فرآیندهای غشایی فیلتراسیون برای تصفیه آب

جداسازی غشاء UF بین NF و MF با محدوده اندازه منافذ 0.001-0.05 میکرومتر قرار دارد. اندازه منافذ یک غشای MF در محدوده 0.05-10 میکرومتر است. غشاهای NF و MF هر دو ماهیت متخلخل دارند، اما غشاهای UF با لایه پوستی بسیار متراکم تر، یعنی اندازه منافذ کوچکتر و تخلخل سطح پایین تر که مقاومت هیدرودینامیکی بالاتری ایجاد می کند.

از آنجایی که فشار اسمزی ریزمحلول ها کم یا ناچیز است و اندازه منافذ بزرگتر از غشاهای RO و NF است، فشار کاری UF پایین و در محدوده 2 تا 5 بار است. در مورد محلول های حاوی ذرات یا ماکرومولکول ها، شار به دلیل تشکیل یک لایه ژل با گذشت زمان به شدت کاهش می یابد.

جداسازی غشاء UF به اندازه منافذ غشا، برهمکنش‌های املاح-غشاء، شکل و اندازه املاح، ماکرومولکول‌ها و CP بستگی دارد. به دلیل توزیع اندازه منافذ، وزن مولکولی غشاهای UF باید حداقل نصف کوچکترین املاح قابل حذف باشد. پلیمرهایی که معمولاً برای کاربردهای UF دستگاه تصفیه آب استفاده می شوند عبارتند از PS ، CA، CTA ، PES ، PAN ، PVDF و PP.

اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون

سیستم های جریان متقاطع UF برای جداسازی روغن از آب استفاده می شود. غشاها محتوای روغن آب را به کمتر از 5 پی پی ام کاهش می دهند. کارخانه های آب RO صنعتی معمولاً از فیلترهای کارتریج یکبار مصرف MF با اندازه منافذ بین 5.0 میکرومتر (اندازه منافذ اسمی) و 0.1 میکرومتر (اندازه منافذ مطلق) در مراحل مختلف در کارخانه، بسته به کاربرد، استفاده می کنند. به عنوان مثال، فیلتر کارتریج MF 5.0 میکرومتر در بالادست واحد RO یک نیاز استاندارد است. غشاهای UF نامتقارن با جریان متقاطع (MWCO ≤ 10000 Da) و یا فیلترهای کارتریج MF بن بست 0.1 میکرومتر در کارخانه های نیمه هادی UPW به عنوان آخرین مرحله پرداخت برای کاهش تعداد ذرات استفاده می شوند .

اولترافیلتراسیون یک فناوری تخصصی فیلتراسیون غشایی است که محصول تولید شده پس از اولترافیلتراسیون بسیار خالص و عاری از هرگونه مواد زائد بیماری زا می باشد. بسیاری از ویژگی های اولترا فیلتراسیون کاملاً مشابه فیلتراسیون مبتنی بر غشاء است زیرا استراتژی اولترافیلتراسیون با استفاده از غشای نیمه تراوا همسو میباشد. غشاهای مورد استفاده برای فرآیند اولترا فیلتراسیون می توانند انواع مختلفی داشته باشند. به عنوان مثال، غشای تقویت شده میسلی می تواند مواد شیمیایی پیچیده را با استفاده از فرآیند اولترا فیلتراسیون تحت فشار فیلتر کند.

هم فیلترهای میسلی و هم فیلترهای مبتنی بر سورفکتانت می توانند فلزات سنگین را مواد زائد با استفاده از استراتژی های اولترافیلتراسیون حذف کنند. علاوه بر این، غشاهای شیمیایی تولید شده مصنوعی نیز برای جداسازی طیف وسیعی از آلاینده‌ها با استفاده از استراتژی‌های اولترافیلتراسیون مفید هستند. بنابراین، بر اساس نیاز و ضرورت کاربران، غشاهای اولترافیلتراسیون برای جداسازی انواع خاصی از آلاینده ها از مواد زائد با استفاده از یک فرآیند فشار محور طراحی شده اند.

UF، نوعی تکنیک جداسازی غشایی، قادر به حذف ذرات موجود در محلول ها است. این فرآیند جداسازی معمولاً در صنعت و مناطق تحقیقاتی برای خالص سازی و تغلیظ محلول های ماکرومولکولی به ویژه محلول های پروتئینی استفاده می شود. مانند میکرو فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون نیز بر اساس حذف یا جذب ذرات است. غشاهای اولترا فیلتراسیون با برش وزن مولکولی (MWCO) غشا مورد استفاده ، تعریف می شوند و حالت جریان متقاطع یا بن بست در مناطق مختلف اعمال می شود. غشاهای اولترا فیلتراسیون فقط برای مولکول‌های کوچک مانند مولکول‌های شیرابه، نمک‌های معدنی و آلی میکرومولکولی به جای برخی از ماکرومولکول‌ها مانند SS، کلوئید، پروتئین و باکتری‌ها قابل دسترسی هستند. UF همیشه به عنوان راهی برای پیش تصفیه شیرابه با غلظت آلی کمتر قبل از نانوفیلتراسیون (NF) استفاده می شود.

