مرجع تخصصی آب و فاضلاب

با وجود اينكه در بسياري از كشورها، كلرزني به عنوان يك روش شيميايي متداول جهت ضدعفوني كردن و از بين بردن ميكروارگانيزمهاي بيماري زاي آب استفاده مي شود، اما روشهاي ديگري نيز براي حذف ميكروب ها و انگل ها از آب آشاميدني وجود دارد كه مي تواند مورد استفاده قرار بگيرد. يكي از اين روشها تصفيه آب به روش اولترافيلتراسيون مي باشد.

در تصفيه آب به روش اولترافيلتراسيون ( ( Ultra Filtration آب از يك غشاء ( Ultra – Filter Membrane ) كه داراي منافذ بسيار ريز با حداكثر قطر 0.02  ميكرون است ، عبور داده مي شود. ريزترين ميكروارگانيزمي كه مي تواند در آب وجود داشته باشد ويروس پوليو ، عامل بيماري فلج اطفال است كه اندازه آن از 0.02 ميكرون بزرگتر است. ساير ميكروارگانيزمها قطري به مراتب بزرگتر از اين اندازه دارند. بنابراين با عبور آب از منافذ اين غشاء مذكور كليه ميكروارگانيزمها به طريق فيزيكي از داخل آب حذف مي شوند چرا كه قادر به عبور از منافذ غشاء نيستند.

امروزه غشاء اولترا فيلتر به صورت ني هاي توخالي ( Hallow Fibers ) ساخته مي شود. جنس ني ها از Poly Amid  و يا Poly Propylene  است و روي بدنه آنها منافذي با قطر حداكثر 02/0 ميكرون وجود دارد. آب با عبور از اين منافذ، از طريق بدنه ني ها وارد شده و از انتهاي ني ها خارج مي شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

كاربرد نانوفـيلتراسيون در تصفيه آب
آب از ضروري ترين عناصر حيات بر روي كره زمين است و يك سرمايه ملي محسوب مي شود. تا بيست سال گذشته، انرژي مهمترين سرمايه ملي كشورها بود اما در آينده نزديك آب به جاي نفت در رديف نخستين سرمايه ملي كشورها قرار خواهد گرفت. به گفته كارشناسان، براي انرژي غيرنفتي جايگزين هايي البته نه چندان ارزان تر اما قابل دسترس وجود خواهد داشت، در حالي كه براي آب، اين مايه حياتي جايگزيني وجود ندارد و به همين دليل تاكيد فراواني بر صرفه جويي و استفاده بهينه از منابع آن صورت مي گيرد. از سويي، توانايي بازيافت آب و امكان دسترسي به منابع مناسب تر براي مصارف گوناگون از ضروريات مهم است.
در فناوري نوين نانو با بكارگيري روشهاي متنوعي مي توان آب را از پسابهاي آلوده براي مصارف كشاورزي، صنعتي و حتي خانگي بازيافت كرد. همچنين استفاده از فناوري نانو در راستاي كاهش اثرات سوء زيست محيطي بعنوان يكي از راهكارهاي مديريتي مطرح است و نانو تكنولوژي به عنوان جبران كننده زيانهاي زيست محيطي ناشي از ضايعات صنعتي شناخته مي شود.
در كارگاه علمي - تخصصي مشترك ايران و آلمان، با موضوع » فناوري نوين در تصفيه آب و پساب«، به غير از كاربرد ازن در ضدعفوني كردن آب كه در شماره هاي پيشين ماهنامه مورد اشاره قرار گرفت، يكي ديگر از مسائل مطرح شده توسط متخصصان آب و فاضلاب اهميت كاربرد نانو تكنولوژي در تصفيه آب و پساب، خصوصاً استفاده از فرآيندهاي غشايي از قبيل اسمز معكوس، ميكروفـيلتراسيون، اولترا فـيلتراسيون و نانو فـيلتراسيون بود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جهان و كمبود آب شيرين

جمعيت جهان در حال افزايش و منابع آب آشاميدني رو به کاهش است؛ بنابراين ممکن است جهان در آينده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزايش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگي نيز تشديد مي‌شود سبب شده‌است تا تأمين آب بهداشتي به يکي از دغدغه‌هاي اساسي جامعه جهاني تبديل شود. امراض ناشي از آلودگي‌هاي آب هرروزه هزاران و شايد دهها هزار نفر را مي‌کشد.

توانايي بازيافت آب، امکان دسترسي به يک منبع مناسب براي مصارف گوناگون را ايجاد مي‌کند. با به کارگيري فناوري‌هاي الکتريکي و مکانيکي به ‌سادگي مي‌‌توان آب آلوده را براي استفاده در کشاورزي و يا حتي براي مصارف خانگي بازيافت نمود. بدين‌ترتيب فيلترنمودن آب با فيلترهاي نانومتري، تحولي عظيم در بازيافت و استفاده مجدد از آب‌هاي صنعتي و کشاورزي ايجاد مي‌کند. فيلترهاي فيزيکي با منافذي در حد نانومتر مي‌توانند باکتري‌ها، ويروس‌ها و حتي واحدهاي کوچک پروتئين را صددرصد غربال کنند. با جداساز‌هاي الکتريکي که يون‌ها را به وسيله صفحات ابرخازن جذب مي‌کند مي‌توان نمک‌ها و مواد سنگين را جذب کرد. بررسي‌ فعاليت‌هاي مختلف دنيا، شامل برنامه‌هاي در دست اجرا و برنامه‌هاي آتي مراکز صنعتي و پژوهشي، نشان مي‌دهد که حوزه تصفيه يکي از حوزه‌هاي کاربرد فناوري‌نانو در صنعت آب است؛ و با بهره‌گيري از آن، هزينه‌هاي تصفيه آب به ميزان زيادي کاهش خواهد يافت.

دو زمينه اصلي در اين عرصه عبارتند از:
فيلترهاي نانومتري به منظور افزايش بازيابي آب در سيستم‌هاي موجود؛
نانوحسگرهاي زيستي به منظور تشخيص سريع و کامل آلودگي‌هاي آب.

فيلتراسيون عبارت است از عملي كه جرياني اعم از گاز يا مايع با فشار از طريق يك فيلتر براي جداسازي مواد معلق يا كلوئيدي كه مي تواند از جنس مواد گرانولي مانند شن ،  پارچه بسيار ظريف ، چيني بدون لعاب و يا كاغذ مخصوص باشد ، از آن عبور كند .

تكنولوژي مدرن فيلتراسيون به طور ويژه طي 30 سال گذشته مطابق با پيشرفت هاي علمي در شيمي پليمر به وجود آمده است . امروزه رنج وسيعي از عمليات فيلتراسيون ( با جريان مقطعي ) با غشاهاي پليمري انجام مي شود كه عموما غشاهاي نانوفيلترهاي تجاري ، پليمري مي باشند . نانوفيلتراسيون (NF ) يك جريان تحت فشار است كه با غشاي متخلخلي با فشار ( 500-150 ) پوند بر اينچ مربع و يا ( 34-10 ) بار ، ذراتي باوزن مولكولي 1000-200 ( دالتون ) را جدا مي كند .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

 فیلتر آلومینای نانولیفی

شرکت Argonide فناوری جاذب‌های نانولیفی را به صورت کارتریج فیلترهای نانوسرام عرضه کرده است. این جاذب‌ها از نانوالیاف آلومینا با بار مثبت روی زیرلایه شیشه‌ای تشکیل شده‌اند... نانوالیاف آلومینا سطح بیشتری نسبت به الیاف متداول داشته و بار مثبت بالایی دارند که باعث جذب سریع‌تر آلودگی‌‌های باردار منفی از قبیل ویروس‌ها، باکتری‌ها و کلوئیدهای آلی و غیرآلی می‌شود.

حذف آلودگی‌ها

فیلترهای نانوسرام بیش از 99/99 درصد ویروس‌ها، باکتری‌ها، انگل‌ها، ترکیبات آلی طبیعی، DNA و کدری را حذف می‌کند، همچنین دارای قابلیت جذب 9/99 درصد از نمک‌ها، مواد رادیواکتیو و فلزات سنگین از قبیل کروم، آرسنیک و سرب را هستند، حتی اگر ذرات، نانومقیاس و یا حل شده باشند. فیلترهای نانوسرام در PH بین پنج تا 9 بهتر عمل می‌کنند.

مقدار تصفیه آب

شدت جریان فیلترهای نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود یک تا 5/1 لیتر بر ساعت، به ازای هر سانتی‌متر مربع از فیلتر است. حداکثر فشار چهار bar می‌تواند به فیلتر اعمال شود که منجر به شدت جریان 9 تا ده لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی‌متر مربع از فیلتر خواهد شد. کارتریج فیلترهای نانوسرام دارای یک طراحی تاخورده است که سطح آنها را افزایش می‌دهد. همچنین طبق گزارش فیلتر به طور متوسط مقاومت عملکردی بالایی نسبت به غشاهای بسیار متخلخل دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

استفاده از نانو فیلتر جهت تصفیه باقیمانده آفت کشها در آب

یک تصفیه خانه محلی در هند از قطعات نانو برای حذف باقیمانده آفت کشها در آب استفاده کرد.
این برنامه در موسسه فن آوری هند(IIT) به عنوان اولین تولید تجاری این نوع فیلتر در جهان مورد استفاده قرار گرفت. همچنین این دستگاه در مدت شش ماه به طور آزمایشی مورد مطالعه قرار گرفت. این دستگاه از تکنولوژی نانو سیلور یا نانوگلد استفاده می ‌کند. این دستگاه می تواند سموم ارگانو کلره و ارگانو فسفره را تصفیه ‌کند.
مکانیسم این دستگاه جذب و تخریب آفت کش است. نتایج این تحقیقات نشان میدهد که ذرات طلا از ذرات نقره بهتر عمل می‌کند. اما به دلیل گران بودن طلا استفاده از ذرات نقره با صرفه تر است. اندازه این ذرات بین 60 تا 80 نانومتر است. این دستگاه سالیانه می ‌تواند سالیانه 6000 لیتر آب را تصفیه کند که برای مصرف یکسال یک خانواده کافی است و بعد از یکسال باید فیلتر را تعویض کرد. استفاده از ذرات نانو برای کاهش خطرات زیست محیطی بسیار لازم به نظر می رسد. ذرات نانو آهن نشان داده است که باعث از بین رفتن باقی مانده آفت کشهایی مانند DDT، آرسنیک، فلوراید و فلزات سنگین می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تعریف نانوفیلتراسیون

به طور معمول جداسازی نمک های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل شده های غیریونی با وزن مولکولی کمتر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلی در انتخاب غشاهای جدید با خواص و ویژگی های فی مابین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد. محدوده ویژگی ها و مشخصات فرایند جداسازی غشاهایی که از طریق این تعریف پوشش داده می شود به تازگی به عنوان غشاهای نانو مطرح شده است.

این فرایند در سال های 1980 نیز تحت عنوان هیپرفیلتراسیون (Hyperfiltration) از آن نام برده شده و همیشه همراه با فرایند اسمز معکوس و مشابه آن معرفی شده است. امروزه نانوفیلتراسیون به صورت یک فرایند به طور کامل مجزا با خواص کاربردی ویژه به کار گرفته می شود و با دو فرآیند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون اختلاف های اساسی دارد. به عبارتی غشاهای به کار رفته در فرایند نانوفیلتراسیون دارای ساختار متخلخل از نوع میکرو با قطر روزنه های کمتر از 2 نانومتر بوده و از مواد پلیمری، که در بیشتر حالت ها دارای بار یونی می باشند، ساخته شده اند.

شهرت تجاری نانوفیلتراسیون از اوایل سال های 1980 آغاز شده و در سال 1988 اولین نانوغشاها از جنس مواد سرامیکی به صورتتجاری و کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. بعدها نانوغشاهایی از جنس مواد پلیمری آلی جهت کاربردهای خاص به بازار عرضه شد.

در حال حاضر غشاهای نانو در بخش های مختلف صنایعی چون بیوتکنولوژی، صنایع غذایی و کشاورزی، تولید آب آشامیدنی و حفاظت محیط زیست به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، می توان به جداسازی مواد معدنی از لاکتوز در صنایع شیر، بازیابی و استفاده مجدد از آب مصرفی در پساب های رنگی و تصفیه آب شرب در یک مقیاس بزرگ اشاره کرد.

