فهرست مطالب
نانوفیلتراسیون چیست؟
نانوفیلتراسیون”NF” یک فرآیند فیلتراسیون غشایی است که در مقیاس نانو عمل میکند و برای جداسازی و خالص‌سازی مواد از مایعات استفاده می‌شود.
از نظر اندازه ذرات و مولکول‌هایی که می‌تواند از هم جدا شود، فرآیندی میانی بین اولترافیلتراسیون” UF” و اسمز معکوس” RO” است. غشاهای نانوفیلتراسیون دارای اندازه منافذی هستند که معمولاً از 1 تا 10 نانومتر (nm) متغیر است.
کاربرد نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون یک فرآیند فیلتراسیون غشایی همه کاره است که برای حوزه‌های مختلف در صنایع مختلف استفاده می‌شود. توانایی آن در جداسازی انتخابی مولکول‌ها و یون‌ها بر اساس اندازه و بار، آن را برای طیف گسترده‌ای از اهداف ارزشمند و مفید میکند.
نانوفیلتراسیون آب سخت
برای حذف یونهای سختی مانند کلسیم” Ca2+” و منیزیم” Mg2+” از آب، کاهش پوسته پوسته شدن لوله‌ها، لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود؛ این برای تصفیه آب خانگی و صنعتی مهم است.
تصفیه آب آشامیدنی
فناوری نانوفیلتراسیون در تصفیه آب آشامیدنی برای حذف ناخالصی‌ها مانند رنگ، طعم و ترکیبات ایجاد کننده بو استفاده می‌شود؛ همچنین به حذف برخی از آلاینده‌ها مانند آفت کش‌‍ها و مواد آلی کمک میکند.
نمک زدایی
در حالی که به اندازه اسمز معکوس برای نمک زدایی آب دریا موثر نیست، NF را می‌توان برای تصفیه منابع آب شور استفاده کرد که آن را برای استفاده در مناطقی با آب‌های زیرزمینی شور کمتر مناسب میکند.
تصفیه فاضلاب
برای تصفیه فاضلاب‌های صنعتی و شهری با حذف یونهای محلول، مواد آلی و سایر ناخالصی‌ها استفاده می‌شود؛ همچنین می‌تواند بخشی از فرآیند استفاده مجدد از آب و بازیابی منابع باشد.
صنایع غذایی و آشامیدنی
- غلظت
نانوفیلتراسیون برای تغلیظ آب میوه، شیر و سایر نوشیدنی‌ها با حذف آب و در عین حال حفظ املاح مورد نظر استفاده می‌شود.
- شفاف سازی
به حذف ترکیبات و ناخالصی‌های ناخواسته از نوشیدنی‌ها کمک میکند و کیفیت آنها را بهبود می‌بخشد.
- فرآوری لبنیات
نانوفیلتراسیون همچنین در فراوری لبنیاتی مانند پنیر و شیر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
داروسازی و بیوتکنولوژی
- غلظت و خالص سازی
نانوفیلتراسیون به تغلیظ و خالص سازی ترکیبات فعال زیستی، پروتئین‌ها و آنزیم‌ها کمک میکند.
- دیالیز
غشاهای نانوفیلتراسیون را می‌توان در همودیالیز برای حذف مواد زائد و یونهای اضافی از خون استفاده کرد.
صنایع شیمیایی و پتروشیمی
نانوفیلتراسیون برای جداسازی مواد شیمیایی، بازیافت ترکیبات با ارزش و حذف ناخالصی‌ها از جریان‌های مختلف فرآیند استفاده می‌شود.
صنعت نساجی
می‌توان از آن برای بازیافت رنگ و تصفیه فاضلاب در صنعت نساجی استفاده کرد که به کاهش اثرات زیست محیطی کمک میکند.
صنعت فلز و معدن
نانوفیلتراسیون را می‌توان برای حذف یونهای فلزی از فاضلاب معدن، جلوگیری از آلودگی و امکان بازیابی فلز به کار برد.
صنعت نفت و گاز
نانوفیلتراسیون برای تصفیه آب تولیدی که به همراه نفت و گاز استخراج می‌شود برای رعایت مقررات زیست محیطی و تسهیل استفاده مجدد از آب استفاده می‌شود.
تصفیه آب سطحی
از نانوفیلتراسیون در تصفیه منابع آب سطحی برای حذف کدورت، رنگ و مواد آلی طبیعی استفاده می‌شود.