اولترافیلتراسیون (UF) یک تکنیک غشایی است که برای حذف مواد محلول و کلوئیدی در فشار گذرنده کم استفاده می شود. یون‌های فلزی محلول به‌عنوان وزن‌های مولکولی کم یا یون‌های هیدراته می‌توانند به راحتی غشاهای UF را رد کنند، زیرا غشاهای UF دارای منافذی بزرگ‌تر از یون‌های فلزی محلول هستند. به منظور دستیابی به حذف یون های فلزی با راندمان بالا، اولترا فیلتراسیون تقویت شده پلیمری (PEUF) و اولترافیلترهای تقویت شده میسلی (MEUF) ارائه شده است.

MEUF یک روش قابل اطمینان حذف برای یون های فلزی است. این تکنیک جداسازی بر افزودن سورفکتانت ها به محلول متمرکز است. راندمان حذف MEUF فلزات بسته به پارامترهای غشاء، قدرت یونی، محلول pH و غلظت و ویژگی های فلز و سورفکتانت متفاوت است. برای جداسازی یون‌های فلزی با تعداد زیاد از جریان‌های آب، PEUF نیز راه مناسبی است. PEUF از پلیمرهای محلول در آب برای تولید یون ماکرومولکولی استفاده می کند که وزن مولکولی بیشتری نسبت به وزن مولکولی غشاء دارد. هنگامی که غشاء UF پمپ می شود،  یون های ماکرومولکولی حفظ می شوند. پس از آن می توان از Retentate برای بازیابی و استفاده مجدد از یون های فلزی استفاده کرد.

UF به عنوان یک مرحله پیش تصفیه برای RO یا به عنوان یک فرآیند مستقل استفاده می شود. فرآیند UF نمی تواند اجزای تشکیل دهنده را به اندازه RO از آب جدا کند. با این حال، این دو فناوری را می توان در کنار هم استفاده کرد.UF که بیشتر اجزای نسبتاً بزرگ یک جریان فرآیند را قبل از کاربرد اسمز معکوس حذف انتخابی آب از مخلوط باقیمانده حذف می کند. فرآیند UF برای ذرات در محدوده مولکولی 0.1-0.01 میکرومتر قابل استفاده است، در حالی که فرآیند RO برای ذرات در محدوده یونی کمتر از 0.001 میکرومتر قابل استفاده است.

غشاهای اولترا فیلتراسیون (UF) دارای اندازه منافذ 0.005-0.1 میکرومتر هستند و به عنوان یک فیلتر و مانع جداسازی بین دو طرف با اختلاف فشار عمل می کنند. کم و زیاد این تفاوت در فشار است که به عنوان نیروی محرکه برای املاح عمل می کند، کوچکتر از اندازه منافذ برای عبور از محیطی با فشار بالا تا کم فشار، و املاح بزرگ مواد زائد را به دام می اندازد. 60 UF درصد می تواند به طور موثر نمک ها، پروتئین ها، آنزیم ها را حفظ و جدا کند.

ژلاتین ها، سیلیس کلوئیدی، منگنز، آهن، کل کربن آلی، باکتری ها، ویروس ها و پاتوژن های مقاوم به کلر (مانند ژیاردیا، کریپتوسپوریدیوم) از آب پاک کند. با این حال در صورت انسداد منافذ غشایی به دلیل طیف وسیعی از مواد زاید و آلاینده‌های موجود در فاضلاب، اقدامات پاکسازی باید انجام شود. یکی از گزینه ها استفاده از اشعه ماوراء بنفش (UV) به عنوان مرحله پیش تصفیه است که رسوب غشاء را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و این کار را با افزایش دوز UV انجام می دهد. UV با صرفه جویی 64 تا 77 درصدی، هزینه های عملیاتی مربوط به تمیز کردن را کاهش می دهد. کل هزینه استفاده از سیستم UV و UF 0.15 سنت در 21 دقیقه کارکرد است، در حالی که استفاده از UF به عنوان یک فناوری مستقل بسیار گرانتر است.

کاربردهای اولترافیلتراسیون

کاربردهای عمده غذایی  دستگاه UF در صنایع لبنی است. فرآورده های لبنی بیشترین سهم ظرفیت غشایی را در جهان با کاربرد در فرآوری آب پنیر – تصفیه پنیر برای بازیابی پروتئین های شیر  و پنیرسازی دارند. سیستم های غشایی همچنین برای تولید کنسانتره شیر کامل و بدون چربی و در تولید محصولات شیر ​​ لاکتوز کاهش یافته استفاده می شود.

