غشاهای اولترافیلتراسیون، موانع نیمه تراوا هستند که ذرات، کلوئیدها و ماکرومولکولها را از یک مایع - معمولاً آب - صرفاً بر اساس اندازه جدا میکنند. بر خلاف روش های تصفیه شیمیایی، غشاهای UF با فشار دادن محلول خوراک از طریق یک ساختار متخلخل با اندازه منافذ معمولاً از 0.01 تا 0.1 میکرون (10-100 نانومتر) . هر چیزی بزرگتر از اندازه منافذ در یک طرف حفظ می شود. همه چیز کوچکتر به عنوان نفوذ می کند.
این مکانیسم حذف اندازه، غشاهای اولترافیلتراسیون را در حذف باکتریها، ویروسها، مواد جامد معلق، پروتئینها و مواد آلی با وزن مولکولی بالا - بدون نیاز به منعقدکنندهها یا ضدعفونیکنندهها در بسیاری از موارد، بسیار موثر میسازد. برش وزن مولکولی (MWCO) معیار استانداردی است که برای توصیف آنچه که یک غشای UF اجازه عبور می دهد و نمی گذارد، معمولاً بر حسب دالتون (Da) بیان می شود و از 1000 دا تا 500000 دا بسته به کاربرد
ارزش تمایز UF را از فناوری های فیلتراسیون مجاور دارد. میکروفیلتراسیون (MF) دارای منافذ بزرگ تری است و نمی تواند به طور قابل اعتماد ویروس ها را حذف کند. نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) دارای منافذ بسیار کوچکتری هستند و نمکهای محلول را حذف میکنند – اما به فشار عملیاتی و انرژی بسیار بالاتری نیاز دارند. اولترافیلتراسیون در حد وسط عملی قرار دارد: به اندازه کافی خوب است که حذف میکروبی را تضمین کند، اما به اندازه کافی کارآمد برای عملکرد در فشارهای گذرنده نسبتا پایین (معمولا 1-5 بار ).
غشاهای UF در چندین پیکربندی تولید می شوند که هر کدام برای محیط های عملیاتی مختلف و نیازهای جریان مناسب هستند. درک شکل فیزیکی یک غشاء به اندازه ترکیب شیمیایی آن هنگام انتخاب یک غشا برای یک سیستم خاص مهم است.
غشاهای UF فیبر توخالی پرکاربردترین پیکربندی در تصفیه آب شهری و سیستمهای صنعتی هستند. این لولههای نازک و نیمانند - معمولاً 0.5 تا 2.0 میلیمتر قطر هستند - که توسط هزاران لوله در داخل یک محفظه ماژول قرار گرفتهاند. آب تغذیه یا از داخل الیاف (تغذیه سمت لومن) یا در اطراف (تغذیه سمت پوسته) جریان می یابد. ماژولهای فیبر توخالی سطح بسیار بالایی را در یک فضای فشرده قرار میدهند که باعث میشود فضای بسیار کارآمدی داشته باشند. آنها همچنین از شستشوی معکوس پشتیبانی می کنند که عمر عملیاتی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
غشاهای اولترافیلتراسیون صفحه تخت عمدتاً در سیستم های بیوراکتور غشایی غوطه ور (MBR) و کاربردهای در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شوند. آنها از یک لایه پشتیبانی متخلخل مسطح تشکیل شده اند که با لایه فیلتراسیون فعال پوشانده شده است. ماژول های زخم مارپیچی چندین ورقه مسطح را در اطراف یک لوله نفوذی مرکزی می چرخانند و سطح سطح را افزایش می دهند و در عین حال اندازه ماژول قابل کنترل را حفظ می کنند. این تنظیمات در فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی که در آن جریان های خوراک ویسکوز هستند یا حاوی مواد جامد معلق بالا هستند، رایج است.
غشاهای لولهای دارای قطر بسیار بزرگتری نسبت به الیاف توخالی هستند - معمولاً 5 تا 25 میلیمتر - که باعث میشود در برابر رسوبگیری ناشی از تغذیه با مواد جامد بالا مقاومتر شوند. تمیز کردن آنها با شستشوی معکوس سخت تر است اما بازرسی و تمیز کردن مکانیکی آنها آسان تر است. صنایعی که با پساب های لبنی، شفاف سازی آب میوه و فاضلاب های روغنی سروکار دارند، اغلب غشاهای UF لوله ای را به دلیل استحکام آنها در شرایط سخت ترجیح می دهند.
ترکیب مواد یک غشاء UF مستقیماً بر مقاومت شیمیایی، آب دوستی، رفتار رسوبپذیری و دوام مکانیکی آن تأثیر میگذارد. اکثر غشاهای تجاری UF به دو دسته کلی تقسیم می شوند: پلیمری و سرامیکی.
| مواد غشایی | ویژگی های کلیدی | برنامه های کاربردی معمولی |
|---|---|---|
| پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) | مقاومت شیمیایی بالا، بادوام، آبگریز (اغلب اصلاح شده) | آب شهری، سیستم های MBR، فاضلاب صنعتی |
| پلی اتر سولفون (PES) | شار عالی، پایداری حرارتی خوب، مقاومت در برابر رسوب متوسط | بیوتکنولوژی، داروسازی، جداسازی پروتئین |
| پلی سولفون (PS) | سفت و سخت، قابل استریل شدن، تحمل pH گسترده | تجهیزات پزشکی، دیالیز، فیلتراسیون آزمایشگاهی |
| استات سلولز (CA) | به طور طبیعی آب دوست، جذب پروتئین کم، زیست تخریب پذیر | فرآوری مواد غذایی، آب آشامیدنی، جداسازی زیستی |
| سرامیک (Al2O3، TiO2، ZrO2) | مقاومت شیمیایی / حرارتی شدید، عمر طولانی | جداسازی روغن از آب، فرآیندهای با دمای بالا، مواد شیمیایی تهاجمی |
PVDF به دلیل تعادل استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر مواد شیمیایی تمیزکننده مانند کلر و سود سوزآور به عنوان ماده پلیمری غالب در تصفیه آب در مقیاس بزرگ ظاهر شده است. با این حال، غشاهای UF سرامیکی - اگرچه در قسمت قبلی به طور قابل توجهی گران تر هستند - عمر مفیدی را ارائه می دهند 10-15 سال و می تواند شستشوی معکوس را در دماها و غلظت های شیمیایی که غشاهای پلیمری را از بین می برد، تحمل کند.
تطبیق پذیری فیلتراسیون غشایی UF آن را به یک فناوری اصلی در طیف گسترده ای از صنایع تبدیل کرده است. توانایی آن در حذف مطمئن پاتوژن ها و ماکرومولکول ها بدون تغییر در شیمی محلول تراوش، موقعیت منحصر به فردی را هم در تصفیه آب و هم در تصفیه محصول به آن می دهد.
غشاهای UF تا حد زیادی جایگزین مراحل فیلتراسیون شنی و رسوب گذاری معمولی در کارخانه های آب آشامیدنی مدرن شده اند. یک سیستم UF فیبر توخالی که به خوبی کار میکند به این نتیجه میرسد log 4 حذف باکتری ها و log 2-4 حذف ویروس ها ، رعایت یا فراتر از استانداردهای نظارتی در اکثر حوزه های قضایی. آنها همچنین بدون توجه به تغییرات در کدورت آب خام کیفیت فاضلاب ثابتی تولید می کنند - یک مزیت کلیدی نسبت به سیستم های مبتنی بر گرانش. بسیاری از کارخانه ها از UF به عنوان مرحله پیش تصفیه قبل از RO استفاده می کنند، که باعث کاهش بار رسوب بر روی غشاهای پایین دست گران تر می شود.
در سیستم های MBR، غشاهای UF مستقیماً در مخزن تصفیه بیولوژیکی غوطه ور می شوند و جایگزین زلال ساز ثانویه در فرآیندهای لجن فعال معمولی می شوند. غشاء تمام زیست توده را در راکتور حفظ می کند در حالی که اجازه می دهد پساب تصفیه شده از آن عبور کند. این منجر به کیفیت قابلتوجه پساب بالاتر میشود - معمولاً استانداردهای استفاده مجدد مستقیم را برآورده میکند - از ردپای فیزیکی بسیار کوچکتر. سیستمهای MBR با غشاهای UF به طور فزایندهای در مناطق کمآب، هتلها، بیمارستانها و تأسیسات صنعتی که در آن فضا و بازیافت آب در اولویت هستند، مستقر میشوند.
صنایع غذایی برای طیف گسترده ای از وظایف غلظت و شفاف سازی به سیستم های غشایی اولترافیلتراسیون متکی است. در فرآوری لبنیات، غشاهای UF پروتئین های شیر را برای تولید پنیر غلیظ می کنند، ترکیب شیر را استاندارد می کنند و پروتئین های آب پنیر را برای محصولات غذایی بازیابی می کنند. در تولید نوشیدنی، از UF برای شفاف سازی آب میوه و شراب بدون عملیات حرارتی، حفظ ترکیبات طعم و رنگ استفاده می شود. آبجوسازی ها از غشاهای UF برای حذف مخمر و پروتئین ها از آبجو استفاده می کنند و در عین حال ویژگی های حسی آن را حفظ می کنند.
در تولید دارو، غشاهای UF برای تغلیظ و خالصسازی مواد بیولوژیک مانند آنتیبادیهای مونوکلونال، واکسنها و آنزیمها حیاتی هستند. فیلتراسیون جریان مماسی (TFF) - یک نوع جریان متقاطع UF - تکنیک استاندارد برای تبادل بافر و غلظت پروتئین در پردازش زیستی بالادست و پایین دست است. توانایی کار در شرایط استریل و دستیابی به جداسازی دقیق MWCO باعث می شود غشاهای UF در محیط های تولیدی مطابق با GMP ضروری باشند.
رسوب غشایی تجمع مواد باقی مانده روی غشا یا درون آن است که منجر به کاهش شار نفوذ در طول زمان می شود. این تنها بزرگترین چالش عملیاتی برای هر سیستم UF است و تأثیر مستقیمی بر مصرف انرژی، فرکانس تمیز کردن و طول عمر غشا دارد. مکانیسم های رسوب به چهار دسته اصلی تقسیم می شوند:
اپراتورها رسوب را از طریق ترکیبی از استراتژی ها مدیریت می کنند: شستشوی معکوس هیدرولیک معمولی (معمولاً هر 20 تا 60 دقیقه)، شستشوی معکوس شیمیایی دوره ای (CEB) با استفاده از کلر یا اسید سیتریک، و روش های تمیز در محل (CIP) با استفاده از پاک کننده های سوزاننده، اسیدی و آنزیمی. آب دوستی غشاء یک ویژگی اصلی مواد در مقاومت در برابر رسوب است - سطوح آبدوست بیشتر ترکیبات آلی کمتری را جذب می کنند، به همین دلیل است که غشاهای PVDF اغلب به صورت سطحی اصلاح می شوند یا با افزودنی های آبدوست مانند پلی وینیل پیرولیدون (PVP) مخلوط می شوند.
انتخاب غشای اولترافیلتراسیون مناسب برای یک برنامه کاربردی مستلزم ارزیابی چندین پارامتر به هم پیوسته است. یک غشای با شار بالا ممکن است روی کاغذ جذاب به نظر برسد، اما اگر به سرعت در معرض آلودگی قرار گیرد یا تحت مواد شیمیایی تمیزکننده تخریب شود، عملکرد ضعیفی دارد.
صنعت غشاء UF به سرعت به تکامل خود ادامه می دهد، که ناشی از قوانین سختگیرانه تر کیفیت آب، افزایش تقاضا برای استفاده مجدد از آب و پیشرفت در علم مواد است. چندین جهت هم در تحقیقات و هم در استقرار تجاری جذابیت قابل توجهی پیدا کرده اند.
محققان در حال تعبیه نانوذرات - از جمله دی اکسید تیتانیوم (TiO2)، نقره، اکسید گرافن و زئولیت ها - در غشاهای پلیمری هستند تا آب دوستی، عملکرد ضد رسوب و حتی قابلیت خودتمیزشوندگی فتوکاتالیستی را بهبود بخشند. پذیرش تجاری هنوز محدود است، اما نتایج اولیه بهبودهای شار را نشان می دهد 30-60٪ و فواصل تمیز کردن قابل ملاحظه ای طولانی تر در مقایسه با غشاهای اصلاح نشده.
اولترافیلتراسیون مبتنی بر گرانش بدون پمپ یا مخازن تحت فشار عمل میکند و آن را در محیطهای خارج از شبکه و شرایط کم درآمد قابل اجرا میکند. این سیستمها با شارهای بسیار کم (حدود 1-10 LMH) کار میکنند، اما یک لایه رسوبکننده فعال بیولوژیکی ایجاد میکنند که بهطور متناقضی شار را در طول زمان به جای مسدود کردن غشاء تثبیت میکند. این رفتار غیر شهودی علاقه تحقیقاتی قابل توجهی را برای کاربردهای آب آشامیدنی غیرمتمرکز در مناطق در حال توسعه به خود جلب کرده است.
تاسیسات مدرن UF به طور فزاینده ای با ازن زنی بالادست یا UV-AOP (فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته) برای تجزیه ریزآلاینده ها و کاهش پیش سازهای رسوب زیستی قبل از مرحله غشایی جفت می شوند. به طور همزمان، سیستمهای کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی برای پیشبینی شروع رسوب، بهینهسازی زمان شستشوی معکوس، و افزایش عمر غشاء به کار گرفته میشوند - کاهش مصرف مواد شیمیایی تا حداکثر 25% در تاسیسات پایلوت ترکیبی از کنترل فرآیند هوشمندتر و مواد غشایی بهتر، سیستمهای UF را به سمت چرخههای عملیاتی طولانیتر و هزینه کل مالکیت پایینتر سوق میدهد.