کشاورزی
نانوفیلتراسیون در کشاورزی می‌تواند به حذف املاح آب آبیاری، جلوگیری از شوری خاک و بهبود عملکرد محصول کمک کند.
بهسازی محیط زیست
نانوفیلتراسیون در حذف آلاینده‌ها از آب‌های زیرزمینی و پسابهای صنعتی برای کاهش آلودگی‌های محیطی استفاده می‌شود.
انواع نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون را می‌توان آن را بر اساس خواص خاص و مکانیسم‌های جداسازی غشاها به چندین نوع دسته‌بندی کرد:
-
نانو فیلتراسیون سست
– غشاهای این نوع نانوفیلتراسیون در مقایسه با غشاهای نانوفیلتراسیون سفت، دارای منافذ نسبتا بزرگتری هستند؛ آنها برای بخش‌هایی که برخی از املاح بزرگتر نیاز به عبور دارند و در عین حال یون‌ها و مولکول‌های کوچکتر را حفظ می‌کنند، مناسب هستند.
-
نانوفیلتراسیون محکم
غشاهای این نوع از نانوفیلتراسیون محکم و دارای اندازه منافذ کوچکتر و انتخابی‌تر هستند و امکان حفظ طیف وسیع‌تری از یون‌ها و مولکول‌ها را فراهم می‌کنند؛ از این نوع زمانی استفاده می‌شود که فیلتراسیون حساس‌تر و طیف مواد فیلتر شده بیشتر باشد.
-
نانو فیلتراسیون هیبریدی
غشاهای هیبریدی نانوفیلتراسیون ویژگی‌های نانوفیلتراسیون سست و محکم را با هم ترکیب می‌کنند؛ آنها برای ایجاد تعادل بین نگهداری املاح و شار نفوذی طراحی شده‌اند و برای حوزه‌های مختلف از جمله تصفیه آب و فرآوری مواد غذایی مناسب هستند.
-
نانوفیلتراسیون بر پایه فشار
نانوفیلتراسیون بر پایه فشار رایج ترین نوع نانوفیلتراسیون است و برای هدایت فرآیند جداسازی بر فشار هیدرولیک متکی است؛ این روش در طیف گسترده‌ای از بخش‌ها، از جمله تصفیه آب، بازیافت فاضلاب و پردازش مواد غذایی استفاده می‌شود.
-
نانو فیلتراسیون الکتریکی “EDNF”
از یک میدان الکتریکی برای بهبود فرآیند جداسازی استفاده میکند که این روش را به ویژه برای جداسازی گونه‌های باردار موثر میکند؛ در بخش‌هایی مانند الکترودیالیز و حذف یونهای فلزات سنگین از فاضلاب استفاده می‌شود.
-
نانو فیلتراسیون بر پایه دما
نانوفیلتراسیون مبتنی بر دما برای هدایت فرآیند جداسازی، به گرادیان دما متکی است؛ می‌توان از آن برای بخش‌هایی مانند تغلیظ و تصفیه مواد حساس به دما استفاده کرد.
-
نانوفیلتراسیون بر پایه حلال
نانو فیلتراسیون مبتنی بر حلال از تفاوت‌هایی در خواص حلال، به عنوان مثال، حلالیت، برای تسهیل جداسازی استفاده میکند؛ این نوع از نانوفیلتراسیون برای بخش‌هایی مانند بازیابی حلال استفاده می‌شود.
-
نانو فیلتراسیون آلی
غشاهای نانوفیلتراسیون آلی از پلیمرهای آلی ساخته شده‌اند و برای بخش‌هایی که شامل حلال =های آلی هستند یا در مواردی که سازگاری مواد غشایی با ترکیبات آلی ضروری است، مناسب هستند.
-
نانو فیلتراسیون معدنی
غشاهای نانو فیلتراسیون غیر آلی از موادی مانند فلزات ساخته میشوند و اغلب در محیط‌های شیمیایی خشن و محیط‌هایی با دمای بالا استفاده میشوند.
-
نانو فیلتراسیون آبی
نانوفیلتراسیون آبی بر جداسازی املاح از محلول‌های مبتنی بر آب متمرکز شده است و آن را برای تصفیه آب، نمک زدایی و فرآیندهای صنعتی با استفاده از محلول‌های آبی ضروری میکند.
