روش اولترافیلتراسیون ultrafiltration یک فرآیند غشایی است و این غشای نیمه تراوا است. فشار هیدرواستاتیک آب نیروی محرکه این فرایند است. ذرات نامحلول حتی باکتری ها و ویروس هابه این روش قابل جداسازی است. غشا در سیستم های اولترافیلتراسیون از پلی‌پروپیلن یا پلی‌آمید تشکیل شده است. قطرمنافذ این غشاء 20 تا 200 نانومتر می باشد. (کوچکترین ویروس حدود 20 نانومتر و کوچکترین باکتری حدود 200 نانومتر قطر دارد). اندازه منافذ غشاء در فرایند اولتراسیون حدود 15 الی 8 نانومتر بوده و اختلاف فشار اعمال شده در این سیستم بین 5 الی 10 بار می باشد . حذف ذرات در اولترافیلتراسیون به میزان کمی به بار الکتریکی ذره و تا حد زیادی به سایز ذره بستگی دارد.

اولترافیلتراسیون در چه مواردی استفاده می شود؟

غشاء اولترافیلتراسیون جهت جداسازی و خالص سازی رنگهای کلوئیدی از پسابهای صنعتی، پروتئینها، جداسازی لیگنین (Lignin) در کاغذسازی، بعضی از محلولهای کلوئیدی، جداسازی روغن از پساب، تغلیظ پروتئین شیر و مشتقات آن، خالص سازی خون، تصفیه و شفاف سازی آبمیوه گندزدائی و زلال سازی آب آشامیدنی- به کارگیری به صورت مستغرق جهت تصفیه فاضلاب در روشهایی نظیر بیور آکتورغشایی – حذف آنزیمها، هورمونها، آلبومین ها، انسولین و آمینواسیدها در فرایندهای صنایع دارویی و داروسازی- صنایع تولید نوشیدنی- صنایع نساجی- بازیافت آب تبرید و کلاً موادی که وزن مولکولی آنها بیشتر از 1000 دالتون است به کار می رود. حذف روغنی / نفت از آب / پساب صنایع نفت و گاز و پتروشیمی بخصوص روغن موجود در سیکل آب برگشتی، بکارگیری به عنوان پیش تصفیه سیستمهای Ro و NF در صنایع (آنجایی که ممبران های واحد اسمز معکوس به شدت به کدورت و آلودگی های میکروبی حساس هستند، بنابراین استفاده از اولترافیلتراسیون به ویژه در مقاطعی که کدورت آب ورودی بالا می باشد، اطمینان خاطر ویژه ای در خصوص بهره وری و طول عمر ممبران های اسمز معکوس به همراه خواهد داشت.)، پیش تصفیه سیستمهای آب شیرین کن دریایی جهت حذف مواد معلق، کشند قرمز (Red tide)، و جلوگیری از ورود روغن و لکه های نفتی ناشی از حوادث دریایی نظیر لکه های نفتی (Oil Spill) اولترافیلتراسیون معمولاً در جداسازی جریان مواد آلی مؤثر نمی باشد.

نیروی محرکه این فرآیند، اختلاف فشار می باشد. در طي اين فرايند، جريان سيال ورودي بصورت مماسي از سطح ممبران عبور داده شده و به دو فاز آب تصفیه شده (Permeate) و آب تغلیظ یا پساب (Concentrate) تقسیم می­شود، سپس آب تغليظ شده وارد لوله اصلي پساب و آب تصفيه شده جهت ضدعفوني نهائي به مخزن ذخيره هدايت مي شود.

غشاها در اولترافیلتراسیون

غشاها معمولا به صورت لوله های توخالی پلیمری از PVDF ساخته شده اند. جنس پلیمری خاص این غشاها برای استحکام بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی بسیار مفید می باشد. این غشاها آب دوست می باشند. به همین علت شستشوی آنها آسان و عملکرد طولانی مدت دارند. این سیستم ها معمولا دارای هوزینگ های U-PVC بوده و به همین علت به تجهیزات فشاری نیاز ندارد. به اشعه یو وی هم مقاوم می باشد . پر کاربردترین غشاها را به دلیل سطح در واحد حجم در سیستم های فیلتراسیون مورد استفاده قرار میگیرند. گاهی اوقات غشاها از جنس فیلم نازک مرکب TFC. PP PS. pANنیز ساخته می شوند. این غشاها بر روی لایه ای پلی استری فیلم کشی می شوند. امکان اعمال فشار بالا را بیشتر میکند. همچنین فضای کمی اشغال می کنند. ممبران ها در داخل یک هوزینگ از پی وی سی قرار میگیرندو پساب ورودی به غشا ها در دو حالت خارج به داخل و داخل به خارج وارد می شود. آب فیلتر شده که در هوزینگ غشاها جمع شده با جریان خروجی هوزینگ های دیگر تجمیع شده و به لوله خروجی هدایت می شود .

برای جلوگیری از آسیب به ممبران ها در فرایند UF. ذرات زیر در فرآیند پیش تصفیه از آب ورودی حذف می شوند:

– ذرات معلق ۲۰۰ میکرومتر

– آب تصفیه شده خروجی از واحد یو اف برای زلال سازی به واحد اسمز معکوس هدایت می شود.

چالش های پیش رو در زمینه استفاده از غشا در اولترافیلتراسیون

یکی از مواد مهمی که در هنگام استفاده از اولترافیلتراسیون می بایست مورد توجه قرار گیرد، این است که افزایش ناگهانی آلودگی های فیزیکی به آب ورودی UF ، مانند موجودات کشنده قرمز، جلبک ه و …می تواند خسارات جبران ناپذیری به آنها وارد کند ، لذا توجیه اقتصادی استفاده از این روش حائز اهمیت می باشد.

روش های افزایش کارایی اولترافیلتراسیون

شستشو در واحد های یو اف به صورت فلاشینگ ، معکوس همراه با هوا و شستشوی شیمیایی دوره ای می باشد. برنامه ریزی برای شستشو بر اساس اختلاف فشار مانیتور شده بین جریان ورودی به و یا خروجی از ممبران تعیین می شود. مراحل شستشو به شرح ذیل می باشد.

الف) شستشوی مستقیم

برای کاهش آلودکی غشایی و کاهش مقاومت در برابر شستشوی معکوس به مدت ده الی سی ثانیه در فواصل زمانی معین انجام می شود.فواصل زمانی به کیفیت آب وروذی وابسته است.

ب) شستشوی معکوس

آب در خلاف جهت تصفیه غشایی از خروجی آب تصفیه شده به غشاها وارد شده و پس از شستشوی غشایی از محل خروج آب پر غلظت تصفیه نشده خارج می گردد. دبی جریان معکوس از دبی آب کار فیلتراسیون بیشتر می باشد . جریان آب شستشو از پایین به بالا و بالعکس می باشد شار شستشوی معکوس حداقل ۲۰ درصد بیشتر از شار جریان ورودی به غشاها می باشد.

ج) شستشوی معکوس شیمیایی

در این مرحله ترکیبات اسیدی یا کلریدی جهت حذف آلاینده های معدنی و بیولپژیکی با همان روش ب به مدت یک الی سه دقیقه ممبران را میشویند.

د ) شستشوی شیمیایی CIP

در فاصله زمانی یک الی سه ماه برای جلوگیری از گرفتگی غشایی بیولپژیکی و رسوب هایرفلزی لنجام می شود. مراحل آن عبارتند لز سشتشوی مستقیم، معکوس، سیرکولاسیون، خیساندن و تخلیه در اولترافیلتراسیون، علاوه بر سیکل شستشوی معکوس و شستشو با مواد شیمیایی نیاز به شستشوی در محل یا همان CIP می باشد. این شستشو به مدت 1 الی 2 روز به طول می انجامد و پس از 3 الی 4 ماه کارکرد پکیج اولترافیلتراسیون انجام می گیرد.
هدف از انجام شستشوی در محل CIPاولترافیلتراسیون پاک کردن سطح ممبران ها از کلیه رسوبات املاح می باشد که در طول زمان به صورت یک لایه اشباع سطح ممبران ها را گرفته اند. با انجام این عملیات شستشوی در محل می توان از طول عمر ممبران ها اطمینان حاصل نمود.
مراحل شستشوی در محل یا همان CIP در تصفیه آب صنعتی به روش اولترافیلتراسیون شامل شستشو با مواد بازی و pH=11 و سپس شستشو با آب خالص در مرحله اول و سپس شستشو با مواد اسیدی و pH= 2 و در انتهای آن شستشو با آب خالص به عنوان مرحله دوم می باشد.

بازار جهانی اولترافیلتراسیون

بازار جهانی این فن آوری به لحاظ جغرافیایی به امریکای شمالی ، آسیا -اقیانوسیه، آمریکای لاتین، خاورمیانه و آفریقا تقسیم بندی می شود.

شرکت های بزرگ و اصلی تولید کننده سیستم های اولترافیلتراسیون در جدول زیر آورده شده است.

نام شرکت	نام کشور	نام شرکت	نام کشور
DowDuPont Inc.	US	Pentair Plc	US
Hyfkux Ltd.	Singapore	Corp Kasei Asahi	Japan
Inge GmbH.	Germany	GMBH Innovations	Germany
Toray Industries Inc.	US
GE Water&Process	US
Hydranautics	US

اولترافیلتراسیون UF در مصارف صنعتی

یکی از اصلی ترین کاربردهای اولترافیلتراسیون در بخش صنعتی و تصفیه پساب کارخانجات و کارگاه های تولیدی می باشد. با توجه به داشتن قابلیت حذف مواد آلی، روغن، گریس، ذرات کلوئیدی و همچنین پروتئین ها از پکیج تصفیه آب اولترافیلتراسیون می توان در صنایع غذایی و دارویی و همچنین کارخانجات مختلف استفاده نمود. علاوه براین، این روش تصفیه برای حذف آلودگی های موجود در آب برکه، رودخانه ها و پساب های صنعتی بسیار مفید بوده و باعث به چرخش درآمدن آب میشود.

البته لازم به ذکر است که روش اولترافیلتراسیون نه تنها در تصفیه آب، بلکه در کارخانجات نساجی، شیر و پروتئین و مواد غذایی و همچنین داروسازی نیز بسیار مفید بوده و قابلیت حذف آنزیم ها، آمینو اسیدها و رنگ های موجود در پساب ها را دارد.

استفاده از اولترافیلتراسیون UF در اسمز معکوس

اسمز معکوس که یکی از روش های بسیار کاربردی در تصفیه آب می باشد، با غشای نیمه تراوا عمل میکند. در بسیاری از مواقع می توان از اولترافیلتراسیون در مرحله پیش تصفیه استفاده نمود تا حجم زیادی از آلودگی ها، مواد آلی و مواد ذائد از آب حذف شده و در نتیجه فیلتر و ممبران اسمز معکوس عمر بیشتری پیدا خواهد کرد.

چگونگی انجام اولترافیلتراسیون

در سیستم اولترا فلیتراسیون، آب خام که دارای کدورت بالایی می باشد، از طریق پمپ خوراک وارد پیش تصفیه می شود. در پیش تصفیه ذرات درشت در حدود 100~150 میکرون و یا بزرگتر، از آب جدا می شوند. سپس آب وارد اولترا فیلتراسیون شده و ذرات بزرگتر از 1nm که عوامل تشکیل دهنده کدورت و TSS و میکروارگانیزم ها می باشند در آن به طور کامل بر روی صفحات اولترا فیلتر باقی می مانند. پس از حدود 1 ساعت و یا کمتر، اولترافیلتراسیون نیاز به شستشوی معکوس دارد، زیرا همانطور که گفته شده کلیه ذرات معلق بر روی ممبران ها باقی مانده است.
سیکل شستشوی معکوس به طور مستقیم به میزان کدورت آب بستگی دارد. در فرآیند شستشوی معکوس مراحل ذیل انجام می گیرد:
1- هوادهی داخلی اولترافیلتراسیون و تخلیه محفظه ها.
2- شستشو و شستشوی معکوس جهت ضدعفونی با مواد گندزدا (مانند کلر)
3- شستشو و شستشوی معکوس با مواد شیمایی (با توجه به آنالیز آب) جهت جلوگیری از ایجاد رسوب.
4- آماده سازی جهت استفاده مجدد از اولترافیلتراسیون به وسیله آب خام.
علاوه بر موارد فوق از سیستم شستشوی در محل CIP به صورت دوره ای جهت جلوگیری از رسوب و اشباع شدن مواد معلق و محلول، استفاده می گردد.

جریان حرکت آب هنگام ورود به غشاها می تواند از بیرون به داخل و یا در جهت معکوس یعنی از داخل به بیرون باشد. پس از تصفیه آب با اولترافیلتراسیون، دو نوع آب داریم، آب تصفیه شده و آب تغلیظ شده که آب تصفیه شده برای ادامه مراحل کار وارد مخزن تصفیه می شود. آب تغلیظ شده هم وارد لوله پساب می شود.

کیفیت آب ورودی به اولترافیلتراسیون جهت کاهش کدورت و TSS

تمامی سازندگان ممبران های اولترافیلتراسیون میزان حداکثر کدورت، TSS و همچنین COD ورودی به این قبیل دستگاههای تصفیه آب را ارائه داده اند تا در هنگام طراحی یک واحد تصفیه آب به روش اولترافیلتراسیون مورد توجه طراح این واحدها قرار بگیرد.
1- میزان کدورت turbidity حداکثر 300 NTU باشد.
2- کل اکسیژن خواهی شیمیایی یا همان COD بایستی کمتر از 60mg/lit باشد.
4- روغن و گریس Oil & Grease باید کمتر از 2mg/lit باشد.
5- میزان کل ذرات معلق جامد TSS باید کمتر از 100 mg/lit باشد.
6- رنج مجاز pH بایستی بین 2 الی 11 واحد باشد.
7-میزان روغن و گریس و همچنین COD مجاز ورودی به سیستم اولترافیلتراسیون بایستی در طراحی واحدهای تصفیه فاضلاب صنعتی که در خروجی تصفیه خانه های فاضلاب طراحی و نصب می گردند حتما مد نظر قرار بگیرد.

کنترل اولترافیلتراسیون UF

همانطور که ذکر شد اولترافیلتراسیون در یک سیکل تولید آب تصفیه شده، نیاز به عملیات شستشو و ضد عفونی دارد. به عنوان نمونه هر واحد اولترافیلتراسیون به مدت 45 دقیقه آب تصفیه شده تولید می نماید و به مدت 5 الی 7 دقیقه شستشو و آماده سرویس در مرحله بعد می باشد. راندمان واحد اولترافیلتراسیون بالاتر از 80 درصد می باشد.
کنترل شیرآلات مربوط به جریانهای ورودی و خروجی و همچنین مسیر شستشو و هوادهی، با توجه به زمان بندی حساس و دقیق سیکل تولید و شستشوی اولترافیلتراسیون بایستی به صورت تمام اتوماتیک و با کمک PLC صورت بگیرد. به زبان دیگر اپراتور بهره بردار هیچ نقشی در فرآیند شستشو و ضد عفونی ندارد و تمام این مراحل توسط سیستم PLC صورت می گیرد.

مدول های اولترافیلتراسیون

از ممبران های بسیار مستحکم hollow fiber ساخته می شوند که دارای ویژگی های زیر می باشند:

– دارای منافذ با قطر اسمی 0.03 میکرون برای حذف باکتری ها، ویروس ها و ذرات کلوئیدی
– دارای لوله های توخالی پلیمری PVDF برای استحکام بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی
– دارای فیبرهای PVDF آب دوست، جهت شست و شوی آسان و ترشوندگی که به عملکرد طولانی مدت، کمک می کند.
– دارای هوزینگ های U-PVC که نیاز به پرشر وسل را مرتفع کرده و مقاوم به اشعه UV هستند.

نتایج عمده استفاده از اولترافیلتراسیون شامل این موارد می باشد:
1- حذف ذرات جامد معلق، کدورت و رنگ آب یا پساب.
2- از بین بردن کلیه عوامل میکروبی، ارگانیزم ها و میکروب و ویروس ها.
3- کاهش یونهای دو ظرفیتی مانند کلسیم، منیزم و سولفات و حذف فلزات سنگین غیر محلول مانند آهن، کبالت، روی و نیکل.
4- کاهش BOD و COD پساب یا فاضلاب.

5- استفاده از UF باعث میشود تا نیازی به اضافه کردن کلر یا ازن به آب نباشد و در نتیجه از سوراخ شدگی فیلتر RO جلوگیری میشود.

6- در این روش به دلیل اتوماتیک بودن فرآیند نیاز به نیروی اپراتوری وجود نخواهد داشت.

7- با توجه به اینکه ذرات کلوئیدی و ملکول های درشت را می توان با این روش از آب جدا کرد، شفافیت آب از دیگر روش های تصفیه خیلی بیشتر خواهد بود.

منابع

1. Xiaoying F, Xiaoning W and Xinnian W 2017 Application of ultrafiltration membrane

technology in water treatment of environmental protection projects J. Policy Research &

Exploration 11 95-6

2. Xiaoying F, Xiaoning W and Xinnian W 2017 Application of ultrafiltration membrane

technology in water treatment of environmental protection projects J. Policy Research &

Exploration 11 95-6

3. Guibai L and Yanling Y 2007 Ultrafiltration — the core technology of the third generation ofurban drinking water purification process J. Water Technology 01 1-3
4. Yaozu H 2004 Ultrafiltration technology and its application (Beijing: hemical Industry Press) 2-18
5. Zhan W 2000 Technical basis of membrane separation (Beijing: hemical Industry Press)
6. Lin W, Baozhen W 2000 Purification technology of high quality drinking water (Beijing: Science Press)
7. You H, Xubin C and Chenyong H 2012 Ultrafiltration technology and its application J.

Chemical Engineering & Equipment

8. Lei S, Haiping D and Yongwen K 2016 Study on the application of ultrafiltration for

pretreatment of seawater desalination J. Tianjin Chemical Industry 02 25-31

9. Xiaotie Z, Xiangliang H, Shiqun S, Jing Y 2008 Application of membrane integrationtechnology in emulsified oil wastewater treatment J. Journal of Safety and Environment 0465-8