نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون چیست؟
نانوفیلتراسیون یکی از فرایندهای فیلتراسیون غشایی است که در آن املاح محلول با اندازه تا حدود 1 نانومتر (10 آنگستروم) می‌توانند از ممبران عبور کنند؛ به همین علت نیز نانوفیلتراسیون نامیده می‌شود. با توجه به وزن و ابعاد املاحی که توسط نانوفیلتراسیون حذف می‌شود، می‌توان بیان کرد که این فرایند در بین فرایندهای اسمز معکوس (RO) و اولترافیلتراسیون (UF) قرار دارد. به طورکلی آلاینده‌های مختلفی نظیر مولکول‌های آلی، یون‌های فلزی و ... را می‌توان با NF حذف کرد. مولکول‌های آلی با وزن مولکولی بیش از 200 تا 400 توسط نانوفیلتراسیون دفع میشوند. فرایند نانوفیلتراسیون قادر است که نمک‌های محلول را تا حدود 20 تا 98 درصد حذف نماید. نمک‌هایی که دارای آنیون‌های تک ظرفیتی هستند مانند سدیم کلراید یا کلسیم کلراید حذفی در حدود 20 تا 80 درصد دارند، درحالی که نمک‌ها با آنیون‌های دوظرفیتی مانند منیزیم سولفات در حدود 90 تا 98 درصد توسط ممبران‌های NF دفع میشوند. با توجه به این که NF برخلاف RO که تمامی املاح را حذف می‌کند، حذف انتخابی داشته و همچنین ممبران‌های آن حفرات درشت‌تری نسبت به ممبران‌های RO دارند، در مقایسه با فرایند اسمز معکوس در فشار عملیاتی پایین‌تری کار می‌کند. فشارهای عملیاتی مرسوم در ممبران‌های NF در حدود 50 تا 225 psi (3.5 تا 16 بار) است. اگرچه ممبرین‌های نانوفیلتراسیون امروزه به طور گسترده در بازار جهانی مورد استفاده قرار نمیگیرند؛ اما انتظار می‌رود که در سال‌های آینده استفاده از آن‌ها افزایش یابد.
اساس حذف آلاینده در ممبران‌های نانوفیلتراسیون
در ممبران‌های نانوفیلتراسیون همانند ممبران‌های اسمز معکوس برای جداسازی آلاینده‌ها نیاز است که با اعمال فشار خارجی بر فشار اسمزی سیستم غلبه شود. در این سیستم‌ها آب از یک غشای نیمه تراوا عبور می‌کند و از قسمتی که غلظت آلاینده‌ها بیشتر است به سمت آب تصفیه شده می‌رود. همچنین فرایند NF مشابه فریند اسمز معکوس، یک فرایند جداسازی، جریان متقابل (Crossflow) است. بدین صورت که آب در امتداد ممبران جریان می‌یابد، این امر منجر به کاهش رسوب گذاری و تجمع املاح در سطح ممبران نیمه تراوا می‌شود. اساس کار ممبرین های NF بدین‌گونه است که آب تغذیه با فشار در امتداد ممبران جریان می‌یابد، فشار آب منجر می‌شود که آب خالص یا آب با غلظت خیلی کم آلاینده‌ها از غشای نیمه تراوای نانوفیلتراسیون عبور کند، درنتیجه در دو سمت ممبرین دو جریان مختلف آب تغلیظ شده و آب تصفیه شده ایجاد می‌شود.
آلاینده‌های قابل حذف توسط فرایند نانوفیلتراسیون
از ممبرین‌های نانوفیلتراسیون می‌توان برای حذف آلاینده‌های مختلف زیر استفاده کرد: 
• مواد آلی محلول
• یون‌های فلزی
• اندوتوکسین‌ها/پیروژن‌ها
• حشره کش‌ها/آفت‌کش‌ها/علف‌کش‌ها
• آنتی بیوتیک‌ها
• نیترات
• قندها
کاربردهای سیستم‌های غشایی نانوفیلتراسیون
فرایندهای نانوفیلتراسیون کاربردهای بسیاری دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• حذف رنگ و کل کربن آلی (TOC) از آب‌های سطحی
• حذف سختی یا رادیم از آب چاه
• کاهش کلی مقادیر کل جامدات محلول (TDS)
• جداسازی مواد آلی از مواد غیرآلی خصوصا در صنایع مواد غذایی
پارامترهای موثر در عملکرد ممبران‌های نانوفیلتراسیون
عملکرد ممبران‌های نانوفیلتراسیون را با نرخ جریان تصفیه شده و میزان دفع نمک ارزیابی می‌کنند. تحت شرایط مشخص و مرجع میزان جریان آب تصفیه شده توسط ممبران و میزان دفع نمک قابل پیش بینی است. پارامترهای مختلفی نظیر فشار، دما، نرخ بازیابی، غلظت نمک موجود در آب تغذیه بر عملکرد ممبرین‌های NF اثرگذارند که در ادامه توضیحاتی در رابطه با هرکدام ارائه شده است.
