ممبران یا غشای نیمه تراوا، استوانه ای از لایه های نازک غشای به هم پیچیده شده برای شیرین سازی آب در آب شیرین کن است. لایه های متعدد ممبران آب شیرین کن به یک لوله جمع آوری کننده جریان آب تصفیه شده به صورت پاکتهای مجزا متصل شده اند. آب ورودی (Feed Water) پس از عبور از بین غشاء ممبران و حذف بسیاری از ذرات محلول در آن، از طرف دیگر فیلتر ممبران، آب تصفیه شده(Permeate Water) خارج می شود.
مقدمه ای بر ممبران آب شیرین کن
ممبران های آب شیرین کن به عنوان ابزاری مناسب جهت تصفیه آب در دهه 1960 با توسعه غشاها و بهبود کارایی آن ها پدیدار شدند. بهره گیری از ممبران های آب شیرین کن جهت استفاده در فرایند شیرین سازی آب منجر به استفاده از غشاهای پیشرفته تر با مواد اولیه به روزتر و همچنین پیکربندی متنوع تر شده است. با توجه به کاهش شدید آب شیرین در مناطق مختلف جهان، جهت تامین و جایگزین سازی این عامل حیاتی بهره برداری از آب اقیانوس ها و شیرین سازی آن ها در دستور کار قرار گرفته است. در دهه 1970 تحقیقات و بررسی های لازم جهت استفاده از ممبران در فرایند اسمز معکوس آغاز شد؛ همچنین با موفقیت در تولید آب تصفیه شده از آب شور با استفاده از فناوری غشایی، زمینه جایگزین سازی فناوری تصفیه آب به روش تبخیر با بهره گیری از فناوری کم هزینه تر غشایی آغاز شده به همین سبب محصولات تصفیه آب غشایی به عنوان یکی از پرفروش ترین تجهیزات تصفیه آب در بازار های جهانی قرار گرفت. با گذشت سالها، استانداردهای آب تصفیه شده سختگیرانه تر شده و انبوهی از کاربردهای جدید ظاهر شده اند. با این حال ممبران های آب شیرین کن همچنان دائما با بهترین عملکرد فعالیت می کنند.
شرکت فران تأمین کننده و وارد کننده انواع ممبرانهای اوریجینال فیلمتک(FimTec) است. برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرید.
انواع ممبران های آب شیرین کن
در فرایند های تصفیه آب انواع مختلفی از غشاها را به کار گرفته می شود؛ که شامل غشاهای میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، اسمز معکوس (RO) و نانو فیلتراسیون (NF) هستند برای درک بهتر تفاوت این ممبران ها به شکل زیر دقت نمایید. ممبران های میکروفیلتراسیون بیشترین اندازه منافذ را دارند و به همین سبب ذرات بزرگ و میکروارگانیسم های مختلف را جدا می کند. منافذ غشایی اولترافیلتراسیون نسبت به غشاهای میکروفیلتراسیون منافذ کوچک تری دارند و بنابراین علاوه بر ذرات بزرگ و میکروارگانیسم ها، می توانند باکتری ها و ماکرومولکول های محلول مانند پروتئین ها را جدا کنند. غشاهای اسمز معکوس به صورت موثر غیر متخلخل هستند و بنابراین، ذرات و توده بسیار ریز مانند یون های نمک، مواد آلی و غیره را از بین می برند. غشاهای نانو فیلتراسیون نسبتا جدید و متخلخل می باشند اما از آنجایی که منافذ این غشاها در حدود ده آنگستروم یا کمتر است، عملکردی بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون را دارند.
خصوصیات غشایی ممبران های آب شیرین کن
ممبران ها معمولا به دو دسته ایزوتروپیک و غیر ایزوتروپیک طبقه بندی می شود. ممبران های ایزوتوپیک از نظر سطح مقطع دارای ترکیب و ماهیت فیزیکی یکنواخت هستند؛ اما ممبران های غیر ایزوتروپیک در سطح مقطع غشا یکنواخت نمی باشند و از لایه هایی تشکیل یافته اند که از نظر ساختار و یا ترکیبات شیمیایی متفاوت هستند.
ممبران های ایزوتروپیک را می توان به زیر مجموعه های مختلف تقسیم کرد. به عنوان مثال، غشاهای ایزوتروپیک ممکن است ریز متخلخل باشد. غشاهای ریز متخلخل اغلب از مواد پلیمری سفت و سخت با حفره های بزرگ تشکیل می یابد که منافذ به هم پیوسته را ایجاد می کند. متداول ترین غشاهای میکرو متخلخل غشاهای وارانگی فاز هستند که در انتهای پاراگراف شکل (a) نمایش داده شده است. بیشتر پلیمر های مورد استفاده در چنین کاربرد هایی آب گریز هستند، بنابراین آب متداول ترین حلال نمی باشد. به همین علت بر اثر تماس با آب پلیمر رسوب می کند و غشاء را تشکیل می دهد. نوع دیگری از غشاء ریزمتخلخل، ممبران track-etched می باشد که در شکل (b) نمایش داده شده است. این نوع ممبران با تابش فیلم پلیمری به واسطه ی ذرات باردار به زنجیره پلیمری حمله می کنند و مولکول های آسیب دیده را پشت سر می گذارد؛ سپس پس از عبور از محلول معین، مولکول های آسیب دیده به واسطه ی حل شدن، منافذ استوانه ای تولید می کنند که بسیاری از آن ها عمود بر سطح غشاء هستند.
ممبران های غیر ایزوتروپیک به دو نوع ممبران های جداسازی فاز و ممبران های کامپوزیت فیلم نازک طبقه بندی می شود. ممبران های جداسازی فاز غیر ایزوتروپیک غالبا به نام ممبران های Loeb-Sourirajan که در ابتدای توسعه آن فعالیت داشته اند نامیده می شود. ممبران های جدا کننده ی فازی از نظر ترکیبات شیمیایی همگن و اما از لحاظ ساختاری متفاوت می باشند. تولید این ممبران ها با استفاده از روش وارانگی فازی ایجاد می شود و با این تفاوت که ابعاد منافذ و تخلخل در ضخامت غشاء متفاوت است. غشاهای Loeb-Sourirajan غالبا از یک لایه پلیمری نسبتا متراکم در سطح یک لایه متخلخل تشکیل یافته است. غشاهای کامپوزیت فیلم نازک از نظر شیمیایی و ساختاری ناهمگن هستند. غشاهای کامپوزیت های فیلم نازک معمولاً از یک بستر بسیار متخلخل تشکیل شده اند که با یک فیلم نازک متراکم از یک پلیمر متفاوت پوشانده شده اند. برای تولید این دسته از ممبران ها می توان از چندین روش از جمله پلیمریزاسیون سطحی، پوشش محلولی و پلیمریزاسیون پلاسما بهره برد.
توضیحات ذکر شده در مورد ممبران های ایزوتروپیک و غیر ایزوتروپیک تماما مرتبط با پیکربندی آن ها بر روی صفحه تخت اشاره دارد. اگرچه ممبران ها تحت قالب بندی های متفاوتی مانند الیاف توخالی هم تولید می شوند. الیاف مسطح می توانند در دسته غشا های ایزوتروپیک و یا غیر ایزوتروپیک قرار بگیرد همچنین می توانند به صورت متراکم و یا متخلخل باشند. امروزه الیاف متداول مورد استفاده در صنعت از نوع غیر ایزوتروپیک می باشد؛ همچنین دارای یک لایه متراکم بیرونی در اطراف یک لوله متخلخل است. یکی از مزیت های غشاهای فیبر توخالی نسبت به غشاهای ورق تخت، افزایش میزان سطح فعال آن ها می باشد.
مواد تشکیل دهنده ممبران های اسمز معکوس
در اکثر فرایند های تصفیه آب شامل میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون جنس ممبران های به کار برده شده از سنتز پلیمر های آلی تشکیل یافته است. ممبران های میکروفیلتراسیون و الترافیلتراسیون غالبا از مواد یکسانی تشکیل یافته اند اما شرایط تولید این ممبران ها از لحاظ ابعاد منافذ متغیر می باشد. معمولا پلیمر های میکروفیلتراسیون و الترافیلتراسیون از پلیمرهای پلی وینیلیدین فلورید، پلی سولفون، پلی آکریلونیتریل و کوپلیمرهای پلی اکریلونیتریل-پلی وینیل کلراید تشکیل یافته اند. به صورت متداول از پلیمر پلی اتر سولفون در ممبران های الترافیلتراسیون مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین ممبران ها میکروفیلتراسیون شامل مخلوط هایی از سلولز استات-سلولز نیترات، نایلون ها و پلی تترافلوئورو اتیلن می باشد. ممبران های آب شیرین کن به طور معمول از سلولز استات و پلی سولفون با یک پوشش کامل از پلی آمیده های آروماتیک تشکیل یافته اند. ممبران های نانوفیلتراسیون از سلولز استات یا کامپوزیت های پلی آمید همانند ممبران های اسمز معکوس ساخته می شود.
همچنین ممبران ها می توانند از مواد غیر آلی مانند سرامیک و فلزات هم تشیکل شوند. ممبران های متخلخل سرامیکی از نظر حرارتی پایدار و از لحاظ شیمیایی مقاوم هستند و در بعضی از مواقع در میکروفیلتراسیون ها مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال معایبی مانند هزینه زیاد و شکنندگی مکانیکی مانع استفاده گسترده از آنها شده است. ممبران های فلزی غالباً از فولاد ضد زنگ ساخته شده اند و می توانند بسیار متخلخل باشند. کاربرد اصلی آنها در جداسازی گاز است، اما همچنین می توان جهت فیلتراسیون آب در دماهای بالا به عنوان یک غشا موثر مورد بهره برداری قرار گیرد.
انواع ماژول های ممبران آب شیرین کن
مدل های اصلی ممبران ها به چهار دسته اصلی صفحه و قالب، لوله ای شکل، درهم تنیده شده (مارپیچ) و الیاف توخالی طبقه بندی می شود. مدل صفحه و قالب ساده ترین پیکربندی را دارا می باشد؛ که از دو صفحه تخت، برگه ی ممبران و جداکننده جریان تشکیل یافته است. در مدل لوله ای شکل به طور معمول ممبران در درون لوله قرار دارند و جریان خوراک ورودی به درون آن ها پمپ می شود. اما محبوب ترین مدل ممبران در صنعت برای غشاهای اسمز معکوس و یا نانو فیلتراسیون می باشد. در این مدل برگه های ممبران به دور لوله جمع کننده جریان آب تصفیه شده پیچیده می شود و جریان خوراک از یک طرف غشا جاری می شود و سپس جریان آب تصفیه شده به سمت لوله مرکزی تعبیه شده در این ممبران ها روانه می شود.
مدل های الیاف توخالی جهت نمک زدایی آب دریا استفاده می شود؛ که از بسته های الیاف توخالی در یک مخزن تحت فشار تشکیل شده است. الیاف توخالی که برای تصفیه فاضلاب و همچنین در بیوراکتورها به صورت مداوم در مخازن تحت فشار استفاده نمی شود. بسته های الیاف را می توان در محلول خوراک به صورت معلق قرار داد و جریان آب تصفیه شده را از سمت دیگر این غشاها جمع آوری کرد.
شرکت فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های صنعتی و تأمین کننده انواع ممبرانهای FimTec است. برای کسب اطلاعات بیشتر با واحد فروش ممبران صنعتی تماس بگیرید.
ممبران های اسمز معکوس
اولین ممبران مصنوعی ثبت شده در سال 1867 توسط موریتس تراوب تهیه شده است. موفق ترین غشاء طراحی شده توسط او، ایجاد فیلم رسوبی از فروسیانید مس بود که جهت مطالعه اسمز از آن استفاده شده است. موفقیت اولیه او در زمینه ساخت این غشاها منجر به پیشرفت در چندین دهه تحقیق در مورد نظریه های ترمودینامیکی و سینتیکی فرایند انتشار شده است. در سال 1963 لوب و سوریاراجان با آزمایش غشاهای نامتقارن سلولز استات نشان دادند که این ممبران ها شار نسبتا زیاد و حذف نمک قابل توجه ای را دارا می باشند. اولین بار ممبران های تجاری اسمز معکوس زمانی به بهره برداری رسید که توسط شرکت های Gulf General Atomics و Aerojet General از ماژول های تهیه شده توسط لوب و سوریاراجان به صورت ماژول های درهم تنیده (مارپیچ) جهت تصفیه آب به کار گرفتند.
غشاء بر پایه سلولز
اولین پرچمدار ممبران فرایند اسمز معکوس در بازار جهانی ممبران سلولز استات بوده است؛ که توسط لوب و سوریاراجان تهیه شده بود. ممبران های سلولز استات نامتقارن بوده و میزان حذف نمک NaCl در این غشاء در حدود 99.5 درصد و مشخصات جریان خوراک ورودی اعمال شده بر این ممبران محلولی با میزان 52500 میلی گرم بر لیتر نمک NaCl و رنج فلاکس 5 الی 11 گالن بر فوت مربع بر روز تحت فشار در رنج بین 1500 الی 2000 psig مورد آزمایش قرار گرفته است. ممبران های سلولز استات از سلولز استیل تهیه شده است. سلولز یک پلیمر طبیعی می باشد که در گیاهانی مانند پنبه یافت می شود. این ماده میله ی شکل نسبتا انعطاف پذیر نمی باشد و باعث می شود که غشاهای سلولز استات از نظر مکانیکی مقاوم باشند. فرایند استیلاسیون سلولز از طریق واکنش زیر اتفاق می افتد که در شکل زیر به آن اشاره شده است.
درجه استیلاسیون به این معناست که که چه تعداد گروه OH بر روی سلولز با گروه استیل جایگزین می شود و تشکل CH3COO را می دهد. درجه استلاسیون در رنج 0 الی 3 متغیر است که عدد 0 بیان کننده سلولز غیر قابل واکنش است و عدد 3 مشخص می کند که سلولز به صورت کامل جایگزین شده است که به آن سلولز تری استات گفته می شود. درجه استیلاسیون به شدت بر روی خواص ممبران تاثیر گذار می باشد. میزان بالای درجه استیلاسیون منجر به حذف بالای نمک محلول می شود اما در کنار آن نفوذ پذیری هم به نسبت کاهش پیدا می کند. با کاهش بازدهی درجه استیلاسیون ممبران ها، میزان حذف نمک کاهش می یابد اما فلاکس عبوری از آن افزایش پیدا خواهد کرد. ممبران های تجاری سلولز استات در فرایند اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرد که درجه استیلاسیون آن در حدود 2.7 می باشد. این ترکیب با درجه استلاسیون ذکر شده تعادل مناسبی بین حذف نمک و شار نفوذ فراهم می کند. در بعضی از غشاها از ترکیب سلولز استات و سلولز تری استات استفاده می شود؛ که ترکیب این دو ماده پایداری مکانیکی و مقاومت در برابر هیدرولیز را افزایش می دهد اما از سوی دیگر میزان نفوذ پذیری کاهش می یابد.
غشاهای سلولز استات مزایایی متعددی نسبت به سایر غشاهای اسمز معکوس موجود در بازار دارند. ساخت آنها نسبتاً آسان می باشد و از خواص مکانیکی بسیار خوبی برخوردار هستند؛ همچنین در برابر تاثیر مخرب کلر نسبتا مقاوم هستند. غشاهای سلولز استات توانایی پذیرش حداکثر 5 ppm کلر آزاد را دارا می باشند که در مقایسه با سایر غشاهای مورد استفاده در این فرایند مانند غشاء بر پایه پلی آمید از ظرفیت بالاتری برخوردار می باشد.
در عین حال غشاهای سلولز استات دارای ضعف هایی هم می باشند که غشاهای جدید سعی در رفع این نقصان دارند. غشاهای سلولز استات با گذشت زمان تمایل به هیدرولیز شدن دارند که همین عامل منجر به کاهش استفاده آن ها در صنعت شیرین سازی آب شده است. همچنین لازم به ذکر است این دسته از ممبران ها به شدت به تغییرات اسیدیته (pH) حساسیت دارد و در دامنه اسیدیته 4 الی 6 عملکرد مثبتی را نمایش می دهد. میزان حذف نمک در هنگام بهره گیری از این ممبران با افزایش دما کاهش می یابد؛ بنابراین دمای جریان خوارک ورودی به این فرایند از 35 درجه سانتی گراد فراتر نمی رود.
غشاهای فیلم نازک
غشاهای سلولز استات تا قبل از پیدایش غشاهای کامپوزیت فیلم نازک اسمز معکوس در سال 1972، انتخاب غالب در فرایند اسمز معکوس بوده است. غشاهای پلی آمیدی از میزان فلاکس و حذف نمک بالاتری به نسبت غشاهای سلولز استات برخوردار می باشند. به طور مثال غشاهای سلولز استات با میزان شار 22 گالن بر فوت مربع بر روز، تحت فشار خوراک 425 psig با میزان حذف نمک 97.5 درصد بر مبنای جریان ورودی با میزان شوری 2000 میلی گرم بر لیتر در دمای 77 درجه فارنهایت و اسیدیته 7.5 مورد بهره برداری قرار می گیرد. اما در هنگام استفاده از ممبران های پلی آمیدی با خصوصیات جریان ورودی مشابه، میزان فلاکس در این ممبران ها برابر با 27 گالن بر فوت مربع بر روز، تحت فشار 225 psig و با 99.5 درصد زدایش نمک بیان شده است. اکثر غشاهای پلی آمیدی با یک لایه متخلخل و بسیار نفوذ پذیر مانند پلی سولفون با یک فیلم نازک پلی آمید پیوند خورده و پوشانده شده است؛ همچنین لازم به ذکر است که اولین غشای فرایند اسمز معکوس از جنس پلی آمید توسط جان کادوت در مرکز تحقیقاتی Northstar ساخته شده است. همچنین وی جهت ایجاد پوشش پلی آمید از فرایند پلیمریزاسیون سطحی استفاده کرد که این پوشش پلی آمید بر اساس واکنش بین m-phenyl diamine و trimesoyl chloride ایجاد می شود.
امروزه با تغییرات متفاوت در نوع واکنش شیمیایی ذکر شده ممبران های تجاری گوناگونی را در صنعت شیرین سازی آب تهیه می کنند؛ که میزان حذف نمک در این غشاها برابر با 99.5 و همچنین جریان آب تصفیه شده با شار 35 گالن بر فوت مربع بر روز، برای جریان خوراک ورودی با میزان شوری 35000 میلی گرم بر لیتر تحت فشار 800 psi مورد بررسی قرار گرفته است. غشاهای پلی آمیدی علاوه بر شار و حذف نمک قابل توجه، مزایای دیگر هم نسبت به غشاهای سلولز استات دارا می باشند؛ به عنوان مثال آن ها قادر هستند برخی مواد آلی با وزن مولکولی پایین را حذف کنند همچنین در محدوده اسیدیته (pH) بزرگتر و دمای بالاتر، از غشاهای سلولز استات فعالیت دارند. با این حال، یکی از مشکلات ممبران های پلی آمیدی حساسیت آن ها به کلر است و هنگامیکه در معرض کلر قرار می گیرند بسیار آسیب پذیر می باشند. با توجه به این عامل ضروریست قبل از قرار گیری ممبران ها در معرض کلر آزاد، اقدامات لازم جهت حذف این عامل در مرحله پیش تصفیه فرایند اسمز معکوس صورت گیرد.
شرکت فران طراح و تولید کننده دستگاه های تصفیه آب صنعتی، آب شیرین کن های صنعتی و تأمین کننده ممبرانهای آب شیرین کن فیلمتک (Filmtec) برای واحدهای شیرین سازی آبهای دریایی و لب شور، آماده ارائه خدمات در این زمینه به مشتریان محترم است.
Prepared by: Seyed Ahmad Mohamadi