اولترافیلتراسیون

فهرست مطالب

فهرست مطالب

چکیده

در عصر حاضر، اهمیت جداسازی مؤثر و کارآمد آلاینده‌ها از سیالات مختلف، به‌ویژه آب و مواد غذایی و دارویی، به‌شدت افزایش‌یافته است. یکی از فناوری‌های کلیدی و موثر در این زمینه، فرایند اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration – UF) است که با استفاده از غشاهای میکرو متخلخل قادر است ذرات معلق، مولکول‌های بزرگ و ذرات کلوئیدی را از محلول جدا کند. این فناوری که در محدوده بین میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون قرار دارد، به دلیل ویژگی‌های خاص خود، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف یافته است. در کوچک‌ترین اندازه‌های ذرات، اولترافیلتراسیون به‌عنوان یک فرایند فیلتراسیون واقعی به کار گرفته می‌شود. این روش برای جداسازی مولکول‌های آلی بزرگ و ذرات کلوئیدی در فشارهای ۵ تا ۱۰ بار استفاده می‌شود. فشار عملیاتی کمتر در اولترافیلتراسیون نسبت به فرایندهای انتشار مانند اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون امکان جداسازی را با مصرف انرژی بسیار پایین‌تر فراهم می‌کند.

اصول و مبانی اولترافیلتراسیون

ماهیت فیلتراسیون هنگامی که ذرات در محدوده اندازه مولکولی قرار دارند، به‌مراتب به طور محسوسی تغییر می‌کند. در این محدوده اندازه، آلاینده‌های گازی موجود در هوا و ترکیبات محلول در یک مایع قرار می‌گیرند. برای حذف آلاینده‌های مولکولی، باید مدیاهای تصفیه به‌گونه‌ای طراحی شوند که توانایی انجام فرایندهای فوق تصفیه را داشته باشند. فناوری فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration Technology)  نوعی فناوری نوین جداسازی را معرفی می‌کند که این قابلیت را دارد و با استفاده از مدیاهای فیلتراسیون مرسوم قابل‌دستیابی نیست. این مدیاها از نظر فیلتراسیون و جداسازی به میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس طبقه‌بندی می‌شود.

همان‌طور که در شکل ۱ مشاهده می‌شود، اولترافیلتراسیون فرایندی غشایی است که بر اساس اندازه منافذ غشاء و فشار اعمال شده، امکان جداسازی مولکول‌ها و ذرات تا اندازه حدود ۵ تا ۱۰۰ نانومتر (۰.۰۰۵ تا ۰.۱ میکرومتر) را فراهم می‌کند. در واقع، در این محدوده‌، غشاهای اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration membrane) با ساختار متخلخل بسیار ریز خود وظیفه حذف مولکول‌های آلی بزرگ، پروتئین‌ها و ذرات کلوئیدی را بر عهده دارند. این اندازه تقریباً در محدوده اندازه ویروس‌ها قرار دارد و به همین دلیل، اولترافیلتراسیون به عنوان یک مرحله حیاتی در تصفیه آب برای حذف ویروس‌ها و سایر عوامل بیماری‌زا به شمار می‌رود و به سرعت در حال تبدیل شدن به آخرین مرحله در فرایند تصفیه آب است.

همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، اختلاف فشار لازم برای اولترافیلتراسیون در حدود ۵–۱۰ بار است که کمتر از فشار مورد نیاز در نانوفیلتراسیون (۲۰–۴۰ بار) و اسمز معکوس (۳۰–۶۰ بار)، اما بیشتر از فشار میکروفیلتراسیون (۱–۵ بار) است. به همین دلیل، اولترافیلتراسیون پلی میان‌رده‌ای است که ضمن جداسازی بسیار مؤثر ذرات در ابعاد نانومتری، تعادل مناسبی میان کارایی فیلتراسیون و مصرف انرژی برقرار می‌کند. کاربردهای اصلی این روش، شامل تغلیظ و خالص‌سازی پروتئین‌ها در صنایع لبنی و بیوتکنولوژی، فیلتر کردن ویروس‌ها و باکتری‌ها در تصفیه آب و فاضلاب و پیش‌فیلتراسیون خوراک‌ سیستم‌های اسمز معکوس در تصفیه آب‌شیرین‌کن است.

مکانیسم اصلی جداسازی در اولترافیلتراسیون، غربالگری (Sieving) است؛ به این معنا که غشا اجازه عبور مولکول‌ها و ذرات کوچک‌تر از اندازه منافذ خود را می‌دهد، درحالی‌که ذرات بزرگ‌تر در سمت ورودی غشا باقی می‌مانند. بااین‌حال، در عمل عواملی مانند قطبش غلظتی (Concentration Polarization)، تشکیل لایه ژل (Gel Layer) و گرفتگی غشا (Fouling)  بر عملکرد و میزان عبور سیال تأثیر می‌گذارند و باعث می‌شوند که جریان عبوری پس از مدتی به حالت اشباع برسد.

اولترافیلتراسیون همچنین برای جداسازی مولکول‌های آلی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد و توانایی آن از طریق حد جداسازی بر اساس وزن مولکولی (Molecular Weight Cut-Off)  که برحسب دالتون (یا kD برای بزرگ‌ترین مولکول‌ها) اندازه‌گیری می‌شود، سنجیده می‌شود.

شکل ۱- انواع روش‌های جداسازی غشایی

انواع غشاهای اولترافیلتراسیون و مواد سازنده آنها

برای غشاهای آلی، چند نوع ساختار وجود دارد. از جمله آن‌ها می‌توان به غشاهای مسیر تابشی (track-etched)، فیلم‌های حاصل از ریخته‌گری با حلال (به روش وارونگی فاز) و غشاهای میکرو‌متخلخل کششی اشاره کرد. علاوه بر این، غشاهای غیرآلی معمولاً از طریق سینترد کردن (حرارت‌دهی بدون ذوب کامل) ذرات ساخته می‌شوند. این روش، رایج‌ترین شیوه تولید غشاهای غیرآلی است. فرایند ساخت انواع غشاها در مقاله انواع روش‌های جداسازی غشایی توضیح داده شده است.

همچنین، مواد نانوالیاف تولیدشده با روش‌هایی مانند الکتروریسی (electrospinning) و ریسندگی گریز از مرکز (centrifugal spinning) و ملت بلون (Melt-blown) می‌توانند طوری طراحی شوند که ویژگی‌هایی مشابه غشا داشته باشند در حال حاضر، کاربرد این غشاهای نانوالیاف بیشتر در زمینه‌های میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون محدود شده است.

از نظر ساختاری، غشاها به دو دسته تقسیم می‌شوند:

  • غشاهای متقارن یا ایزوتروپیک: در این نوع غشا، ساختار فیزیکی و شیمیایی در تمام ضخامت غشا یکنواخت است.
  • غشاهای غیر متقارن یا غیر آیزوتروپیک: این غشاها دارای ساختاری متغیر در جهت ضخامت هستند. به بیان دیگر، در این نوع، یک لایه نازک و بسیار متراکم که وظیفه اصلی جداسازی را برعهده دارد، روی یک لایه نگهدارنده ضخیم و متخلخل قرار گرفته است. در برخی موارد، این دو لایه ممکن است از مواد متفاوتی ساخته شده باشند.

شکل ۲ نمونه‌ای از این نوع غشای نامتقارن را که معمولاً در فرایندهای اولترافیلتراسیون به کار می‌رود، نشان می‌دهد.

شکل ۲- غشای اولترافیلتراسیون با ساختار غیر متقارن

غشاهای اولترافیلتراسیون از مواد مختلفی ساخته می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. این مواد شامل پلیمرهای متنوع مانند پلی‌سولفون، پلی‌اتر‌سولفون، پلی‌آمیدها، استات سلولز و همچنین مواد سرامیکی مانند اکسیدهای زیرکونیوم و آلومینیوم با منافذی در مقیاس نانومتر می‌باشند. شکل‌های متداول غشا شامل ورق‌های صاف (غشاهاهای صفحه‌ای)، ماژول‌های غشایی مارپیچي، الیاف توخالی  و غشاهای سرامیکی است که هرکدام بسته به کاربرد و نوع فرایند انتخاب می‌شوند. منسوجات بی‌بافت بسیار پربازده که از الیاف در مقیاس نانویی ساخته شده‌اند، اغلب برای اهداف میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ماژول‌های غشایی صفحه‌ای

ماژول‌های غشایی با صفحه صاف (Flat Sheet) طراحی مشابهی با فیلترهای صفحه‌ای و قاب‌دار (plate and frame)  دارند. در ساده‌ترین شکل، این ماژول‌ها شامل یک کانال کم‌عمق هستند که غشاهای صاف و مستطیلی روی یک یا هر دو طرف آن قرار گرفته‌اند. این غشاها روی صفحات شیارداری نصب می‌شوند که این شیارها به راحتی امکان جمع‌آوری سیال تصفیه‌شده (permeate) را فراهم می‌کنند.

جریان ورودی (feed) به داخل کانال پمپ می‌شود و بخش تصفیه‌شده (permeate) از طریق غشاء عبور کرده و توسط صفحات شیاردار جمع‌آوری می‌شود. بیشتر ماژول‌های غشایی صفحه‌ای بر پایه واحدهای ماژولار (modular) طراحی شده‌اند که هر یک شامل واحدهای پایه غشای صفحه‌ای هستند و به صورت سری به هم متصل شده‌اند. در مقیاس صنعتی، یک ماژول غشایی معمولاً چندین واحد ماژولار دارد که به صورت موازی درون آن قرار گرفته‌اند. این ساختار، مشابه فیلترهای لنز‌مانند (lenticular filters)  است که در شکل ۳ نیز نمایش داده شده است.

یکی از مهم‌ترین مزایای ماژول‌های غشایی، سهولت در تمیزکاری و تعویض غشاهای معیوب است. از دیگر مزایای آن می‌توان به توانایی در تصفیه جریان‌های ورودی با ویسکوزیته بالا و یا دارای ذرات معلق زیاد اشاره کرد. البته بزرگ‌ترین نقطه‌ضعف این نوع ماژول‌ها، تراکم پایین آن‌هاست، به این معنا که نسبت سطح غشا به حجم کل ماژول نسبتاً پایین است.

شکل ۳- ماژول‌های غشایی صفحه‌ای

ماژولهای غشایی مارپیچی

طراحی ماژول‌های غشایی مارپیچی (Spiral Wound Modules) از نظر اصول کلی، مشابه ماژول‌های غشای صفحه‌ای تخت (Flat Sheet Modules)  است. در این نوع طراحی همان طور که در شکل ۴ نشان داده شده است، دو ورق غشا روی یک لایه‌ی پشتیبان از جنس پلی‌استر متخلخل قرار می‌گیرند. بین این دو لایه، یک فاصله‌گذار (Spacer)  توری‌شکل قرار داده می‌شود، به‌طوری که سطوح فعال غشاها رو به بیرون باشند. این غشاها ممکن است از پلیمرهای سلولزی یا از یک فیلم نازک پلیمری با ویژگی‌های خاص ساخته شده باشند که روی یک لایه‌ی متخلخل قرار گرفته و به لایه پشتی چسبیده است.

سه لبه از این دو ورق غشایی به‌هم چسبانده می‌شوند و یک لبه‌ی آن باز می‌ماند تا سیال تصفیه‌شده از طریق یک لوله مرکزی سوراخ‌دار خارج شود. در دو سمت دیگر این ساختار، فاصله‌گذارهای توری‌شکل با ضخامت حدود ۰.۵ تا ۰.۶ میلی‌متر قرار داده می‌شوند که نقش کانال جریان خوراک (Feed Channel) را دارند. کل این ساختار به‌صورت مارپیچی به دور لوله مرکزی پیچیده می‌شود و یک ماژول مارپیچی را تشکیل می‌دهد.

ویژگی‌های ماژول‌های مارپیچی:

  • این ماژول‌ها به دلیل وجود فاصله‌گذارهای تغذیه، در شرایط جریان آشفته (Turbulent Flow) کار می‌کنند.
  • وجود این فاصله‌گذارها باعث افزایش مقاومت در برابر جریان (Drag) می‌شود، بنابراین افت فشار در این ماژول‌ها نسبتاً زیاد است.
  • ماژول‌های مارپیچی نسبت به حجمشان سطح غشایی زیادی دارند و از نظر قیمت اولیه (سرمایه‌گذاری) نسبت به سایر انواع ماژول‌ها ارزان‌تر هستند.
  • ذرات معلق موجود در سیال به‌راحتی می‌توانند فاصله‌گذارهای توری‌شکل را مسدود کرده و جریان ورودی را مختل کنند. بنابراین، این نوع ماژول‌ها نیاز به سیال ورودی نسبتاً تمیز دارند و اغلب لازم است که قبل از ورود، عملیات پیش‌تصفیه انجام شود.

این نوع طراحی به دلیل ساختار فشرده، قیمت پایین و کارایی مناسب، در بسیاری از سامانه‌های فیلتراسیون صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، البته به شرط آن‌که کیفیت خوراک مناسب باشد.

شکل ۴- ماژول‌های غشایی مارپیچی

ماژول‌های لوله‌ای  (Tubular Modules)

ماژول‌های لوله‌ای شامل لوله‌هایی با قطر داخلی بین ۵ تا ۲۵ میلی‌متر و طول بین ۰.۶ تا ۶ متر هستند. در شکل ۵، نمای برشی یک ماژول لوله‌ای نشان داده شده که ساختار داخلی و آرایش دسته‌ای لوله‌ها را نمایش می‌دهد.

این نوع ماژول‌ها از چندین لوله غشایی تشکیل شده‌اند که در قالبی به شکل پوسته و لوله (Shell-and-Tube) در کنار هم قرار گرفته‌اند. این لوله‌های غشایی معمولاً از پارچه متخلخل یا پلاستیک پشتیبان ساخته شده‌اند که درون آن‌ها لایه انتخابی غشا قرار دارد. ویژگی‌های مهم ماژول‌های لوله‌ای:

  • به دلیل قطر داخلی بزرگ، این ماژول‌ها قادرند جریان ورودی که حاوی ذرات نسبتاً درشت است را تصفیه کنند. علاوه‌بر‌این، فرایند تمیزکاری آن‌ها آسان است و می‌توان آن‌ها را با روش‌های مکانیکی یا شیمیایی تمیز کرد.
  • این ماژول‌ها معمولاً تحت شرایط جریان آشفته (Turbulent Flow) با عدد رینولدز بالای ۱۰٬۰۰۰ کار می‌کنند، بنابراین برای بهره‌برداری از آن‌ها پمپ‌های قدرتمندتری لازم است.
  • ماژول‌های لوله‌ای کمترین نسبت سطح غشا به حجم را در میان چهار نوع اصلی ماژول‌های غشایی دارند. همچنین، حجم نگهداری (holdup volume) آن‌ها بالاست و برای نصب و بهره‌برداری فضای زیادی در کف نیاز دارند.

به همین دلیل، ماژول‌های لوله‌ای بیشتر در کاربردهایی استفاده می‌شوند که وجود ذرات معلق زیاد در خوراک اجتناب‌ناپذیر است و مقاومت در برابر گرفتگی اهمیت دارد، حتی اگر به قیمت افزایش مصرف انرژی و فضای اشغالی تمام شود.

شکل ۵- ماژول غشایی لوله‌ای

غشاهای الیاف توخالی  (Hollow Fiber Membranes)

غشاهای الیاف توخالی در واقع لوله‌های بسیار نازکی هستند که ابعادشان در حد الیاف است. در تصویر SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) شکل ۶، ظاهر این الیاف به خوبی نشان داده شده است.

قطر این الیاف برای اولترافیلتراسیون معمولاً بین ۰.۲ تا ۳ میلی‌متر است (در مقایسه با اسمز معکوس (RO) که می‌تواند تا ۰.۰۴ میلی‌متر نازک باشد). این الیاف معمولاً در ماژول‌های فشرده قرار دارند و به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند فشار برگشتی بالا را تحمل کنند.

در حالت عادی، هر ماژول الیاف توخالی شامل ۵۰ تا ۳۰۰۰ عدد لیف توخالی است که در دو سر با رزین اپوکسی آب‌بندی شده‌اند. طول این الیاف از ۱۸ تا ۱۲۰ سانتی‌متر متغیر است.

در فرایندهای میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF)، ماژول‌های الیاف توخالی به صورت inside-out  کار می‌کنند، یعنی لایه انتخابی در بخش داخلی الیاف قرار دارد. اما در فرایند اسمز معکوس (RO)، از حالت outside-in  استفاده می‌شود و لایه انتخابی روی هر دو طرف الیاف قرار می‌گیرد.

ویژگی‌های مهم الیاف توخالی:

  • در محدوده عدد رینولدز ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ کار می‌کنند، یعنی اغلب در شرایط جریان آرام (laminar) فعالیت دارند.
  • حداکثر فشار کاری آن‌ها معمولاً ۲.۵ بار است.
  • به دلیل جریان عرضی پایین و افت فشار کم، این ماژول‌ها از نظر مصرف انرژی بسیار اقتصادی هستند.
  • بالاترین نسبت سطح به حجم را در میان چهار نوع اصلی ماژول‌های غشایی دارند و حجم نگهداری (holdup volume) در آن‌ها پایین است.
  • این الیاف به دلیل داشتن ساختار خودنگهدار (self-supported)، ظرفیت خوبی برای بک‌واش (backwash) دارند و تمیز کردن آن‌ها آسان است.
  • یکی از معایب مهم این ماژول‌ها، حساسیت الیاف نازک آن‌ها به گرفتگی توسط ذرات درشت در جریان خوراک است، به‌خصوص هنگام کار در حالت inside-out. برای جلوگیری از این مشکل، معمولاً پیش‌تصفیه‌ای برای کاهش اندازه ذرات به کمتر از ۱۰۰ میکرون لازم است.

در مجموع، غشاهای الیاف توخالی به دلیل بهره‌وری بالا، ابعاد فشرده، مصرف انرژی کم و قابلیت شستشو در بسیاری از کاربردهای UF  و MF مورد استفاده گسترده قرار می‌گیرند، به‌ویژه در تصفیه آب و فاضلاب.

شکل ۶- غشاهای الیاف توخالی

غشاهای اولترافیلتراسیون سرامیکی

در ساخت غشاهای سرامیکی مناسب برای اولترافیلتراسیون، ابتدا یک ساختار پایه از ذرات درشت‌تر سینترد شده با کانال‌های جریان طراحی می‌شود تا پایداری مکانیکی فراهم گردد؛ سپس یک لایه نازک از ذرات ریز سرامیکی روی سطح جداساز قرار می‌گیرد و مجدداً سینترد می‌شود تا منافذ در ابعاد نانومتری شکل بگیرند که برای حذف مولکول‌های آلی بزرگ و ذرات کلوئیدی در فشارهای ۵–۱۰ بار مناسب‌اند. یکی از فرمت‌های متداول، «بلوک مونولیتی سرامیکی» است (شکل ۷) که در آن حفره‌های استوانه‌ای داخل بلوک، سطح جداسازی لازم برای غشای اولترافیلتراسیون را تأمین می‌کنند؛ این بلوک درون یک محفظه استوانه‌ای نگه داشته می‌شود تا جریان سیال از داخل منافذ ریز عبور کرده و ذرات بزرگ‌تر حذف شوند. علاوه بر این، لوله‌های سرامیکی و ورقه‌های سرامیکی (متشکل از الیاف سرامیکی) نیز در اولترافیلتراسیون کاربرد دارند؛ ورقه‌های سرامیکی به دلیل انعطاف‌پذیری کافی می‌توانند چین‌دار شوند و سطح مؤثری بزرگ برای تصفیه فراهم آورند، در حالی که لوله‌های سرامیکی امکان طراحی سیستم‌هایی با افت فشار کم و عمر طولانی را می‌دهند.

شکل ۷- غشا سرامیکی مونولیتی

کاربردهای صنعتی اولترافیلتراسیون

بیشتر کاربردهای فیلترهای غشایی اولترافیلتراسیون مربوط به سیالات آبی است. این کاربردها شامل شیرین‌سازی آب، تصفیه و خالص‌سازی آب، تصفیه مرحله سوم فاضلاب، فرآوری مواد غذایی و نوشیدنی‌های پایه آبی، فیلتراسیون خون و مایعات بدن در حوزه پزشکی، کاربردهای دارویی، تولید سوخت‌های زیستی، بازیابی فلزات گران‌بها، فرآوری خاک رس و مواد معدنی، تولید محصولات آرایشی و همچنین فرایندهای مربوط به رنگ‌ها و پوشش‌ها می‌شود.

تصفیه آب

فیلترهای قدیمی مثل فیلترهای شنی و فیلترهای معمولی فقط وقتی خوب کار می‌کنند که آب ورودی همیشه کیفیت ثابتی داشته باشد، که این همیشه امکان‌پذیر نیست. این فیلترها هم نمی‌توانند همه ذرات را کامل حذف کنند و معمولاً ذرات بزرگ‌تر از ۵ میکرون را می‌گیرند. ولی اولترافیلتراسیون (UF) این مشکلات را ندارد.

اولترافیلتراسیون به عنوان مرحله‌ای حیاتی در تولید آب فوق خالص (Ultrapure Water) و حذف ویروس‌ها و باکتری‌ها شناخته می‌شود. به طور معمول، سیستم‌های اولترافیلتراسیون در کنار میکروفیلتراسیون به عنوان پیش‌فیلتر و اسمز معکوس به عنوان مرحله نهایی، مجموعه‌ای کامل برای تصفیه آب فراهم می‌آورند. استفاده از UF باعث حذف ذرات کلوئیدی، مواد آلی بزرگ و سیلیکا می‌شود که نقش مهمی در کاهش رسوب و ایجاد کف در سیستم‌های بخار دارند. این یعنی آب تصفیه شده بسیار تمیز و با کیفیت بالایی به دست می‌آید. اولترافیلتراسیون برای تصفیه آب مزیت‌های زیادی دارد مثل:

  • کیفیت آب خروجی همیشه بالا و ثابت است.
  • وقتی کیفیت آب ورودی تغییر کند، این سیستم مقاومت خوبی دارد و عملکردش تغییر نمی‌کند.
  • نیازی به مواد شیمیایی برای پیش‌تصفیه مثل اضافه کردن پلیمر یا تنظیم pH نیست، پس هزینه‌های اضافی مثل جمع‌آوری و دفع لجن هم نداریم.
  • فضای کمتری نسبت به فیلترهای قدیمی اشغال می‌کند و وزنش هم کمتر است.
  • در مواردی که امولسیون‌های پایدار روغن و آب به‌طور طبیعی جدا نمی‌شوند، معمولاً استفاده از واحد غشای اولترافیلتراسیون به‌عنوان یک روش جداسازی فیزیکی برای تفکیک روغن از آب گزینه بهتری در نظر گرفته می‌شود.

همان‌طور که غشاهای میکروفیلتراسیون به‌عنوان پیش‌فیلتر برای اولترافیلتراسیون استفاده می‌شوند، اولترافیلتراسیون نیز به‌عنوان پیش‌فیلتر برای اسمز معکوس به کار می‌رود. به‌عنوان یک نمونه رایج، ممکن است یک واحد اولترافیلتراسیون (که خود دارای میکروفیلترهای ورودی است) به‌عنوان پیش‌فیلتر برای یک واحد نمک‌زدایی اسمز معکوس مورد استفاده قرار گیرد، همان‌طور که در شکل ۸ نشان داده شده است. بنابراین، معمولاً یک میکروفیلتر در مرحله پیش از اولترافیلتراسیون (UF) یا اسمز معکوس (RO)  قرار می‌گیرد. با این حال، در برخی موارد، یک غشای اولترافیلتراسیون نیز ممکن است پیش از مرحله اسمز معکوس استفاده شود تا کارایی فرایند تصفیه افزایش یابد.

شکل ۸- یک واحد ترکیبی اولترافیلتراسیون (UF) / اسمز معکوس (RO)

اگر اولترافیلتراسیون قبل از سیستم اسمز معکوس (RO) استفاده شود، کمک می‌کند که فیلترهای RO کمتر گرفتگی پیدا کنند. این باعث می‌شود:

  • سیستم کمتر نیاز به شستشوی شیمیایی داشته باشد که هزینه‌ها و زمان توقف دستگاه را کاهش می‌دهد.
  • بتوان سیستم RO را با سرعت بیشتر و تعداد کمتر فیلتر اجرا کرد که هزینه خرید دستگاه را هم پایین می‌آورد.

صنایع غذایی و لبنیات

در صنعت لبنیات، اولترافیلتراسیون به طور گسترده‌ای برای غلظت‌دهی شیر و بازیابی پروتئین‌ها استفاده می‌شود. این فرایند می‌تواند درصد پروتئین موجود در سرشیر (Whey) را از حدود ۱۰-۱۲ درصد به بیش از ۸۰ درصد افزایش دهد، بدون آنکه کیفیت و کارایی پروتئین کاهش یابد. همچنین، در تولید نوشیدنی‌های خاص لبنی و پنیرسازی، UF  نقش مهمی دارد.

در صنایع غذایی دیگر، مانند فرآوری سویا، آبمیوه‌ها و فراورده‌های گیاهی نیز اولترافیلتراسیون به منظور حذف مواد نامطلوب و بهبود کیفیت محصول استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در فرآوری آب‌میوه‌ها، UF  برای شفاف‌سازی و حذف مواد معلق و کلوئیدی به کار می‌رود.

در جدول ۱ برخی از کاربردهای غشای اولترافیلتراسیون در صنایع فرآوری غذا و نوشیدنی‌های آبی ارائه شده است. شکل ۹ نیز سیستم اولترافیلتراسیون را برای فیلتراسیون آب‌سیب نشان می‌دهد. در این سیستم، چندین خط فیلتراسیون به صورت موازی وجود دارد و هر خط از مجموعه‌ای از ماژول‌های غشایی لوله‌ای تشکیل شده است که به‌صورت سری پشت‌سر‌هم قرار گرفته‌اند. در این آرایش، کنسانتره خروجی هر ماژول به‌عنوان خوراک برای ماژول بعدی استفاده می‌شود.

شکل ۹- واحد اولترافیلتراسیون غشایی

صنایع کاغذ و نساجی

در صنایع کاغذ، اولترافیلتراسیون برای تصفیه پساب‌های پیچیده و بازیابی مواد ارزشمند مانند لیگنوسولفونات و لیگنین استفاده می‌شود. اولترافیلتراسیون همچنین در تغلیظ محلول‌های شیمیایی و تصفیه پساب‌های سفیدکننده کاربرد دارد.

در صنعت نساجی، UF  برای تصفیه آب‌های آلوده به مواد شیمیایی مانند لاتکس، رنگ‌ها و مواد شوینده کاربرد دارند. به طور خاص، UF  در فرایند شستشوی پشم برای تمرکز آلاینده‌ها و بازیابی آب برای استفاده مجدد، گزینه‌ای کارآمد و اقتصادی محسوب می‌شود.

تصفیه فاضلاب و کاربردهای زیست‌محیطی

فناوری اولترافیلتراسیون در سیستم‌های زیستی مانند راکتورهای غشایی بیولوژیکی (MBR) به منظور حذف جامدات معلق و کاهش بار آلی فاضلاب نقش کلیدی دارد. این سیستم‌ها با بهره‌گیری از غشاهای UF یا میکروفیلتراسیون، به جای مرحله ته‌نشینی ثانویه عمل می‌کنند و ضمن افزایش کارایی تصفیه، فضای مورد نیاز را نیز کاهش می‌دهند.

چالش‌ها و بهینه‌سازی فرایند اولترافیلتراسیون

غشاهای اولترافیلتراسیون به‌دلیل اندازه بسیار کوچک منافذ، توان بالایی در جداسازی ذرات معلق، پروتئین‌ها و مواد کلوئیدی از محلول دارند؛ هرچند این فرایند نیازمند اعمال فشار نسبتاً بالا بوده و هزینه عملیاتی به ازای هر واحد شار عبوری نیز قابل توجه است.

از طرف دیگر، عملکرد بهینه سیستم‌های اولترافیلتراسیون نیازمند انتخاب غشاء مناسب بر اساس وزن مولکولی و شکل مولکول‌های مورد جداسازی است. شاخص کلیدی در این زمینه، «وزن مولکولی قطع» (Molecular Weight Cut-Off – MWCO)  است که تعیین‌کننده اندازه ذرات یا مولکول‌هایی است که غشاء قادر به نگهداشتن آن‌ها است. شکل و ویژگی‌های فیزیکی مولکول‌ها، pH  و شوری محلول نیز بر عملکرد جداسازی تأثیرگذارند.

از مهم‌ترین محدودیت‌های این فرایند می‌توان به گرفتگی غشاء، تشکیل لایه ژل و قطبش غلظتی اشاره کرد. به همین دلیل، استفاده از پیش‌فیلترهای میکروفیلتراسیون یا سیستم‌های جریان متقاطع (Cross-flow filtration) برای کاهش گرفتگی و افزایش عمر غشاء بسیار حیاتی است. جریان‌های تلاطمی و افزایش سرعت جریان ورودی می‌تواند لایه‌های مضر را کاهش دهد و باعث افزایش میزان عبور سیال شود.

نتیجه‌گیری

فرایند اولترافیلتراسیون (UF) به‌عنوان یکی از روش‌های پیشرفته و مؤثر در فناوری‌های غشایی، نقشی کلیدی در تصفیه و پالایش سیالات مختلف، به‌ویژه آب، ایفا می‌کند. این فرایند با بهره‌گیری از غشاهای بسیار ریز متخلخل، توانایی جداسازی ذرات کلوئیدی، ویروس‌ها، باکتری‌ها و مولکول‌های آلی بزرگ را در فشارهای عملیاتی نسبتاً پایین فراهم می‌آورد و با توجه به تعادل مناسب میان کارایی جداسازی و مصرف انرژی، در بسیاری از صنایع به‌ویژه صنایع غذایی، دارویی، تصفیه آب و فاضلاب و حتی پزشکی، جایگاه برجسته‌ای پیدا کرده است. این فرایند در اختلاف فشارهای ۵ تا ۱۰ بار انجام می‌شود که همچنان به‌مراتب کمتر از فشارهای مورد نیاز در اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون است.

در این میان، انتخاب نوع مناسب ماژول‌های غشایی—از جمله الیاف توخالی، لوله‌ای، صفحه‌ای، مارپیچی و سرامیکی—با توجه به ویژگی‌های خوراک، الزامات فرایندی و محدودیت‌های عملیاتی از اهمیت بسزایی برخوردار است. هر یک از این ساختارها مزایا و معایب خاص خود را دارند که در طراحی سامانه‌های صنعتی باید با دقت مورد بررسی قرار گیرند.

از مهم‌ترین مزایای UF می‌توان به کیفیت ثابت و بالا در آب خروجی، توان حذف ویروس‌ها و باکتری‌ها، قابلیت ترکیب با سایر فرایندها مانند اسمز معکوس و نیاز کمتر به مواد شیمیایی اشاره کرد. با وجود چالش‌هایی چون گرفتگی غشا، لایه‌نشانی ژل و افت شار، توسعه مواد جدید، طراحی‌های پیشرفته و بهره‌گیری از استراتژی‌های نگهداری مؤثر، راهکارهای مناسبی برای بهینه‌سازی عملکرد این فناوری ارائه شده است.

در مجموع، اولترافیلتراسیون نه‌تنها پاسخی به نیازهای روزافزون بشر در زمینه تصفیه پایدار و مؤثر است، بلکه با سازگاری با استانداردهای زیست‌محیطی و پتانسیل بالای فناورانه، آینده‌ای روشن در مسیر توسعه پایدار صنایع مختلف ترسیم می‌کند.

مراجع

[۱] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.

[۲] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.

[۳] A.F. Cui, H.S. Muralidhara, A practical guide to membrane technology and applications in food and bioprocessing. Elsevier Ltd. Membrane Technology, 2010.

نویسنده: امین فروزان

FavoriteLoadingذخیره پست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *