فیلتراسیون آب چیست؟

فیلتراسیون فرایندی است که در آن ذرات معلق آب با عبور کردن از یک بستر متخلخل از آن جدا می‌شوند. این بستر متخلخل می‌تواند از مواد طبیعی مانند شن، ماسه یا خاک رس باشد، یا می‌تواند یک ممبرانی باشد که از جنس‌های مختلف ساخته شده‌ است. اندازه ذراتی که توسط فرایند فیلتراسیون دفع می‌شوند به اندازه حفرات فیلتر بستگی دارد.

فیلتراسیون غشایی چیست؟

برای تصفیه آب توسط فیلتراسیون غشایی از چندین نوع ممبران مختلف استفاده می‌کنند که هرکدام از آن‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند. ممبران‌ها ورقه‌های نازک و متخلخلی هستند که قادرند در هنگام اعمال نیروی محرکه آلاینده‌ها را از آب حذف کنند. این ممبران‌ها عبارتند از ممبرین‌های میکروفیلتراسیون (Microfiltration=MF)، اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration=UF)، نانوفیلتراسیون (Nanofiltration=NF) و اسمزمعکوس (Reverse Osmosis=RO). ممبران‌های میکروفیلتراسیون بزرگترین اندازه ذرات را دارند و می‌توانند ذرات بزرگ و میکروارگانیسم‌های مختلف را دفع کنند. قطر منافذ ممبران‌های اولترافیلتراسیون در مقایسه با ممبران‌های MF کوچکتر است، درنتیجه علاوه بر ذرات بزرگ و میکروارگانیسم‌ها می‌توانند باکتری‌ها و ماکرومولکول‌های محلول مانند پروتئین‌ها را نیز حذف کنند. ممبران‌های اسمزمعکوس تقریبا غیر متخلخل هستند، بنابراین ذرات و بسیاری از گونه‌های با وزن مولکولی کم مانند یون‌ها، مواد آلی و ... را حذف می‌کنند. ممبرین‌های نانوفیلتراسیون نسبتا جدید هستند. این ممبران‌ها متخلخل می‌باشند، اما از آن‌جا که قطر حفراتشان در حدود 10 آنگستروم یا کمتر است، عملکردی بین ممبراین‌های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون دارند. امروزه فرایندهای فیلتراسیون غشایی هم در تولید آب آشامیدنی و هم تصفیه پساب‌ها بسیار پرکاربرد می‌باشند. ممبران‌ها معمولا از پلیمرهای آلی مصنوعی مانند پلی‌سولفونات یا سلولز استات ساخته می‌شوند. ممبران‌های میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون عموما از یک جنس هستند اما در شرایط‌ مختلف آماده سازی ممبران‌ها تولید شده‌اند؛ بنابراین قطر حفرات آن‌ها متفاوت می‌باشد. با توجه به پیشرفت در زمینه تولید ممبران‌ها و طراحی ماژول‌ها هزینه‌های سرمایه گذاری و عملیاتی فرایندهای فیلتراسیون غشایی رو به کاهش است.

ماژول‌های مورد استفاده در فیلتراسیون غشایی

به طور کلی 4 نوع ماژول برای استفاده در فرایندهای فیلتراسیون غشایی وجود دارد که عبارتند از ماژول‌های صفحه‌ای و قابی (Plate-and-Frame)، لوله‌ای (Tubular)، مارپیچی (Spiral Wound) و الیاف توخالی (Hollow Fibre). ماژول‌های صفحه‌ای یا قابی ساده‌ترین ساختار را دارند و از دو صفحه انتهایی، ممبران صفحه‌ای و فاصله دهنده‌ها تشکیل شده‌اند. در ماژول‌های لوله‌ای معمولا ممبران داخل یک لوله قرار می‌گیرد و آب تغذیه درون لوله پمپ می‌شود. محبوب‌ترین ماژول‌ها در فرایندهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون، ماژول‌های مارپیچی هستند. در این ماژول‌ها یک ممبران صفحه‌ای به دور یک لوله سوراخ دار جمع آوری آب تصفیه شده پیچیده شده‌است و در آن‌ها آب تغذیه از یک سمت ممبران وارد می‌شود و آب تصفیه شده و نفوذ کرده از سمت دیگر و در لوله جمع آوری مرکزی، تجمع می‌یابد. ماژول‌های الیاف تو خالی یا هالوفایبر نیز از مجموعه‌ای از الیاف توخالی که در یک پرشر وسل هستند تشکیل می‌شوند. ماژول‌های الیاف توخالی می‌توانند به دو صورت Shell-side یا Bore-side عمل کنند. در حالت Shell-side آب تغذیه در طول الیاف جریان می‌یابد و از انتها خارج می‌شود؛ درحالی که در حالت Bore-side جریان در الیاف توخالی سیرکوله می‌شود.

مقایسه انواع فرایندهای فیلتراسیون غشایی

هریک از فرایندهای فیلتراسیون غشایی شامل میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمزمعکوس (RO) ویژگی‌های خاص خود را دارند. این ممبران‌ها را می‌توان از جنبه‌های مختلف مانند پلیمر مورد استفاده در ساخت آن‌ها، اندازه حفرات ممبران‌ها، محدوده وزن مولکولی برش (MWCO)، فشار عملیاتی ممبران‌ها، آلاینده‌های قابل حذف توسط فرایند فیلتراسیون و ... مورد بررسی قرار داد. در جدول زیر مقایسه بین انواع فرایندهای فیلتراسیون غشایی نمایش داده شده‌است.

در نمودار زیر نیز فرایندهای مرسوم فیلتراسیون برای حذف آلاینده‌های مختلف نمایش داده شده است. لازم به ذکر است که منظور از Particle Filtration همان بستر فیلتراسیون مرسوم است و بقیه موارد بیانگر فیلتراسیون غشایی می‌باشند. 

در نمودار زیر انواع سیستم‌های غشایی و آلاینده‌هایی که می‌توانند حذف کنند نمایش داده شده است. فلش‌های سبز بدین معنا است که آلاینده به قدری کوچک است که می‌تواند از غشا عبور کند؛ درحالی که فلش‌های قرمز بیانگر این است که ممبران جلوی عبور آلاینده را می‌گیرد. همانطور که مشاهده می‌شود، ممبران‌های میکروفیلتراسیون بیشترین آلاینده را از خود عبور می‌دهند، درحالی که از ممبران‌های اسمزمعکوس تنها مولکول‌های آب می‌توانند عبور کنند.

مزایای استفاده از فرایندهای فیلتراسیون

استفاده از فرایند فیلتراسیون غشایی و ممبران‌ها جهت تصفیه آب مزایای زیادی دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:
• عملکرد بالا
• واحدهای فشرده و کامپکت که در مقایسه با فرایندهای مرسوم تصفیه آب به فضای کمتری نیاز دارند.
• عملیات ساده و آسان
• قابلیت جداسازی انواع آلاینده‌ها توسط ممبران‌ها
• قابلیت انجام فرایند ضدعفونی بدون استفاده از مواد شیمیایی

معایب استفاده از فرایند فیلتراسیون

فرایندهای فیلتراسیون غشایی معایب محدودی نیز دارند که عبارتند از:
• امکان گرفتگی ممبران‌ها
• تولید آب آلوده (ناشی از بکواش)
• نیاز به تعویض دوره‌ای و منظم ممبران‌ها

فرایندهای فیلتراسیون در یک نگاه