www.ind.clinicab.ir

نقش و اهمیت کاربرد ممبران ها در صنعت تصفیه آب

چکیده:

ممبرانها نقشی کلیدی را در تکنولوژی شیمیایی ایفا می نمایند. ویژگی مهم ممبران ها، توانایی آنها در کنترل نرخ نفوذ گونه های شیمیایی یا اجزا ء گازی یا مایع درون مخلوط هنگام عبور از ممبران می باشد. به منظور افزایش و بهبود عملکرد ممبرانها در فرآیندهایی چون تصفیه و جداسازی، شناخت کامل و دقیق انواع ممبرانها و همچنین طبق هبندیهای موجود لازم و ضروری می باشد؛ لذا در این تحقیق به بررسی انواع ممبرانها از لحاظ ساختار فیزیکی، اندازه حفره، جنس و مدول پرداخته

شده است. در ادامه نیز شیری نسازی آب به عنوان یکی از مهمترین کاربردهای ممبرانها در صنعت تصفیه آب در کنار سایر کاربردها بررسی شده اس ت. در آخر نیز دورنما و چش ماندازی از آینده ممبرانها ترسیم گردیده است.

لغات کلیدی: ممبران، تیتانیا، تصفیه آب.

مقدمه

افزایش بی رویه جمعیت از مهمترین مشکلات فزاینده در قرن بیست و یکم می باشد، آمارها حاکی از آنست که جمعیت تا سال2150 با دو برابر افزایش، از مرز 5/11میلیارد نفر خواهد گذشت. چنین انفجار جمع یتی، بروز مسائلی از قبیل سوء تغذیه، قحطی، آلودگی، بیماریهای واگیردار، خشکسالی و بحرا ن ها را اجتناب ناپذیر خواهد نمود . در این میان آب نقش کلیدی را در نجات انسان بازی می کند ؛ لذا آبیاری، نمک زدایی یا شیرین کردن آب و فیلتراسیون آن مهمترین فن آوریهای هزاره سوم محسوب می گردند. سرامیک ها نیز با عنایت به فراوانی اکسیدها در طبیعت، در زمره مواد کلیدی و استراتژیک در این زمینه محسوب می شوند.

امروزه بسیاری از سیستم های تصفیه آب و تکنیکهای تصفیه، به طور وسیعی گسترش یافته اند تا قادر به تولید آب سالم باشند؛ اما این تکنیکهای مختلف تصفیه آب چگونه با یکدیگر مقایسه می شوند و کارایی هرکدام چیست؟

فرایند تصفیه و شیرین سازی آب

به منظور شناخت و بررسی رو ش های تصفیه آب، ابتدا لازم است آلودگی های موجود در آن را بشناسیم . به دلیل متنوع بودن انواع این آلودگ ی ها در اینجا فقط به ذکر مهمترین آنها پرداخته و از توضیح آنها صرف نظر می نمائیم. این آلودگی ها عبارتند از : مواد بیماریزای میکروبی ، آلودگیهای آلی فرار ، آلودگیهای آلی مصنوعی، تری هالومتان ها، رادیواکتیو ، سولفور، کلریدها، سرب و مس ، آنتیموان، فلوراید، نیترات، آرسنیک، پنبة نسوز ، عوامل سختی، گل آلودگی، رنگ.

روشهای متداول تصفیه آب

هر فرایند و روشی که باعث تغییر ترکیب شیمیایی و رفتار طبیعی منبع آبی گردد تحت عنوان تصفیه آب تعریف می گردد.روشهای تصفیه می توانند به صورت زیر تقسیم شوند : تصفیه فیزیکی و شیمیایی و

زیستی(بیولوژیکی).در اینجا تنها انواع هر دسته را نام برده می شود . انواع روش های تصفیه فیزیکی عبارتند از: غربال کردن، فیلتراسیون ماسه ای ، فیلتراسیون کارتریجی، فیلتراسی ون توسط آلومینای فعال شده ، فیلتراسیون توسط کربن فعال شده و فیلتراسیون توسط ممبران ها. انواع روش های تصفیه شیمیایی عبارتند از : انعقاد و فیلتراسیون ، تعویض یونی ، کاهش سختی (نرم سازی )توسط آهک، گندزدایی، تقطیر، دمش هوا، تنظیمPH

انواع روش های تصفیه زیستی آب عبارتند از: تصفیه هوازی و تصفیه بی هوازی که جهت تصفیه پساب استفاده می گردد.

انواع ممبرانها

ممبران ها از چند لحاظ تقسیم بندی می گردند . انواع این تقسیم بندیها بر مبنای ترکیب شیمیایی و ساختار فیزیکی، اندازه حفره ممبران، جنس و مدول ممبران می باشد که در ادامه به بررسی تک تک آنها می پردازیم.

انواع ممبران ها از لحاظ ترکیب شیمیایی و ساختار فیزیکی

ممبران ها به طور کلی به دو دسته ایزوتروپ و غیرایزوتروپ تقسیم می شوند . ممبرانهای ایزوتروپ از لحاظ ترکیب شیمیایی و فیزیکی در طول سطح مقطع خود یکسان می باشند ؛ در حالیکه ممبر انهای غیرایزوتروپ در طول سطح مقطع خود یکن واخت نبوده و شامل لایه هایی هستند که از لحاظ ساختار و یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت می باشند.

انواع ممبران ها از لحاظ اندازه حفره

اسمز معکوس

تکنیک اسمز معکوس در مقابل اسمز مستقیم به کار می رود . در اسمز مستقیم، هنگامی که دو محلول با غلظتهای مختلف توسط یک ممبران نیمه تراوا از یکدیگر جدا گردند به گونه ای که امکان عبور حلال از ممبران وجود داشته باشد در حالیکه اجزاء حل شده قادر به عبور از آن نباشد یک انتقال خود به خود (نفوذ)حلال رخ خواهد داد . حلال که معمولا آب می باشد از سمت با غلظت کمتر به سمت با غلظت بیشتر حرکت خواهد کرد.

فرایند اسمزی می تواند معکوس گردد . اعمال فشار به یک محلول غلیظ تر باعث نفوذ حلال، از ممبران نیمه تراوا و قرارگیری آن در محلولهای با غلظت کمتر خواهد شد اصطلاح اسمز معکوس به شکل جداسازی یونهای حل شده و مولکولهای کوچک که باعث آلوده شدن آب می گردند، اختصاص دارد در اسمز معکوس فشاری بیشتر از فشار اسمزی به محلول ورودی و غلیظ تر اعمال می گردد تا شاهد جریان حلال از قسمت غلیظ تر به قسمت رقیق تر باشیم.اندازه اندک حفره ها در این نوع ممبرانها، مسدود شدن آنها را نسبت به انواع دیگر محتمل تر می سازد. اگر چه پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی ممبران، منجر به گسترش ممبرانهایی شده است که در فشارهای کمتری کار می کنند. به کارگیری ممبرانهای با فشار کمتر، به معنی ذخیرة انرژی الکتریکی و کاهش هزینه می باشد.

اسمز معکوس در صنعت به منظور تهیه آب قابل شرب از آبهای شور و نمکی به کار می رود و به طور روز افزونی در تصفیه فاضلاب ها به کارگرفته می شود. به طورکلی سیستم اسمز معکوس با سایر فرایند های جداسازی که برای حذف تمامی آلودگیهای آب به کارمی روند(مانند تقطیر)رقابت می نماید.

توانایی حذف آلودگی توسط ممبران اسمز معکوس بسیار وسیع بوده و شامل موارد زیرمی باشد:

• حذف مینرال ها و فلزات حل شده

• حذف یونهای منفرد حل شده و عوامل مسبب سختی

• حذف ویروس ها، باکتری ها و پیروژن تا سقف99٪

• حذف نمک ها، مواد قندی، پروتئین ها، فلزات سنگین و فلزات رادیواکتیو

• حذف پنبه نسوز، انواع مزه ها، رنگ، ترکیبات شیمیای ایجاد کننده بو، ذرات، جامدات حل شده و گل و لای

نانوفیلتراسیون

نانوفیلتراسیون نیز یک فرایند جداسازی به کمک ممبران می باشد که از ممبرا ن های نازک و متخلخل با اندازه حفره در محدوده یکهزارم تا پنجهزارم میکرون بهره می جوید . فشار اعمالی بر جریان محلول در این تکنیک، در محدوده3/0 تا

4 MPaمی باشد . به دلیل بزرگتر شدن اندازه حفره ها در ممبرانهای نانوفیلتراسیون، این ممبرانها توانایی کار کردن در فشارهای پایین تری نسبت به ممبرانه ای اسمز معکوس داشته که این به معنی هزینة کمتر عملیات و نگهداری این ممبرانها می باشد.

محدوده ابعاد حفره های تکنیک مذکور، به گونه ای عمل می نماید که یونهای تک ظرفیتی می توانند از ممبران عبور نمایند، در حالیکه یونهای چند ظرفیتی که دارای ابعاد بزرگتری نسبت به نوع تک ظرفیتی هستند، اجازه عبور نخواهند داشت . ناشی از پدیده مذکور، این ممبرانها را به عنوان ممبران حذف کننده مینرالها یا نرم کننده آب نیز می نامند . قابلیت این ممبرانها در حذف نمکهای آلی بی همتا ست . حذف ترکیبات آلی حل شده و تفکیک نمودن مواد آلی با وزن مولکول ی کم و زیاد از دیگر تواناییهای این ممبرانها می باشد.

اولترافیلتراسیون

ممبران اولترافیلتراسیون، به طور قابل ملاحظه ای متخلخل تر از دو نوع دیگر است . محدوده اندازه حفره این ممبرانها بین0/005 تا0/1 میکرون می باشد . وجود تخلخلهای با اندازه بزرگتر در این ممبرانها، فلاکس بیشتر جریان و در عین حال فشار ورودی کمتری را سبب می گردد(2/0 تا4/1Mpa)

ناشی از اندازه بزرگتر حفر ه های ممبران ، این تکنیک قادر به حذف یونها نبوده و اغلب گونه های قابل حل مانند نمکهای معدنی از درون ممبران عبور خواهند نمود. در این روش، کلوئیدها، جامدهای معلق، میکروارگانیسم ها، مولکولهای آلی با وزن مولکولی بالا و پروتئینها از درون ممبران عبور نخواهند کرد و در درون جریان برگشتی باقی خواهند ماند . یکی از کاربردهای مهم این ممبرانها حذف کلوئیدها و سایر ذرات موجود در محلول ورودی به منظور جلوگیری از انسداد ممبران اسمز معکوس می باشد که در ادامه مسیر نصب شده است.

انواع ممبران ها از لحاظ جنس

-ممبرانهای پلیمری(آلی)

این ممبرا نها بر مبنای ساختار فیزیکی خود به سه دسته هموژن (متقارن)، غیرهموژن(نامتقارن ) و کامپوزیتی تقسیم می شوند. برخی از معایب اصلی ممبرانهای پلیمری عبارتند از : محدوده باریک دمای مجاز ، مقاومت مجاز، است حکام مکانیکی کم، رخداد تجزیه زیستی، کمی pH اندک در برابر حمله شیمیایی، محدوده باریک عمر مفید.

ممبرانهای غیرآلی

ممبرانهای غیر آلی از موادی مانند سرامی ک ها، فلز ات، گرافیت یا ترکیب آنها ساخته م ی شوند ولی در این تحقیق منظور از ممبرا ن های غیرآلی، انواع سرامیکی می باشد و تمرکز تنها بر روی همین دسته خواهد بود.

هدف از ساخت ممبران های سرامیکی کاهش و یا حذف برخی محدودیت های انواع پلیمری می باشد . این ممبران ها در شرایط سخت به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند ؛ ج اییکه ممبرا ن های پلیمری عملکرد مطلوبی نداشته و یا قادر به انجام فرایند نخواهند بود . اکسید های فلزی (آلومینا، زیرکونیا، تیتانیا، ..)

متداولترین مواد سرامیکی مصرفی برای ساخت این ممبران ها هستند و از پایه های معمول می توان از آلومینا و کاربید سیلیسیوم و ... نام برد . این پایه ها نه تنها حداکثر نفوذپذیری ممبران را تامین می سازند بلکه پایداری مکانیکی ممبران ر ا نیز به مقدار زیادی افزایش می دهن ممبران های سرامیکی، استحکام مکانیکی بالا و همچنین مقاومت به سایش بالاتری را از خود نشان می دهند و همچنین در اثر فشرده شدن ساختار تحت فشارهای اعمالی و گذشت زمان تجزیه نخواهند شد ؛ به همین دلیل دوام و ایمنی ممبرا ن های سرامیکی، از انواع پلیمری بیشتر می باشد . این ممبرا ن ها از لحاظ حرارتی پایدارند و توانایی کار دردماهای بالا را دارا هستند ؛ به طور یکه بسیاری از ممبرا ن های سرامیکی در دمای ºC 1000نیز قابل مصرف هستند. مقاومت ممبران های سرامیکی در مقابل عوامل شیمیایی و بالاتر از تشعشع به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از انواع پلیمری می باشد و این ممبران ها در مقابل عوامل زیستی خنثی م ی باشند؛ به همین دل یل این ممبرا ن ها در بسیاری از کارب ردهای شیمیایی ، دارویی و فرایند تصفیه آبها و پسابها به عنوان انتخاب اول مطرح می باشند . ناشی از تفاوتهای مذکور، آسیب دیدگی کمتر ممبران و در نتیجه اطمینان بیشتر از محصول تولیدی و همچنین هزینه کمتر عملیات ، از اثرات به کارگیری ممبرانهای

سرامیکی خواهد بود . از معایب عمده و اساسی این ممبرانها، نیز می توان به وزن زیاد آنها و هزینه ساخت بالاتر آنها در مقایسه با ممبرا ن های پلیمری اشاره نمود؛ اگرچه مورد آخر توسط طول عمر بالای ممبران جبران می گردد . امروزه ممبرا ن های سرامیکی به طور روز ا فزونی در کاربردهای جداسازی به خدمت گرفته می شوند. تکنولوژی ساخت این ممبران ها با معرفی مواد سرامیکی نانوساختار، دچار تحول و پیشرفت بزرگی شده است . تکنیک های زیادی برای تولید مواد نانوساختار و ساخت لایه های سطحی انتخابی وجود دارد که همگی بر فرایند سل - ژل است وار بوده و بیشترین مواد مصرفی در تولید لایه های نانوساختار موادی چون2TiO و CeO2 ،ZrO2 ،Al2O3 می باشند.

انواع ممبران ها از لحاظ مدول

ممبران های لوله ای(Tubular Membrane)

طراحی این ممبران ها بسیار ساده می باشد به گونه ای که ممبران مورد نظر یا در درون یک لوله متخلخل قرار می گیرد و یا بر روی سطح داخلی لوله پوشش داده می شود و محلول به درون لوله پمپ می گردد. لوله مصرفی باید فشارهای مورد نیاز در حین کار را تحمل نماید . مایع تغذیه از یک طرف لوله وارد شده و همزمان با جریان رو به جلوی آن در درون لوله، بخشی از آن به صورت عرضی نفوذ خواهد نمود . قسمت نفوذ کرده که همان محصول مورد نظر می باشد در پوسته بیرونی لوله جمع آوری می گردد. شکل زیرنشان دهنده یک تصویر شماتیک از ممبران های لوله ای شکل می باشد.

از مزایای اصلی ممبرانهای لوله ای شکل ، امکان حرکت سریع مایع ورودی بر روی سط ح ممبران می باشد به گونه ای که این حرکت می تواند سرعتی بالغ بر (m/s )10 داشته باشدکه باعث کاهش احتمال انسداد سطح ممبران خواهد شد . از کاربردهای اساسی این ممبرانها تصفیه محلولهای با درصد بالای ذرات جامد معلق می باشد زیرا این ممبران ها برای ذرات جامد معلق از تلورانس بالایی برخوردار هستند.

ممبران های مارپیچی:(Spirally Wound Membrane)

در این ممبرا ن ها یک ورقه مسطح که می تواند چندین لایه داشته باشد به دور یک هسته مرکزی پیچیده می شود. این ممبران ها در درون لوله هایی نصب می شوند به گونه ای که محلول ورودی از یک انتها وارد شده، به صورت عرضی در درون ممبران نفوذ کرده و در ادامه به سمت لوله مرکزی هدایت و جمع آوری خواهد شد. شکل زیر بیانگر تصویر شماتیک ممبران مارپیچی می باشد.

از مزایای این ممبران ها، سطح مخصوص بالای ممبران در عین حجم کم آن می باشد . در این ممبران ها مسیرهای باریک جریان (موجود در لایه بافته شده ) نسبت به جریانهای گل آلود حساس بوده و امکان انسداد آنها وجود دارد به همین دلیل همواره در به کارگیری این ممبرا ن ها از فرآیندهای پیش تصفیه به منظور حذف ذرات جامد معلق استفاده می شود . کاربردهایی چون شیرین سازی آب دریا و آب شور از مواردی هستند که در آنها از ممبران های اسمز معکوس به شکل مارپیچی استفاده می گردد.

ممبران های الیاف توخالی(Hollow Fiber Membrane)

در این ممبرا ن ها از الیافی توخالی و همانند م وی سر استفاده می گردد به طوریکه قطر خارجی آنها کمتر از 200میکرون می باشد . الیاف مذکور دارای یک پوسته نازک و متراکم(ممبران) بوده که از نفوذ آلودگیها جلوگیری کرده و تنها به محصول اجازه عبور می دهند . در زیر این پوسته فعال، یک لایه ضخیم و متراکم (پایه)به کار می رود که نقش آن حمایت 6 لایه فعال می باشد . این الیاف به یکدیگر بسته می شوند و به صورت یک دستهU شکل یا مستقیم در می آیند . جریان ورودی به درون الیاف وارد می شود و به دنبال آن بخش نفوذ کرده )محصول(، در بیرون الیاف و بخش تغلیظ شده )باطله(، در انتهای دیگر الیاف جمع آوری می گردد.

ممبران های فیبر توخالی دانستیه فشردگی بسیار بالایی دارند و نیاز به فضای اندکی برای کار خواهند داشت شیرین سازی آب دریا، تهیه آب قابل شرب و همچنین تصفیه فاضلابها از جمله مواردی هستند که در آن از ممبران های به شکل الیاف توخالی به طور گسترده ای استفاده می گردد.

ممبران های تخت(Flat Membrane)

این نوع مدول، ساده ترین شکل ممبران بوده و اولین ممبران نیمه نفوذپذیری که تولید شد از لحاظ هندسی،تخت بود. شکل زیر یک نمای کلی از ممبران های تخت را نشان می دهد.

این ممبرانها، از دو صفحه در انتها، ممبران صفحه ای شکل و صاف و صفحات جدا کننده که با ترتیب خاصی قرار گرفته اند ؛ تشکیل می گردند .لازم به ذکر است که صفحات جداکننده ، نقش هدایت جریان تغذیه را بر روی سطح ممبران به عهده دارند.

ساخت، نصب و عملکرد این ممبر ان ها ساده می باشد ولی معایب عمده ای چون نسبت سطح به حجم اندک و بنابراین نیاز به فضای زیاد هنگام کار، مشکلات دمونتاژ کردن ممبران به هنگام تمیز کردن آن و بنابراین پر زحمت و زمان بر بودن فرآیند تمیز نمودن آن را نمی توان نادیده گرفت.

شیرین سازی(نمک زدایی) Desalination

یکی از کاربردهای مهم ممبرا ن ها در بخش تصفیه آب، شیرین سازی آبهای شور می باشد . به طور میانگین ، آب دریا تقریبا حاوی35000(mg/l ) نمک می باشد . برای مصرف یک آب استاندارد، میزان نمک آن باید کمتر از mg/l 250

باشد . برای تهیه یک آب استاندارد از آب حاوی mg/l35000 نمک، نیاز به ممبرانی با خاصیت دفع نمک تا3/99٪ می باشد تا با یک بار عبور آب، آنرا به میزان استاندارد، نمک زدایی نماید.

در حال حاضر تکنولوژیهای مختلفی برای شیرین سازی آب مورد استفاده قرار می گیرد . در این میان،

متداولترین این تکنولوژیها عبارتند ازMulti-Effect Distillation، Multi–Stage flash. و اسمزمعکوس

در هر دو تکنیک MSF و MED انتقال حرارت بین بخار و آب شور صورت می گیرد در حالی که RO

تکنیکی است بر پایه ممبران که تفاوت عمده آن با دو روش قبلی در حذف مرحله تبخیر می باشد. تکنیک اسمز معکوس نسبت به دو تکنیک دیگر مزایای بزرگی را داراست که به ذکر برخی از آنها می پردازیم. یکی از عوامل بسیار مهم در فرایند شیرین سازی آب ، مصرف انرژی فرایند می باشد . مصرف

کمتر انرژی منجر به کاهش هزینه محصول می گردد . تنها مصرف انرژی در روش RO انر ژی الکتریکی لازم برای راه اندازی پمپها می باشد؛ در حالیکه روشهای ، MED و MSF علاوه بر صرف انرژی برای عملکرد پمپها، به حرارت دهی برای تبخیر آب نیز نیازمند هستند.

هزینه انرژی مصرف شده و هزینه نگهداری و تعمیرات سیستم، دو فاکتور اصلی در تعیین هزینه سیستم می باشند. در این میان، هزینه شیرین سازی آب، در روش RO نسبت به روشهای MSF و MED به طور قابل توجهی کمتر می باشد.

در رابطه با مسائل زیست محیطی، هیچ یک از این سه فرایند ، فرایندهای ایده آلی نیستند . در این فرایندها از افزودنیهای شیمیایی استفاده می گردد و آب شور برگشتی از هر سه فرایندMSF و MED ،RO حاوی میزان نمک بالا و عوامل شیمیایی خواهد بود . ولی هنگامی که بحث دمای آب شور برگشتی و اثرات مخرب آن بر روی اکوسیستم آب مطرح می شود فرایندRO کمترین اثر منفی را بر روی محیط اطراف خواهد گذاشت این حقیقت در کنار حداقل میزا ن خروجی اتمسفری ناشی از مصرف کمتر انرژی باعث گردیده است که به عنوان یک انتخاب دوستار طبیعت مطرح گردد.

- 10 رسوب و کنترل رسوب در ممبران

مشکل رسوب و انسداد ممبران، مشکلی بسیار جدی بوده و خطری است که تمامی فرایندهای ممبرانی را تهدید می نماید . رسوبات می توانند باعث انسداد حفرات ممبران گردند و در نتیجه باعث کاهش میزان محصول و افزایش هدایت آب گردند . فرایندهای صحیح نگهداری و پیش تصفیه و همچنین روشهای مناسب تمیز کردن ممبران، مواردی هستند که باعث کاهش انسداد و بهبود عملکرد سیستم شده و طول عمر سیستم را بالا خواهند برد.به طور کلی چهار نوع انسداد مطرح است؛ انسداد ناشی از جامدهای حل شده، جامد های معلق، مواد آلی غیر زیستی و ترکیبات بیولوژیکی (موجودات زنده). روشهای متعدد و کارآمدی به منظور کنترل هر یک از این رسوبات وجود دارد و به کارگیری این روشها باعث به حداقل رساندن میزان رسوب شده و بهبود عملکرد سیستم و افزایش طول عمر سیستم را سبب خواهد شد.

کاربرد ممبرانهای سرامیکی در زمینه های مختلف صنعتی

با توجه به تواناییهای بسیار زیاد ممبران های سرامیکی، برتریهای آنها نسبت به انواع پلیمری و مزایای متعدد آنها که در گذشته همگی ذکر گردید، این ممبرا ن ها در صنایع زیادی به کار می روند . از کاربردهای ممبران های سرامیکی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• صنایع شیمیایی : جداسازی و تمیز نمودن محصول، جداسازی کاتالیست ها، بازیافت رنگ ها و رنگدانه ها، نمک زدایی محصولات، تمیز کردن و استفاده مجدد از حلالهای آلی

• صنایع فلزی و مهندسی سطح : تصفیه امولسیون های آب -روغن، بازیافت فلزات سنگین، تصفیه پسابهای شیشه و الیاف شیشه ای

• صنعت مواد غذایی و نوشیدنی : شفاف سازی آبمیوه ها، تغلیظ آبمیوه ها، استرلیزه نمودن شیر و پنیر، جداسازی و تفکیک اجزاء شیر، نمک زد ایی آب پنیر، آبگیری محصولات، تصفیه آب آشامیدنی

صنعت بازیافت و محیط زیست : بازیافت مواد دارویی و ضد آفت، حذف میکروارگانیسمها، حذف فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو

دورنما و چشم انداز آینده ممبرا نها

با موفقت ممبرا ن ها در عرصه تصفیه آب، تکنولوژی ممبرا ن ها همچن ان رو به پی شرفت می باشد . کماکان مشکلاتی مانند مسدود شدن ممبران، نیاز به توجه و بررسی دارد . تحقیقات در این زمینه (انسداد ممبرانها)بر روی اصلاح سازی سطح ممبران و افزایش فرایندهای پیش تصفیه آب ، قبل از ورود آن به ممبران متمرکز شده است . علاوه بر تصفیه پسابها و شیرین سازی ، کاربردهای جدید ممبرانها به منظور تصفیه آب نیز در حال پیگیری می باشد . به طور کلی، حوزه کاربرد ممبرانها ب ه طور وسیعی گسترش یافته است . اقتصادی بودن، دوستار طبیع ت بودن، متنوع و مستعد بودن و کاربرد آسان آنه ا باعث گردیده است که ممبرانها به عنوان اولین انتخاب در کاربردهای تصفیه آب مطرح باشند.

منبع: فصلنامه سرامیک ایران

---

کلینیک تصفیه آب صنعتی ایران ارائه دهنده خدمات تصفیه آب و تصفیه پساب مفتخر به ارائه سیستم های تبادل یونی رزینی,فیلتراسیون پیشرفتهUFوNF, اسمز معکوسRO, الکترودیونیزاسیونEDI, سختی گیر ها و فیلتر های کربنی, سیستم های ضد عفونی کننده آب, مواد شیمیایی تصفیه آب, تجهیزات واتصالات و.. در صنایع مختلف است.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.

www.ind.clinicab.ir

فن آوری نانو و کاربردهای آن در صنعت تصفیه آب

چکیده

استفاده از فن آوریهای نوین به خصوص فن آوری نانو در راستای کاهش اثرات سوء آلودگیهای زیست محیطی، به عنوان یکی از راهکارهای مدیریتی مطرح می باشد. یکی از مواردی که این فنآوری کاربرد خود را نمایان می سازد در ارتباط با منابع آب می باشد که در نظر گرفتن چالشهای پیش رو ضرورت استفاده از آن را پر رنگتر نموده است.فقدان دسترسی به آب تمیز و بهداشتی در کشورهای در حال توسعه ، اولویت توسعه فن آوری نانو را مطرح می کند. هواداران فنآوری نانو اظهار می دارند که مواد با پایه فن آوری نانو می توانند به فن آوریهای تصفیه آب ارزان قیمت تر، بادوام تر و مؤثرتری منجر شوند که نیازهای کشورهای در حال توسعه را برآورده م یسازند. تعدادی از روشها و دستگاههای تصفیه آب که با موادی در مقیاس نانو کار می کنند ، اکنون بصورت تجاری در دسترس هستند و بقیه در حال توسعه می باشند. این فرآوردها با پایه فن آورینانو شامل فیلترهای آب، غشاهای فیلتراسیون(تصفیه)، کاتالیزورها و ذرات نانو برای اصلاح آبهای سطحی می باشند.

مقدمه

آب یکی از ضروریترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگر چه بیش از 70 درصد از سطح کرة زمین با آب پوشیده شده است اما کمتر از 3 درصد از آن آب شیرین می باشد. از این مقدار 79 درصد به قله های یخی تعلق دارد، 20 درصد آن آبهای زیر زمینی است که به راحتی قابل دسترسی نمی باشد و فقط 1 درصد آن شامل دریاچه ها و رودخانه ها و چاه ها می باشد که به راحتی به دست می آید. در مجموع در هر زمان تنها یک ده هزارم ازکل آبهای کره زمین به سادگی در دسترس انسان قرار دارد. در دسترس بودن آب سالم و پاک یکی از مهمترین مسائل پیش روی بشر می باشد و به تدریج که مقدار مصرف آب بیشتر می شود مواد آلاینده نیز به روشهای گوناگون باعث آلوده کردن منابع آبی می گردند و این مسأله در آینده بحرانی تر خواهد شد.

مجمع عمومی سازمان ملل متحد به منظور افزایش آگاهی و ترغیب، برای ادارهی بهتر امور مربوط به آب و حراست بهتر از این منبع حیاتی، سال 2003 را سال بین المللی آب شیرین اعلام نمود. پذیرش حق برخورداری از آب به عنوان یک حق برای بشر ممکن است مهمترین گام در بر طرف کردن دشواری، تأمین این بنیادیترین عنصر زندگی مردم باشد.

 اهمیت کاربرد فن آوری نانو در صنعت آب

فن آوری نانو طی مدت کوتاهی که از ظهور آن می گذرد کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون یافته است. در نتیجه صنعت آب، به عنوان یکی از پایه های حیات، از این مساله جدا نمی باشد و در بخشهای گوناگون آن، شامل ساخت سدها، حفاظت خطوط لوله انتقال آب، تصفیه آب و پساب، شیرین سازی آب و غیره، فنآوری نانو کاربرد یافته است.

امروزه در جهان بسیاری از مردم به دلایل بلاهای طبیعی، جنگ و زیر ساختهای ضعیف خالص سازی آب، به آب بهداشتی دسترسی ندارند. حدود یک میلیارد نفر به منابع آبی دسترسی ندارند. روزانه 5000 کودک به علت مبتل شدن به امراض ناشی از مصرف آب غیر بهداشتی می میرند. تمام تلاش پژوهشگران این است که با کمک روشها و فن آوریهای جدید بتوانند این مشکلها را کاهش دهند. یکی از این فن آوریها، فن آوری نانو است. در مجموع کاربردهای متعددی را می توان در زمینه استفاده از فن آوری نانو متصور بود که اهم آنها در ذیل آمده است:

1-  استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلایندهها

2-  رنگ زدایی از آب آشامیدنی

3-  نمک زدایی از آب

4- نانو پوششها

5- نانو لوله های جاذب گازهای سمی

6-  نانو بسپارهای متخلخل

7-  استفاده از نانو ذرات در تصفیه پس آبها

8-  صافیهای نانو

9-  حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فنآوری نانو

در ادامه نگاهی به کاربرد های این فن آوری در صنعت آب خواهیم داشت.

برخی کابردهای فن آوری نانو درعرصه صنعت آب

فن آوری نانو با روشهای زیر می تواند در تهیه آب تمیز کمک کند؛

1. غشاهای صاف کننده نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب

2. روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیهی آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی

3. نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی

4. نانو حسگرهای زیستی برای تشخیص سریع آلودگی آب

در ادامه برخی موارد فوق توضیح داده می شود.

تصفیه کنندهای نانویی

صافیهای نانو: یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از صافیهای نانویی در تصفیه آب و تصفیه پساب است. صافیهای نانو می تواند تقریباً از هر منبع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتر یهای موجود در آب را حذف کند. غشای مورد استفاده در فرایند تصفیه کنندهای نانویی معمولا مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادراست با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند.

این فرایند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هایی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. از دیگر کاربردهای تصفیه کننده های نانویی می توان به حذف مواد شیمیایی که به منظورکشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آبهای مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کنندهها و حذف نیتراتها اشاره کرد. نظر به این که در فرایند تصفیه کنندهای نانویی از هیچ ماده شیمیایی برای سختی گیری آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیایی معمول است روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است.

در تصفیه کننده های نانویی جدا سازی براساس اندازه مولکول صورت می گیرد و فرآیندی فشاری است.در ضمن امکان استفادهی آسان از روشهای تصفیه را برای عموم فراهم میکند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می دهد.

استفاده از نانو لوله های کربنی

نانولوله های کربنی لوله هایی در اندازه نانو از جنس کربن می توانند به طور یکنواخت ردیف شوند تا غشاهای دارای منافذ با مقیاس نانو تشکیل دهند. این غشاها م ی توانند آلایند هها را حذف نمایند. منافذ با مقیاس نانویی این صافیها نسبت به فنآوریهای تصفیه دیگر، انتخابی تر عمل می کنند. نانولوله های کربنی، مساحت سطح بالا، نفوذپذیری بالا و پایداری مکانیکی و گرمایی خوبی دار ند.نانو لوله های کربنی یکی از سفت ترین مواد به شمار می آیند و در عین استحکام بالا بسیار انعطاف پذیر

هستند. مقاومت یک نانو لوله نسبت به وزنش 500 برابر آلومینیوم است. نانو لوله ها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالایی برخوردارند. نانو لول ههای کربنی از لحاظ کاتالیزگری فعال می باشند

نانو لوله ها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند .

غشاهای نانولوله های کربنی می توانند به وسیله پوشاندن یک کاغذ سیلیکونی یا ذرات نانوی کاتالیزور فلزی ساخته شوند که سبب ایجاد نانو لوله های کربنی می شود که بصورت عمودی ردیف شده و بصورت فشرده بسته بندی می شوند . سپس، فضاهای بین نانوتیوبهای کربنی می توانند با مواد سرامیکی پر شوند تا پایداری غشا را افزایش دهند.

نانوبسپارهای متخلخل

هنگامی که آلاینده های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می شوند. پدیده جذب و دفع اینگونه آلاینده ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است و به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای گوناگون خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد.

هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول های آلاینده به جسمی متصل می شوند که از لحاظ شیمیایی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانو بسپار های متخلخل که شباهت زیادی به مولکول های مواد آلاینده دارند، مناسب ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده های آلی از آب و خاک بشمار می روند. به طور کلی کاربردهای زیست محیطی این نانوساختارها عبارتند از:

1-  جداسازی آلاینده های آلی از آب آشامیدنی.

2-  تصفیه پساب های واحدهای صنعتی مانند نیروگاه های هسته ای برای استفاده مجدد از آنها.

3-  پاکسازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی.

4-  پاکسازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده های آلی.

باتوجه به این که نانوبسپارهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین هزینه های تصفیه به مراتب کمتر می شود.

نانو حسگرها

اگر چه حسگرهای گوناگونی برای آشکار نمودن آلودگی ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فن آوری نانو امکان ایجاد نسل های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت های کم را آشکار می نمایند.

رنگ زدایی از آب آشامیدنی

رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ ها می توانند

منشأ تولید تری هالو متان 1 نیز باشند، خطرناک محسوب می شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل

کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنة مضر و سرطان زا می شود . رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجو د

اسیدهای معدنی با جرم مولکولی 800 تا 50000 گرم بر مول است . اسیدهای مذکور در اثر تجزیة مواد آلیِ

موجود در آب حاصل می شوند. اغلب روش های متداول برای تصفیة آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن

با استفاده از غشاهای نانو می توان تا 99 درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد .

جمع بندی

در آینده ایران جزء کشورهایی خواهد بود که بحران مصرف بالا و کم آبی را به دلیل افزایش جمعیت شهر نشین وخشکسالى سالهاى گذشته حدود 200 هکتار از باغها، بیش از 10 هزار هکتار از محصول چاى و 2 هزار هکتار از باغهاى موز سیستان و بلوچستان و باغهاى کوهپایه آسیب جدى دید. استخراج بى رویه از آبهاى زیرزمینى و سفرههاى آبدار زیرزمین در شرایط کنونى یک موقعیت بحرانى دارد. درحال حاضر از 612 دشت کشور، 150 دشت جزو مناطق ممنوعه و بحرانى است.

با قبول این وضعیت، بخش بزرگى از مزارع در محدوده کویر قرار مىگیرد و مشخص مىشود خشکسالى یک واقعیت طبیعى و اقلیمى در کشور است. جمعیت کشور ما حدود یک درصد جمعیت جهان است ولى سهم ما از کل منابع آب شیرین در دنیا 36 صدم درصد است. کشورهاى دیگر دنیا از 45 درصد منابع آب مطلوب خود استفاده مى کنند. در کشور ما 66 درصد آب مصرف مىشود. بیش از 50 درصد ذخایر آب شیرین کشور، وابسته به منابع آبهاى زیرزمینى است که درحقیقت ما باید این منابع زیرزمینى را براى سالهاى خشکسالى نگهدارى می کردیم.

کارشناسان یکى از دلایل این بحران را ایجاد شهرکها و گسترش بى رویه و برنامه ریزى نشده شهرها مىدانند. از سویى ما در اقلیم خشک و کم آب قرار داریم. از سویى هم کره زمین درحال گرم شدن است و پدیده ال نینو 1 به گرم شدن هوا در این نقطه از جهان کمک کرده است. بنابراین با نگاهی به مشکلات تأمین آب در ایران و نیاز مبرم کشور به منابع جدید، می توان از فن آوریهای نوین در این راه بهره جست.

این مهم در سایه انجام نیاز سنجی و مطالعه دقیق اولیه تحقق می یابد. با توجه به اینکه در سالهای اخیر، ایران در حال اوجگیری در زمینه پژوهشهای نانو است، عقلانی به نظر می رسد که در سمت و سوی برنامه های کلان آب در کشور از فن آوری نانو به عنوان یک پشتیبان قوی استفاده گردد. آنچه از توانمندی های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می توان از این روش ها برای حفظ محیط زیست در آینده ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید.

منبع: www.IrChe.com

---

کلینیک تصفیه آب صنعتی ایران ارائه دهنده خدمات تصفیه آب و تصفیه پساب مفتخر به ارائه سیستم های تبادل یونی رزینی,فیلتراسیون پیشرفتهUFوNF, اسمز معکوسRO, الکترودیونیزاسیونEDI, سختی گیر ها و فیلتر های کربنی, سیستم های ضد عفونی کننده آب, مواد شیمیایی تصفیه آب, تجهیزات واتصالات و.. در صنایع مختلف است.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.