میکروفیلتراسیون
میکروفیلتراسیون چیست؟
میکروفیلتراسیون یکی از فرایندهای جداسازی تحت فشار است که در آن از یک ممبران برای جداسازی ذرات از آب استفاده می‌شود. ممبران‌های میکروفیلتراسیون بزرگ ترین انداره حفرات را در بین فرایندهای فیلتراسیون غشایی دارند و اندازه حفرات آن‌ها در حدود 0.1 تا 10 میکرومتر است. این ممبرین‌ها قادر هستند که جامدات معلق بزرگ مانند کلوییدها، ذرات، چربی‌ها و باکتری‌ها را از آب حذف کنند؛ درحالی که قندها، پروتئین‌ها، نمک‌ها و مولکول‌های با وزن مولکولی کم می‌توانند از ممبران‌های میکروفیلتراسیون عبور کنند. فشار اعمالی موردنیاز برای فیلترهای MF با توجه به این که این ممبران‌ها حفرات بزرگتری دارند، درمقایسه با سایر فرایندهای فیلتراسیون غشایی کمتر است، این ممبران‌ها عموما در فشاری بین 0.02 تا 0.5 مگاپاسکال کار می‌کنند. ممبران‌های میکروفیلتراسیون عمدتا به صورت جریان متقابل (Cross-flow) کار می‌کنند، بدین صورت که آب در طول ممبران حرکت می‌کند و بخش کوچکی از آب به صورت آب تصفیه شده از ممبران عبور می‌کند. ممبران‌های MF از مواد مختلفی نظیر پلی‌سولفون، پلی‌وینیل‌دی‌فلوراید (PVDF)، پلی‌اترسولفون (PES)، ZrO2 و کربن و یا پلی‌پروپیلن (PP) ساخته می‌شوند.
ساختار ممبران‌های میکروفیلتراسیون
ممبران‌های MF ساختار متخلخل و نامتقارنی دارند؛ به طوری که حفرات سطحی آن‌ها کوچک‌تر هستند تا بتوانند دفع آلاینده‌ها را کنترل کنند و حفرات موجود در سطح مقطع غشا نیز جهت بهینه سازی جریان، بزرگ‌تر هستند. سطح مقطع غشای MF در تصویر زیر نمایش داده شده است. فیلترهای MF را می‌توان هم از مواد آلی همانند ممبران‌های پلیمری و هم از مواد غیرآلی مانند سرامیک یا فولاد ضد زنگ ساخت.
کاربردهای میکروفیلتراسیون
از میکروفیلتراسیون معمولا به عنوان پیش تصفیه برای تولید آب آشامیدنی استفاده می‌کنند. این فرایند به خوبی می‌تواند ذرات معلق، باکتری‌ها و کیست‌ها را از آب حذف کند. از میکروفیلتراسیون می‌توان به جای بسترهای فیلتراسیون شنی مرسوم نیز استفاده کرد. از کاربردهای دیگر میکروفیلتراسیون می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• صنایع لبنی مانند شیر، پنیر و ...
• صنایع غذایی و نوشیدنی
• صنایع فلزی مانند جداسازی امولسیون آب/روغن
• صننایع نساجی جهت تصفیه پساب
• صنایع داروسازی جهت استریلیزاسیون سرد
• پیش تصفیه سیستم‌های اسمز معکوس جهت جلوگیری از ورود جامدات معلقی که منجر به گرفتگی ممبران‌های RO می‌شوند
مزایای میکروفیلتراسیون
از مزایای استفاده از فرایندهای MF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• نیاز به فشار عملیاتی کم
• مصرف انرژی کم در مقایسه با ممبران‌های نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس
• نیاز کم به اقدامات دستی
• نسبتا ارزان قیمت
مقایسه میکروفیلتراسیون و فیلتراسیون مرسوم
سیستم‌های میکروفیلتراسیون را از جهات مختلف می‌توان با بسترهای فیلتراسیون مرسوم مقایسه کرد. یکی از مهم‌ترین جنبه‌ها هزینه تمام شده است. در نگاه اول به نظر می‌رسد که هزینه تمام شده یک ماژول MF از هزینه‌های بستر فیلتراسیون مرسوم بیشتر است. اما با دقت بیشتر می‌توان دریافت که یک سیستم MF نسبت به یک بستر فیلتر تنها یک پکیج کامل‌تر می‌باشد. درنتیجه آب ورودی به سیستم MF نیازی به تجهیزات پیش تصفیه یا کنترل آب تغذیه، فلاش میکسر، لخته کننده و اقداماتی نظیر ته‌نشینی ندارد. به طور کلی هزینه سیستم MF با سیستم‌های تصفیه مرسوم قابل مقایسه است. استفاده از سیستم‌های MF همانند بسترهای فیلتراسیون مرسوم ساده است زیرا در فرایندهای فیلتراسیون، بکواش و تمیزسازی ممبران‌ها به صورت اتوماتیک انجام می‌شود. آب‌های تغذیه ورودی به ممبران‌های میکروفیلتراسیون عموما به پیش تصفیه شیمیایی نیازی ندارند، درنتیجه مصرف مواد شیمیایی به حداقل می‌رسد و به هیچ سیستم پیچیده‌ای برای کنترل و بهینه سازی مواد شیمیایی نیاز نیست. همچنین با توجه به این که تقریبا تمامی باکتری‌ها، کدورت و پاتوژن‌ها توسط سیستم میکروفیلتراسیون از آب حذف می‌شوند، میزان کلر مورد نیاز جهت تصفیه تکمیلی نیز کاهش می‌یابد.
مشکلات مرسوم ممبران‌های میکروفیلتراسیون و راه حل‌های آن‌ها
گرفتگی ممبران‌ها
گرفتگی ممبران‌ها مشکلی است که در هنگام استفاده از تمامی سیستم‌های غشایی رخ می‌دهد. آلاینده‌ها و ذرات معلق هنگام عبور از ممبران در سطح آن گیر می‌کنند و این منجر به کاهش راندمان و افزایش مصرف انرژی می‌شود. با توجه به این که رسوبات از نوع آلی، بیولوژیکی یا کلوییدی هستند، روش از بین بردن آن‌ها نیز متفاوت می‌شود. البته باید توجه داشت که فاکتورهای مختلفی نظیر فشار، سرعت حرکت آب در ممبران و سایر شرایط عملکردی بر میزان گرفتگی ممبران‌ها اثرگذار هستند. برای مقابله با گرفتگی ممبرین‌های MF راه های مختلفی نظیر تمیزسازی شیمیایی با استفاده از محلول‌های تمیزکننده مانند اسید یا سود، اطمینان حاصل کردن از پیش تصفیه مناسب مانند ته نشینی، اقدامات مکانیکی مانند شستشوی معکوس و زمان بندی دقیق تمیزسازی و یا درنهایت تعویض فیلتر کارتریج میکرونی وجود دارد.
دفع جریان تغلیظ شده
با توجه به این که در حدود 5 تا 15 درصد از آب تغذیه ورودی به ممبران‌های MF به جریان تغلیظ شده و به عبارت دیگر به آلودگی ثانویه تبدیل می‌شود، نیاز است که راه حلی برای دفع این پساب اندیشیده شود. در بعضی موارد این جریان تغلیظ شده را به منبع آب اولیه برمی‌گردانند یا به چاه‌های عمیق تزریق می‌کنند. در بعضی موارد نیز این جریان را رقیق می‌کنند و برای استفاده در کشاورزی و آبیاری مورد استفاده قرار می‌دهند. در صورتی که نتوان این جریان تغلیظ شده را به صورت مستقیم دفع کرد، باید از سایر فرایندهای تصفیه برای کاهش TSS موجود در جریان استفاده کرد. همچنین پساب تولید شده از فرایند تمیزسازی ممبران نیز باید برای تخلیه تصفیه گردد.
ملاحظات زیست محیطی استفاده از میکروفیلتراسیون
پساب تغلیظ شده تولید شده در فرایند میکروفیلتراسیون دارای غلظت بالایی از مواد معلق و باکتری است. درصورتی که قوانین تخلیه محدودیتی را ایجاد نکند، می‌توان این جریان تغلیظ شده را همراه با فاضلاب تخلیه کرد. آب حاصل از تمیزسازی شیمیایی ممبران‌ها نیز دارای ترکیبات مختلفی مانند پراکسید، اسید، باز و ... است. این آب را حتما باید به سیستم‌های تصفیه مخصوصی وارد کرد.