ممبران تصفیه آب صنعتی چیست؟

فیلتر ممبران صنعتی قلب تپنده یک سیستم تصفیه آب صنعتی است که جداسازی ترکیبات محلول در آب را انجام می‌دهد و با این کار آب را تصفیه و پاکسازی می‌کند. این نوع فیلترها از ممبران‌های پلیمری تشکیل شده‌اند که دارای حفرات بسیار ریزی در حد نانومتر هستند که به آب اجازه عبور می‌دهند، اما مواد بزرگتر و املاح مختلف را جدا می‌کنند. این تکنیک معمولاً به عنوان فیلتراسیون ممبرانی نیز شناخته می‌شود و در صنایع مختلفی از جمله تصفیه آب و پساب، نفت و گاز، تولید داروها، صنایع غذایی و شیمیایی استفاده می‌شود. در این مقاله به این سوال که فیلتر ممبران چیست پاسخ می‌دهیم، و به معرفی فیلتر ممبران، کاربردها، و نحوه کار آن می‌پردازیم.

همچنین بخوانید: تصفیه فاضلاب صنعتی چیست

معرفی فیلتر ممبران

اولین سوالی که مطرح می‌شود این است که فیلتر ممبران تصفیه آب صنعتی چیست و چه مشخصاتی دارد؟ فیلتر ممبران یا Membrane Filter که در اصطلاح فارسی غشا نامیده می‌شود لایه نازکی است که عملیات جداسازی را انجام می‌دهد. این ممبران معمولاً از مواد مختلفی مانند پلیمر، سلولز یا کربن تشکیل شده است. فیلتر ممبران تصفیه آب صنعتی به عنوان مانعی عمل می کند که به طور انتخابی تنها برخی مواد مشخص را  عبور می دهد در حالی که سایر مواد را بر اساس اندازه، شکل یا ویژگی های مولکولی آنها مسدود می‌کند. این فیلترها کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف دارند و نقش کلیدی در فرآیندهایی مانند اسمز معکوس (RO) و اسمز مستقیم (FO) ایفا می‌کنند.

مشخصات فیلتر ممبران تصفیه آب صنعتی

مشخصات یک فیلتر ممبران در فرآیند تصفیه و جداسازی مواد معلق و نمک‌ها از آب یا محلول‌ها بسیار مهم است. این مشخصات شامل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ممبران می‌شوند که بر اساس نیاز و شرایط مختلف فرآیندی انتخاب می‌شوند و تاثیر مستقیمی بر عملکرد و کارایی فیلتر ممبران دارند. برخی از مهم‌ترین مشخصات فیلتر ممبران عبارتند از:

1. اندازه حفرات: اندازه حفرات ممبران به طور مستقیم بر انتخاب جداسازی مواد تاثیر دارد. ممبرانی با حفرات کوچکتر می‌تواند کیفیت و خلوص بیشتری در فاز تصفیه شده تولید کند.
2. شکل و نوع ممبران: شکل و نوع ممبران می‌تواند بر کاربرد فیلتر تاثیر داشته باشد. ممبران‌ها معمولاً به صورت لوله تو خالی و صفحه‌ای تولید می‌شوند. البته در صنعت معمولا ممبران‌ها به صورت ماژول استفاده می‌شوند که بسته به کاربرد آن از این لوله‌ها و صفحه‌ها ماژول مناسب تهیه می‌شود.
3. ماده سازنده: ممبران‌ها معمولاً از مواد مختلفی مانند پلیمرها، سلولز، پلی‌آمیدها و کربن تشکیل شده‌اند. ماده سازنده ممبران می‌تواند ویژگی شیمیایی و فیزیکی ممبران را تعیین کند. بعضی از مدل‌های ممبران نظیر ممبران اسمز معکوس از چند لایه مختلف از جنس پلیمر‌های مختلف تولید شده که هر لایه وظیفه خاصی بر عهده دارد.
4. تراوایی: تراوایی ممبران به قابلیت عبور‌دهی آب یا محلول از ممبران در شرایط عملیاتی ثابت گفته می‌شود که یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد فیلتر ممبران است. ممبرانی که تراوایی بالاتری داشته باشد در شرایط عملیاتی ثابت، نسبت به یک ممبران دیگر با تراوایی کمتر، حجم آب بیشتری تصفیه می‌کند.
5. فشار عملیاتی: هر فیلتر ممبران برای انجام فرایند تصفیه نیاز به فشار هیدرولیکی دارد که به فشار کاری یا عملیاتی ممبران معروف است. این فشار عملیاتی به عوامل مختلفی بستگی دارد. یکی از این عوامل مشخصات و جنس فیلتر ممبران است.
6. مقاومت شیمیایی: ممبران باید در برابر مواد شیمیایی موجود در محلول خوراک مقاوم باشد تا از تخریب و خرابی جلوگیری کند. همچنین برای شستشوی شیمایی ممبران معمولا از مواد شیمیایی مختلفی نظیر اسید و کاستیک استفاده می‌شود که ممبران باید در برابر این شرایط مقاوم باشد.
7. عمر مفید: مدت زمانی که ممبران می‌تواند به صورت موثر کار کند و عملکرد مطلوبی داشته باشد، به عنوان عمر مفید ممبران شناخته می‌شود.
8. مساحت سطح ممبران: اگر ماژول یا المان مورد استفاده در صنعت را مد نظر قرار دهیم یکی از مشخصات این المان‌‌های صنعتی سطح فعال فیلتر غشای درون آن است که بر میزان تولید و آبدهی تاثیر مستقیم دارد.

 انواع فیلتر ممبران

فیلترهای ممبران انواع مختلفی دارند که هر کدام برای نیازهای فیلتراسیون خاصی طراحی شده اند. انواع ممبران تصفیه آب صنعتی عبارت اند از:

• نانوفیلتراسیون (NF)
• اولترافیلتراسیون (UF)
• میکروفیلتراسیون (MF)
• اسمز معکوس (RO)

کاربرد فیلتر ممبران

کاربرد فیلتر ممبران را می توان به دو دسته کاربرد صنعتی و کاربرد خانگی تقسیم کرد که در ادامه به بررسی هر کدام می پردازیم:

کاربردهای صنعتی فیلتر ممبران

فیلتر ممبران در صنایع‌ مختلف از جمله داروسازی، صنایع غذایی، پتروشیمی و تصفیه آب و پساب به عنوان یک فرآیند اساسی به کار می‌رود. در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی برای تولید اب مورد نیاز در صنعت از فرایند‌های غشایی مختلفی استفاده می‌شود. بطور مثال برای تولید آب خالص و بدون یون مورد استفاده در بویلر‌های صنعتی از سیستم‌های اسمز معکوس استفاده می‌شود. همچنین در صنایع مختلف برای تصفیه پساب تولیدی کارخانه و استفاده مجدد از آب نیز از فیلتر‌های ممبران استفاده می‌کنند. در صنعت داروسازی، از فیلتر ممبران برای افزایش خلوص داروها و همچنین تولید آب خالص مورد نیاز برای تولید دارو استفاده می‌کنند.

کاربردهای خانگی فیلتر ممبران

در مصارف خانگی، فیلتر ممبران به عنوان یک راهکار تصفیه آب آشامیدنی استفاده می‌شود.فیلتر ممبران اسمز معکوس به طور موثر آلاینده های مضر مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و مواد معدنی محلول را از بین می برد و آبی با کیفیت مطلوب برای شرب تولید می‌کند. علاوه بر این، این فیلترها در دستگاه های زیر سینک و کانتر مورد استفاده قرار می گیرند و آب تمیز و قابل شرب را در شیر آب تحویل می‌دهند.

مزایای استفاده از فیلتر ممبران

استفاده از فیلتر ممبران دارای مزایای بسیاری است که شامل مزایای اقتصادی و زیست محیطی می‌شود:

مزایای اقتصادی

• کاهش هدر رفت آب در فرآیندهای صنعتی
• افزایش بازدهی فرآیندها و کاهش هزینه‌ها
• افزایش عمر مفید تجهیزات صنعتی
• کاهش هزینه‌های عملیاتی در فرایند‌های صنعتی

مزایای زیست محیطی

• کاهش آلودگی محیط زیست به دلیل جداسازی مواد آلاینده
• کاهش مصرف مواد شیمیایی در فرآیندهای تصفیه
• تولید پسماند کمتر
• بازیابی آب برای استفاده مجدد در فرایند صنعتی (سیستم‌های Reuse)

نحوه کار فیلتر ممبران

در صنعت، فیلتر ممبران را درون ماژول یا المان نظیر ماژول‌های مارپیچ یا اسپایرال قرار می‌دهند تا از سطح فعال آن استفاده کنند. هدف اصلی از ماژول، ایجاد مساحت بیشتری از فیلتر در ابعاد کمتری است. عملکرد فیلتر ممبران به این صورت است که محلول یا آب آلوده با استفاده از یک پمپ و اعمال فشار هیدرولیکی به داخل ماژول یا عنصر وارد می‌شود و از روی سطح فیلتر عبور می‌کند. با اعمال فشار، آب خوراک از طریق حفرات ممبران عبور می‌کند و مواد معلق و املاح بزرگتر قادر به عبور نمی‌باشند. در نهایت، آب یا محلول تصفیه شده از سوی دیگر ممبران به عنوان محصول خروجی به دست می‌آید.

فرآیند اسمز معکوس (RO)

فرآیند اسمز معکوس یک روش پیشرفته برای تصفیه آب است که از ممبران RO نیمه تراوا بهره می‌برد تا نمک‌ها، مواد معدنی و آلاینده‌های محلول را از آب حذف کند. در این فرآیند، آب تحت فشار بالا به داخل ممبران نفوذ می‌کند تا مواد محلول و نمک‌ها از آب جدا شوند. دلیل استفاده از فشار بالا در این روش این است که باید بر فشار اسمزی دو طرف غشا غلبه کنیم تا آب قادر به عبور از ممبران و ورود به جریان پرمیت شود.

مکانیسم فرایند اسمز معکوس به شرح زیر است:

1. جریان خوراک (Feed): این جریان همان آبی است که دارای املاح و ترکیبات مشخصی است که قرار است از جریان آب جدا شوند.
2. پمپ فشار بالا (High Pressure Pump): آب خوراک یا آلوده که می‌تواند آب دریا، پساب یا هر نوع آبی باشد به وسیله یک پمپ فشار بالا تحت فشار قرار می‌گیرد. این فشار بالا برای عبور آب از درون فیلتر ممبران لازم است.
3. ماژول یا المان RO: آب آلوده تحت فشار به درون المان اسمز معکوس وارد می‌شود و از روی سطح غشا عبور می‌کند. ممبران‌ها دارای حفرات نانومتری هستند که به آب اجازه عبور می‌دهند، اما مواد محلول، نمک‌ها و سایر ذرات بزرگتر قادر به عبور و ورود به جریان تصفیه شده نیستند.
4. آب تصفیه شده (پرمیت): آبی که از ممبران عبور کرده و از نمک‌ها و مواد محلول پاک شده، به عنوان آب تصفیه شده خارج می‌شود. این آب تصفیه شده معمولاً بسیار تمیز و قابل مصرف است.
5. جریان ریجکت یا تغلیظ شده (Concentrate): آب غلیظی است که از از ماژول RO خارج می‌شود، که به دلیل خروج آب از جریان خوراک غلظت املاح و ترکیبات آلاینده در آن افزایش یافته است.

فیلتر ممبران اسمز معکوس معمولاً برای تصفیه آب، شیرین کردن آب دریا و تولید آب شرب در مناطقی که دسترسی به منابع آب تازه محدود است، استفاده می‌شود. این فرآیند همچنین در صنایعی مانند تولید الکترولیت‌ها و تصفیه پساب‌های صنعتی به کار می‌رود.

فرآیند اسمز مستقیم (FO)

فرآیند اسمز مستقیم همچنین یک کاربرد مهم دیگر فیلتر ممبران است. در این فرآیند، برخلاف اسمز معکوس که از فشار پمپ برای نیرو محرکه فرایند تصفیه و غلبه بر فشار اسمزی استفاده می‌شود، از خود فشار اسمزی که یک پدیده طبیعی است برای جداسازی استفاده می‌شود. آب از طریق ممبران به صورت طبیعی و بدون نیاز به اعمال فشار هیدرولیکی پمپ تصفیه می‌شود. در این فرآیند، فشار اسمزی توسط یک محلول غلیظ به نام “محلول کشنده” یا “Draw Solution” ایجاد می‌شود. این روش معمولاً در صنایعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که محدودیت در استفاده از فشار بالا وجود دارد.

مکانیسم اسمز مستقیم به این صورت است:

1. محلول خوراک (آب آلوده) و محلول کشنده (غلیظ‌ترین محلول) در دو طرف یک ممبران نیمه تراوا جریان پیدا می‌کنند.
2. به علت اختلاف غلظت بین دو محلول و ایجاد فشار اسمزی، آب از محلول خوراک از طریق ممبران به سمت محلول کشنده جذب می‌شود.
3. این فرآیند جداسازی نمک‌ها، مواد محلول و دیگر آلاینده‌ها از آب را با استفاده از اسمز مستقیم انجام می‌دهد. آب تصفیه شده درون محلول کشنده قرار دارد که باید بازیابی شود. همچنین، خوراک در سمت دیگر غشا در اثر از دست دادن آب تغلیظ می شود.
4. محلول کشنده رقیق شده تحت یک فرآیند جداسازی دیگر تصفیه شده مجددا تغلیظ می‌شود تا دوباره در فرایند استفاده شود. همچنین، آب تمیز که محصول نهایی است در فرایند تغلیظ از آن جدا می شود که همان محصول نهایی ما است.

اسمز مستقیم به دلیل کارکرد طبیعی و عدم نیاز به فشار پمپ‌ و مصرف انرژی بالا، برای تصفیه آب در مناطقی با محدودیت در دسترسی به انرژی یا منابع طبیعی مورد توجه قرار می‌گیرد. همچنین، از آن در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی و داروسازی نیز استفاده می‌شود.

عمر فیلتر ممبران و زمان تعویض آن

طول عمر فیلتر ممبران به عوامل مختلفی از جمله نوع ممبران، کیفیت آب خوراک و شرایط عملیاتی بستگی دارد. به طور کلی، در کاربردهای صنعتی، فیلترهای ممبران می توانند تا پنج سال یا بیشتر دوام بیاورند. در کاربردهای خانگی، طول عمر آن ها ممکن است متفاوت باشد اما معمولاً در محدوده یک تا سه سال قرار می‌گیرد. وقتی ممبران قادر نباشد کیفیت مورد نیاز را تامین کند یا تراوایی آن به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد، زمان تعویض ممبران تصفیه آب فرا رسیده است. اگر تعویض ممبران تصفیه آب به موقع انجام شود، در کاهش مصرف انرژی و افزایش کیفیت محصول نهایی نقش ویژه ای دارد.

عوامل موثر بر قیمت فیلتر ممبران

قیمت فیلترهای ممبران می تواند به طور گسترده ای متفاوت باشد و عوامل متعددی بر قیمت آنها تأثیر می گذارد. این عوامل شامل نوع و جنس ممبران، اندازه و ظرفیت دستگاه، اندازه منافذ، برند و ویژگی های اضافی مانند پوشش های ضد میکروبی یا قابلیت ضد گرفتگی آن می باشد. انتخاب ممبران مناسب و مدیریت هزینه‌ها می‌تواند به افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها کمک کند.