فیلتر سرامیکی
امروزه استفاده از فیلترهای سرامیکی به عنوان یک روش نوین، کارآمد و مقرون به صرفه برای تصفیه آب شناخته می شود. این فیلترها جهت تهیه آب آشامیدنی و انواع مصارف صنعتی کاربرد داشته و مقاومت بسیار مناسبی در برابر دمای بالا و انواع مواد شیمیایی دارند به طوری که محدودیت PH محیط برای این دسته از فیلترها وجود نداشته و همین موضوع آنها را در مقایسه با انواع دیگر فیلترها، از جمله فیلترهای پلیمری ارجحیت می دهد. به بیان دیگر هر گونه محدودیتی که در استفاده از سایر فیلترها به دلیل شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط وجود داشته باشد بوسیله فیلترهای سرامیکی رفع می شود. راندمان بالای فیلترهای سرامیکی در جداسازی فاکتورهای آلودگی، میزان مصرف مواد شیمیایی در واحدهای تصفیه را کاهش می دهد. از طرف دیگر به دلیل ایجاد کم رسوب در این غشاها، فرکانس بک واش و شستشوی آنها کمتر شده و در نتیجه هزینه های نگهداری پایین تری دارند.
تمام این ویژگی ها منجر به رشد روزافزون استفاده از فیلترهای سرامیکی و ایجاد بازار رو به رشد آنها شده است. به همین دلیل شناخت ویژگی های فیزیکی و شیمیایی و نوع کارکرد فیلترهای سرامیکی به انتخاب و استفاده درست از آنها در واحدهای صنعتی و تهیه آب آشامیدنی کمک شایانی می کند.
اهمیت فیلتراسیون آب
امروزه استفاده از انواع روش های فیلتراسیون آب برای تصفیه و تولید آب با کیفیت مناسب برای اهداف صنعتی و تامین آب آشامیدنی از اهمیت بالایی برخوردار است. دلیل انتخاب روش های فیلتراسیون از میان سایر روشهای تصفیه آب به دلیل کارآمدی و بازدهی بالا، مصرف کمتر انرژی نسبت سایر روش ها، سازگاری بهتر با محیط زیست و سهولت در اجرا و کنترل فرآیندها می باشد. تحقیقات نشان داده است که میزان تقاضای بازار برای ممبران ها به ارزش 15.6 بیلیون دلار است و هر ساله این میزان در حدود %8 افزایش می یابد.
همانطور که همه می دانیم، بسیاری از مناطق کره زمین با مشکل تامین آب با کیفیت و مناسب آشامیدن مواجه هستند که این موضوع از لحاظ اقتصادی، فرهنگی و اجتماعی برای بسیاری از کشورها مشکلات بزرگی را ایجاد میکند. از این رو تامین آب آشامیدنی با استفاده از شیرین کردن آب دریاها و آبهای لب شور به یک راه حل حیاتی برای رفع مشکل کمبود آب در بسیاری از کشورها تبدیل شده است. همچنین در صنایع حساس مانند داروسازی، الکترونیک و اتمی استفاده از آب خالص و بدون آلودگی برای تولید محصولات مرغوب از اهمیت بالایی برخوردار است. روش فیلتراسیون در مقایسه با سایر روش ها توانایی بیشتری برای تولید آب خالص را دارد. از این رو انتخاب ممبران مناسب برای فیلتراسیون آب از جنبه های اقتصادی، راندمان مناسب و سهولت در استفاده مهم می باشد.
روش تولید فیلترهای سرامیکی
فیلترهای سرامیکی با استفاده از پودرهای مخصوص متشکل از آلومینا، زیرکونیا، تیتانیا و سیلیکون کاربید تهیه می شوند. این مواد باعث پایداری و مقاومت کافی این فیلترها شده به طوری که هرجا فیلترهای پلیمری توانایی تحمل شرایط شیمیایی و فیزیکی محیط را نداشته باشند، می توان از ممبران های سرامیکی استفاده کرد. این پودرها با آب مخلوط شده و به وسیله مواد مخصوصی مانند پلی وینیل الکل(آلی) و یا خاک رس بنتونیت(معدنی) به هم چسبیده و ساختار یکپارچه ای را تشکیل می دهند. در ادامه موادی مانند کربن سیاه، نشاسته و شکر برای ایجاد منافذ در ممبران ها به ترکیب اضافه می شود.از انجایی که وجود منافذ یکپارچه با خاصیت نیمه تراوایی مناسب، فاکتورهای اصلی در تولید یک ممبران مرغوب هستند، این مرحله از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در ادامه مواد شیمیایی دیگری مانند پراکنده کننده ها(دیسپرسانت) و نرم کننده ها برای کاهش ویسکوزیته و روان شدن ترکیب به آن اضافه می شود.سپس دوغاب تشکیل شده را در قالب های مخصوص می ریزند. آب موجود در دوغاب به وسیله دیواره قالب ها جذب شده و آنچه باقی می ماند یک لایه نازک و یکپارچه ی سرامیکی است. سپس این این لایه به اندازه های دلخواه برش خورده و با استفاده از هوادهی یا دمای بالای کوره تا 1000 درجه سانتی گراد خشک شده و رطوبت اضافی آن گرفته می شود.
کاربرد ممبران های سرامیکی در انواع روش های فیلتراسیون
روش های مختلف فیلتراسیون آب به چهار دسته بندی اصلی تقسیم می شود : میکروفیلتراسیون(MF)، نانو فیلتراسیون(NF)، اولترافیلتراسیون(UF) و روش اسمز معکوس(RO). وجه مشترک تمام این روش ها استفاده از یک غشا نیمه تراوا برای جداسازی عوامل آلودگی بر اساس اندازه ذرات معلق، ترکیبات شیمیایی و میکروارگانیسم ها از آب می باشد. بنابراین فیلتراسیون یک فرآیند فیزیکی برای پاک سازی و تصفیه آب محسوب می شود.
اندازه منافذ و میزان انرژی مورد نیاز در این روش ها با هم متفاوت بوده که این موضوع به ساختار شیمیایی غشاهای استفاده شده در هر کدام از این روش ها بر میگردد (اندازه منافذ از 0.0001 میکرومتر برای اسمز معکوس تا بزرگتر از 1 میکرومتر برای میکروفیلترها). شکل زیر اندازه منافذ و نوع مواد فیلتر شده برای هر کدام از این غشاها را نشان می دهد:
از طرف دیگر متدهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون به عنوان روش های کم فشار در میان ممبران ها شناخته می شوند و از آنجایی که غشاهای نانو فیلتر و اسمز معکوس حساسیت فیزیکی و شیمیایی بالاتری نسبت به دو غشای دیگر دارند، توصیه می شود که پیش از استفاده از ممبران های اسمز معکوس یا نانوفیلترها از میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون به عنوان پیش تصفیه کمک گرفته شود.
نحوه عملکرد فیلترهای سرامیکی
فیلترهای سرامیکی از بیرون به شکل لوله های متشکل از کانال های هم اندازه و یکپارچه می باشند و از بیرون به داخل شامل لایه های ساپورت متخلخل، لایه میانی و لایه های غشایی می باشند. اندازه منافذ این ممبران ها 0.001 - 10 میکرون بوده که برای فرآیندهای میکروفیلتراسیون،اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون مناسب می باشند. همچنین از این ممبران ها می توان جهت پیش تصفیه در سیستم های اسمز معکوس و شفاف سازی آب استفاده کرد.
طریقه عملکرد ممبران های سرامیکی به این ترتیب است که آب با فشار و سرعت خطی بالا به درون کانال های ورودی پمپاژ شده و از عبور ذرات معلق و عوامل کدورت آب، عوامل سختی آب مانند منگنز و آهن، میکروارگانیسم و سایر فاکتورهای آلودگی بوسیله غشا جلوگیری می شود. از طرف دیگر مولکول های آب به راحتی از منافذ غشا ها عبور کرده و به تدریج در سلول های مخصوص جمع آوری شده و به بیرون کانال ها هدایت می شوند. به این آب پاک سازی و تصفیه شده در اصلاح آب پرمیت گفته می شود. در عین حال، جریان غلیظ و شور پساب از انتهای دیگر ماژول خارج می شود.
از آن جایی که جریان آب ورودی با سرعت خطی بسیار بالایی وارد لایه های غشایی میشود، امکان تجمع و تشکیل رسوبات و لجن بر روی این فیلترها بسیار کمتر از سایر فیلترها است و همین موضوع به کاهش هزینه های نگهداری و فرکانس بک واش و شستشوی فیلترها کمک بسیاری میکند. از آنجایی که شستشوی فیلترهای سرامیکی به مواد شیمیایی چندانی نیاز ندارد، این فیلترها به عنوان یک فناوری نوین سبز و مقرون به صرفه در صنعت شناخته می شود.
از فیلترهای سرامیکی در تصفیه پساب های صنعتی و شهری نیز می توان استفاده کرد. نکته قابل توجه در فرآیندهای تصفیه فاضلاب بوسیله این ممبران ها این است که امکان هوادهی پساب با استفاده از منافذ و کانال های این غشاها وجود دارد. این موضوع به انتقال مناسب اکسیژن به فاضلاب کمک کرده و برای فرایندهای هوازی تصفیه فاضلاب بسیار کمک کننده است. به این ترتیب که هوای فشرده به وسیله این کانال ها وارد سیستم شده و باعث تشکیل حباب های کوچکی می شوند که همن موضوع باعث افزایش پراکندگی و حل شدن اکسیژن در جریان فاضلاب کمک می کند.
مقایسه فیلترهای سرامیکی با سایر غشاها
ساختار و جنس غشاهای فیلتراسیون در طول سالها تغییر کرده است. انتخاب یک ممبران مناسب بر اساس نوع نیاز آن در صنعت یا تهیه آب شهری و میزان راندمان و کارآمدی آنها بر اساس فاکتورهایی نظیر میزان خالص سازی آب، مقدار مصرف انرژی، هزینه های نگهداری و احیا، توانایی استفاده و تطبیق در کنار سایر فرایندهای شیمیایی در صنعت، میزان مقاومت آن در انواع شرایط هیدرولیکی و شیمیایی، میزان انعطاف مکانیکی آن، هزینه های تولید و سازگاری آن با محیط زیست می باشد.
یکی از محدودیت های استفاده از ممبران ها طول عمر کوتاه آنها بخصوص در مواجه با ترکیبات شیمیایی مشخص و گرفتگی منافذ و آسیب دیدن آنهاست. از این رو محققان با به کارگیری انواع ترکیبات شیمیایی سعی در بهبود عملکرد غشاها و افزایش طول عمر و راندمان آنها دارند. ممبران ها از لحاظ جنس به دو دسته کلی آلی و غیر آلی تقسیم می شوند.
ممبران های آلی(پلیمری): این دسته از غشاها از مواد آلی مانند پلی سولفان، پلی اتر سولفان، پلی کربنات، پلی آمید و سلولز استات ساخته شدهاند و از لحاظ ساختاری شامل سه نوع متقارن(هموژن) و نامتقارن(غیر هموژن) و کامپوزیتی هستند. مزیت های ممبران های پلیمری شامل موارد زیر می باشد:
● تولید آسان تر و هزینه پایین تر تولید نسبت به ممبران های غیر آلی
● میزان نفوذ بیشتر و در نتیجه فرآیند سریعتر
● انعطاف مکانیکی مناسب
● مقرون به صرفه
از طرف دیگر ممبران های آلی محدودیت ها و معایبی دارند که در اینجا به بعضی از آنها اشاره می کنیم:
● مقاومت پایین در شرایط سخت فیزیکی و شیمیایی و امکان آسیب و گرفتگی منافذ
● پایداری پایین دمایی و شیمیایی در طول انواع فرآیندهای تصفیه آب
● طول عمر پایین و هزینه های نگهداری بالا
ممبران های غیرآلی: این غشاها از موادی مانند گرافیت ها، فلزات و سرامیک ساخته می شوند که از میان آنها ممبران های سرامیکی معمول ترین و کارآمدترین غشاهای غیر آلی هستند و در اکثر موارد اصطلاح ممبران های غیر آلی در واقع به غشاهای سرامیکی اشاره دارد. ساخت و تولید این غشاها در مقایسه با ممبران های پلیمری پیچیده تر و هزینه برتر است اما از طرفی دیگر محدودیت هایی را که به دلیل ساختار غشاهای پلیمری وجود دارد را از بین می برند که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
● قابلیت استفاده از آنها در دماها و طیف های PH گسترده تر
● رسوب گیری پایین تر
● مقاومت بالای هیدرولیکی و تحمل فشارهای بالا
● امکان هوادهی پساب
● طول عمر بالاتر و نیاز کمتر به نگهداری و تعویض
● شستشوی آسان تر
از طرف دیگر این ممبران ها معایبی هم دارند که در اینجا به برخی از آنها اشاره میکنیم:
● نفوذ پایین تر و ظرفیت دبی کمتر
● شکنندگی و حساسیت بیشتر در مقابل فشارهای هیدرولیکی
● تولید پیچیده تر و هزینه تولید بالاتر
اخیرا نوع دیگری از غشاها وارد بازار شده که ساختار آنها ترکیبی از مواد آلی و غیر آلی میباشد که در اصطلاح به آنها ترکیبات هیبریدی می گویند. این دسته از غشاها به دلیل کارایی و راندمان بالا در انواع صنعت ها از جمله تصفیه آب، جداسازی گازها، سنسورهای مواد شیمیایی و تولید انرژی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
مزایا و کاربردهای فیلترهای سرامیکی
به دلیل مقاومت زیاد فیلترهای سرامیکی، محدودیت های فیزیکی و شیمیایی در استفاده از غشاهای پلیمری برداشته شده و به همین دلیل از فیلترهای سرامیکی می توان برای انواع فرآیندهای صنعتی و تامین آب آشامیدنی استفاده کرد. اکثر ممبران های سرامیکی تحمل دما تا 1000 درجه سانتی گراد را داشته و نه تنها در برابر بسیاری از مواد شیمیایی تخریب و تجزیه نمی شوند بلکه در تماس با عوامل زیستی خنثی هستند. به طور خلاصه مزایای استفاده از فیلترهای سرامیکی شامل موارد زیر است:
● طول عمر بالا در حدود 20 - 10 سال
● استفاده بدون محدودیت PH
● نیاز پایین به مواد شیمیایی برای شستشوی فیلترها
● نیاز پایین به دوره های سرویس به دلیل مقاومت مناسب در برابر ایجاد رسوب
● مقاومت بالا در برابر فشارهای زیاد در فرایندهای مختلف
● امکان کنترل بالا در نوع فرم دهی، اندازه و یکپارچگی منافذ ممبران ها در فرآیندهای تولیدی
● ظرفیت و راندمان مناسب برای دبی های بالا
تمام این ویژگی ها امکان استفاده از آنها در طیف وسیعی از فرآیندها در صنایع فراهم می کند که در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم:
● تصفیه آب: قابل استفاده در انواع غشاهای UF، MF، NF و RO برای خالص سازی آب و تهیه آب آشامیدنی یا استفاده در صنایع غذایی و نوشیدنی، داروسازی
● تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی: برای تصفیه انواع فاضلاب های صنعتی از جمله نساجی،صنایع فلزی، تولید مواد شیمیایی و صنایع غذایی
● تصفیه بیولوژیکی: قابل استفاده در انواع تصفیه های بیولوژیکی و بیوراکتورها مانند روش SMBRs و MBRs
● جداسازی گاز: برای جدا کردن جریان هایی با مخلوط گازهای مختلف از جمله نیتروژن، کربن دی اکسید، اکسیژن و هیدروژن
● جداسازی مایعات: جداسازي انواع ترکیبات شیمیایی و حلال های آلی در صنایع مختلف
برندهای تولید کننده فیلترهای سرامیکی
در حال حاضر فیلترهای سرامیکی سهم کمتری نسبت به سایر غشاها در بازار دارند و علت آن هم جدید بودن این تکنولوژی است. اما به دلیل کارایی و مزایای بسیار زیاد آنها این سهم هر ساله افزایش پیدا کرده و شرکت های تولید کننده در سال های اخیر بر روی این تکنولوژی تحقیقات و سرمایه گذاری گسترده ای کرده و انواع فیلترهای سرامیکی مورد نیاز برای پاسخگویی به صنایع مختلف را وارد بازار جهانی کرده اند. این فیلترها به بازدهی و کاهش هزینه های واحدهای تولیدی و بالا بردن کیفیت آب و پساب تصفیه شده کمک شایانی کرده است. در اینجا به برخی از مهمترین برندهای موجود در بازار اشاره می کنیم:
تولید ممبران با کیفیت بسیار بالا برای تصفیه آب های صنعتی و خانگی :Inocerma -
شرکت پیشرو در تولید انواع ممبران های مقاوم سرامیکی برای تصفیه آب و فرآیندهای صنعتی:Jmfiltec -
عرضه کننده ممبران های مختص فرآیندهای جداسازی :Cermatec -
تولید غشاهایی با ظرفیت دبی بالا برای صنایع غذایی و داروسازی :Cembrane -
شرکت پیشرو در تولید ممبران سرامیکی پیشرفته از نوع سیلیکون کاربید :Ovivo -
تولید ممبران های سرامیکی برای تصفیه آب و جداسازی گازها :CoorsTek Membrane Science -
تولید ممبران سرامیکی با طول عمر بالا برای اولترافیلتراسیون :Nanostone Water -
تولید کننده ممبران های بسیار مقاوم در برابر دمای بالا و فشارهای زیاد :Cerafiltec -
به دلیل کارایی و راندمان بالای ممبران ها و مقرون به صرفه بودن آنها، تحقیقات و ارائه محصولات جدید با کیفیت بهتر و طول عمر بیشتر همچنان ادامه دارد. در این میان فیلترهای سرامیکی به دلیل مزیت های زیاد خود روز به روز سهم بیشتری از این بازار را بخود اختصاص می دهند.
مراقبت از فیلترهای سرامیکی
فیلترهای سرامیکی مانند سایر ممبران ها نیاز به مراقبت و سرویس به موقع دارند. چناچه فیلترهای سرامیکی در شرایط مناسبی نگهداری و استفاده شوند، عمری بیش از ده سال خواهند داشت. برای این منظور رعایت برخی نکات می تواند به بهبود عملکرد و افزایش عمر این فیلترها کمک کنند. برای مثال آب خام ورودی به این فیلترها بایستی بایستی فاقد کدورت و ذرات معلق بسیار زیاد باشد. رعایت این امر از ایجاد رسوب در ممبران ها تا حد زیادی جلوگیری می کند.
میزان سرعت جریان در ممبران ها بایستی در حد مطلوبی نگه داشته شود در غیر این صورت در سطح غشا پدیده پلاریزاسیون غلظتی اتفاق خواهد افتاد. این پدیده در تمام سیستم هایی که بر اساس اختلاف فشار کار می کنند وجود دارد. هنگامی که میزان آب تصفیه شده در سطح غشا زیاد باشد، مولکول ها و یون ها در یک سمت غشا تجمع کرده و با افزایش فشار اسمزی، فرآیند جداسازی کاهش می یابد. پلاریزاسیون غلظتی یک فرایند برگشت پذیر بوده و با گذشت زمان به حالت یکنواخت در می آید. از طرف دیگر، میزان فشار در سیستم بایستی به طور مداوم کنترل شود. فشار بالا در سیستم نشان دهنده ریسک رسوب می باشد و بایستی در صورت گرفتگی منافذ عملیات بک واش و شستشوی غشاها انجام شود.
برای شستشوی غشاها بایستی تنها از مواد مورد تایید و سازگار با آنها استفاده کرد. داشتن یک برنامه مشخص برای شستشو و بک واش ممبران بر اساس کیفیت آب ورودی و جنس غشاها، از تجمع رسوبات بر روی سطح ممبران ها تا حد زیادی جلوگیری می کند.