اولترافیلتراسیون

اولترافیلتراسیون چیست؟

اولترافیلتراسیون یا UF یکی از فرایندهای تصفیه آب است که در آن آب از یک غشا نیمه تراوا عبور می‌کند. در این غشاها برای عبور آب همانند ممبران‌های اسمزمعکوس از فشار هیدرواستاتیک استفاده می‌شود. آب ورودی به ممبران‌های UF عموما فشاری در حدود 4 تا 100 psi دارند. آب و املاح با وزن مولکولی کم از ممبران عبور می‌کنند، درحالی که جامدات معلق و املاح با وزن مولکولی بالا در یک سمت غشا باقی می‌مانند. ممبرین‌های UF می‌توانند اکثر مولکول‌های آلی، ویروس‌ها و طیف وسیعی از نمک‌ها را از آب حذف کنند. ممبران‌های اولترافیلتراسیون با توجه به این که، می‌توانند 90 تا 100 درصد پاتوژن‌ها را از بین ببرند، به مواد شیمیایی نیازی ندارند (به جز هنگام شستشوی ممبران‌ها) و بدون توجه به منبع آب ورودی می‌توانند آب با کیفیت مشخصی تولید کنند از محبوبیت زیادی برخوردار هستند. غشاهای UF از نظر نحوه عملکرد تفاوتی با غشاهای اسمزمعکوس، میکروفیلتراسیون یا نانوفیلتراسیون ندارند و تنها تفاوت آن‌ها در سایز حفراتشان است. قطر حفرات ممرین‌های UF در حدود 0.1 تا 0.001 میکرون است. ممبران‌‌های UF عمری در حدود 3 تا 7 سال دارند. این غشاها به صورت تجاری در مدل‌های الیاف توخالی، مارپیچی، لوله‌ای، صفحه‌ای و قابی موجود هستند و جنس آن‌ها عموما از پلی‌سولفونات، سلولز استات یا کامپوزیت فیلم نازک می‌باشد.

تاریخچه ممبران‌های UF

ماژول‌های UF برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم میلادی معرفی شدند. با توجه به کشف غشاهای سلولز استات اسمزمعکوس در دهه 1950 و کشف هیدروژل‌های پیچیده پلی‌الکترولیت در اوایل دهه 1960، استفاده عملی از غشاهای UF در فرایندهای جداسازی، در سال 1963 شروع شد. همچنین با استفاده از غشاهای پلیمری و تکنیک‌های پردازش در تولید ممبران‌ها، تکنولوژی‌های مدرن غشایی در اواخر دهه 1990 مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه نیز ماژول‌های UF به طور گسترده در بازار جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شناسایی ممبران‌های UF

برای شناسایی ممبران‌های UF از دو مفهوم اندازه حفرات (pore size) و وزن مولکولی برش (Molecular Weight Cut-Off = MWCO) استفاده می‌شود. اندازه حفرات در واقع قطر اسمی منافذ ممبران است که با واحد میکرون بیان می‌شوند. MWCO نیز جرم یا وزن مولکولی املاحی است که بیش از 90 درصد آن‌ها نمی توانند از ممبران عبور کنند. واحد اندازه گیری MWCO دالتون (D) است.

مقایسه مکانیسم حذف توسط اولترافیلتراسیون و بسترهای فیلتراسیون مرسوم

فرایند اولترافیلتراسیون همانند اسمزمعکوس، یک فرایند جداسازی جریان متقابل است. در سیستم‌های UF، جریان آبی که باید تصفیه شود به طور مماس در امتداد سطح غشا حرکت می‌کند و بدین ترتیب دو جریان ایجاد می‌شود. جریان آبی که از ممبران عبور می‌کند را جریان آب تصفیه شده می‌نامند. نوع و مقدار موادی که در آب تصفیه شده باقی می‌ماند به مشخصات ممبران و شرایط عمکردی و کیفیت آب تغذیه بستگی دارد. جریان دوم را جریان تغلیظ شده می‌نامند، این جریان با موادی که توسط ممبران UF جدا شده اند، تغلیظ می‌گردد. بنابراین در ممبرین‌های UF، خود ممبران یک جمع کننده یون‌ها، مولکول‌ها و کلوییدها به شمار نمی‌رود و تنها همانند یک مانع در برابر ناخالصی‌ها عمل می‌کند. در مقابل مکانسیم حذف آلاینده‌ها توسط فیلتراسیون‌ مرسوم مانند بسترهای فیلتراسیون یا فیلترهای کارتریج به گونه‌ای است که ذرات معلق در حفرات این فیلترها گیر می‌کنند؛ در واقع این فیلترها مانند نگهدارنده ذرات معلق هستند و باید به صورت مداوم تمیز یا جایگزین شوند. از سیستم‌های فیلتراسیون مرسوم معمولا در بالادست سیستم‌های غشایی استفاده می‌کنند تا ذرات معلق نسبتا بزرگتر را حذف کنند.

آلاینده‌های قابل حذف توسط ماژول‌های UF

آلاینده های زیر را می‌توان توسط ممبران‌های UF حذف کرد:
• مولکول‌های با وزن مولکولی بالا  
• اندوتوکسین‌ها
• ویروس
• دود
• سیلیس
• سیلت
• پروتئین
• باکتری‌ها
• کلوییدها
• مولکول‌های پلیمری آلی
• مولکول‌های پلیمری غیرآلی

گرفتگی ممبران‌های UF

مشکل اصلی در هنگام استفاده از ماژول‌های UF، گرفتگی ممبران‌ها است. در هنگام فرایند تصفیه، آلاینده‌ها در سطح ممبران تجمع پیدا می‌کنند و باعث گرفتگی حفرات می‌شوند که این کاهش راندمان اولترافیلتراسیون را در پی دارد. هرچه غلظت لایه‌ای که روی سطح ممبران قرار دارد، بیشتر شود، به دلیل افزایش مقاومت، نرخ آب تصفیه شده کاهش می‌یابد. برای کاهش گرفتگی ممبران‌ها اقدامات مختلفی می‌توان انجام داد. یکی از راه‌ها تنظیم pH آب تغذیه است تا میزان جذب و رسوب گذاری جامدات داخل آب کاهش یابد. همچنین با انتخاب یک سیستم پیش تصفیه مناسب می‌توان از ورود مولکول‌های بزرگ به ماژول UF جلوگیری کرد. بهینه سازی شرایط عملکردی نیز به کاهش گرفتگی ممبران‌های UF کمک می‌کند.

نحوه عملکرد سیستم UF

عملکرد سیستم UF از 6 سیکل اصلی زیر تشکیل شده است:
1. سیکل سرویس: این سیکل 20 تا 60 دقیقه طول می‌کشد.
2. سیکل هوادهی با استفاده از بلویر: این سیکل 20 تا 30 ثانیه طول می‌کشد و جهت سست کردن ذرات معلق موجود در سطح ممبران به کار می‌رود.
3. سیکل تخلیه ثقلی: در این سیکل به ذرات جدا شده فرصت می‌دهند تا با استفاده از نیروی ثقلی از ماژول UF خارج شوند.
4. سیکل شستشوی معکوس از بالا: این سیکل 60 ثانیه طول می‌کشد و در طی آن آب از بالا به ماژول UF وارد می‌شود و آلاینده ها با غلظت زیادی دفع می‌شوند.
5. سیکل شستشوی معکوس از پایین: این سیکل 60 ثانیه طول می‌کشد و در طی آن آب از پایین به ماژول UF وارد می‌شود.
6. سیکل شستشوی مستقیم: در این سیکل که 60 ثانیه به طول می‌کشد، تمامی ذرات معلق باقی مانده حذف می‌شوند و پس از آن ممبران UF مجددا آماده سرویس دهی می‌شود.

لازم به ذکر است که در تناوب‌های مختلف از CEB یا بکواش تقویت شده شیمیایی (Chemically Enhanced Backwash) نیز استفاده می‌شود. تناوب استفاده از CEB به کیفیت آب تغذیه بستگی دارد. در مواقعی که کیفیت آب تغذیه بالا است، ممکن است اصلا نیازی به CEB نباشد. فرایند CEB به صورت اتوماتیک انجام می‌شود اما با کسب تجربه عملیاتی می‌توان تناوب اجرای آن را تنظیم کرد. در فرایند CEB اسید یا باز به همراه اکسیدکننده به سطح ممبران اضافه می‌شود. برای انجام این فرایند مواد شیمیایی به آب بکواش تزریق می‌شوند. همچنین یک مرحله خیس خوردگی پس از بکواش دوم نیز اضافه می‌شود که این مرحله 5 تا 20 دقیقه طول می‌کشد و در طی آن مواد شیمیایی با مواد چسبیده به سطح ممبران واکنش می‌دهند. پس از مرحله خیس خوردگی مجددا مراحل هوادهی، شستشوی معکوس از بالا و پایین و شستشوی مستقیم باید صورت گیرد تا ذرات معلق یا مواد شیمیایی باقی مانده حذف شوند.

کاربردهای ماژول‌های UF

ممبران‌های اولترافیلتراسیون با توجه به ویژگی‌ها و مزایای بسیاری که دارند، کاربردهای متنوعی نیز دارند که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• تصفیه و بازچرخش فاضلاب یا آب فرایندهای صنعتی
• حذف ذرت معلق و ماکرومولکول‌ها جهت تولید آب آشامیدنی
• افزایش یا جایگزینی فیلتراسیون ثانویه یا ثالثیه در تصفیه خانه‌های موجود
• نرم کردن آب
• صنایع غذایی و نوشیدنی
• فیلتراسیون پساب کارخانه کاغذسازی
• صنایع دارویی
• صنایع شیمیایی و پتروشیمی
• صنایع نساجی
• صنایع نفت و گاز
• نیروگاه‌ها

مزایای ممبران‌های UF

از مزایای ممبرین‌های UF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• فضای اشغالی توسط تکنولوژی اولترافیلتراسیون در حدود 50 درصد کمتر از فرایندهای قدیمی است.
• استفاده از ممبران UF به عنوان پیش تصفیه منجر به افزایش طول عمر ممبران های اسمز معکوس خصوصا در آب‌هایی که شاخص SDI بالایی دارند، می‌شود. همچنین در این صورت ممبران‌های RO می‌توانند با نرخ بازیابی بالاتر و تعداد ممبران‌ها و وسل‌های کمتری کار کنند که منجر به کاهش هزینه‌های اولیه می‌شود.
• ممبران‌های اولترافیلتراسیون در برابر کیفیت‌های مختلف آب تغذیه تحمل بالایی دارد. 
• استفاده از ماژول‌های UF نیازی به پیش تصفیه شیمیایی و هزینه‌های مربوط به آن جهت دفع لجن ندارد.
• آب تولید شده کیفیت بالایی دارد.
• ممبران‌های UF نسبت به بسترهای فیلتراسیون وزن کمتری دارند.
• ممبرین‌های UF نسبت به ممبران‌های اسمز معکوس انرژی مصرفی و فشار عملیاتی کمتری دارند.
• نسبتا ارزان قیمت هستند.
• ممبران‌های UF اتوماسیون ساده‌ای دارند.

عوامل اثرگذار بر عملکرد ممبران‌های UF

عوامل مختلفی بر عملکرد ممبران‌های UF اثر گذارند که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

جریان در سطح غشا

با افزایش سرعت جریان در سطح ممبران، نرخ تولید آب تصفیه شده افزایش می‌یابد. سرعت جریان برای محلول‌های دارای امولسیون یا سوسپانسیون مهم‌تر است. البته هرچه نرخ جریان افزایش یابد، انرژی مصرفی نیز افزایش می‌یابد و پمپ‌های بزرگتری مورد نیاز است. از سویی افزایش سرعت جریان، میزان رسوب بر سطح ممبران را کاهش می‌دهد. به طور کلی سرعت جریان بهینه زمانی حاصل می‌شود که بین توان پمپ و نرخ جریان تصفیه شده تعادل برقرار گردد.

فشار عملکردی

نرخ جریان تصفیه شده به طور مستقیم با فشار اعمالی بر سطح ممبران متناسب است. اگرچه به دلیل گرفتگی ممبران، به ندرت فشار اعمالی از 100 psi افزایش می‌یابد و به طور معمول در حدود 50 psi است.

دمای عملکردی

نرخ جریان تصفیه شده با افزایش دما، افزایش می‌یابد. اگرچه به طور کلی دما یک متغیر کنترل شده نیست اما مهم است که تاثیر دما بر عملکرد ممبران را بدانیم تا بتوانیم علت افت در نرخ جریان آب تصفیه شده با افت ناشی از سایر پارامترها را تشخیص دهیم.