فشار: با افزایش فشار جریان آب تغذیه، میزان جامدات محلول موجود در آب تصفیه شده کاهش می‌یابد؛ درحالی که نرخ جریان تصفیه شده افزایش می‌یابد.
دما: درصورت افزایش دمای آب و ثابت بودن سایر پارامترهای موثر بر فرایند (فشار، ریکاوری، غلظت نمک موجود در آب تغذیه)، نرخ جریان تصفیه شده و عبور نمک افزایش می‌یابد.
نرخ بازیابی یا ریکاوری: ریکاوری نسبت آب تصفیه شده به آب تغذیه است. با افزایش نرخ ریکاوری در صورتی که غلظت نمک به حدی برسد که فشار اسمزی آب تغلیظ شده با فشار اعمالی خارجی برابر شود، نرخ آب تصفیه شده کاهش می‌یابد یا متوقف می‌شود. با افزایش ریکاوری، میزان دفع نمک نیز کاهش می‌یابد.
غلظت نمک موجود در آب تغذیه: با افزایش غلظت نمک موجود در آب تغذیه، نرخ جریان تصفیه شده کاهش و میزان عبور نمک نیز افزایش می‌یابد.
البته باید توجه داشت که عوامل دیگری مانند نگهداری سیستم نانوفیلتراسیون و همچنین حضور فرایندهای پیش تصفیه نیز بر عملکرد ممبران‌های نانوفیلتراسیون تاثیر می‌گذارند.
گرفتگی ممبران‌های نانوفیلتراسیون
گرفتگی ممبران‌ها یکی از مشکلات اساسی در هنگام استفاده از سیستم‌های تصفیه غشایی است و ممبران‌های NF نیز از این قاعده مستثنی نیستند. گرفتگی ممبران‌های نانوفیلتراسیون در اثر عوامل مختلفی نظیر رسوب مواد آلی، گرفتگی کلوییدی، جذب مواد آلی بر سطح ممبران و گرفتگی بیولوژیکی یا بیوفولینگ رخ می‌دهند. گرفتگی بیولوژیکی در دراز مدت اهمیت پیدا می‌کند زیرا بیوفولینگ عموما پس از گرفتگی آلی، غیرآلی یا کلوییدی اتفاق می‌افتد. گرفتگی ممبران‌های نانوفیلتراسیون را عموما با راه اندازی سیستم در جریان‌های حیاتی، افزودن مواد شیمیایی یا استفاده از فرایندهای پیش تصفیه می‌توان کنترل کرد. استفاده از فرایندهای پیش تصفیه با توجه به سادگی و راحتی عملکرد راه حل بسیار مناسبی می‌باشد.
نانوفیلتراسیون و نرم کردن آب
بیش از 50 سال است که از رزین‌های تبادل یونی (در فرم سدیمی) به عنوان فرایند استاندارد جهت حذف سختی آب استفاده می‌شود. در فرایند تبادل یونی با عبور آب سخت از بستر رزین، یون‌های سختی (کلسیم و منیزیم) جذب بستر رزین میشوند و به جای آن‌ها یون‌های سدیم به آب وارد می‌شود. پس از اشباع رزین‌ها، برای احیای آن‌ها نیز می‌بایست از سدیم یا پتاسیم کلراید استفاده کرد. بنابراین در هرچرخه احیا، مواد شیمیایی مصرف می‌شود که باید به سیستم فاضلاب تخلیه گردد.
با توجه این که یون‌های عامل سختی، چند ظرفیتی هستند؛ می‌توان آن‌ها را با استفاده از ممبران‌های NF نیز حذف کرد. مزیت استفاده از ممبران‌های NF نسبت به ممبران‌های اسمزمعکوس این است که نرخ جریان تصفیه شده بیشتری دارند؛ درنتیجه به تعداد ممبران‌های کمتری نیاز دارند و در فشار کمتری کار می‌کنند که درنتیجه کاهش هزینه‌های اقتصادی را در پی دارد. همچنین مزیت مهم ممبران‌های نانوفیلتراسیون در سختی‌گیری آب این است که نیازی به افزودن مواد شیمیایی ندارند؛ درحالی که در صورت استفاده از رزین‌های تبادل یونی به سدیم کلراید جهت احیای رزین‌ها نیاز است.
چالش‌ها و چشم انداز نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون یکی از جدیدترین تکنولوژی‌ها برای تصفیه پساب است که بسیار خلاقانه، اقتصادی و دوستدار محیط زیست می باشد. ادغام کردن فرایند نانوفیلتراسیون با دیگر فرایندهای جداسازی منجر به دستیابی به نتیجه بهینه در تصفیه فاضلاب می‌شود. در چنین حالتی علاوه بر ذخیره منابع آب، استفاده مجدد از آب در درازمدت نیز پیش بینی شده که در مقایسه با فرایندهای شیرین سازی آب اقتصادی‌تر می‌باشد. به طورکلی می‌توان گفت که آینده‌ی ممبران‌های نانوفیلتراسیون با توجه به حذف طیف وسیعی از املاح و مواد آلی بسیار روشن و عالی می‌باشد.