انتخاب نوع نانوفیلتراسیون به نیازهای یک بخش، از جمله اندازه و بار املاح هدف، کیفیت نفوذ مطلوب و شرایط عملیاتی بستگی دارد. هر نوع نانوفیلتراسیون دارای مزایا و محدودیت‌های منحصر به فردی است که آنها را برای فرآیندهای مختلف صنعتی و محیطی مناسب می‌سازد.
عوامل موثر در نانوفیلتراسیون
عوامل موثر بر نانوفیلتراسیون بسیار زیاد و گسترده هستند، اما در ادامه به طور مختصر به چندین مورد از آنها اشاره می‌کنیم:
- خواص غشا
اندازه و توزیع منافذ در غشاء نانوفیلتراسیون انتخاب پذیری آن را تعیین میکند. غشاهای سفت‌تر با منافذ کوچکتر انتخابی‌تر هستند. همچنین، انتخاب مواد غشایی، اعم از آلی یا معدنی، بر سازگاری شیمیایی، استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر رسوب و تخریب تأثیر می‌گذارد. و در نهایت، ضخامت غشا نیز یکی دیگر در عوامل موثر بر میزان فیلتراسیون مواد در نانوفیلتراسیون است.
- pH
pH محلول می‌تواند بر بار سطحی غشا و در نتیجه گزینش پذیری آن تأثیر بگذارد. تنظیم pH ممکن است برای بهینه سازی فرایند جداسازی ضروری باشد.
- دما
دما می‌تواند بر ویسکوزیته محلول ، حلالیت املاح و واکنش‌های شیمیایی تأثیر بگذارد.
- سرعت
سرعت جریان محلول در سطح غشاء با حرکت دادن مداوم ذرات باقی مانده به کاهش رسوب در نانوفیلتراسیون کمک میکند؛ البته با این حال، سرعت جریان بیش از حد بالا می‌تواند منجر به آسیب غشاء شود.
- اندازه و بار محلول
اندازه و بار املاح به طور قابل توجهی بر حفظ آنها توسط غشا نانوفیلتراسیون تأثیر می‌گذارد. املاح بزرگتر یا باردار احتمال بیشتری دارد که حفظ شوند، در حالی که مولکول‌های خنثی کوچکتر ممکن است راحت‌تر از آن عبور کنند.
- ترکیب محلول
ترکیب شیمیایی محلول مورد نظر، از جمله نوع و غلظت املاح، می‌تواند بر عملکرد غشا و رفتار رسوب زدگی تأثیر بگذارد..
- رسوب غشایی
رسوب زمانی رخ می‌دهد که ذرات، کلوئیدها یا مواد آلی روی سطح غشاء تجمع می‌یابند و عبور محلول را کاهش می‌دهند و فرایند جداسازی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. پیش تصفیه، تمیز کردن و نگهداری مناسب برای کاهش رسوب ضروری است.
- پاکسازی و بازسازی غشا
تمیز کردن و نگهداری منظم غشا نانوفیلتراسیون برای بازیابی و حفظ عملکرد آن در طول زمان حیاتی است.
- پیکربندی غشا
طراحی و پیکربندی ماژول یا سیستم نانوفیلتراسیون، مانند ماژول‌های مارپیچی، لوله‌ای یا صفحه تخت، می‌تواند بر انتقال جرم و بازده کلی سیستم تأثیر بگذارد.
- سن و شرایط غشا
سن و شرایط مواد غشایی می‌تواند بر اثربخشی آن تأثیر بگذارد. غشاها ممکن است در طول زمان به دلیل قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی یا سایش فیزیکی خراب شوند.
بهینه سازی این عوامل و انتخاب غشا و شرایط عملیاتی مناسب برای دستیابی به نتایج جداسازی مطلوب در فرآیندهای نانوفیلتراسیون برای حوزه‌های مختلف از جمله تصفیه آب، نمک‌زدایی و جداسازی صنعتی ضروری است.
ارتباط نانو فیلتراسیون و تصفیه اب و فاضلاب
نانوفیلتراسیون به دلیل توانایی منحصر به فرد خود در حذف انتخابی آلاینده‌های خاص در حالی که اجازه عبور آب و یونهای کوچکتر را می‌دهد، نقش مهمی در تصفیه آب و فاضلاب دارد.
در تصفیه آب از نانو فیلتراسیون برای حذف آلاینده‌های مختلف از منابع آب خام استفاده می‌شود؛ در کاهش یونهای سختی مانند کلسیم و منیزیم، رنگ، طعم و ترکیبات ایجاد کننده بو، برخی فلزات سنگین و مواد آلی موثر است.