کاربردهای ممکن فرایند نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف

غذایی:

- نمک زدایی از محلول پنیر
- نمک زدایی از محلول شکر
- بازیابی مواد غذایی در فرایند تخمیر
- تصفیه پساب
- خالص سازی اسیدهای آلی

نساجی، چرم و کاغذ:

- جداسازی اسیدهای آمینه
- بازیابی رنگینه ها از پساب
- بازیابی آب و نمک از پساب
- بازیابی مواد آهاری از پساب آهارگیری
- بازیابی و استفاده مجدد از یون های کروم
- تصفیه پساب

شیمیایی:

- بازیابی محلول سفیدگری
- حذف گاز دی اکسیدکربن در فرایند گازی
- تهیه برومید
- بازیابی قلیا در فرایند تولید سلولز و ویسکوز
- رسوب سولفات کلسیم

الکترونیک و آّبکاری:

- جداسازی فلزات سنگین از محلول اسیدها
- حذف سولفات های فلزی از پساب
- حذف نیکل

تولید آب:

- بازیابی هیدروکسید لیتیم در تصفیه پساب باتری سازی
- حذف مواد روغنی از آب
- حذف سختی از آب
- حذف مواد آلی طبیعی
- حذف سموم دفع آفات از آب
- حذف فلزات سنگین، آهن، مس، روی و سیلیکا
- تصفیه آب های شور

کشاورزی:

- حذف فسفات، سولفات، نیترات و فلوراید

- حذف سلنیوم از آب زهکشی

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نانوفیلتراسیون- آشنایی با مفاهیم

قبل از بررسی نقش فناوری‌نانو در فیلترها، اجازه دهید ابتدا با بعضی مفاهیم در این زمینه آشنا شویم.

1. فیلتر چیست؟

فیلترها موادی متخلخلی هستند که در فرآیند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها، داشتن خلل و فُرج‌هایی با اندازه‌ و ابعاد مشخص است، به همین دلیل، فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخ‎ها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را دربرمی‌گیرند و شبکه پیچیده‌ای از حفره‌ها را می‌سازند. فیلترها می‌توانند از جنس پلیمـر و یا سرامیک باشند.

2. تعریف فیلترکردن یا فیلتراسیون

فیلترکردن یا فیلتراسیون، فرآیندی است که در آن یک مایع و یا گاز (سیال) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می‌کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک‌تر هستند از آن عبور کرده و ذرات با اندازه بزرگ‌تر، از سیال جدا شده و در پشت فیلتر می‌مانند.

3. عوامل مؤثر در فیلتراسیون

دو عامل که در انتخاب نوع فیلتر و کارکرد آن مؤثر می‌باشد عبارت است از:

3-1- اندازه حفره‎های فیلتر

همان‌طور که گفته شد موادی با اندازه بزرگ‌تر از حفره‎های فیلتر، در پشت آن باقی می‌مانند و عبور نمی‌کنند، در نتیجه، برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد.

3-2- مقدار ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند

ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیش‌تر می‌شوند. این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن روزنه‌های فیلتر شود. به این دلیل، باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض، و یا آن را پاک‌سازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می‌باشد از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا تعویض و یا حتی تمیزکردن فیلتر هزینه‌بر است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تاریخچه

از اواخر سالهای 1950 تا 1960 ، استفاده از اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF) بعنوان واحدهای عملیاتی گسترش یافت و دامنه کاربرد آنها نیز بطور روز افزونی توسعه پیدا کرد .

در ابتدا از اسمز معکوس برای نمک زدایی از آب دریا و آب لب شور استفاده می شد .افزایش تقاضاهای صنعتی جهت حفظ آب ، کاهش مصرف انرژی ، کنترل خوردگی و بازیافت مواد مفید از جریانهای پسآب ، سبب ایجاد کاربردهای جدید اقتصادی شدند. بعلاوه ، پیشرفت دانش بیوتکنولوژی و داروسازی ، همگام با توسعه استفاده از ممبرین ، سبب شد که روش استفاده از ممبرین بعنوان مرحله مهمی در عملیات جداسازی ، از جهت صرفه جویی در انرژی و جلوگیری از افت حرارتی محصولات ، به روش تقطیر ترجیح داده شود .

تحقیقات علمی در مورد اصول ممبرین را ، شرکت FILMTEC با ساخت ممبرین FILMTEC FT 30 در سال 1963 پایه ریزی کرده است .

سپس ، با عرضه محصولات جدید ، کیفیت نفوذ آب بهبود یافت و قیمت تمام شده نیز کاهش پیدا کرد.

اکنون در فرآیند نمک زدایی ، استفاده از ممبرین های RO روش ارجح می باشد زیرا بطور قابل توجهی افت فشار عملیاتی را کم می کند و بنابراین قیمت تمام شده را کاهش می دهد . فن آوری ممبرین های نانوفیلتر قدرت انتخاب برخی از ترکیبات و موارد معین در نمک زدایی را در فشار عملیاتی نسبتا پایین فراهم می آورد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب