میکروفیلتراسیون (MF) یکی از قدیمیترین و پرکاربردترین فرآیندهای غشایی فشارمحور است که بر پایه جداسازی فیزیکی ذرات، میکروارگانیسمها و کلوئیدها در بازه اندازه ۰.۱ تا ۱۰ میکرومتر عمل میکند. به دلیل نیاز به فشار عملیاتی نسبتاً پایین، سهولت بهرهبرداری و بازده بالای جداسازی، میکروفیلتراسیون جایگاه مهمی در تصفیه آب، صنایع غذایی، داروسازی، بیوتکنولوژی و کاربردهای استریلسازی مایعات و گازها یافته است. عملکرد غشاهای MF بهطور مستقیم تحت تأثیر جنس غشا، اندازه و توزیع منافذ، هندسه ماژول و شرایط هیدرودینامیک جریان قرار دارد. مهمترین چالش این فناوری، پدیده رسوبگذاری (Fouling) است که با انسداد منافذ یا تشکیل لایه کیک، موجب کاهش شار، افزایش مصرف انرژی و نیاز به شستوشوی شیمیایی میشود. پیشرفتهای اخیر در مواد پلیمری و سرامیکی، طراحی ماژولهای الیاف توخالی و توسعه روشهای ساخت غشا مانند وارونگی فاز، کشش و Track-etching، به بهبود مقاومت فولینگ و افزایش پایداری عملیاتی کمک کرده است. با وجود این، استفاده گسترده از MF در کاربردهای نوین ــ بهویژه در نقش پیشتیمار برای UF و RO، تصفیه فاضلاب شهری و استریلیزاسیون بدون حرارت ــ نیازمند ارتقای بیشتر در طراحی غشا، کنترل فولینگ و بهرهبرداری بهینه است. این مقاله با مروری ساختاریافته بر اصول جداسازی، انواع غشا، روشهای ساخت، پیکربندی ماژولها، مکانیسمهای فولینگ و کاربردهای صنعتی، روندهای نوین و چالشهای پیشروی میکروفیلتراسیون را بررسی میکند.
غشاء یک سد نیمهتراوا با ساختاری مهندسیشده است که امکان عبور انتخابی یک یا چند جزء را فراهم میکند. این انتخابپذیری تحت تأثیر نیروهای محرکه ناشی از اختلاف فشار، غلظت، دما یا پتانسیل شیمیایی میان دو سوی غشاء ایجاد میشود. بر اساس مکانیسم حاکم بر انتقال جرم، فرایندهای غشایی به دستههای مختلفی مانند فرایندهای فشارمحور، گرمامحور، بارمحور و غلظتمحور تقسیم میشوند. در میان این دستهها، فرایندهای فشارمحور ــ شامل میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) ــ گستردهترین کاربرد صنعتی را دارند. در این فرایندها، اعمال اختلاف فشار تراگذری (ΔP) عامل اصلی حرکت سیال و جداسازی محسوب میشود.
میکروفیلتراسیون یکی از مهمترین و ابتداییترین روشهای فیلتراسیون غشایی است که بر جداسازی فیزیکی ذرات درشت و میکروارگانیسمها استوار است. در این روش، جریان خوراک از میان غشایی با اندازه منفذ مشخص عبور داده میشود تا ذرات معلق، سوسپانسیونها، باکتریهای بزرگ، سلولهای مخمر و سایر آلایندههای جامد در بازه ۰٫۱ تا ۱۰ میکرومتر از جریان جدا شوند. مکانیسم اصلی در MF، غربالگری (Sieving) است؛ به این معنا که عبور یا عدم عبور ذرات عمدتاً توسط اندازه منافذ و هندسه ساختاری غشاء تعیین میشود. به دلیل ماهیت درشتتر آلایندههای هدف، فشار موردنیاز برای عملکرد MF نسبتاً پایین بوده و معمولاً در محدوده ۱ تا ۵ بار قرار دارد.
از آنجا که میکروفیلتراسیون قادر به حذف طیف وسیعی از ذرات کلوئیدی، میکروارگانیسمها و آلایندههای نامحلول است، نقش آن بهعنوان پیشپردازش در بسیاری از سامانههای غشایی پیشرفته مانند UF و RO بسیار حیاتی است. این فرایند یکی از قدیمیترین فناوریهای غشایی تجاری محسوب میشود و امروزه در صنایعی همچون تصفیه آب، صنایع دارویی، غذایی، بیوتکنولوژی، نوشیدنیها و استریلیزاسیون بهصورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرد.
بازده جداسازی در غشاهای MF علاوه بر اندازه و توزیع منافذ، به بار سطحی غشاء، انرژی سطحی، مواد سازنده، ساختار ماژول، شرایط هیدرودینامیک جریان و نوع آلایندههای موجود در خوراک وابسته است. این وابستگی سبب شده است که طراحی و انتخاب غشا در MF نیازمند بررسی همزمان ویژگیهای ساختاری، عملکردی و شرایط عملیاتی باشد. قابلیت حذف مؤثر ذرات و پایداری مناسب در برابر آلودگیهای فیزیکی و بیولوژیکی، MF را به یک فناوری جداسازی چندکاربرده، انعطافپذیر و اقتصادی تبدیل کرده است.
در فرایندهای جداسازی غشایی، نوع جریان و نحوه تماس خوراک با سطح غشاء نقش تعیینکنندهای در هیدرودینامیک لایه مرزی، میزان رسوبگذاری (Fouling)، شار تراوه و پایداری عملکردی دارد. در میکروفیلتراسیون، سه الگوی اصلی فیلتراسیون بهکار میرود: فیلتراسیون سربهسر (Dead-end)، جریان عرضی (Cross-flow) و جریان ترکیبی (Hybrid-flow). انتخاب میان این الگوها به ماهیت خوراک، میزان جامدات، حساسیت فرایند، هزینه عملیاتی و نیاز به پایداری طولانیمدت بستگی دارد.
در فیلتراسیون سربهسر، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، جریان خوراک عمود بر سطح غشاء اعمال میشود و کل جریان ورودی مجبور است از منافذ غشاء عبور کند. در این حالت، ذرات معلق و کلوئیدها مستقیماً در سطح غشاء جمع میشوند و پس از مدت کوتاهی یک لایه کیک فشرده تشکیل میدهند. این لایه کیک موجب:
میشود.
به دلیل تجمع سریع ذرات، حالت Dead-end بیشتر در فرایندهای ناپیوسته، حجم کم و آزمایشگاهی بهکار میرود. کاربردهای صنعتی رایج شامل:
در این روش، پس از رسیدن شار به مقدار بحرانی، لازم است غشاء تحت عملیات شستوشوی سطحی، بکواش یا جایگزینی قرار گیرد. در مواردی که خوراک دارای بار جامد پایین و پتانسیل فولینگ کم باشد، حالت Dead-end گزینهای اقتصادی و ساده برای شفافسازی اولیه است.
در فیلتراسیون جریان عرضی که شماتیک آن در شکل ۲ نشان داده شده است، خوراک موازی با سطح غشاء حرکت میکند و تنها بخشی از جریان از غشاء عبور میکند. این الگو سبب ایجاد نیروی برشی (Shear) روی سطح غشاء میشود و نتیجه آن:
است.
جریان موازی موجب افزایش آشفتگی (Turbulence) در لایه مرزی و افزایش اختلاط میان ذرات و سیال اصلی میشود. در نتیجه، ذرات تجمعیافته بهتر از سطح جدا شده و احتمال فولینگ شدید کاهش مییابد. به همین دلایل، Cross-flow انتخاب اصلی در کاربردهایی با بار جامد بیش از ۰٫۵ درصد است.
با وجود آنکه انتقال جرم در این روش به نفوذپذیری مولکولی مواد نگهداشته شده بستگی دارد و مواد کلوئیدی معمولاً نفوذپذیری پایینی دارند، افزایش برش ناشی از جریان عرضی موجب افزایش چشمگیر شار عملیاتی MF نسبت به UF میشود.
در بسیاری از فرایندهای صنعتی، شرایط خوراک یا الزامات عملیاتی بهگونهای است که neither Dead-end nor Cross-flow بهتنهایی پاسخگو نیست. در چنین شرایطی، حالت Hybrid-flow مورد استفاده قرار میگیرد (شکل ۳). در این الگو:
دو فاز اصلی وجود دارد:
این الگو در سیستمهایی مانند UF/MF برای افزایش پایداری شار، کاهش توقفهای عملیاتی، و افزایش بهرهوری کل واحد استفاده میشود.
اب الگوی مناسب فیلتراسیون در سامانههای میکروفیلتراسیون به مجموعهای از عوامل عملیاتی و ویژگیهای خوراک بستگی دارد. یکی از مهمترین معیارها بار جامدات خوراک است؛ بهطور معمول، زمانی که غلظت جامدات کمتر از ۰٫۱ درصد باشد، حالت سربهسر کارایی مطلوبی دارد، اما در بازه ۰٫۱ تا ۰٫۵ درصد استفاده از سربهسر همراه با یک پیشفیلتر محافظ یا بهرهگیری از الگوی جریان ترکیبی توصیه میشود. هنگامی که بار جامدات از ۰٫۵ درصد فراتر رود، استفاده از جریان عرضی ضروری است، زیرا تجمع ذرات در چنین شرایطی بهسرعت منجر به گرفتگی غشاء میشود. ماهیت و رفتار ذرات نیز در انتخاب حالت فیلتراسیون نقش اساسی دارد؛ ذرات سخت یا غیرقابلفشردن معمولاً در حالت سربهسر بهخوبی جداسازی میشوند، درحالیکه ذرات نرم، چسبنده، ژلساز و کلوئیدی تمایل شدیدی به فولینگ دارند و بنابراین حالت جریان عرضی یا ترکیبی عملکرد بهتری ارائه میدهد. در کاربردهایی که بازیافت مواد ارزشمند یا تغلیظ محلولها اهمیت دارد، حالت سربهسر یا جریان ترکیبی به دلیل حفظ کامل ذرات در مسیر جریان مناسبتر است. از سوی دیگر، اگر فرآیند نسبت به توقفهای مکرر یا شستوشوی مداوم حساس باشد—بهویژه در صنایع غذایی، داروسازی و واحدهای آبشیرینکن—حالت جریان عرضی به دلیل پایداری بیشتر شار و کاهش نرخ فولینگ، گزینه برتر محسوب میشود. بهاینترتیب، انتخاب الگوی فیلتراسیون نتیجه موازنهای میان کیفیت جداسازی، پایداری عملیاتی و الزامات اقتصادی فرآیند است.
غشاهای مورد استفاده در فرآیندهای میکروفیلتراسیون را میتوان از طیف وسیعی از مواد پلیمری و معدنی تولید کرد که هر یک ویژگیهای ساختاری و عملیاتی متفاوتی دارند. این غشاءها با ایجاد منافذی در مقیاس میکرو و زیرمیکرو، امکان جداسازی انتخابی ذرات، کلوئیدها و میکروارگانیسمها را فراهم میکنند و عملکرد آنها به نرخ نفوذ، اندازه منافذ و انرژی سطحی بستگی دارد. در میان انواع مختلف مواد، غشاهای پلیمری—شامل پلیاتیلن، پلیپروپیلن، پلیوینیلیدنفلوراید (PVDF)، پلیاترسولفون (PES) و پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE)—به دلیل انعطافپذیری ساخت، هزینه کمتر و قابلیت تولید در شکلهای گوناگون، سهم عمدهای از بازار را تشکیل میدهند. در مقابل، غشاهای سرامیکی که معمولاً از آلومینا، زیرکونیا، سیلیکون کاربید یا تیتانیا ساخته میشوند، بهواسطه پایداری حرارتی، شیمیایی و مکانیکی بالا در کاربردهای سنگین و محیطهای خورنده مورد استفاده قرار میگیرند.
بخش مهمی از غشاهای تجاری امروزی با استفاده از روشهایی مانند ذوبریسی تولید میشوند که طی آن، الیاف یا ورقههای نازک مشابه ساختار کاغذی ایجاد شده و سپس بهصورت چینخورده در کارتریجهای فیلتراسیون بهکار میروند (شکل ۴). این ساختارها سطح مؤثر بالایی فراهم کرده و امکان فیلتراسیون بسیار ریز را ممکن میسازند و به همین دلیل در بسیاری از سامانههای میکروفیلتراسیون صنعتی رایج هستند. بهطور کلی، غشاهای میکروفیلتراسیون به دو گروه اصلی پلیمری و سرامیکی تقسیم میشوند، اما توسعه فناوریهای جدید، امکان تولید غشاهای کامپوزیتی را نیز فراهم کرده است؛ غشاهایی که با استفاده از روشهایی مانند پوششدهی محلولی، پلیمریزاسیون بینسطحی یا لایهنشانی نازک، ترکیبی از ویژگیهای ساختاری هر دو نوع غشا را ارائه میدهند. این غشاهای چندلایه با افزایش استحکام مکانیکی، بهبود انتخابپذیری و کاهش فولینگ، نقش مهمی در کاربردهای پیشرفته میکروفیلتراسیون پیدا کردهاند.
غشاهای پلیمری مورد استفاده در میکروفیلتراسیون با بهرهگیری از مجموعهای گسترده از روشهای ساخت تولید میشوند که هرکدام ویژگیهای خاصی در ایجاد تخلخل، کنترل اندازه منافذ و پایداری مکانیکی دارند. از مهمترین این روشها میتوان به کشش (Stretching)، مسیر–اچ (Track-Etching)، سینترینگ (Sintering)، وارونگی فاز (Phase Inversion) و پوششدهی محلولی (Solution Coating) اشاره کرد. تفاوت اصلی میان این روشها در نحوه ایجاد تخلخل و کنترل ساختار میکروسکوپی غشاء است که در نهایت بر شار تراوه، مقاومت در برابر فولینگ و انتخابپذیری تأثیر میگذارد.
روش کشش یکی از رایجترین فناوریها برای تولید غشاهای پلیمری میکروفیلتراسیون است. در این روش، یک فیلم اکسترود شده از پلیمرهای بلوری یا نیمهبلوری در جهت عمود بر جهت اکستروژن تحت نیروی کششی قرار میگیرد. اعمال این تنش مکانیکی موجب جدایش زنجیرهای و تشکیل ساختارهای ریزمتخلخل میشود. غشاهای تولیدشده به این روش معمولاً دارای منافذی در بازه ۰٫۱ تا ۳ میکرومتر بوده و به دلیل تخلخل بالا، شار مناسبی ارائه میدهند. برندهای شناختهشدهای مانند Gore-Tex و Celgard نمونههایی از غشاهای پلیپروپیلنی و PTFE هستند که با استفاده از این روش تولید میشوند.
در روش مسیر–اچ، فیلم پلیمری ابتدا تحت تابش عمودی ذرات باردار (معمولاً یونها) قرار میگیرد و نقاط آسیبدیده یا مسیرهای خطی در ساختار آن ایجاد میشود. سپس فیلم در محیطهای اسیدی یا بازی اچ میشود تا مسیرهای ایجادشده به منافذی کاملاً استوانهای، یکنواخت و همگستر تبدیل گردند. اندازه منافذ در این روش بین ۰٫۰۲ تا ۱۰ میکرومتر قابل تنظیم است و کنترل قطر و تخلخل منافذ به ترتیب از طریق زمان تابش و زمان اچکردن انجام میشود. غشاهای تولیدشده بسیار منظم، اما دارای تخلخل پایین هستند و در کاربردهای دقیق و حساس مورد استفاده قرار میگیرند.
سینترینگ یکی از روشهای قدیمی و تخصصی در ساخت غشاهای پلیمری است. در این روش، پودر پلیمر با اندازه ذرات مشخص تحت فشار فشرده میشود و سپس در دمایی نزدیک به نقطه ذوب پلیمر سینترد میگردد. این فرایند موجب اتصال نسبی ذرات، حذف مرزهای بین آنها و ایجاد ساختاری متخلخل میشود. پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE) یکی از پلیمرهای مناسب برای این روش محسوب میشود. غشاهای سینترشده مقاومت بالایی در برابر حرارت، مواد شیمیایی و فشار دارند و در کاربردهای صنعتی سخت مورد استفاده قرار میگیرند.
وارونگی فاز پرکاربردترین و انعطافپذیرترین روش ساخت غشاهای پلیمری است. اساس این روش بر جدایش محلول پلیمری به دو فاز—فاز غنی از پلیمر که ماتریس غشاء را تشکیل میدهد و فاز فقیر از پلیمر که به صورت منافذ ظاهر میشود—استوار است. نوع و ساختار منافذ به سرعت انتقال فاز، نوع حلال–غیرحلال، و شرایط فرآیند وابسته است. حلالهای رایج شامل NMP، DMAc و DMSO هستند. این روش امکان تولید غشاهای نامتقارن، الیاف توخالی، غشاهای صفحهای و ساختارهای چندلایه را فراهم میکند.
غشاهای کامپوزیتی هنگامی تولید میشوند که نیاز به ترکیب پایداری مکانیکی بالا با انتخابپذیری زیاد وجود داشته باشد. در این ساختارها یک لایه فوقانی نازک و انتخابپذیر روی یک زیرلایه متخلخل قرار میگیرد. روشهایی مانند غوطهوری، پلیمریزاسیون پلاسما، پلیمریزاسیون بینسطحی و پلیمریزاسیون درجا برای ایجاد این لایه کاربرد دارند. غشاهای کامپوزیتی به دلیل کارایی بالا و امکان کنترل دقیق ساختار، جایگاه مهمی در فناوریهای پیشرفته میکروفیلتراسیون دارند.
غشاهای سرامیکی به دلیل پایداری حرارتی و شیمیایی فوقالعاده، در بسیاری از کاربردهای صنعتی با شرایط سخت عملیاتی بهکار میروند. این غشاها عمدتاً از موادی مانند آلومینا، زیرکونیا، تیتانیا و سیلیکون کاربید ساخته میشوند و بسته به روش تولید، در ساختارهای متقارن یا نامتقارن طراحی میگردند. دو روش متداول تولید غشاهای سرامیکی شامل روش خمیری و روش تکمحوره است.
در روش خمیری، مواد اولیه سرامیکی همراه با بایندرها، عوامل ایجاد تخلخل و سایر افزودنیها با آب مخلوط شده و یک خمیر یکنواخت تشکیل میشود. این خمیر در قالبهای لولهای یا دیسکی ریخته شده و برای ۲۴ تا ۴۸ ساعت تحت فشار یکنواخت قرار میگیرد تا شکلدهی اولیه تثبیت شود. سپس نمونه طی چند مرحله عملیات حرارتی شامل خشککردن، حرارتدهی مرحلهای و در نهایت زینترینگ در دمای مناسب قرار میگیرد. دمای زینترینگ بر اساس آزمونهایی مانند XRD و TGA تعیین میشود. در پایان، سطح غشاء با سنبادههای سیلیکونکاربیدی پرداخت میشود تا ناهمواریها حذف شوند.
در روش تکمحوره، مخلوط مواد اولیه در قالب ریخته شده و تحت فشار بالا، معمولاً ۳۰ تا ۵۰ مگاپاسکال، فشرده میشود. سپس نمونه مشابه روش خمیری خشک و زینتر میشود. نوع ماده اولیه، اندازه ذرات، نرخ گرمایش و شرایط سرمایش از عوامل کلیدی مؤثر بر تخلخل و استحکام نهایی غشاء هستند.
علاوه بر روشهای سنتی، روشهای زیر نیز برای تولید غشاهای سرامیکی با اشکال و تخلخلهای متنوع مورد استفاده قرار میگیرند:
پیکربندی غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بر اساس هندسه و نحوه آرایش غشاء در ماژول به چهار ساختار اصلی صفحهای، لولهای، اسپیرالوایند (spiral-wound) و الیاف توخالی تقسیم میشود. غشاهای صفحهای معمولاً دارای کانالهایی با فاصله ۰٫۵ تا ۲٫۵ میلیمتر هستند و به دلیل سادگی ساخت و سهولت شستوشو، در بسیاری از واحدهای آزمایشگاهی و نیمهصنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. غشاهای لولهای با قطر داخلی ۶ تا ۲۵ میلیمتر، مقاومت هیدرولیکی کمتری در برابر جریان ایجاد کرده و برای خوراکهای با بار جامد بالا مناسباند. دو پیکربندی اسپیرالوایند و الیاف توخالی با هدف افزایش سطح غشا در واحد حجم توسعه یافتهاند؛ بهطوری که نسبت سطح به حجم در این ماژولها بهمراتب بیشتر از دو نوع قبلی است. ماژولهای الیاف توخالی به دلیل عدم نیاز به لایه جداسازی متراکم، در کاربردهای UF و MF بسیار رایج هستند. اما در فرآیندهایی مانند اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون که وجود لایهای کاملاً متراکم برای جداسازی ضروری است، به دلیل نبود الیاف توخالی مقرونبهصرفه با چنین ساختاری، ماژولهای اسپیرالوایند مبتنی بر غشاهای صفحهای بیشترین کاربرد صنعتی را دارند. بهعنوان مثال، شرکت Toyoba تنها تولیدکننده تجاری غشاهای الیاف توخالی سلولز تریاستات برای سیستمهای RO محسوب میشود، درحالیکه شرکتهایی مانند GE، Dow و Hifulx طیف گستردهای از ماژولهای الیاف توخالی UF/MF را برای مصارف صنعتی عرضه میکنند.
فولینگ یکی از چالشهای بنیادی در فرایندهای میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) است که بهطور مستقیم عملکرد، راندمان جداسازی و هزینههای عملیاتی سیستم را تحت تأثیر قرار میدهد. عملکرد این فرایندها معمولاً با استفاده از مدلهایی تحلیل میشود که بر اساس نوع برهمکنش میان غشا، حلشونده و حلال توسعه یافتهاند. در تمام این مدلها، انسداد تدریجی منافذ و ایجاد مقاومت هیدرولیکی اضافی بهعنوان مکانیسم اصلی کاهش شار مطرح است. در شرایط فشار ثابت، این افزایش مقاومت موجب کاهش پیوسته شار تراوه میشود و در فشارهای متغیر نیز نیاز به فشار پمپاژ بیشتری برای حفظ شار اولیه وجود دارد.
در سامانههای MF و UF، تجمع مواد محلول یا معلق در ناحیه مرزی نزدیک به سطح غشاء منجر به تشکیل یک لایه تغلیظشده میشود که پدیدهای شناختهشده بهعنوان تغلیظ قطبی (Concentration Polarization) است. تداوم این پدیده باعث تشکیل رسوبات پایدار میشود که شامل ترکیبات آلی، اجزای کلوئیدی، مواد معدنی (مانند ترکیبات Na، Mg، Al، Si، P وK) و انواع ریزسازوارهها است. این رسوبات میتوانند بهصورت لایههای کیکی، رسوبات ژلی، یا انسداد درونمنافذ بروز پیدا کنند. فولینگ به دو دسته اصلی برگشتپذیر و برگشتناپذیر تقسیم میشود؛ درحالیکه نوع برگشتپذیر اغلب با روشهایی مانند بکواش یا شستوشوی هیدرولیکی قابل رفع است، نوع برگشتناپذیر ناشی از پدیدههایی مانند فشرده شدن کیک، انسداد داخلی منافذ یا تشکیل لایه ژلی چسبنده بوده و نیازمند شستوشوی شیمیایی شدید یا حتی تعویض غشاء است.
این فرآیند نهتنها سبب افزایش مصرف انرژی میشود—زیرا سیستم برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی ایجادشده نیازمند فشار بیشتری است—بلکه در درازمدت هزینههای عملیاتی و نگهداری را افزایش داده و طول عمر مفید غشاء را کاهش میدهد. از آنجا که فولینگ مهمترین عامل محدودکننده در استفاده صنعتی از میکروفیلتراسیون است، بخش قابلتوجهی از پژوهشهای اخیر بر توسعه راهکارهایی برای کاهش، کنترل یا بهتعویق انداختن آن، بررسی مکانیسمهای فولینگ در غشاهای MF، توسعه غشاهای با خاصیت ضدفولینگ، بهینهسازی شرایط بهرهبرداری در نقش پیشفیلتراسیون یا فرآیند مستقل تمرکز داشتهاند. سایر پژوهشها نیز بر کاربردهای خاص، بهویژه در صنایع غذایی، تمرکز کردهاند که در آنها چسبندگی بالای ترکیبات آلی و ریزساختارهای کولوییدی چالش فولینگ را تشدید میکند.
در مجموع، فهم عمیق مکانیسمهای فولینگ و توسعه راهبردهای کاهش آن—شامل اصلاح سطح غشاء، بهبود شرایط هیدرودینامیکی، طراحی صحیح ماژول و استفاده از روشهای شستوشوی بهینه—برای ارتقای پایداری و کارایی فرایندهای میکروفیلتراسیون ضروری است.
میکروفیلتراسیون (MF) بهعنوان یکی از گستردهترین فناوریهای غشایی فشارمحور، نقش مهمی در جداسازی ذرات معلق، میکروارگانیسمها، کلوئیدها و سوسپانسیونهای جامد–مایع ایفا میکند. توسعه مواد پلیمری و سرامیکی، بهبود طراحی ماژولها و پیشرفتهای صنعتی موجب شده است که بازار جهانی MF به یکی از بزرگترین بخشهای صنعت غشا تبدیل شود. این بازار، پس از فناوریهای پزشکی مانند همودیالیز، از نظر حجم تجاری و سرمایهگذاری تحقیق و توسعه در رتبههای نخست قرار دارد. شرکتهای پیشرو در این حوزه با تکیه بر نوآوری، بازاریابی قوی و توسعه محصولات تخصصی، دامنه کاربردهای MF را بهطور چشمگیری افزایش دادهاند.
میکروفیلتراسیون یکی از مهمترین فناوریهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی، آب صنعتی و فاضلاب است. ویژگیهای اصلی آن در این حوزه عبارتاند از:
MF قادر است کدورت، ذرات معلق، جلبکها، سیستها و باکتریهای بزرگ را حذف کند. اگرچه ویروسها کوچکتر از محدوده جداسازی MF هستند، اما اتصال ویروسها به ذرات بزرگتر یا تشکیل تجمعات میتواند امکان حذف آنها را فراهم کند. در بخش خانگی نیز در صورت وجود کدورت بالا، استفاده از میکروفیلترهای کارتریجی یا بسترهای شنی بسیار رایج است. در صورت نیاز به حذف میکروارگانیسمها، سیستمهای MF یا UF گزینههای مناسبتری نسبت به فیلتراسیون متداول هستند.
از اوایل دهه ۲۰۰۰، واحدهای آبشیرینکن آب دریا بهطور گسترده از MF/UF بهعنوان پیشپردازش پیشرفته برای RO استفاده کردهاند. این روش با کاهش شدید فولینگ غشای RO، موجب افزایش عمر غشا و کاهش هزینههای بهرهبرداری میشود.
غشاهای الیاف توخالی در پیکربندی خارج به داخل و با سرعت جریان عرضی بسیار پایین، در تصفیه فاضلاب شهری کاربرد گسترده یافتهاند. در صورت انجام منظم فرآیند بکواش، این سامانهها میتوانند تراوایی بالا، شفافیت مناسب و استریلیزاسیون قابلقبولی ایجاد کنند.
MF یکی از فناوریهای کلیدی در پردازش سیالات غذایی به دلیل دمای عملیاتی پایین و حفظ کیفیت حسی و تغذیهای است.
کاربردهای اصلی:
این کاربردها موجب میشود محصولات نهایی شفافتر، پایدارتر و با کیفیت ارگانولپتیک بهتر تولید شوند. با این حال، فولینگ آلی و بیولوژیکی یکی از چالشهای اصلی استفاده از MF در صنایع غذایی است.
در داروسازی، غشاهای میکروفیلتراسیون در بسیاری از فرآیندهای حساس به حرارت بهعنوان ابزار استریلیزاسیون فیزیکی استفاده میشوند.
کاربردهای مهم:
غشاهای نایلونی با بار مثبت بهطور گسترده جایگزین فیلترهای آزبستی قدیمی شدهاند و توانایی جذب الکترواستاتیکی ذرات و باکتریها را افزایش میدهند.
MF نهتنها برای فاز مایع بلکه برای استریلیزاسیون گازها نیز بهکار میرود. برخی کاربردهای شاخص شامل:
توانایی حذف باکتریها بدون تأثیر بر جریان گاز، MF را به یکی از روشهای اصلی گاز-استریلیزیشن تبدیل کرده است.
در صنایع پالایش نفت و گاز، MF برای جداسازی ذرات جامد، کاتالیستها و آلودگیهای نامحلول از جریانهای فرآیندی بهکار میرود. این شامل:
پایداری شیمیایی غشاهای سرامیکی، استفاده از MF را در محیطهای سخت صنعتی امکانپذیر کرده است.
یکی از زمینههای در حال رشد در صنعت نوشیدنی و غذایی، جایگزینی فیلترهای خاک دیاتومه (D.E.) با میکروفیلتراسیون است. MF قادر است:
را فراهم کند؛ اما هزینه اولیه بالا هنوز مانع جایگزینی کامل این فناوری شده است.
در بسیاری از فرآیندها، میکروفیلتراسیون اولین مرحله جداسازی غشایی است:
MF → UF → NF → RO
این ترتیب به کاهش فولینگ، افزایش طول عمر غشاها و کاهش هزینه انرژی کمک میکند.
میکروفیلتراسیون بهعنوان یکی از مهمترین فناوریهای جداسازی غشایی، نقش برجستهای در صنایع مختلف ازجمله تصفیه آب، صنایع غذایی، داروسازی، بیوتکنولوژی و فرآیندهای شیمیایی ایفا میکند. تنوع در مواد سازنده غشا، روشهای ساخت و پیکربندی ماژولها امکان طراحی سیستمهایی با عملکرد بهینه برای شرایط و خوراکهای گوناگون را فراهم کرده است. پیشرفت در تولید غشاهای پلیمری و سرامیکی و توسعه ساختارهای نوینی مانند غشاهای کامپوزیتی و الیاف توخالی، سبب افزایش چشمگیر کارایی، پایداری و گستره کاربردهای این فناوری شده است. بااینحال، فولینگ همچنان اصلیترین مانع در بهرهبرداری پایدار از فرایندهای میکروفیلتراسیون محسوب میشود؛ پدیدهای پیچیده که ناشی از برهمکنش میان غشاء، ترکیبات خوراک و شرایط هیدرودینامیکی است و در نهایت باعث کاهش شار، افزایش مصرف انرژی و افزایش هزینههای شستوشو و نگهداری میشود.
همانگونه که بررسیها نشان میدهد، درک عمیق مکانیسمهای فولینگ، انتخاب صحیح نوع غشاء، پیکربندی ماژول، و تعیین الگوی بهرهبرداری مناسب (سربهسر، جریان عرضی یا ترکیبی) نقش اساسی در کاهش نرخ فولینگ و افزایش پایداری عملکرد دارد. اصلاح سطح غشاء، طراحی ساختارهای ضدفولینگ، کنترل تغلیظ سطحی و بهینهسازی شرایط عملیاتی از جمله راهبردهای کلیدی برای ارتقای کارایی سیستمهای میکروفیلتراسیون به شمار میروند.
در مجموع، میکروفیلتراسیون بهواسطه سادگی عملیاتی، انرژی مصرفی کم و قابلیت جداسازی طیف وسیعی از ذرات و میکروارگانیسمها، همچنان بهعنوان فناوری پایه در سیستمهای غشایی مدرن مطرح است. با توسعه غشاهای هوشمند، مواد هیبریدی و سامانههای نوین شستوشو، انتظار میرود که چالشهای مربوط به فولینگ بیشازپیش کاهش یافته و این فناوری جایگاه خود را در کاربردهای حساس و پیشرفته با قدرت بیشتری تثبیت کند. در نتیجه، میکروفیلتراسیون در آینده نزدیک نه تنها نقش تعیینکنندهای در تصفیه آب و فرایندهای صنعتی خواهد داشت، بلکه بهعنوان سنگ بنای پیشفرآوری در سیستمهای غشایی پیشرفته مانند اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس بهطور گسترده مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
[۱] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.
[۲] Bardhan, A., Akhtar, A., & Subbiah, S. (2022). Microfiltration and ultrafiltration membrane technologies. In Advancement in Polymer-Based Membranes for Water Remediation (pp. 3-42). Elsevier.
[۳] Eykamp, W. (1995). Microfiltration and ultrafiltration. In Membrane science and technology (Vol. 2, pp. 1-43). Elsevier.
[۴] Rouquie, C., Dahdouh, L., Ricci, J., Wisniewski, C., & Delalonde, M. (2019). Immersed membranes configuration for the microfiltration of fruit-based suspensions. Separation and Purification Technology, ۲۱۶, ۲۵-۳۳.
[۵] Singh, R., & Purkait, M. K. (2019). Microfiltration membranes. In Membrane separation principles and applications (pp. 111-146). Elsevier.
نویسنده: مهشید شلکه
ذخیره پست 
