اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration) یا به فارسی فراپالایش یک فرآیند فیلتراسیون با استفاده از ممبران است که بر مبنای غشای نیمه تراوا جهت جداسازی ذرات با سایز 0.1 تا 0.01 میکرون به کار می رود. غشاهای این فیلتر از عبور ذرات با وزن مولکولی بالا، ذرات کلوییدی، مولکول پلیمرهای آلی و غیر آلی و تمامی ذرات با سایز بالاتر از 20-10 نانومتر از جمله گرده ها، جلبک ها، باکتری ها، ویروس ها و میکروب ها ممانعت می کند. در طی این فرایند،جریان سیال ورودی بصورت مماس از سطح ممبران عبور داده می شود و به دو فاز آب تصفیه شده (Permeate) و آب پساب (Concentrate ) تقسیم میشود. اختلاف فشار، نیروی محرک جریان، جهت عبور از میان غشای ممبران می باشد. ساختار نامتقارن ممبران های UF باعث جدا شدن ذرات بزرگتر از وزن مولکولی ممبران و باقی ماندن آن ها در سطح ممبران می شود در حالیکه ذرات کوچکتر از میان ساختار ممبران عبور می کنند. فیلتراسیون، پالایش، جداسازی و تغلیظ محلول زمانی که غلظت مواد باقیمانده بر سطح ممبران افزایش پیدا می کند به پایان می رسد. سیستم اولترافیلتراسیون در فیلتراسیون محلولهای حاوی ذرات جامد معلق، باکتریها، و غلظت بالای ماکرو مولکولها همانند جداسازی مخلوط آب در روغن، آب میوه ها، صنایع شیر و لبنیات، صنایع دارویی، صنایع تولیدآب آشامیدنی و تصفیه پساب نسبت به سایر سیستمهای مشابه در فیلتراسیون ارجحیت دارد. قطر حفرات روی سطح غشاء قادر به حذف ذرات معلق تا قطر 0/01 میکرون می‌باشد، از این رو 99/99% از میکروارگانیزم ها، باکتری ها و ذرات معلق توسط این غشاها به صورت فیزیکی حذف می گردند و NTU آب خروجی به کمتر از 0/02 می رسد. فشار عملکردی فیلترهای UF پایین و در حدود 0/5 تا 1 بار می باشد. با توجه به قابلیتهای بالای این سیستمها، امروزه از اولترافیلترها به عنوان تکنولوژی جایگزین سیستمهای متداول نظیر فیلترهای شنی، UV وBag filter در پیش تصفیه آبهای سطحی، آب دریا و نیز پیش تصفیه سیستم های اسمز معکوس و دیگر سیستمهای غشائی بکار برده می شوند. علاوه بر اندازه مولکول ها، جاذبه های بین اجزاء و غشا در فرآیند غشاهای اولترافیلتراسیون تاثیرگذار است. اختلاف فشار اسمزی در دو طرف غشا با توجه به عبور نمک ها و یون ها از غشا قابل ملاحظه نیست و بنابراین فشار لازم برای انجام اولترافیلتراسیون در حدود 2 تا 7 بار می باشد که نسبت به فشار اعمالی در فرآیند نانوفیلتراسیون فشار کمتری می باشد. شار به دست آمده در اولترافیلتراسیون با توجه به اندازه حفره های غشا بیش از نانوفیلتراسیون و اسمزمعکوس و کمتر از میکروفیلتراسیون است. با توجه به ویژگی های عنوان شده از این فرآیند، می توان در عملیات تصفیه، تغلیظ و تفکیک استفاده نمود. اولترافیلتراسیون (UF) قادر به حذف کلوئیدها، باکتری ها، ویروس ها و ترکیبات آلی با وزن مولکولی زیاد است در نتیجه این غشاها مستعد گرفتگی هستند. غشاهای اولترافیلتراسیون(UF) از دو لایه تشکیل می شوند. یک لایه بسیار نازک (1 تا mµ 5) و یک پرده متخلخل ریز با ضخامت (25 تا mµ 50) و یک لایه زیرین بسیار متخلخل، دبی فرآیند فیلتراسیون با مواد جامد معلق و غلظت ناشی از پلاریزاسیون کاهش می یابد و سبب پس زدن ناخالصی ها می شود.
از اصلی ترین کاربردهای اولترافیلتراسیون در بخش صنعتی و تصفیه پساب کارخانجات و کارگاه های تولیدی می باشد. از اولترافیلتراسیون می توان در صنایع غذایی و دارویی و همچنین کارخانجات مختلف استفاده نمود زیرا با توجه به داشتن قابلیت حذف مواد آلی، روغن، گریس، ذرات کلوئیدی و همچنین پروتئین ها از پکیج تصفیه آب قابلیت شگفت انگیز خود را اثبات کرده است.
مراحل فیلتراسیون سیستم غشایی اولترافیلتراسیون (UF)
فرایند پیش تصفیه غشایی در چهار دسته عملکرد طبقه بندی می شود:
– فرایند جریان (processing)
– شستشو غشاها (backwash)
– تمیز کردن غشاها (Cleaning)
– آزمایش یکپارچگی غشاها (Integrity Testing)
فرایند جریان
با توجه به خروجی جریان، نوع فرآیند به دو نوع جریان مستقیم و جریان برگشتی تقسیم می شود. در جریان مستقیم آب تماما از غشاها عبور می کند. در جریان برگشتی بخشی از جریان خروجی به سیستم خوراک بازگشت داده می شود. سیستم جریان مستقیم نیازمند شستشوی متناوب می باشد که به دو شیوه زیر اجرا می شود:
کنترل فشار روی ممبران (TMP)
بررسی جریان فلوک های خروجی قابل کنترل می باشد.
جریان غشایی میزان آب فیلتر شده توسط غشاء می باشد. واحد پارامتر جریان غشایی لیتر مترمربع در ساعت یا گالن فوت مربع در روز می باشد. در پیش تصفیه این جریان بین 80-40 Lmh طراحی می شود. با افزایش جریان عبوری از غشاها و تجمع مواد جامد در سطح غشاء، گرفتگی منافذ آن بیشتر می شود. مدت زمان عبور جریان از روی غشا باید به گونه ای اعمال شود که رسوب گذاری در حداقل مقدار باشد. این زمان با توجه به فشار روی غشاء و حداکثر فشار پمپ های تغذیه کنترل می شود. با افزایش رسوب گذاری روی غشاء جریان عبوری کاهش خواهد یافت.
فشار غشاء نشان دهنده ی اختلاف فشار ورودی و خروجی روی غشاء می باشد. این فشار بر رسوب گذاری غشاها و دوره کارکرد فیلتراسیون تاثیرگذار است. در سیستم های پیش تصفیه TMP بین (0.2 – 1) بار است. این فشار برای سیستم های تحت فشار، بالای 1 بار و برای سیستم های تحت خلا کمتر از 1 بار می باشد. افزایش فشار باعث افزایش تحلیل روی الیاف غشا می گردد. فشار روی الیاف توسط تولید کننده متناسب با جنس الیاف و انعطاف پذیری آن تعریف می شود و می تواند تا 2.5 بار افزایش یابد.
پارامتر سوم مهم در غشاها، نفوذپذیری می باشد. این ضریب برای فیلترهای UF برای فرآیندهای پیش تصفیه آب شور در حدود 75 – Lmh/bar 500 یا 5- gfd/Psi 20 است. این ضریب در 25 lmh/bar یا 1 gfd/psi اندازه گیری می شود.
کیفیت آب ورودی به UF چقدر است؟
به منظور بهره وری بهتر از روش اولترافیلتراسیون لازم است به ویژگی های در نظر گرفته شده در طراحی و تولید فیلتر و ممبران ها استانداردها و کیفیت آب ورودی به دستگاه مورد توجه قرار گیرد. در حالت کلی و بر اساس یک استاندراد همیشگی کیفیت آب ورودی به UF به صورت زیر می باشد:
– میزان COD یا اکسیژن خواهی کمتر از 60 mg/lit
– حداکثر ph در بازه 2 الی 11 واحد
– روغن موجود در آب کمتر از 2 mg/lit
– حداکثر کدورت یا turbidity آب 300 NTU
– حداکثر TSS یا ذرات معلق جامد در آب کمتر از 100 mg/lit
– عدم توجه به کیفیت آب ورودی به UF باعث میشود ممبران یا فلیتر با سرعت بالایی کثیف شده و کارایی خود را از دست داده و طول عمر آن کاهش پیدا کند.
مزایای اولترافیلتراسیون UF
با وجود روش های متعددی که برای تصفیه آب در حال انجام است، اولترافیلتراسیون با استقبال بسیار بالایی در مصارف صنعتی و خانگی مواجه شده است که اصلی ترین دلیل این محبوبیت مزایای مناسب آن می باشد. از مهم ترین مزایای UF عبارتند از:
– تولید آب خالص بدون ذرات ریز، ویرویس، میکروب و مواد آلی
– بهره مندی از مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون
– بهره مندی از مقاومت بالا حرارتی و شیمیایی
– نرخ بسیار کم گرفتگی ممبران و عدم نیاز به سرویس و شستشوهای پیوسته
– SDI پایین در فرآیند اولترافیلتراسیون
– دقت بسیار بالا در برابر جداسازی
– عدم محدودیت در مقدار آب تصفیه شده به دلیل نداشتن مخزن ذخیره سازی آب
– کاربرد گسترده در صنعت و کشاورزی
– تعمیر و نگهداری آسان دستگاه
– صرفه جویی در مصرف انرژی بخاطر نیاز به فشار کم پمپ برای ورود آب به دستگاه
– مقاومت بالای غشاهای اولترافیلتراسیون در برابر مواد شیمیایی و مکانیکی
جنس ممبران های اولترافیلتراسیون
غشاها معمولاً از جنس پلی اترسولفون (PES)، پلی وینیلیدین دی فلوراید (PVDF) و پلی سولفون (PS) ساخته می شوند. بیشتر این مواد آبدوست هستند PES ها، آبدوست ترین مواد از موارد گفته شده هستند. مواد آبدوست دو مزیت دارند: 1- به سرعت مرطوب می شوند و قابلیت نفوذ آنها افزایش می یابد. 2- مقاومت بالاتری نسبت به گسستگی دارند.
متداول ترین مواد غشایی PVDF و PES می باشند. بطور کلی PES از نفوذپذیری بالاتر ولی از از دوام و مقاومت کمتر در مقابل کلر برخوردار است. در مقابل غشاهای PVDF مقاومت بالاتری دارند. انعطاف پذیری و مقاومت در برابر فشار از ویژگی های بارز غشاها می باشند. به ویژه در شستشو با هوا که به همراه شوک برروی الیاف غشاء می باشد. این نوع شستشو روی غشاهای از جنس PES موجب آسیب فیبر غشاء و ایجاد حفرات گلدانی در سطح غشاء می شود. به همین دلیل PES را فقط با آب بکواش می کنند.
سیستم های پیش تصفیه می باید در فشارهای بالا طراحی شوند و تحمل فشار بالاتر از 2.7 تا 5 بار را داشته باشند. سیستم های پیش تصفیه که از غشاهای جنس PES استفاده می کنند، معمولاً دچار آسیب های مکرر سطح غشاء می شوند (به دلیل تغییرات فشار در فرآیند اسمز معکوس تا 5 بار). به همین دلیل از غشاهای PVDF به دلیل مقاومت بالاتر استفاده می شود. هزینه غشاهای PVDF بالاتر و از نفوذپذیری کمتری برخوردارند و به دلیل سطح منافذ کمتر نسبت به فیلتر PES کیفیت آب خروجی از آنها پایین تر می باشد.
شکل هندسی ممبران ها
غشاهای پیش تصفیه آب شور حالت توخالی، لوله ای و مارپیچ دارند. غشاهای فیبر توخالی معمولاً از چند صد تا چند هزار فیبر غشایی تشکیل می شوند که در انتها با اپوکسی با رزین پلی اورتان پوشیده می شوند و در ماژول های جداگانه محصور می شوند. قطر داخلی فیبرها از 0.4 تا 1.5 میلیمتر می باشد. با توجه به نوع غشا، جهت جریان از داخل به خارج و یا بالعکس می باشد. الگوی جریان به خارج معمولاً نسبت به مقدار بار جامد در آب شور حساسیت کمتری دارد. در غشاهای لوله ای قطر داخلی آنها نسبت به فیبرهای توخالی بیشتر است (1- 2.5 سانتیمتر) این لوله ها در داخل پلاستیک تقویت شده با فایبر گلاس یا لوله های استنلس استیل قرار می گیرد که در دو انتهای لوله واشر وجود دارد.
مزایای غشا فیبر توخالی:
– مساحت سطح بالا نسبت به حجم
– شستشوی راحت تر
– تصفیه در فشار ورودی TMP از 0.2 تا 1 بار
– افت فشار کمتر از بین دیگر ماژول های غشایی (0.1 – 1 بار)
مزایای غشای لوله ای:
– تصفیه آب های با ذرات جامد بالاتر با توجه به قطر داخلی بیشتر آن ها
– سرعت تقریباً دو برابر در عبور جریان
سیستم های غشایی تحت فشار
سیستم های غشایی تحت فشار UF و MF همانند سیستم های RO در pressure vessel های مختلف نصب می شوند. سیستم های تحت فشار بسته به جهت آب ورودی به ممبران به دو نوع سیستم فشار از خارج با فیدهای ممبران که به آن PDO (تحت فشار خارجی) و فشار از داخل که به آنها PDI (تحت فشار داخلی) گفته می شود تقسیم می گردد. معمولاً در تمیز کردن سطح ممبران ها در PDO از آب تصفیه شده و برای PDI از ترکیب هوا و آب تصفیه شده استفاده می گردد. سیستم PDO در فشار کاری بالاتری در دبی مشابه نسبت به سیستم PDI طراحی می شود. المان های ممبران های تحت فشار بصورت افقی و عمودی نصب می شوند.
مقایسه تغییرات کیفیت آب در سیستم های غشایی
سیستم های غشایی برای منابع آب شور و منابع با کیفیت متغیر کدورت مانند آب های سطحی مناسب ترند. این سیستم ها تاثیر نوسانات کیفیت آب را کاهش می دهد. سیستم های غشایی تحت فشار در مقابل بار مواد جامد ورودی به شدت حساس می باشند و می باید بصورت پیوسته شستشو شوند. برای رفع این نقص تولید کنندگان غشاها، ماژول هایی با چگالی الیاف متغیر می سازند این نوع غشاها دارای الیاف کمتر و حفرات بیشتری هستند تا بار عبوری جامدات افزایش پیدا کند.
عملکرد فیلتر های اولترافیلتراسیون
– حذف مواد جامد: سیستم های غشایی UF برای حذف کدورت ، مواد غیر محلول و کلوئیدی بسیار موثر هستند. با این سیستم کدورت را می توان تا زیر NTU 0.1 کاهش داد. چنانچه کدورت آب ورودی بیش از NTU 50 بوده و منبع سیلیتی داشته باشد، علاوه بر سیستم غشایی UF، نیاز به یک سیستم پیش تصفیه مانند حوضچه های لاملا و یا سیستم DAF بصورت پیش نیاز می باشد.
– حذف مواد ارگانیک: سیستم های پیش تصفیه غشایی نمی توانند مقدار قابل توجهی از مواد آلی را حذف کنند. ورود این مواد به سیستم RO می تواند باعث ایجاد بستر زیستی در غشای RO می شود. فیلترهای گرانولی با توجه به میزان بارسطحی و و عمق بستر می تواند 20 تا 40 درصد از میکروارگانیزم های آب ورودی را کاهش دهند. سیستم های غشایی UF کارایی بسیار پایینی در حذف روغن و گریس دارند که ورود آن به سیستم RO مشکلات اساسی را برای سیستم ایجاد می کند.
– حذف جلبک: غشا UF می توانند تمام جلبک ها را حذف کند. میزان حذف این جلبک ها در منابع آب شور وابسته به عواملی همچون تعداد جلبک ها در هر لیتر (کمتر از 20000 سلول در لیتر)، نوع غشاء و میزان TMP می باشد.
– حذف باکتری ها و ویروس ها: سیستم غشایی UF می توانند عوامل بیماری زا را حذف نمایند. غشاهای UF با اندازه موثر 0.01 تا 0.02 میلی متر می توانند بیش از 4 نوع ویروس با درصد حذف 99.99 درصد را از بین ببرد و غشای MF با اندازه موثر 0.03 میلی متر بخش کمتری از ویروس ها را حذف می کند
.
– برنامه ریزی طراحی: دو فاکتور مهم در طراحی غشا UF کدورت و بار آلی آب ورودی می باشند. سیلیتی بودن آب می تواند موجب گرفتگی غشاها و غیر قابل استفاده شدن آن ها شود.
– کدورت آب ها: کیفیت آب تاثیر حائز اهمیتی در ساختار و فرآیند تجهیزات پیش تصفیه غشایی دارد. آب شور با کدورت بالا عملکرد سیستم را کاهش و تعداد شستشوهای لازم آن را افزایش می دهد. برای کاهش کدورت می توان از روش های شناور سازی با هوا (DAF) و فیلترهای با بستر گرانولی استفاده نمود. این سیستم برای کدورت متوسط سالانه بین 20 تا NTU 50 و SDI بین 5 تا 16 به خوبی عمل می کند. چنانچه آب ورودی دارای کدورت بالا و سیلیتی با بستر شکوفایی مکرر جلبک باشد، نیازمند سیستم های ته نشینی، حذف مواد جامد DAF و فیلترهای درشت دانه می باشند. لازمه این کار انجام آزمایشات دوره ای می باشد.
– بار آلی منابع آب: این مورد نیز مانند کدورت بالا می تواند منجر به عبور دبی کم و کارایی پایین سیستم پیش تصفیه غشایی گردد. اگر منابع ارگانیک آب از مواد آلی طبیعی تشکیل شده باشد، می تواند به راحتی با انعقاد و لخته سازی حذف شوند. اگر منبع آبی دارای دوره شکوفایی جلبک شدید باشد، با افزودن ماده منعقدکننده بیش از 80 درصد مواد ارگانیک، حذف نمی شوند. برای TOC بالای 2 میلی گرم در لیتر سیستم های پیش تصفیه محافظه کارانه تر طراحی می شوند. برای شار کمتر از Imh 65 در سیستم های تحت فشار و کمتر از Imh 40 در سیستم های تحت خلاء، بازیابی سیستم به 90 درصد کاهش می یابد.
– دما: ویسکوزیته آب شور با کاهش دما افزایش پیدا می یابد. ویسکوزیته بر توانایی غشاء در تولید آب فیلتر شده تاثیر می گذارد بصورتی که ویسکوزیته بالاتر باعث افزایش مصرف انرژی و فشار کاری بالاتر سیستم می گردد. سیستم می بایست همواره برای حداقل ماهانه دما طراحی شود. برای مثال اگر سیستم برای دبی 80 لیتر بر ثانیه و دمای 20 درجه سانتیگراد طراحی گردد و حداقل دمای ماهانه 15 درجه سانتیگراد می شود، شار عبوری سیستم تا 15 درصد یعنی تا 68 لیتر بر ساعت کاهش می یابد.
كاربرد سيستم اولترافيلتراسيون (UF)
1- حذف روغن/نفت/پساب صنعتی نفت و گاز و پتروشیمی
بکارگیری به عنوان پیش تصفیه سیستم های RO و NF در صنعت
3- پیش تصفیه سیستمهای آب شیرین کن دریایی جهت حذف مواد معلق، کشند قرمز (Red tide)، و جلوگیری از ورود روغن و لکه های نفتی ناشی از حوادث دریایی نظیر لکه های نفتی (Oil Spill)
4- گندزدایی و زلال سازی آب آشامیدنی
5- به کارگیری به صورت مستغرق جهت تصفیه آب در روشهایی نظیر بیور آکتورغشایی
6- حذف آنزیمها، هورمونها، آلبومین ها، انسولین و آمینواسیدها در فرایندهای صنایع دارویی و داروسازی
7- صنایع تولید نوشیدنی
8- صنایع نساجی
9- بازیافت آب تبرید
مزاياي استفاده از سيستمهاي اولترافيلتراسيون
– نرخ پايين گرفتگي ممبران ها
– قابليت شستشوی معكوس جهت بهبود عملكرد سيستم
– افزایش طول عمر ممبران های سيستم RO به سبب کاهش ميزان بالاي ذرات ورودی به سيستم
– تأمين آب با كيفيت بالا با كمترين انرژي
– سرعت جریان بالاو مقاومت در برابر آلودگی
– عملكرد موثر فيلتراسيون در حذف مواد معلق، پاتوژنها، ميكروارگانيسمها، باكتريها، ويروسها و ذرات كلوئيدي
– مقاومت بالا در برابر حرارت، مواد شيميايي و عوامل اكسيد كننده
