH و دوز ضد اسکالانت درست قبل از غشاهای NF بر اساس نتایج تجزیه و تحلیل پوسته‌گذاری اعمال می‌شود. کلر زدایی با SMBS برای غشاهای پلی آمید TFC که آب شهری کلردار دریافت می کنند ضروری است.

نرخ بازیابی سیستم و تاثیر آن

بازیابی سیستم - کسری از آب تغذیه که به نفوذ تبدیل می شود - یک پارامتر طراحی حیاتی برای سیستم های NF است. بازیافت بیشتر به معنای هدر رفت آب کمتر به عنوان کنسانتره و مصرف انرژی ویژه کمتر در هر متر مکعب آب محصول است. با این حال، بازیابی بیشتر به معنی فاکتورهای غلظت بالاتر در جریان کنسانتره، افزایش رسوب گذاری و خطر رسوب است. بازیابی سیستم NF معمولی 75-85٪ برای برنامه های کاربردی آب شهری و 50-70٪ برای خوراک های صنعتی چالش برانگیزتر است. پیکربندی های مرحله (دو یا سه بانک مخزن تحت فشار به صورت سری، با گردش مجدد) برای به حداکثر رساندن بازیابی و در عین حال مدیریت پلاریزاسیون غلظت در عناصر غشایی جداگانه استفاده می شود. نرم‌افزار طراحی سیستم (مانند DuPont WAVE، Toray DS2 یا LG Chem RODESIGN) باید برای مدل‌سازی بازیابی و اعتبارسنجی طرح در برابر شاخص‌های مقیاس‌پذیری و محدودیت‌های شار عنصر منفرد استفاده شود.

دفع کنسانتره و به حداقل رساندن

جریان کنسانتره (رد) از یک سیستم NF شامل تمام گونه‌های رد شده در غلظت‌های بالا است - معمولاً 4 تا 7× غلظت خوراک برای سیستمی که با بازیابی 75 تا 85 درصد کار می‌کند. دفع این کنسانتره به ویژه برای کارخانه های بزرگ NF شهری یک نکته قابل توجه است. گزینه‌ها شامل تخلیه به آب‌های سطحی (با توجه به مجوزهای نظارتی برای سختی، سولفات و محدودیت‌های رسانایی)، اختلاط با پساب تصفیه‌خانه فاضلاب، تزریق چاه عمیق، حوضچه‌های تبخیر در مناطق خشک، یا تصفیه با تجهیزات تخلیه مایع صفر (ZLD) مانند تغلیظ‌کننده‌ها و کریستالایزرهای آب نمک است. برای سیستم‌های NF صنعتی که جریان‌های با ارزش بالا را پردازش می‌کنند، کنسانتره ممکن است خود محصول باشد - به عنوان مثال، در NF لبنیاتی که جریان آب پنیر غلیظ خروجی مطلوب است و تراوش (حاوی نمک‌های رقیق‌شده) تخلیه یا دوباره استفاده می‌شود.

روندهای نوظهور در فناوری غشای نانو فیلتراسیون

علم و مهندسی غشای نانوفیلتراسیون یک زمینه تحقیقاتی و تجاری فعال است. پیشرفت‌های متعددی از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس تجاری در حال حرکت هستند و قابلیت‌های سیستم NF را در دهه آینده شکل خواهند داد.

• غشاهای آکواپورین بیومیمتیک: پروتئین‌های آکواپورین - کانال‌های آب طبیعی موجود در غشای سلولی بیولوژیکی - با موفقیت در غشاهای کامپوزیت NF و RO با لایه نازک ترکیب شده‌اند. غشاهای Aquaporin NF نفوذپذیری بسیار بالایی در آب (2 تا 5× بالاتر از پلی آمید TFC معمولی) همراه با دفع عالی مولکول های آلی کوچک ارائه می دهند که به طور بالقوه عملکرد NF را در فشارهای بسیار پایین تر (1-5 بار) و کاهش چشمگیر مصرف انرژی را ممکن می کند. غشاهای تجاری آکواپورین NF اکنون از Aquaporin A/S و در آزمایش‌های آزمایشی در چندین شرکت در دسترس هستند.
• غشاهای اکسید گرافن (GO) و مواد دو بعدی: نانوصفحات اکسید گرافن که در ساختارهای غشایی ورقه ای مونتاژ شده اند، کانال های بین لایه ای زیر نانومتری را با انتخاب منحصر به فرد برای جداسازی یون ارائه می دهند. غشاهای GO توانایی تمایز بین یون های بار مشابه را بر اساس تفاوت شعاع هیدراته نشان داده اند - انتخابی که با پلی آمید NF معمولی قابل دستیابی نیست. پایداری در محیط‌های آبی چالشی برای تجاری‌سازی باقی می‌ماند، اما از طریق پیوندهای متقابل شیمیایی و رویکردهای ترکیبی ترکیبی مورد توجه قرار می‌گیرد.
• غشاهای NF پلی آمیدی مقاوم به کلر: اصلاح شیمی پلی آمید از طریق ترکیب گروه‌های جانبی حجیم، مشتقات m-phenylenediamine یا پیوند سطحی لایه‌های محافظ باعث تولید غشاهای NF با عملکرد پایدار در حضور ۰.۵ تا ۲ ppm کلر آزاد می‌شود. این امر نیاز به پیش تصفیه دکلره را در برخی کاربردها از بین می برد، طراحی سیستم را ساده می کند و هزینه های شیمیایی را کاهش می دهد.
• نانوفیلتراسیون با کمک الکتریکی (EANF): اعمال یک میدان الکتریکی کوچک در سراسر غشای NF (الکترو-نانو فیلتراسیون) دفع یون را از طریق اثرات مهاجرت الکتریکی اضافی افزایش می‌دهد و انتخاب یون تک ظرفیتی/دو ظرفیتی بالاتری را بدون افزایش فشار ممکن می‌سازد. این به ویژه برای کاربردهایی مانند بازیابی لیتیوم از آب نمک (که در آن نفوذ Li+ مورد نظر است در حالی که Mg2+ رد می‌شود) و بازیابی انتخابی مواد مغذی از جریان‌های فاضلاب مرتبط است.
• NF مقاوم در برابر حلال (SRNF / نانوفیلتراسیون حلال آلی، OSN): یک منطقه کاربردی که به سرعت در حال رشد است NF در سیستم های غیر آبی (حلال آلی) برای سنتز دارویی، بازیابی کاتالیزور و پردازش پتروشیمی است. غشاهای NF مقاوم در برابر حلال مبتنی بر PDMS، پلی‌آمید و مواد سرامیکی دارای پیوند عرضی می‌توانند در کتون‌ها، استرها، الکل‌ها و آلکان‌ها عمل کنند و جداسازی‌های مبتنی بر غشاء را امکان‌پذیر می‌سازند که جایگزین تقطیر انرژی‌بر در فرآیندهای شیمی سبز می‌شوند. پذیرش بازار در حال تسریع است زیرا تولیدکنندگان دارو به دنبال کاهش ضایعات حلال و برآورده کردن معیارهای شیمی سبز هستند.