این روش باعث بهبود کیفیت و طعم آب می‌شود و آن را برای آشامیدن، فرآیندهای صنعتی و کشاورزی مناسب میکند.
در تصفیه فاضلاب از نانوفیلتراسیون برای تصفیه پسابهای شهری و صنعتی استفاده می‌شود. این می‌تواند به طور موثر ترکیبات آلی، جامدات معلق و یونهای خاص را حذف کند و اثرات زیست محیطی تخلیه فاضلاب را کاهش دهد.
از نانوفیلتراسیون همچنین، برای نمک زدایی منابع آب شور که نسبت به آب دریا شور کمتری دارند استفاده می‌شود. این روش به طور انتخابی یونهای نمک را حذف میکند و مناسب بودن آب را برای بخش‌های مختلف از جمله تامین آب آشامیدنی و فرآیندهای صنعتی بهبود می‌بخشد.
نانوفیلتراسیون می‌تواند به طور موثری ترکیبات مسئول طعم و بوی نامطلوب در آب آشامیدنی را حذف کرده و طعم آن را بهبود بخشد؛ علاوه بر آن، برای حذف ترکیبات ایجاد کننده رنگ مانند اسیدهای هیومیک و فولویک از منابع آب سطحی استفاده می‌شود.
از نانوفیلتراسیون همچنین، برای حذف انتخابی یونهای خاص مانند نیترات‌ها، سولفات‌ها و فلزات سنگین از جریان‌های آب و فاضلاب، با توجه به الزامات نظارتی و نگرانی‌های زیست محیطی استفاده می‌شود.
بهبود فرآیند تصفیه در تصفیه خانه‌های آب می‌تواند با استفاده از نانوفیلتراسیون صورت گیرد و از حذف آلاینده‌ها، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات نامطلوب اطمینان حاصل شود.
در نهایت، می‌توان آبی که توسط نانوفیلتراسیون تصفیه شده است، در کشاورزی برای آبیاری استفاده کرد و خطر شوری خاک را کاهش داد.
مزایای نانو فیلتراسیون
نانوفیلتراسیون (NF) به دلیل ویژگی‌ها و قابلیت‌های منحصربه‌فرد، مزایای متعددی در حوزه‌های مختلف دارد.
- جداسازی انتخابی
غشاهای نانوفیلتراسیون دارای اندازه منافذ دقیقی هستند و می‌توانند به طور انتخابی مولکول‌ها و یون‌ها را بر اساس اندازه و بار جدا کنند. این مسئله امکان حذف آلودگی‌های خاص را فراهم میکند و در عین حال اجازه عبور آب و یونهای کوچکتر را می‌دهد.
- بازده بالا
نانوفیلتراسیون در حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها، فلزات سنگین، مواد آلی، رنگ، طعم، ترکیبات ایجاد کننده بو بسیار موثر است
- صرفه جویی در انرژی
نانوفیلتراسیون معمولاً به فشارهای کمتری در مقایسه با اسمز معکوس نیاز دارد که این مسئله منجر به کاهش مصرف انرژی در فرآیندهای نمک‌زدایی و تصفیه آب می‌شود.
- تطبیق پذیری
از نانوفیلتراسیون می‌توان برای طیف وسیعی از حوزه‌ها از جمله تصفیه آب آشامیدنی، تصفیه فاضلاب، فرآیندهای صنعتی، کشاورزی و غیره استفاده کرد.
- کاهش رسوب
غشاهای نانوفیلتراسیون در مقایسه با برخی دیگر از فرآیندهای غشایی کمتر مستعد رسوب هستند که این مورد می‌تواند عمر غشا را افزایش داده و هزینه‌های نگهداری را کاهش دهد.
- رد پای فیزیکی کمتر
سیستم‌های نانوفیلتراسیون اغلب ردپای فیزیکی کمتری در مقایسه با سایر فرآیندهای تصفیه آب دارند که آنها را برای تاسیساتی با فضای محدود مناسب میکند.
در نهایت، تمامی موارد گفته شده نانوفیلتراسیون را به به ابزاری ارزشمند در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب، تصفیه فاضلاب، تولید مواد غذایی و آشامیدنی، فرآوری شیمیایی و حفاظت از محیط زیست تبدیل کرده است.
نویسنده: زهرا جهان‌بخش
تهیه شده در آکادمی بیوتکنولوژی ایران
