استفاده از مواد نوین و طراحیهای پیشرفته، تأثیر قابلتوجهی بر عملکرد مدیاهای فیلتراسیون و بازده جداسازی داشته و امکان دستیابی به سطح بالاتری از کارایی را فراهم میکند. در این میان، فناوری غشایی، نقش محوری در تحولات اخیر ایفا میکنند. غشای نانوفیلتراسیون (NF) یک غشای جداسازی فشاری است که بین غشاهای اسمز معکوس (RO) و اولترافیلتراسیون (UF) قرار میگیرد و اندازه منافذ آن در محدوده ۰.۲–۲ نانومتر است. این غشا عمدتاً برای نمکزدایی آبهای شور و تصفیه آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی مورد استفاده قرار میگیرد. رایجترین روش برای تهیه غشاهای NF، پلیمریزاسیون بینسطحی (IP) است. در این روش، محلول آبی پیپرازین (PIP) و تریمزویل کلراید (TMC) در حلال آلی روی بسترهای متخلخل واکنش داده میشوند تا NF تولید شود، که معمولاً به دو لایه تقسیم میشود: لایه انتخابی بینسطحی و لایه پشتیبانی پایینی. چه بهصورت مستقل استفاده شوند و چه در کنار سیستمهای اسمز معکوس (RO)، غشاهای NF یک روش پایدار، مقرونبهصرفه و مؤثر برای مواجهه با چالشهای پیچیده جداسازی ارائه میدهند.
نگرانیهای محیطزیستی، الزامات ایمنی و ملاحظات مربوط به پایداری از عوامل کلیدی محرک توسعه و گسترش فناوریهای فیلتراسیون و جداسازی، به ویژه در حوزههای حساس صنعتی و مصرفی، محسوب میشوند. در کنار این دغدغهها، چالشهای غیرمحیطزیستی نیز برای صنعت فیلتراسیون و جداسازی از اهمیت راهبردی برخوردار هستند. به عنوان نمونه، در صنایع شیمیایی، غذایی و دارویی، بسیاری از فرایندهای بازیابی، جداسازی و خالصسازی تنها با انتخاب و بهکارگیری دقیق مدیای جداسازی مناسب امکانپذیر است؛ بهگونهای که کارایی و دقت فرایند مستقیماً وابسته به ویژگیهای ساختاری و عملکردی این مدیاها است.
با این حال، صنعت فیلتراسیون و جداسازی، مانند سایر صنایع، تحت فشار مجموعهای پیچیده از مقررات، قوانین زیستمحیطی و ایمنی و استانداردهای مدیریت کیفیت قرار دارد که فرایندهای عملیاتی را پرهزینه و پیچیده میسازد. با وجود این چالشها، مقررات و الزامات جدید، تقاضا برای تولید و بهبود عملکرد فیلترها، جداکنندهها و مدیاهای فیلتراسیون را افزایش داده و فرصتهای توسعه فناوری را نیز گستردهتر کردهاند. فناوریهای نوظهور مانند نانوفناوری، بستر مناسبی برای توسعه روشهای نوین مهندسی و طراحی مدیاهای فیلتراسیون فراهم میآورند و میتوانند ارزش افزوده قابل توجهی در بهبود عملکرد و کارایی فرایندهای جداسازی ایجاد کنند.
صنعت فیلتراسیون و جداسازی توانسته است با نوآوریهای مهندسی و طراحی پیشرفته، پاسخ مناسبی به پیچیدگیهای روزافزون جداسازی آلایندهها از جریانهای سیال ارائه دهد. مدیاهای فیلتراسیون مدرن، از جمله غشاها، قادر به حذف گستره وسیعی از ذرات با اندازهها، اشکال و ماهیتهای متفاوت هستند.
فیلتراسیون مایعات بر پایه مدیاهای بیبافت بهتنهایی قادر به حذف کامل ذرات زیر ۱ میکرومتر نیست و در بسیاری از کاربردهای حساس، نیاز به فرایندهای تکمیلی و دقیقتر احساس میشود. در این زمینه، فرایندهای مبتنی بر غشا و نانوفیلتراسیون، دقت جداسازی را بهطور قابلتوجهی ارتقا میدهند. برخی از این غشاها به دلیل ضخامت بسیار کم و شکنندگی، تنها میتوانند بهصورت مستقیم روی سطح ماده حامل پوشش داده شوند؛ این طراحی نهتنها استحکام کافی را فراهم میکند، بلکه اطمینان از عملکرد پایدار و طول عمر بالا در کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی را تضمین مینماید.
نانوفناوری، بهعنوان یکی از فناوریهای نوظهور قرن بیستویکم، کاربردهای گستردهای در حوزههای فیلتراسیون و جداسازی یافته است. غشاهای نانوفیلتراسیون، بهویژه، بخش مهمی از این فناوری را تشکیل میدهند و یکی از دغدغههای اصلی آنها، جداسازی و حذف آلایندههایی با اندازه نانو و زیرمیکرون است. این غشاها امکان جداسازی ذرات بسیار ریز، یونها و مولکولها را فراهم کرده و توانمندیهای گستردهای در تصفیه آب، بازیابی مواد و صنایع دارویی و شیمیایی ایجاد میکنند.
مکانیزم نانوفیلتراسیون نخستین بار در دهه ۱۹۸۰ معرفی شد و از آن زمان به دلیل هزینه پایین، محبوبیت پیدا کرد.
غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) بهعنوان یکی از فناوریهای تحولآفرین در صنعت جداسازی غشایی، طی بیش از ۳۵ سال گذشته نقش مهمی در ارتقای سامانههای تصفیه و پالایش آب ایفا کردهاند. قابلیت این غشاها در حذف انتخابی یونها سبب شده است که در بهبود بازده فرآیندها در حوزههای مختلف کاربردی جایگاه بسیار ویژهای پیدا کنند. غشاهای NF غالباً بهعنوان مرحله پیشتصفیه برای اسمز معکوس (RO) مورد استفاده قرار میگیرند و با نرم کردن آب و کاهش پدیده رسوبگذاری، امکان افزایش میزان بازدهی سیستم را فراهم میکنند.
غشاهای NF در حذف آلایندههایی نظیر سختی (کلسیم و منیزیم)، باکتریها، میکروارگانیسمهای بیماریزا، فلزات محلول و رسوبکرده، و کربن آلی کل (TOC) عملکرد بسیار مؤثری دارند. ویژگی مهم دیگر این غشاها حذف انتخابی یونهای دوظرفیتی از جمله سولفاتها با بازدهی بیش از ۹۰٪ است که زمینهساز گسترش کاربردهای آنها در صنایع مختلف و حوزههای محیطزیستی شده است.
با توجه به اینکه غشاهای NF در فشارهای بسیار پایینتری نسبت به غشاهای RO کار میکنند، این فناوری برای فرآیندهایی که بهرهوری انرژی همراه با جداسازی نسبی نمکهای محلول را نیاز دارند، گزینهای ایدهآل محسوب میشود.
فناوری فیلترهای غشایی، فناوریهای جداسازی جدیدی ارائه میدهد که با مدیاهای فیلتراسیون مرسوم قابل دستیابی نیست. مدیاهای فیلتر غشایی را میتوان به دستههای زیر در حوزه فیلتراسیون و جداسازی تقسیمبندی کرد:
این فناوریها در شکل ۱ خلاصه شدهاند.
نانوفیلتراسیون (NF) یک فناوری غشایی برای جداسازی مایعات است که بسیاری از ویژگیهای مشترک با اسمز معکوس (RO) دارد. بر خلاف RO که قادر است تقریباً تمامی حلشدهها را بهطور کامل حذف کند، NF برای وزن مولکولی ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ و همچنین یونهای بزرگتر مانند Ca²⁺ و Mg²⁺ بهکار میرود. محدوده اندازه ذرات و مولکولهایی که قابل جداسازی هستند تقریباً بین ۰.۰۰۱۲ تا ۰.۰۱۲ میکرومتر (۱.۲–۱۲ نانومتر) است. فشار کاری این فرایند معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ بار (۲,۰۰۰–۴,۰۰۰ کیلوپاسکال) قرار دارد.
اکثر غشاهای NF تجاری امروزه از طریق پلیمریزاسیون بینسطحی (IP) مونومر پیپرازین (PIP) در فاز آبی و تریمزوئیل کلراید (TMC) در فاز آلی تولید میشوند. غشاهای کامپوزیت فیلم نازک مبتنی بر پلیآمید همچنان بهعنوان استاندارد طلایی در بازار و تحقیقات علمی شناخته میشوند. با این حال، واکنش سریع پلیمریزاسیون، تنظیم دقیق ساختار لایه پلیآمید حاصل را دشوار میسازد. در نتیجه، غشاهای NF همواره با یک موازنه ذاتی بین شار (Flux) و انتخابگری (Selectivity) مواجه هستند.
تلاشهای بسیاری در سالهای اخیر برای افزایش نفوذپذیری غشاهای NF انجام شده است که شامل آزمایش شرایط مختلف واکنش، اصلاح ترکیب فازهای آبی و آلی، افزودن نانوپرکنندهها و استفاده از فناوریهای لایهبهلایه و چاپ سهبعدی میباشد. این استراتژیها با هدف مدیریت فرایند پلیمریزاسیون بینسطحی (IP) تلاش میکنند تا یا سرعت واکنش کاهش یابد و یا واکنش در فضای محدود کنترل شود.
در میان روشهای مختلف فیلتراسیون، روش فیلتراسیون با غشاهای نانوفیلتراسیون مناسبترین روش برای حذف مؤلفههای معدنی و همچنین آلی از محلولهای مایع است. در سالهای اخیر، فناوری نانوفیلتراسیون به دلیل تولید غشاهای با کیفیت بالا پیشرفتهای قابل توجهی داشته است. این کیفیت بالای غشاها به دلیل بهکارگیری تکنیکهای پیشرفته و متنوع در ساخت آنها حاصل شده است، از جمله: پلیمرسازی بینسطحی (IP)، استفاده از نانوذرات، فازوارونگی (Phase inversion)، پلاسما، تابش UV، تابش با پرتو الکترونی، الکتروریسی، تراک-اچینگ (track-etching) و روش لایهبهلایه و … است. غشاهای NF ساخته شده با این روشها نتایج بسیار خوبی از جمله توانایی بالاتر در جداسازی، انتخابپذیری بهتر و کاهش مشکلات گرفتگی (Fouling) به میزان قابل توجهی نشان دادهاند.
فرایند وارونگی فاز (شکل ۲ (a)) روشی برای تولید غشاها است که در آن پلیمر مایع همگن به صورت کنترلشده به فرم جامد تبدیل میشود. این تغییر از حالت مایع به جامد میتواند به روشهای مختلف انجام شود:
پلیمریزاسیون بینسطحی (Interfacial Polymerization) (شکل۲ (b)) را میتوان به عنوان یک واکنش پلیکندانساسیون بین دو مونومر که در حلالهای غیرقابل امتزاج حل شدهاند، تعریف کرد. برای ایجاد پلیمر، ابتدا یکی از محلولها روی قالب اعمال میشود و سپس محلول دوم روی آن قرار میگیرد. این روش امکان تشکیل سریع یک لایه روی سطح قالب پلیمر را فراهم میکند و کنترل سادهای روی توپولوژی غشا با تغییر پارامترهایی مانند زمان واکنش یا غلظت مونومر ایجاد میکند. پلیمرسازی بینسطحی یک روش ساخت مؤثر و عملی برای تولید غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس است.
غشاهای کامپوزیت فیلم نازک (TFC) که از طریق IP تولید میشوند، به دلیل بهبود قابل توجه خواص غشا از جمله انتخابپذیری و مقاومت در برابر Fouling توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. لایه فعال نازک، کارایی کل غشا، نگهداری محلول و نفوذپذیری آن را کنترل میکند. برای تولید لایههای فعال نازک از پلیمریزاسیون بینسطحی، موادی مانند بیسفنول، تریمزوئیل کلرید، فنیلندایآمین، تانیک اسید و ایزوفتالوئیل کلرید استفاده میشود. همچنین مونومرهای جدیدی مانند تریاتیلن تتراآمین، پیپرازیدین، دیاتیلنتریآمین و تترااتیلن پنتآمین نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند.
مطالعات نشان داده است که افزودن مواد افزودنی مانند کلرید کلسیم در طول پلیمرسازی بینسطحی میتواند باعث تشکیل لایه نازک پلیآمید و افزایش جریان آب خالص از غشاهای NF کامپوزیت شود. همچنین، افزودن تریبوتیل فسفات (TBP) در محلول مونومر ارگانیک منجر به افزایش قابل توجهی در جریان آب و چگالی توان غشاها شد.
نانوذرات نیز به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد خود مانند فعالیت کاتالیزوری، خاصیت ضدباکتری و فوتوامیشن (Photoemission) مورد توجه قرار گرفتهاند. غشاهای تقویتشده با نانوذرات میتوانند نفوذپذیری، ویژگیهای مکانیکی، انتخابپذیری و هیدروفیلیتی را بهبود بخشند. نانوذراتی مانند سیلیکا (SiO۲)، نقره، اکسید روی (ZnO) و دیاکسید تیتانیوم (TiO۲) معمولاً در تولید غشاهای NF استفاده میشوند.
علاوه بر این، روشهایی مانند تراک-اچینگ (Track-etching) و الکتروریسی نیز برای تولید غشاها استفاده میشوند. در روش تراک-اچینگ، پرتوی سنگین باعث ایجاد نانوحفرهها در پلیمر غیرمتخلخل میشود و اندازه و توزیع منافذ غشا بهطور دقیق قابل کنترل است. در الکتروریسی، الیاف یا نانوالیاف پلیمری با نیروهای الکترواستاتیکی تولید میشوند و در جمعکنندهها، نانوالیاف به صورت لایههای نانولیفی شکل میگیرند.
غشاهای اسمز معکوس (RO) بالاترین سطح جداسازی را فراهم میکنند و تقریباً تمامی نمکهای محلول، ترکیبات آلی، باکتریها و ذرات را تا حدود ۰.۱ نانومتر حذف میسازند. با این حال، عملکرد این غشاها مستلزم فشارهای بالاتر، در محدوده ۳۰ تا ۶۰ bar است که منجر به افزایش مصرف انرژی میشود. RO عمدتاً در شیرینسازی آب، تصفیه آب خالص و کاربردهایی که نیازمند حذف کامل نمک هستند به کار میرود.
در مقابل، غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) در فشارهای پایینتری، معمولاً ۲۰ تا ۴۰ bar، عمل کرده و بر جداسازی انتخابی تمرکز دارند. این غشاها یونهای دوظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم را بهطور مؤثر نگه داشته، اما اجازه عبور یونهای تکظرفیتی مانند سدیم و کلرید را میدهند. این ویژگی انتخابپذیری، NF را برای کاربردهایی نظیر نرم کردن آب و حذف مواد آلی که در آنها جداسازی کامل نمک ضروری نیست، بسیار مناسب میسازد.
در حالیکه غشاهای NF میتوانند میزان کل جامدات محلول (TDS) را حدود ۵۰ تا ۹۰ درصد کاهش دهند، نقطه قوت اصلی آنها در حذف مولکولهایی با وزن مولکولی بالاتر از ۲۰۰ تا ۴۰۰ گرم بر مول است.
مزایای منحصربهفرد غشاهای نانوفیلتراسیون در انتقال انتخابی یونها، بهرهوری انرژی و چندکاربردی بودن آنها نهفته است. این غشاها با کار کردن در فشارهای پایینتر نسبت به سیستمهای اسمز معکوس، انرژی کمتری مصرف میکنند که این موضوع منجر به کاهش هزینههای عملیاتی و کاهش اثرات زیستمحیطی میشود. توانایی آنها در نرمکردن آب از طریق حذف یونهای دوظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم نیز آنها را به گزینهای ارزشمند در کنار غشاهای RO تبدیل میکند و هنگام استفاده ترکیبی، امکان دستیابی به بازیابی بالاتر را فراهم میسازد.
غشاهای NF در صنایع مختلفی کاربرد دارند. در تصفیه آب و فاضلاب، این غشاها در حذف سختی، فلزات سنگین، سولفاتها، نیتراتها و مواد آلی عملکرد برجستهای دارند و کیفیت آب را بهطور قابلتوجهی بهبود میبخشند. در صنایع غذایی و نوشیدنی، غشاهای NF برای تصفیه آبمیوهها، تغلیظ شربتها و دمینرالیزه کردن (Demineralization) محلولهای قندی مورد استفاده قرار میگیرند. در صنعت نفت و گاز، این غشاها برای حذف دیاکسید کربن از گازها و تصفیه پسابهای حاوی نفت و سایر مواد شیمیایی سمی به کار میروند. علاوه بر این، صنعت داروسازی از غشاهای NF برای استریلسازی و تغلیظ آنتیبیوتیکها بهره میبرد و صنایع نساجی و چرم نیز از توانایی آنها در نمکزدایی و تغلیظ رنگها یا حذف تاننها استفاده میکنند.
ویژگیهای مهم غشاهای NF شامل نفوذپذیری و نرخ حذف آلایندهها است. با این حال، به دلیل چسبندگی و تکثیر باکتریها، سطح غشایNF بهراحتی مستعد تشکیل بیوفیلم میشود. بیوفیلم باکتریایی تشکیلشده باعث افزایش مقاومت هیدرولیکی و اثر قطبش غلظتی جریان اسمزی میشود که منجر به کاهش نفوذپذیری آب و نرخ حذف غشا و افزایش هدررفت انرژی و هزینه عملیاتی آن میگردد (شکل ۲).
برای کاهش آلودگیهای بیولوژیکی، پژوهشگران معمولاً ضدعفونیکنندهها را به آب اضافه میکنند یا پیشفرآوریهای فیزیکی و شیمیایی یا اکسیداسیون آب را انجام میدهند تا باکتریها غیرفعال شوند. اما این قارچکشها تنها قادر به کشتن پلانکتونهای موجود در آب هستند و اثر کمی بر باکتریها و بیوفیلم تشکیلشده روی غشای NF دارند، ضمن اینکه غشاهای NF در تماس با کلر و سایر اکسیدکنندههای شیمیایی دچار تخریب میشوند. سایر روشهای ضدعفونی مانند ضدعفونی UV، توانایی کمی در غیرفعالسازی باکتریهای غشا دارند. ضدعفونیکننده غیر اکسیدکننده ۲,۲-دیبرو-۳-نیتروپروپانآمید (DBNPA) که نیازمند تجدید پس از مدت زمان مشخصی است، هزینهبر بوده و تولید جریان پسماند قابل توجهی میکند.
در سالهای اخیر، استفاده از نانوذرات در غشاهای کامپوزیت نانوفیلتراسیون به منظور کاهش آلودگیهای بیولوژیکی بهطور فزایندهای رواج یافته است. نانوذرات مورد استفاده معمولاً شامل نقره، مس، اکسید تیتانیوم و غیره هستند. از میان همه نانوذرات، نانوذرات نقره (AgNPs) به دلیل فعالیت ضدباکتری وسیع، عدم ایجاد مقاومت باکتریایی و سمیت پایین برای سلولهای جاندارانن، بهعنوان یک عامل ضد میکروبی ایمن و مؤثر شناخته شدهاند.
AgNPs عمدتاً از سه طریق رشد میکروارگانیسمها را مهار میکنند:
روشهای متداول افزودن AgNPs به غشاهای کامپوزیت NF شامل اتصال فیزیکی، اتصال شیمیایی و فناوری لایهبهلایه است. با این حال، نانوذرات نقره تمایل به تجمع در ماتریکس پلیمری دارند که عملکرد ضدباکتریایی آنها را بهطور چشمگیری کاهش میدهد. برای بهبود پراکندگی نانوذرات، بسیاری از پژوهشگران آنها را روی حامل تثبیت کردهاند.
نانوسلولز بهعنوان حامل نانوذرات نقره (AgNPs) به دلیل سطح ویژه بزرگ، سازگاری با محیطزیست، منابع گسترده و سهولت اصلاح شیمیایی، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است. نانوسلولز کریستالی کربوکسیلهشده (CNC) و نانوذرات نقره تهیه شده و از آنها بهعنوان نانوپرکنندههای دو عملکردی برای بهبود خواص مکانیکی و ضدباکتریایی پلییورتان آبی (WPU) استفاده شده است.
در مقایسه با سلولز اصلاحنشده، سلولز اصلاحشده شیمیایی بارگذاری بیشتری برای AgNPs فراهم میکند. نانوالیاف سولفاته سلولز (SCNF) نوعی نانوسلولز است که گروه سولفاته دارد. به دلیل سازگاری زیستی، قابلیت تجزیهپذیری و دارا بودن گروههای سولفات و هیدروکسیل فراوان،SCNF میتواند بهعنوان حامل یونهای نقره استفاده شود و نانوذرات نقره بهطور یکنواخت روی آن رشد و توزیع شوند. این روش میتواند تجمع AgNPs را بهطور مؤثر کاهش داده، پراکندگی آنها را بهبود بخشد و اثر ضدباکتریایی آنها را بهطور کامل فعال کند.
علاوه بر این، افزودن SCNF به غشاهای NF میتواند بهطور مؤثر عملکرد جداسازی غشا را به دلیل خاصیت هیدروفیلی آن بهبود دهد و در نتیجه طول عمر مفید غشا را افزایش دهد. با این حال، تاکنون مطالعات کمی به استفاده از SCNF بهعنوان حامل AgNPs در غشاهای NF پرداختهاند.
غشاهای نانوفیلتراسیون به دلیل تنوع اندازه منافذ و ویژگیهای بار سطحی، کاربردهای گستردهای دارند. سطوح غشا میتوانند دارای بار مثبت، منفی یا خنثی باشند. طراحی غشاهای NF با ساختار میکروسکوپی مناسب، ضخامت مطلوب، اندازه منافذ و بار سطحی باید بهطور خاص برای هر کاربرد تنظیم شود.
در سالهای اخیر، جداسازی محلولها از یکدیگر توجه بیشتری را به خود جلب کرده است، چرا که بهعنوان یک فرایند ارزشافزوده در تصفیه آب مطرح شده و امکانات متعددی فراهم میکند؛ از جمله حذف انرژیکارآمد یک محلول خاص از جریان آب و جداسازی و تمرکز یک جزء با ارزش. یک مثال رایج، جداسازی کلراید از سولفات در فرایند کلرالکالی است.
یکی از کاربردهای نانوفیلتراسیون، جداسازی ترکیبات آلی کوچک و برخی از نمکهای منتخب از محلولها است. برای دستیابی به عملکرد ایدهآل در فرایند NF، استفاده از یک غشای بادوام با نفوذپذیری و انتخابگری مطلوب ضروری است. نفوذپذیری بالای غشا امکان عملکرد در فشارهای پایینتر را فراهم میکند و در نتیجه هزینه انرژی را کاهش میدهد. معیار مهم دیگر، انتخابگری است. بسیاری از مطالعات تاکنون بر انتخابگری آب نسبت به محلولها در کاربردهای NF تأکید داشتهاند. در ادامه کاربردهای غشاهای نانوفیلتراسیون معرفی شدهاند.
یکی از مؤثرترین کاربردهای غشاهای نانوفیلتراسیون، استفاده از آنها بهعنوان مرحله پیشتصفیه برای اسمز معکوس است. با نرمکردن اولیه آب توسط غشاهای NF، رسوبگذاری و ایجاد فولینگ در واحدهای RO کاهش مییابد و در نتیجه نرخ بازیابی کلی سیستم بهبود پیدا میکند. این یکپارچهسازی همچنین با فراهمکردن آب پیشتصفیه شده، مصرف انرژی را کاهش میدهد و امکان عملکرد کارآمدتر سیستم RO را فراهم میکند.
رشد سریع شهرنشینی و افزایش جمعیت، بحران کمبود آب در سطح جهانی را تشدید کرده و دسترسی به آب پاک را به یک چالش حیاتی تبدیل کرده است. صنعتیشدن همراه با افزایش زبالههای شهری منجر به آلودگی شدید منابع آب شده و تلاشها برای تأمین منابع آب ایمن و پایدار را پیچیدهتر کرده است. پسابهای صنعتی که اغلب حاوی آلایندههای پیچیده و سمی مانند فلزات سنگین، آلایندههای پایدار، رنگها و نمکها هستند، سهم قابلتوجهی در تخریب سلامت اکوسیستمهای آبی و کیفیت آنها دارند. بنابراین، راهکارهای مؤثر و پایدار برای تصفیه آب بهشدت مورد نیاز هستند تا بتوان با این چالشهای نوظهور مقابله کرد.
چندین فناوری برای تصفیه فاضلاب توسعه یافته است که از جمله آنها میتوان به تصفیه بیولوژیکی، انعقاد شیمیایی و جذب اشاره کرد. هرچند این روشها درجات مختلفی از اثربخشی را ارائه میدهند، اما اغلب با محدودیتهایی مانند مصرف بالای انرژی، استفاده از مواد شیمیایی یا تولید پسماند ثانویه مواجه هستند. در مقابل، فناوری غشا، بهویژه نانوفیلتراسیون، بهعنوان یکی از پایدارترین راهکارها برجسته میشود .
غشاهای نانوفیلتراسیون در حذف انتخابی آلایندهها بسیار کارآمد هستند و مزایایی از قبیل مصرف انرژی پایین، نیاز کم به مواد شیمیایی، نرخ بازیابی بالای آب و قابلیت عملکرد در شرایط فشار متوسط را ارائه میدهند. غشاهای نانوفیلتراسیون بهطور مؤثر آلایندههای آلی، رنگها و نمکها را حذف میکنند و در عین حال نفوذپذیری بالایی را حفظ مینمایند. نانوفیلتراسیون که توسعهای جدیدتر نسبت به فیلتراسیون سنتی است، جریان عبوری بالا، حذف آلایندهها در حد متوسط و کاهش رسوبگذاری را ارائه میدهد و آن را برای تصفیه اقتصادی فاضلاب صنعتی ایدهآل میسازد.
از طرف دیگر، نانوفیلتراسیون (NF) یک روش جداسازی مقرونبهصرفه و دوستدار محیطزیست است که در تصفیه فاضلاب شهری و تصفیه آب آشامیدنی مورد استفاده قرار میگیرد. در مقایسه با دیگر فناوریها،NF مصرف انرژی کمتری دارد، فضای کمتری اشغال میکند و قادر است یونها را بهطور مؤثر جداسازی نماید.
صنعت نساجی بهدلیل مصرف بالای آب و سهم قابلتوجهی در آلودگیهای صنعتی دارد و حدود ۲۰٪ از آلودگی آب در بخش صنعت به این صنعت نسبت داده میشود. از آنجا که در فرآیند تولید منسوجات از مواد و مواد شیمیایی متعدد و متنوعی استفاده میشود، تصفیه مناسب فاضلاب نساجی امری ضروری است تا آلایندههای خطرناک و سمی پیش از ورود به محیط زیست حذف شوند.
غشای نانوفیلتراسیون الیاف توخالی پلیآمید-ایمید که اخیراً توسعه یافته است، بازدارندگی رضایتبخش و بیش از ۹۰ درصد در برابر انواع رنگها دارد. همچنین، بیش از ۸۰٪ کلرید سدیم (NaCl) و ۹۰٪ سولفات سدیم (Na₂SO₄) از غشا عبور نمیکنند. در نتیجه، این نمکها امکان بازیابی و استفاده مجدد در فرایند رنگرزی بعدی را دارند. پایداری و کارآمدی این غشا نیز با عملکرد رضایتبخش و پایدار آن پس از چندین چرخه شستشوی شیمیایی در کاربردهای زیادی ثابت شده است.
توسعه منابع آب از جمله آب دریا، فاضلاب و آبهای شور، برای مقابله با چالش جهانی کمبود آب اهمیت حیاتی دارد. علاوه بر این، میکروآلایندههای آلی (OMPs) مانند ترکیبات مختلکننده غدد درونریز، آنتیبیوتیکها و ترکیبات فعال دارویی، بهطور گستردهای در محیطهای آبی پیچیده شناسایی شدهاند و تهدیدهای جدی برای امنیت اکولوژیکی ایجاد میکنند. فناوریهای تصفیه آب مبتنی بر نانوفیلتراسیون بهعنوان یک سیستم حیاتی برای حفظ امنیت آب بازیافتی و افزایش منابع آب شیرین عمل میکنند و پتانسیل بالایی برای جداسازی یونها و حذف میکروآلایندهها دارند.
هم مواد پلیمری و هم مواد معدنی بهطور گستردهای در ساخت غشاها برای تصفیه آب بهکار میروند و هر یک مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند. مواد معدنی، مانند غشاهای سرامیکی و اکسید فلزی، به دلیل پایداری حرارتی و شیمیایی عالی شناخته شدهاند، اما هزینه بالای آنها و شکنندگیشان میتواند مانع کاربرد گسترده شود. از سوی دیگر، مواد پلیمری به دلیل انعطافپذیری، سهولت فرآوری و مقرونبهصرفه بودن، بیشتر مورد توجه قرار میگیرند.
در میان مواد پلیمری، پلیاتر سولفون (PES) به دلیل مقاومت مکانیکی برتر، پایداری شیمیایی و حرارتی، بهعنوان یکی از گزینههای پیشرو مطرح شده است. با وجود این مزایا، غشاهای PES با چالشهای مهمی مواجه هستند که عملکرد آنها را محدود میکند. اول، ماهیت هیدروفوبیک آنها موجب میشود که مستعد رسوبگذاری (Fouling) باشند، که این امر نرخ نفوذ آب را کاهش داده و طول عمر غشا را کوتاه میکند. دوم، غشاهای PES پایداری کمی دارند، بهویژه تحت شرایط عملیاتی سخت، که دوام بلندمدت آنها را به خطر میاندازد. تجمع مواد آلی و معدنی، یکی از مسائل اصلی غشاهای پلیمری در تصفیه فاضلاب صنعتی است.
برای رفع این مشکل، روشهایی مانند اصلاح سطحی (مانند پوششدهی) و ترکیب PES با مواد هیدروفیل یا نانو مواد مورد بررسی قرار گرفتهاند. این روشها آب دوستی غشا را افزایش داده، رسوبگذاری را کاهش میدهند و عملکرد غشا را بهبود میبخشند، که منجر به طول عمر بیشتر و کارایی بالاتر در تصفیه آب صنعتی میشود.
غشاهای ماتریس ترکیبی (MMMs) بهعنوان یک پیشرفت امیدوارکننده در زمینه غشاهای با عملکرد بالا مطرح هستند و کارایی جداسازی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر رسوبگذاری را ارائه میدهند. با وارد کردن نانوذرات معدنی یا آلی در ماتریس پلیمری، MMMها مزایای هر دو ماده را ترکیب کرده و نفوذپذیری، انتخابگری، مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر رسوبگذاری را بهطور چشمگیری بهبود میبخشند و فرایندهای جداسازی مؤثرتری را ممکن میسازند.
روش تبدیل فاز (Phase inversion) به دلیل سادگی و انعطافپذیری، بهطور گسترده برای ساخت غشاهای NF پلیمری بهکار میرود. نانوذرات رایج مورد استفاده در MMMها شامل چارچوبهای فلزی-آلی (MOFs)، نانولولههای کربنی، نانوذرات سیلیکا و اکسیدهای فلزی مانند اکسید تیتانیوم (TiO۲) و اکسید روی (ZnO) هستند.
بشریت با چالش کمبود آب مواجه است که ناشی از رشد سریع جمعیت و صنعتی شدن است. منابع سنتی آب، شامل ذوب یخچالها و بارشهای جوی، برای تأمین نیازهای جمعیت رو به رشد جهان کافی نیستند. در حال حاضر، ۴۰٪ جمعیت جهان با بحران شدید آب روبهرو هستند و پیشبینی میشود تا سال ۲۰۲۵ این بحران حدود ۶۰٪ جمعیت جهانی را تحت تأثیر قرار دهد .
نمکزدایی آب دریا و آبهای شور نقش مهمی در تأمین نیازهای مصرف آب جمعیت جهانی ایفا کرده است. در حال حاضر، ۱۵,۹۰۶ واحد عملیاتی نمکزدایی در ۱۷۷ کشور جهان فعال هستند که در مجموع روزانه ۹۵ میلیون متر مکعب آب نمکزدایی شده تولید میکنند. تقریباً نیمی از ظرفیت نمکزدایی جهان (۴۸٪) در خاورمیانه و شمال آفریقا متمرکز است .
توسعه نمکزدایی مبتنی بر غشا بهطور تدریجی جایگزین روشهای حرارتی نمکزدایی شده است. تا سال ۲۰۰۰، نمکزدایی مبتنی بر غشا حدود ۵۰٪ از آب نمکزدایی شده جهان را تأمین میکرد. امروزه، نمکزدایی غشایی ۶۵.۵ میلیون متر مکعب در روز از مجموع ۹۵ میلیون متر مکعب آب نمکزدایی شده روزانه را تولید میکند. نمکزدایی مبتنی بر غشا، فناوری پیشرو برای نمکزدایی آبهای فراوان در دسترس دریا است. موفقیت و اهمیت فناوری نمکزدایی غشایی از این واقعیت مشهود است که این فناوری طی ۳۰ سال گذشته بهطور مداوم مورد استفاده قرار گرفته است.
غشاهای پلیآمیدی بهطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و در مقیاس تجاری برای کاربردهای متنوعی مانند نانوفیلتراسیون، تصفیه فاضلاب، نانوفیلتراسیون حلالهای آلی و اسمز معکوس بهکار گرفته شدهاند. این غشاها بهگونهای طراحی شدهاند که دارای ساختار منافذ ریز و لایه پلیآمیدی با انتخابگری بالا باشند. ساختار منافذ ریز و یکنواخت غشا امکان جداسازی مولکولهای در مقیاس آنگستروم را فراهم میکند. پژوهشگران پیشرفتهای قابل توجهی در بهبود توانمندی غشاهای پلیآمیدی در زمینه نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) داشتهاند.
غشاهای نانوفیلتراسیون کامپوزیت فیلم نازک (TFC-NF) بهطور گسترده در مقیاس صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار میگیرند. بهطور کلی، غشاهای NF دارای ساختاری از نوع کامپوزیت فیلم نازک با لایه فعال پلیآمیدی هستند. تولید این غشاها از طریق پلیمریزاسیون بینسطحی (IP) انجام میشود، جایی که محلول آبی یک آمین با کلرید اسیدی موجود در فاز غیرآبی (-nهگزان) واکنش میدهد .
آمینهایی که معمولاً در IP بهکار میروند، دیآمینها هستند مانند پیپرازین (PIP)، -mفنیلندیآمین (MPD) و اتیلندیآمین (EDA) که معمولاً با واکنش با تریمزوئیل کلراید (TMC) پیوند عرضی مییابند. دیآمین و TMC از طریق واکنش شوتن-بائومان (Schotten-Baumann) به لایه فعال پلیآمیدی با پیوندهای عرضی فوقالعاده منجر میشوند.
با توجه به اهمیت بالای حلالهای آلی در چندین فرایند صنعتی، استفاده از غشاها برای بازیابی این حلالها به یک فرایند صنعتی قابل قبول تبدیل شده است.
حلالهای آلی در بسیاری از فرایندهای صنعتی، از صنایع دارویی گرفته تا پتروشیمی، اهمیت بالایی دارند. استفاده مجدد از حلالهای آلی باارزش، از نظر اقتصادی اهمیت فراوانی دارد، زیرا میتواند نیاز به حلالهای تازه را کاهش دهد. بنابراین، صنایع شیمیایی بهطور مداوم فرایندهای خود را بهبود میبخشند تا (i) الزامات سختگیرانه محیطزیستی را برآورده کنند و (ii) سودآوری خود را افزایش دهند.
در میان صنایع شیمیایی، صنایع دارویی بیشترین وابستگی را به مصرف حلالهای آلی دارند، بهطوری که حلالهای آلی ۸۰–۹۰٪ از کل جرم مواد در فرایند را تشکیل میدهند. رایجترین پسماندهای حلالی تولیدشده توسط شرکتهای دارویی شامل متانول، دیکلورومتان، تولوئن، استونیتریل و کلروفرم هستند. از میان انواع پسماندهای حلال آلی، پسماند متانول به میزان تقریبی ۴۴.۸ × ۱۰۶ کیلوگرم در سال برآورد شده است.
در مقایسه با فرایندهای سنتی مانند تقطیر و جذب، جداسازیهای مبتنی بر غشا انرژی کمتری مصرف کرده، دوستدار محیطزیست هستند، فضای کمتری اشغال میکنند و برای جداسازی و تمرکز محصولات مقرونبهصرفهاند.
با توسعه غشاهای کامپوزیت فیلم نازک (TFC)، چندین فرایند جداسازی بهینهسازی شده است، که این امر به دلیل ویژگیهای برجسته غشاهای TFC از جمله پایداری شیمیایی و فیزیکی، سازگاری با ترکیبات خوراک متفاوت و دسترسی آسان با طیف وسیعی از اندازه منافذ برای کاربرد موردنظر میباشد.
غشاهای TFC از یک لایه انتخابی نازک تشکیل شدهاند که بر روی یک بستر متخلخل پلیمری نانوفیلتراسیون قرار گرفته است. بهطور معمول، بستر متخلخل پلیمری از طریق فرآیند واژگونی فازی مرطوب (Wet phase inversion) با استفاده از آب بهعنوان غیرحلال تهیه میشود. از سوی دیگر، لایه فعال بر روی بستر اولترافیلتراسیون از طریق پلیمریزاسیون بینسطحی (IP) رشد میکند. با توجه به انعطافپذیری فرآیند IP، طیف گستردهای از غشاهای TFC در مطالعات مختلف با تغییر شیمی مونومرهای واکنشدهنده یا تغییر سایر پارامترهای IP ساخته شده است.
امروزه، با توجه به افزایش هزینههای انرژی، افزایش تقاضا برای محصولات غذایی با ارزش غذایی بالاتر و روشهای فرآوری سبز، فناوری NF بهطور گستردهای به کار گرفته میشود. در صنعت غذا، کاربردهای نویدبخش NF شامل تغلیظ آبمیوه، صنایع نوشیدنی، صنایع لبنی، فرآوری آب پنیر، صنایع قند و تصفیه فاضلاب صنعتی میباشد.
روشهای غشایی از زمان معرفیشان در اواخر دهه ۱۹۶۰، به طور گستردهای در صنعت لبنیات به کار گرفته شدهاند. در این صنعت، تکنیکهای غشایی برای جداسازی، شفافسازی و تغلیظ ترکیبات شیر به منظور تولید انواع محصولات لبنی استفاده میشوند. در بخش لبنیات، فرآیندهای غشایی تحت فشار مانند اسمز معکوس، اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون به دلیل دامنه کاربرد وسیع خود، معمولاً به کار میروند و امکان استخراج اجزای ضروری شیر را فراهم میکنند.
استفاده از فرآیندهای غشایی در صنعت لبنیات باعث بهبود کیفیت محصولات، افزایش بهرهوری و ارائه روش جایگزین عملی نسبت به روشهای سنتی مانند تبخیر، تقطیر یا استخراج شده است. نتیجه این پیشرفتها، تولید محصولات جدید و بهینهسازی فرآیندهای تولید، افزایش کارایی و ایجاد مزایای اقتصادی و کیفی است.
در کاربردهای مدرن، روند استفاده از یک فرآیند غشایی منفرد به سمت استفاده از چندین فرآیند غشایی به صورت چند مرحلهای و در فرایندهای تولید یکپارچه تغییر یافته است. این روشها میتوانند برای تولید محصولات غذایی نوین یا بهبود محصولات موجود به کار روند و امکان تولید اجزای با عملکرد سفارشی را فراهم کنند. شکل ۴ مراحل مختلف فرآیندهای غشایی در تولید شیر را نشان میدهد.
در صنعت کازئین و تولید پنیر، آب پنیر (Whey) به عنوان محصول جانبی تولید میشود که حاوی ترکیبات ارزشمندی مانند لاکتوز و پروتئین است. با این حال، آب پنیر حاصل از فرآیند پنیر، معمولاً دارای مقادیر بالای نمکها به ویژه کلرید سدیم و اسیدها است که کیفیت آن را کاهش میدهد. بنابراین، برای افزایش ارزش، لازم است مواد معدنی حذف (Demineralization) شوند.
فرآیندهای تبادل یون (IE) همراه با الکترودیالیز (ED) معمولاً برای انجام فرآیند حذف املاح استفاده میشوند. این فناوریها دارای مسائل پایداری هستند زیرا به سرمایهگذاری و هزینههای عملیاتی قابل توجه نیاز دارند و مقادیر زیادی فاضلاب مضر تولید میکنند. از سوی دیگر، غشاهای نانوفیلتراسیون کمهزینهتر بوده و نیازمند فرآیند سادهتر و جایگزین برای فرآیندهای مذکور هستند. اگر حذف املاح قابل توجهی مورد نیاز باشد، NF گزینهای بسیار جذاب برای تبادل یون و الکترودیالیز است. NF میتواند برای حذف املاح جزئی و تمرکز شیرابه مایع در صنعت لبنیات با استفاده از غشاهایی با وزن مولکولی قطع شده بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ دالتون به کار گرفته شود.
آب میوهها بهعنوان بخشهای مهم رژیم غذایی انسان شناخته میشوند، زیرا حاوی انواع مواد مغذی ضروری هستند. آب میوههای خام از اسیدها، قندها، نمکها، ترکیبات معطر و ماکرومولکولهای مختلفی مانند پروتئینها، پلیساکاریدها و ذرات معلق تشکیل شدهاند. آب میوههایی مانند آب سیب، آب انگور، آب پرتقال، آب گلابی و غیره حاوی ترکیبات فنولی هستند که یکی از اجزای فعال اصلی به شمار میآیند. این گروه شامل ترکیبات مهمی مانند اسید کلروژنیک، اسید فرولیک، روتین، اسید گالیک و کوئرستین است. برخی از فواید مهم این ترکیبات برای بدن انسان عبارتند از: خواص آنتیاکسیدانی، ضد میکروبی، کاهش فشار خون، حذف رادیکالهای آزاد و کاهش چربی خون.
استفاده از روشهای مختلف برای تمرکز ترکیبات فعال زیستی موجود در آب میوه در حالی که خواص شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی آنها حفظ میشود، برای تولید آب میوه ضروری است. روشهای سنتی تمرکز آب میوه، مانند تبخیر حرارتی، منجر به تخریب کیفیت آب میوه در مرحله نهایی میشوند و این روشها زمانبر بوده و ممکن است طعم آب میوه را تغییر دهند، زیرا حذف کامل افزودنیها امکانپذیر نیست.
در نتیجه، فناوری غشایی یک گزینه مناسب برای تولید آب میوههای بدون افزودنی و با کیفیت ارگانولپتیک بالا و طراوت طبیعی است. تکنیکهای غشایی در مقایسه با روشهای سنتی، انرژی کمتری مصرف کرده، استفاده آسانتری دارند و انتخابپذیری بیشتری ارائه میدهند. مهمترین مزیت استفاده از فرآیندهای غشایی در صنایع غذایی، دمای پایین پردازش است که اجازه میدهد ترکیبات حساس به حرارت بدون تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی و بدون از دست رفتن ارزش غذایی پردازش شوند.
براساس تحقیقات اخیر، روشهای غشایی تحت فشار میتوانند برای شفافسازی، تمرکز و کاهش اسیدیته آب میوهها استفاده شوند و جایگزین مؤثری برای روشهای سنتی باشند. در مقایسه با فرآیندهای UF وMF، فرآیند NF گزینههای جدیدی ارائه میدهد زیرا قادر است ترکیبات با وزن مولکولی پایین) مانند پروتئینها و میکروارگانیسمها را جدا کند. بخشبندی مولکولهای با وزن مولکولی مشابه عمدتاً با انتخاب غشاهای مناسب انجام میشود. وقتی NF برای تغلیظ آب میوه با RO مقایسه میشود، مزیت آن مصرف انرژی کمتر به دلیل فشار کاری پایینتر و در نتیجه حفظ کیفیت بهتر آب میوهها است.
بهطور کلی، در فرآوری آب میوه، NF عمدتاً برای جداسازی و تمرکز ترکیبات زیستی مهم و ایجاد فرصتهایی برای استفاده از غشاهای NF در تولید و فرمولاسیون غذاها و نوشیدنیهای عملکردی کاربرد دارد.
از سوی دیگر، در صنعت داروسازی، آلایندههای آلی مانند آنتیبیوتیکها و سایر داروها تهدیدی برای محیطزیست محسوب شده و سلامت عمومی را به خطر میاندازند. بنابراین، حذف این آلایندههای دارویی از محیط ضروری است و فناوری NF در این زمینه عملکرد مؤثری دارد. NF نتایج امیدوارکنندهای در تصفیه ترکیبات فعال دارویی و سایر آلایندههای میکرونی نوظهور نشان داده است. با توجه به اهمیت فناوری NF در صنایع دارویی و غذایی، این مرور بر موفقیتهای بهکارگیری غشاهای NF در این صنایع تمرکز خواهد داشت.
پلیفنولها گروه گستردهای از متابولیتهای ثانویه طبیعی هستند که از گیاهان بهدست میآیند و از مهمترین ریزمغذیها هستند که با فواید سلامتی رژیم غذایی ما مرتبطاند. غلات، سبزیجات، چای، میوهها، روغنهای ضروری و غذاها، نوشیدنیها و مکملهای مشتق شده از آنها، رایجترین منابع پلیفنولهای غذایی هستند.
امروزه، چندین روش جداسازی برای استخراج ترکیبات فنولی از گیاهان وجود دارد، مانند استخراج با کمک مایکروویو، استخراج با کمک اولتراسونیک، استخراج با سیال فوق بحرانی، استخراج با فشار هیدرواستاتیک بالا و همچنین روشهای غشایی. فرآیندهای غشایی، به ویژه، گزینهای مناسب در مقایسه با روشهای سنتی هستند به دلیل هزینه نگهداری و عملیاتی پایین، دمای و فشار کاری متوسط، سهولت کنترل، مقیاسپذیری آسان و جداسازیهای انتخابی عالی. برای استخراج، بازیابی و تمرکز ترکیبات فنولی از گیاهان مختلف، فرآیندهای غشایی تحت فشار مانند اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتهاند. در این زمینه، فرآیندهای غشایی جایگزین شامل تماسدهندههای غشایی (MCs) نیز اخیراً بررسی شدهاند.
غشای تماسدهندههای غشایی امکان انتقال جرمی انتشارپذیر بین فازهای تماس (مایع/مایع، گاز/مایع، گاز/گاز) را در این تکنیک نوین فراهم میکند، اما سرعت جریان عبوری از غشا را محدود نمیکند. جداسازی بر اساس اصول تعادل فازی انجام میشود و اختلاف فشار و غلظت بین سمت عبوری و تغذیه به عنوان نیروی محرکه عمل میکند. در راستای مفهوم فشردهسازی فرآیند، رویکردهای جدید و جذابی از ترکیب عملیاتهای مختلف واحدهای غشایی و فناوریهای جداسازی سنتی شکل گرفتهاند.
تمرکز و تفکیک اجزای فنولی استخراجشده از گیاهان مختلف به کمک غشاهای NF یا سیستمهای یکپارچه NF و RO به خوبی انجام شده است (شکل ۵). معمولاً ترکیبات فنولی از مواد گیاهی با استفاده از یک حلال (ترکیب آب-الکل یا آب) استخراج میشوند، سپس بخشهای فنولی متمرکز و خالص به دست میآیند و حلال استخراج با استفاده از NF یا RO بازیابی میشود. علاوه بر این، این روشها میتوانند برای تفکیک مولکولهای دارای جرم مولکولی مشابه با انتخاب غشاهای مناسب با قطع وزن مولکولی مشخص (دامنه ۱۵۰–۱۰۰۰ دالتون) مورد استفاده قرار گیرند
نانوفیلتراسیون در حلالهای آلی یا نانوفیلتراسیون مقاوم به حلال یکی از مهمترین کاربردهای این فناوری است و در مواردی همچون جداسازی حلال–حلشونده، تصفیه حلال و حلشونده و تعویض حلال استفاده میشود.
این کاربردها برای صنایع پتروشیمی و مواد شیمیایی بسیار حیاتی هستند، زیرا جایگزینی پایدار برای روشهای جداسازی شیمیایی سنتی به شمار میآیند که معمولاً پس از یکبار استفاده، حلالهای آلی را از طریق سوزاندن دفع میکنند. برای مثال، در صنعت روغن، برای استخراج یک تن روغن خوراکی ممکن است تا ۴ تا ۱۰ تن حلال مصرف شود که این امر منجر به مصرف انرژی بسیار بالا در فرایندهای جداسازی حرارتی میشود. در صنعت داروسازی نیز مقادیر زیادی حلال برای تولید و ساخت مورد نیاز است. بنابراین، از یک طرف روشهای انرژیبر نظیر تقطیر و تبخیر مورد استفاده قرار میگیرد و از طرف دیگر حجم زیادی از حلالهای زائد معمولاً از طریق سوزاندن دفع میشود.
روشهای رایج کنونی برای بازیابی جریانهای پسماند —که در بسیاری از صنایع به کار میرود— همچنان تقطیر و تبخیر هستند؛ روشهایی هزینهبر و ناپایدار که حدود ۱۰٪ از انتشار CO₂ جهانی را به خود اختصاص میدهند. از این رو، غشاها در بازیابی حلال و جداسازی شیمیایی نقش کلیدی دارند. با فیلتراسیون مؤثر حلالهای آلی و تولید حلالهای قابل استفاده مجدد با کمترین انرژی، غشاهای نانوفیلتراسیون مقدار پسماند صنعتی و در نتیجه میزان انتشار آلایندهها به جو را بهطور قابل توجهی کاهش میدهند. غشاهای نانوفیلتراسیون که اندازه منافذ آنها کمتر از ۱ نانومتر است، توانایی چشمگیری در جداسازی انتخابی حلشوندهها بر اساس اندازه و بار الکتریکی دارند.
در سالهای اخیر، تلاشهای گستردهای برای طراحی غشاهای نانوفیلتراسیون با کارایی بالا از طریق بهکارگیری روشهای نوآورانه ساخت، مواد جدید و ویژگیهای ساختاری منحصربهفرد انجام شده است. این پیشرفتها عملکرد جداسازی این غشاها را به طور چشمگیری بهبود دادهاند. از این رو، قابلیت جداسازی دقیق غشاهای نانوفیلتراسیون آنها را به ابزارهایی ضروری در ارتقای کیفیت محصولات تبدیل کرده است، زیرا امکان پالایش مواد خام و محصولات میانی را از طریق حذف انتخابی اجزای نامطلوب و حفظ اجزای ضروری فراهم میکنند.
نگهداری صحیح نقش اساسی در افزایش طول عمر و حفظ عملکرد غشاهای نانوفیلتراسیون دارد. نرمالسازی دادهها که تغییرات کیفیت آب خوراک را در نظر میگیرد، یکی از روشهای کلیدی برای تشخیص زودهنگام مشکلاتی مانند گرفتگی (Fouling) یا رسوبگذاری (Scaling) است. ابزارهای نرمافزاری مانند Avista™ Advisor™Ci میتوانند پتانسیل رسوبگذاری را ارزیابی کرده و میزان مناسب دوزینگ مواد شیمیایی یا نوع ضدرسوب (Antiscalant) را توصیه کنند. همچنین، انجام فرآیندهای شستوشوی در محل (CIP) که بر اساس نیازهای خاص غشاهای NF طراحی میشوند، عملکرد غشا را بازیابی کرده و تضمینکننده عملیات پایدار سیستم است.
با وجود مزایای قابل توجه، غشاهای NF نیازمند مراقبت دقیق هستند. این غشاها نسبت به محدوده ph در هنگام شستوشو حساس بوده و تحمل کلر آزاد را ندارند؛ چرا که تماس مکرر با کلر موجب کاهش ظرفیت دفع نمک و در نتیجه افت کارایی غشا میشود. با انتخاب مواد شوینده سازگار و رعایت دستورالعملهای عملیاتی، میتوان بسیاری از این محدودیتها را برطرف کرد و عملکرد پایدار غشا را حفظ نمود.
مزیتهای منحصربهفرد غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) در انتقال انتخابی یونها، بهرهوری انرژی، و عملکرد چندمنظوره آنها نهفته است. این غشاها با کارکرد در فشارهای پایینتر نسبت به سامانههای اسمز معکوس (RO)، انرژی کمتری مصرف میکنند که این موضوع منجر به کاهش هزینههای عملیاتی و کاهش اثرات زیستمحیطی میشود. توانایی آنها در حذف یونهای دوظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم نیز موجب نرمی آب شده و باعث میشود که در کنار غشاهای RO بهعنوان یک فناوری مکمل عمل کنند و در صورت استفاده همزمان، امکان افزایش میزان بازیافت آب را فراهم آورند.
غشاهای NF در صنایع مختلف کاربردهای گستردهای دارند. در حوزه تصفیه آب و فاضلاب، این غشاها در حذف سختی، فلزات سنگین، سولفاتها، نیتراتها و مواد آلی عملکرد بسیار مؤثری داشته و کیفیت آب را بهطور قابل توجهی بهبود میبخشند. در صنایع غذایی و نوشیدنی، از غشاهای NF برای خالصسازی آبمیوهها، تغلیظ شربتها و دِمینرالیزهکردن محلولهای قندی استفاده میشود. در صنایع نفت و گاز، غشاهای NF برای حذف دیاکسیدکربن از گازها و تصفیه پسابهای حاوی روغن و ترکیبات شیمیایی سمی کاربرد دارند. علاوه بر این، صنعت داروسازی از NF برای استریلسازی و تغلیظ آنتیبیوتیکها بهره میبرد، در حالی که صنایع نساجی و چرمسازی از قابلیت این غشاها در نمکزدایی، تغلیظ رنگها و حذف تاننها سود میبرند.
غشاهای نانوفیلتراسیون به دلیل توانایی حذف گسترهای از املاح موجود در انواع مختلف آب و تولید آب با خلوص بالا که قابل استفاده مجدد است، یکی از پراستفادهترین فناوریهای جداسازی در جهان به شمار میآیند.
[۱] Xu, Xiaoming, Yuxuan Chen, Zhiwei Wang, Guoyan Hua, Zepeng Zhang, Shengnan Liu, Pengrui Jin, Fuqiang Liu, and Huanting Wang. “Nanofiltration membranes with ultra-high negative charge density for enhanced anion sieving and removal of organic micropollutants.” Nature Water (۲۰۲۵): ۱-۱۰.
[۲] Zhao, Changwei, Yanjun Zhang, Yuewen Jia, Bojun Li, Wenjing Tang, Chuning Shang, Rui Mo, Pei Li, Shaomin Liu, and Sui Zhang. “Polyamide membranes with nanoscale ordered structures for fast permeation and highly selective ion-ion separation.” Nature Communications ۱۴, no. 1 (2023): 1112.
[۳] Baig, Umair, and Abdul Waheed. “Exploiting interfacial polymerization to fabricate hyper-cross-linked nanofiltration membrane with a constituent linear aliphatic amine for freshwater production.” NPJ Clean Water ۵, no. 1 (2022): 46.
[۴] Waheed, Abdul, Umair Baig, and Isam H. Aljundi. “Fabrication of polyamide thin film composite membranes using aliphatic tetra-amines and terephthaloyl chloride crosslinker for organic solvent nanofiltration.” Scientific Reports ۱۳, no. 1 (2023): 11691.
[۵] Meng, Wenqiao, Qiang Xue, Jinyuan Zhu, and Kaisong Zhang. “Exploiting sulfonated covalent organic frameworks to fabricate long-lasting stability and chlorine-resistant thin-film nanocomposite nanofiltration membrane.” NPJ Clean Water ۷, no. 1 (2024): 23.
[۶] He, Ming, Wei-Dong Li, Jia-Chuan Chen, Zhi-Guo Zhang, Xiao-Fa Wang, and Gui-Hua Yang. “Immobilization of silver nanoparticles on cellulose nanofibrils incorporated into nanofiltration membrane for enhanced desalination performance.” npj Clean Water ۵, no. 1 (2022): 64.
[۷] Yuan, Bingbing, Shengchao Zhao, Ping Hu, Jiabao Cui, and Q. Jason Niu. “Asymmetric polyamide nanofilms with highly ordered nanovoids for water purification.” Nature communications ۱۱, no. 1 (2020): 6102.
[۸] Bashir, Nusrat, Muhammad Afzaal, Asim Laeeq Khan, Rab Nawaz, Ali Irfan, Khalid S. Almaary, Fakhreldeen Dabiellil, Mohammed Bourhia, and Zulkifl Ahmed. “Green-synthesized silver nanoparticle-enhanced nanofiltration mixed matrix membranes for high-performance water purification.” Scientific Reports ۱۵, no. 1 (2025): 1001.
[۹] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.
[۱۰] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
