انواع ممبران

ممبران (Membrane)

ممبران غشایی انتخاب پذیر است که تنها اجازه‌ می‌دهد برخی از ترکیبات خاص موجود در مایع ورودی از آن عبور کنند و سدی در برار ترکیبات دیگر می شود. جریانی که ورود یک ممبران می گردد را جریان خوراک (feed-stream) می‌نامند، مایعی که غشا اجازه عبور به آن داده است آب تصفیه‌شده (permeate) ، و مایعی که حاوی ترکیبات بر جای مانده است، مایع باقی‌مانده (retentate) یا غلیظ‌ شده (concentrate) نامیده می‌شود.

این روش از قرن هجدهم شناخته شده بود، اما تا پایان جنگ جهانی دوم در خارج از آزمایشگاه به ندرت مورد استفاده قرار می‌گرفت. از فیلترهای غشایی در جهت انجام آزمایش سلامت استفاده می‌شد زیرا آب منابع آب آشامیدنی در اروپا به‌دلیل جنگ به‌خطر افتاده بود. با این وجود، به سبب عدم اطمینان، عملکرد آرام، قابلیت انتخاب محدود و هزینه‌های بالا، از ممبران‌ها به‌طور گسترده‌ای استفاده نشد. نخستین استفاده از ممبران‌ها در مقیاس بزرگ، در فن‌آوری‌های مربوط به میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بود.که سال 1980، فرآیند‌های جداسازی، همراه با الکترودیالیز، در کارخانجات بزرگ مورد استفاده قرار می گرفتند و در حال حاضر چندین شرکت‌ با تجربه در این زمینه در بازار خدمت می‌کنند.

درجه انتخاب توسط یک ممبران به سایز و اندازه منافذ غشاء وابسته می‌باشد. برحسب اندازه منافذ، می‌توان آنها را تحت عنوان میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) طبقه‌بندی کرد. ممبران‌ها می‌توانند دارای ضخامت‌های مختلف، با ساختارهای همگن یا ناهمگن نیز باشند. ممبران‌ها این قابلیت را دارند که از نظر بار الکتریکی بصورت خنثی یا باردار بوده، و ذرات انتقالی می‌توانند فعال یا غیر فعال باشند. ذرات در صورتی که غیرفعال باشند می‌توانند با استفاده از گرادیان‌های فشار، غلظت، شیمیایی یا الکتریکی به سادگی از میان غشاء عبور کنند. به صورت کلی ممبران‌ها می‌توانند به‌صورت ممبران‌های مصنوعی و ممبران‌های بیولوژیکی طبقه‌بندی گردند.

میکروفیلتراسیون (MF)

در فرآیند میکروفیلتراسیون ذرات با اندازه بزرگ‌تر از 0.08 تا 2 µm حذف می‌گردند و فشار عملیاتی در محدوده‌ی 7 تا 100 کیلو پاسکال خواهد بود. از این فرآیند (میکروفیلتراسیون) برای حذف مواد جامد معلق باقی‌مانده (SS) ، حذف باکتری‌ها جهت ضد عفونی شدن مؤثر آب و نیز تحت عنوان یک پیش تصفیه در جهت فرآیند اسمز معکوس استفاده می‌گردد. بیو راکتور غشایی (MBR) فن‌آوری نسبتاً جدیدی است که در آن میکروفیلتراسیون و بیوراکتور جهت انجام تصفیه‌ی بیولوژیکی با هم ترکیب گردیده‌اند.

اولترافیلتراسیون (UF)

در فرآیند اولترافیلتراسیون ذرات با اندازه بزرگ‌تر از 0.005 تا 2 µm حذف می‌گردند و فشار عملیاتی در محدوده‌‌ی 70 تا 700 کیلو پاسکال بود. از فرآیند این (اولترافیلتراسیون) برای طیف عظیمی از کاربردهای مشابه با میکروفیلتراسیون استفاده می‌شود. بعضی از غشاءهای اولترافیلتراسیون جهت حذف ترکیبات محلول با وزن مولکولی بالا، همچون پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به جز این، آنها قادر به حذف ویروس‌ها و برخی از اندوتوکسین‌ها (ترکیبات سمی) نیز می‌باشند.

نانوفیلتراسیون (NF)

نانوفیلتراسیون که گاها  RO “بی‌قاعده (loose)” نیز نامیده می‌شود، می‌تواند ذرات با اندازه کوچک‌تر از 0.001 µm را دفع کند. از این فرآیند (نانوفیلتراسیون) جهت حذف ترکیبات محلول منتخب شده‌ای در فاضلاب استفاده می‌شود. NF در بخش ابتدایی یک فرآیند سختی‌گیری با استفاده از غشاء بوده که به‌عنوان جایگزین برای سختی‌گیرهای شیمیایی پیشنهاد می‌گردد.

همینطور، نانوفیلتراسیون قادر است به‌عنوان یک پیش‌تصفیه قبل از اسمز معکوس نیز مورد استفاده قرار گیرد. اهداف اصلی جهت استفاده از NF در مرحله‌ی پیش‌تصفیه‌ بدین گونه است:

– به‌حداقل رساندن لای‌گرفتگی ناشی از ذرات و میکروب‌ها در ممبران‌های RO به علت حذف کدورت و باکتری‌ها

– جلوگیری از ایجاد رسوب به علت حذف یون‌های سختی

– کاهش فشار عملیاتی در فرآیند RO با کاهش غلظت کل جامدات محلول (TDS ) در آب خوراک.

اسمز معکوس (RO)

به طور معمول از اسمز معکوس در جهت فرآیند نمک‌زدایی استفاده می‌شود. همچنین، فرآیند RO برای حذف ترکیبات محلول باقی‌مانده در فاضلاب،‌ پس از انجام تصفیه‌ پیشرفته با میکروفیلتراسیون به طور متداول مورد استفاده قرار میگیرد. فرآیند RO مانعی جهت عبور یون‌ها می‌باشد اما برای تولید آب بدون یون به فشار زیادی احتیاج می‌باشد (850 تا 7000 کیلو پاسکال).

ترکیب‌بندی غشاء (Membrane Configurations)

در بخش مربوط به غشاء، از عبارت مدول برای توصیف واحدی کامل تشکیل‌شده از غشاء‌ها، ورودی خوراک، ساختار حفظ فشار، جریان‌های خروجی آب تصفیه‌شده و غلیظ شده ، و همچنین یک ساختار پشتیبانی کلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. انواع اصلی مدول‌های غشائی بصورت زیر هستند:

•  
• – لوله‌ای (tubular)، در این نوع ممبران‌ها در داخل لوله‌های متخلخل محافظ قرار گرفته‌اند، و این لوله‌ها با هم در یک پوسته استوانه‌ای جای می‌گیرند و یک واحد مدولی را تشکیل می‌دهند. این تجهیزات لوله‌ای در وهله نخست به‌علت قابلیتی که در فرآیندهایی با مقدار جامدات و ویسکوزینه بالایی و همچنین سهولت نسبی در امر تمیز شدن، برای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• – الیاف توخالی (hollow fiber) ، این نوع شامل مجموعه‌ای از صدها تا هزاران فیبر توخالی می‌باشد. این مجموعه بصورت کامل در داخل یک لوله تحت فشار قرار گرفته می‌شود. جریان خوراک می‌تواند از درون الیاف (جریان داخل به خارج) یا از خارج الیاف (جریان خارج به داخل) وارد شود.
• – مارپیچی (spiral wound) این نوع که یک جداکننده‌ی قابل انعطاف می‌باشد برای آب تصفیه شده بین دو ورقه‌ی صاف غشائی قرار می‌گیرد. یک جداکننده‌ی قابل انعطاف برای آب ورودی اضافه می‌شود و ورقه‌های صاف به‌شکل لوله پیچیده می‌شوند.
• – صفحه و قاب (plate and frame) که از یک سری ورقه‌های صاف غشائی و صفحات محافظ تشکیل می‌شود آب با عبور کردن از میان غشاءهای مربوط به دو ساختار ممبرانی مجاور هم، تصفیه می‌گردد. صفحه‌ی مورد نظر هم از ممبران‌ها محافظت می‌کند و مجرایی برای خروج آب تصفیه شده از واحد مدولی را فراهم می‌سازد.