در صنعت نوشیدنی از آن برای بهبود عملکرد و کیفیت محصول استفاده می شود. سیستم‌های UF پروتئین‌ها، کلوئیدهای معلق، ترکیبات پلی‌فنولی، نشاسته، پکتین، میکروارگانیسم‌ها را از آب طبیعی حذف می‌کنند و آبمیوه‌ای شفاف (تراوا) را فراهم می‌کنند که حتی پس از نگهداری طولانی مدت پایدار است. سیستم های UF همچنین برای حذف ویروس در تولید پروتئین ها و واکسن های درمانی و برای بازیابی آنتی بیوتیک ها استفاده می شود.

سایر کاربردهای صنعتی عمده عبارتند از: پردازش آب شستشو با آبکاری برای بازیابی رنگ، تصفیه امولسیون های روغن/آب، تصفیه فاضلاب صنعتی حاوی فلزات سنگین، روغن و گریس و همچنین صنایع نساجی و خمیر و کاغذ. رسوب الکتریکی یکی است یکی از موفق ترین کاربردهای تجاری در مقیاس بزرگ UF، که یک فرآیند ایده آل برای بازیابی رنگ الکتریکی و از بین بردن هدررفت قابل توجه رنگ با کمک غشاهای فیبر توخالی است.

UF برای تصفیه فاضلاب برای مطابقت با استانداردهای تخلیه پساب شهری و بازیابی اجزای ارزشمند برای بازیافت مانند فاضلاب روغنی استفاده می شود. منابع فاضلاب روغنی شامل صنایع فلزی، صنایع نساجی، خودروسازی، صنایع هوانوردی و صنایع چربی های حیوانی/گیاهی و خشکشویی های صنعتی است. غشاهای UF هیدروفیل (مانند پلی اکریلونیتریل و PES) برای بازیابی روغن از پساب های روغنی به جای غشاهای آبگریز (مانند PVDF) که با روغن آلوده می شوند و منجر به از دست دادن شار می شوند، استفاده می شود.

قطرات روغن به طور کامل توسط غشای UF حفظ می شوند، اگر چه غشاء به روغن آزاد (محلول) نفوذپذیر است. جریان خوراک امولسیون شده بسیار پایدار را می توان به یک سیستم فاضلاب شهری تخلیه کرد. روغن بازیافتی غلیظ و کمتر از 5 درصد حجم ضایعات اولیه است. به طور مشابه، غشاهای UF لوله‌ای برای تصفیه فاضلاب لباس‌های شسته‌شده صنعتی، برای بازیابی فلزات سنگین مانند سرب و کروم و برای حذف روغن قبل از تخلیه پساب استفاده می‌شوند.

دیافیلتراسیون

دیافیلتراسیون نوعی از اولترا فیلتراسیون است که در آن حلال تازه به محلول خوراک اضافه می شود تا حجم اولترافیلتر شده را دوباره پر کند و در این فرآیند مولکول های کوچک مانند نمک ها را از ماکرومولکول های باقی مانده شستشو می دهد. با استفاده از محلول‌های پرکننده مناسب، دیافیلتراسیون یک روش معمول برای انجام تبادل بافر پروتئین‌ها است. روش دیگر، یک محلول رقیق ممکن است ابتدا اولترافیلتر شود تا مواد خوراک غلیظ شود، سپس دیافیلتر شود تا ماده احتباس شده خالص شود. گاهی اوقات می توان مخلوطی از ماکروسولوت ها را با دیافیلتراسیون متوالی با یک سری غشاء با وزن مولکولی کم تر تقسیم کرد.

بازیابی رنگ Electrocoat در صنایع خودروسازی و تکمیل فلزات یک کاربرد عمده UF است. پوشش الکتریکی به فرآیند رسوب رنگ الکتروفورتیک از یک پراکندگی آبی بر روی سطوح فلزی غوطه ور و باردار اشاره دارد. پوشش های نازکی با پوشش یکنواخت در نواحی فرورفته به دست می آید. پس از پوشش، قسمت فلزی با شستشو با آب از رنگ اضافی آزاد می شود. برای کمک به عملکرد مداوم فرآیند، پراکندگی رنگ به طور مداوم از طریق یک حلقه اولترا فیلتراسیون، خالص می شود.

آب حاوی نمک ها و مواد افزودنی انباشته شده حذف می شود و رنگ بازیافتی با آب تازه و حلال بازسازی می شود و به مخزن غوطه وری بازگردانده می شود. به این ترتیب، UF با به حداقل رساندن تخلیه آب، هزینه تصفیه فاضلاب را کاهش می دهد و رنگ ارزشمند را برای استفاده مجدد بازیابی می کند. نشانه ای از اقتصاد مطلوب، دوره بازپرداخت معمولی کمتر از یک سال برای نصب اولترا فیلتراسیون در کارخانه های خودروسازی مدرن است که در آن پذیرش فناوری UF عملاً جهانی است.