مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون:

۱. مقدمه

نانو فیلتراسیون (NF) یک فرآیند غشایی با اندازه منافذ ۰.۱ تا ۱ نانومتر است که قادر به حذف ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا (۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون)، یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca²⁺، Mg²⁺) و آلاینده‌های میکروبی است. این روش برای نرم‌سازی آب، حذف فلزات سنگین و کاهش کدورت کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• حذف فیزیکی: ذرات بزرگتر از اندازه منافذ غشا به دام می‌افتند.

• دافعه بار الکتریکی: غشاهای NF معمولاً بار منفی دارند و یون‌های مثبت (مثل Ca²⁺) را دفع می‌کنند.

• انتقال حل‌شونده: ترکیبات خنثی با وزن مولکولی پایین ممکن است از غشا عبور کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع غشا پلی آمید، سلولز استات انتخاب بر اساس نوع آلاینده و pH آب

فشار عملیاتی ۵–۲۰ بارفشار بالاتر برای آب‌های شور

درجه بازیابی ۵۰–۸۵٪ نسبت آب تصفیه‌شده به آب ورودی

شار غشایی ۱۰–۳۰ LMH (لیتر/متر²/ساعت) بهینه برای جلوگیری از گرفتگی

pH آب ۳–۱۰ جلوگیری از تخریب غشا

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه سطح غشا مورد نیاز

سطح غشا (m²) = دبی آب تصفیه‌شده (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۱۰۰ / (۲۰ × ۲۴) ≈ ۰.۲۱ m².

ب. محاسبه انرژی مصرفی

انرژی (kWh/m³) = (فشار (bar) × دبی (m³/h)) / (۳۶۰۰ × راندمان پمپ)  

• مثال: فشار ۱۵ بار، دبی ۵ m³/h، راندمان ۷۰% → انرژی ≈ (۱۵ × ۵) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۳ kWh/m³.

ج. بازیابی آب

بازیابی (%) = (دبی آب تصفیه‌شده / دبی آب ورودی) × ۱۰۰  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• پیش‌تصفیه: فیلترهای شنی، میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی غشا.

• ممبران NF: ماژول‌های مارپیچی (Spiral Wound) یا صفحه‌ای (Flat Sheet).

• پمپ فشار بالا: از جنس استیل ضدزنگ برای تحمل فشار عملیاتی.

• سیستم شستشوی معکوس (CIP): استفاده از محلول‌های اسیدی یا بازی برای احیای غشا.

ب. مصالح و مواد

• غشا: پلی آمید نازک (TFC) یا سلولز استات.

• محفظه فشار: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

• لوله‌کشی: PVC مقاوم به فشار یا استیل.

۶. اجرا و مراحل راه‌اندازی

۱. پیش‌تصفیه آب: حذف ذرات معلق > ۱۰ μm با فیلترهای کارتریج.
۲. تنظیم pH: اسیدی یا بازی کردن آب برای جلوگیری از رسوب‌گیری (مثلاً تنظیم pH ≈ ۶–۸).
۳. تزریق آنتی‌اسکالانت: جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی روی غشا.
۴. راه‌اندازی سیستم: افزایش تدریجی فشار برای جلوگیری از شوک به غشا.
۵. پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار، شار، و هدایت الکتریکی آب خروجی.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی غشا (Fouling):

  • علت: تجمع مواد آلی، معدنی یا بیولوژیکی.

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول NaOH (pH ۱۲) یا اسید سیتریک (pH ۲).

• رسوب‌گیری (Scaling):

  • علت: اشباع نمک‌های کلسیم یا سولفات.

  • راهکار: تزریق آنتی‌اسکالانت (مثل پلی آکریلیک اسید).

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در قسمت‌های مرطوب.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب ورودی: ۵۰ m³/day

• آلاینده اصلی: سولفات (SO₄²⁻) با غلظت ۸۰۰ mg/L

• هدف: کاهش سولفات به ≤ ۲۰۰ mg/L

محاسبات:

• شار غشایی: ۱۵ LMH → سطح غشا = ۵۰ / (۱۵ × ۲۴) ≈ ۰.۱۴ m².

• فشار عملیاتی: ۱۰ بار → انرژی مصرفی ≈ (۱۰ × ۲.۰۸) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۰۸ kWh/m³.

• بازیابی آب: ۷۰% → دبی پساب غلیظ = ۵۰ × ۰.۳ = ۱۵ m³/day.

تجهیزات:

• ماژول مارپیچی با سطح ۰.۲ m².

• پمپ فشار بالا با ظرفیت ۳ m³/h.

• سیستم تزریق آنتی‌اسکالانت با دوز ۲ mg/L.

۹. پیشرفت‌های نوین

• غشاهای نانوکامپوزیتی: ترکیب نانوذرات (مثل TiO₂) برای افزایش مقاومت شیمیایی.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب NF با اسمز معکوس (RO) یا اکسیداسیون پیشرفته (AOPs).

• غشاهای کم‌انرژی: کاهش فشار عملیاتی تا ۵ بار با استفاده از غشاهای نسل جدید.

۱۰. نتیجه‌گیری

نانو فیلتراسیون به عنوان یک روش کارآمد و انعطاف‌پذیر، جایگاه ویژه‌ای در تصفیه آب صنعتی و شرب دارد. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آب ورودی، انتخاب غشای مناسب و مدیریت چالش‌هایی مانند گرفتگی، کلید موفقیت سیستم است. فناوری‌های نوین مانند غشاهای نانوکامپوزیت و سیستم‌های هوشمند پایش، آینده این روش را متحول خواهند کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب