آشنایی با انواع فرآیندهای غشایی نانو ساختار در تصفیه پساب صنعتی

افزایش روزافزون تولید پساب صنعتی در کنار محدودیت منابع آب شیرین، ضرورت بهره گیری از فناوریهای پیشرفته و کارآمد برای تصفیه و بازیافت آب را بیش از پیش برجسته ساخته است. در میان روشهای نوین تصفیه، سامانه های غشایی به ویژه غشاهای نانوساختار به دلیل ویژگی هایی همچون راندمان بالای جداسازی، مصرف انرژی کمتر، قابلیت حذف آلاینده های ریز و پایداری عملیاتی مناسب، به عنوان یکی از گزینه های پیشرو در تصفیه پیشرفته پساب مطرح شده اند. با وجود این مزایا، عملکرد این سامانه ها به شدت تحت تاثیر پدیده هایی نظیر رسوب گذاری(sedimentation)، قطبش غلظتی (Concentration polarization)، افت فشار و شرایط عملیاتی قرار دارد؛ عواملی که تحلیل دقیق آنها بدون بهره گیری از ابزارهای مهندسی فرآیند و مدلسازی پیشرفته امکان پذیر نیست .فناوری غشاهای نانوساختار طی سال های اخیر به عنوان یکی از کارآمدترین روش های تصفیه پیشرفته پساب مطرح شده است. این غشاها با بهره گیری از ساختارهای مهندسی شده در مقیاس نانو، توانایی بالایی در جداسازی آلاینده های آلی، معدنی و میکروبی دارند و در مقایسه با غشاهای پلیمری معمولی، عملکرد بهتری از نظر شار عبوری، انتخاب پذیری و پایداری عملیاتی ارائه میدهند. 

غشاهای نانویی به طور کلی در سه گروه اصلی اولترافیلتراسیون( Ultrafiltration) ، نانوفیلتراسیون( Nanofiltration) و اسمز معکوس( Reverse Osmosis) طبقه بندی میشوند که هرکدام بر اساس اندازه منافذ، مکانیزم جداسازی و فشار عملیاتی، کاربردهای متفاوتی در تصفیه پساب صنعتی دارند.در غشاهای اولترافیلتراسیون، جداسازی عمدتا بر اساس غربالگری اندازه و در محدوده منافذ2تا1۰۰نانومتر انجام میشود و این غشاها برای حذف کلوئیدها، ویروسها، مواد معلق و ترکیبات ماکرومولکولی مناسب هستند. غشاهای نانوفیلتراسیون با منافذکوچکتر (1تا2نانومتر) و مکانیزم ترکیبی غربالگری و دفع الکتروستاتیک، توانایی حذف یون های چندظرفیتی، رنگها، ترکیبات آلی و سختی آب را دارند. در مقابل، غشاهای اسمز معکوس تقریبا بدون منفذ بوده و جداسازی در آنها بر اساس مکانیزم محلول–نفوذصورت میگیرد؛به طوری که قادر به حذف تقریبا تمامی یونها،نمکها و آلاینده های آلی کوچک هستندو برای نمک زدایی وتصفیه نهایی آب کاربرد گسترده ای دارند.غشاهای نانوساختار به دلیل اصلاح سطحی، افزایش آبدوستی، افزایش سطح فعال و بهبود ساختار لایه فعال، عملکرد بهتری نسبت به غشاهای معمولی ارائه میدهند. این ویژگی ها موجب افزایش شار عبوری، کاهش رسوب گذاری، بهبود انتخاب پذیری و کاهش مصرف انرژی میشود. با این حال، چالشهایی مانند رسوب گذاری ، قطبش غلظتی، افت فشار و کاهش پایداری در شرایط عملیاتی سخت همچنان از مهمترین محدودیتهای این سامانه ها به شمار میروند. رسوب گذاری ناشی از تجمع مواد آلی، معدنی و بیولوژیکی بر سطح غشا، موجب کاهش شار و افزایش هزینه های شست وشو میشود. قطبش غلظتی نیز با ایجاد لایه ای از آلاینده ها در نزدیکی سطح غشا، راندمان جداسازی را کاهش داده و فشار مورد نیاز را افزایش میدهد. علاوه بر این، افت فشار در طول غشا و حساسیت برخی غشاها بهpH، دما و مواد شیمیایی خورنده، از دیگر چالشهای عملیاتی محسوب میشود.تصویر 1 به وضوح میزان جداسازی و رابطه آن با نوع ممبران یا غشا را در راستای بدست آمدن آب خالص نشان میدهد .با ورود آب از سمت چپ به راست از میزان آلاینده ها شامل شن و پارتیکل ها , باکتری ها و کلوئیدها و سپس مولکول های ریز و یون ها کاسته میشود. 

مقایسه سه فناوری در طی تحقیقا تجربی و شبیه سازی نشان میدهد که اولترافیلتراسیون به دلیل منافذ بزرگتر و فشار عملیاتی پایین، گزینه ای مناسب برای پیش تصفیه و حذف ذرات درشت تر است و مصرف انرژی بسیار کمی دارد.نانوفیلتراسیون با منافذ کوچکتر و مکانیزم ترکیبی، توانایی حذف آلاینده های آلی و یون های چندظرفیتی را دارد و از نظر انتخاب پذیری نسبت به اولترافیلتراسیون برتری دارد.اسمز معکوس به عنوان پیشرفته ترین فناوری، قادر به حذف تقریبا تمامی یونها و نمکهاست، اما به دلیل فشار عملیاتی بالا، بیشترین مصرف انرژی را دارد و بیشترین حساسیت را نسبت به رسوب گذاری نشان میدهد. این مقایسه گویای آن ست که انتخاب نوع غشا باید بر اساس کیفیت پساب ورودی، هدف تصفیه، محدودیت انرژی و شرایط عملیاتی انجام شود.