۱۹

1- اساس اسمز معکوس و نانوفیلتر1-1 تاریخچه

از اواخر سالهای ۱۹50 تا ۱۹60، استفاده از اسمز معکوس )RO( و اولترافیلتراسیون )UF( به عنوان

واحدهای عملیاتی گسترش يافت و دامنه کاربرد آن ها نیز به طور روز افزونی توسعه پیدا کرد.

در ابتدا از اسمز معکوس برای نمک زدايی از آب دريا و آب شور استفاده می شد. افزايش تقاضاهای صنعتی

جهت حفظ آب، کاهش مصرف انرژی، کنترل خوردگی و بازيافت مواد مفید از جريان های پسآب، سبب

ايجاد کاربردهای جديد اقتصادی شدند. به عالوه، پیشرفت دانش بیوتکنولوژی و داروسازی، همگام با توسعه

استفاده از ممبرين، سبب شد که روش استفاده از ممبرين به عنوان مرحله مهمی در عملیات جداسازی، از جهت

صرفه جويی در انرژی و جلوگیری از افت حرارتی محصوالت، به روش تقطیر ترجیح داده شود.

FILMTEC FT30 با ساخت ممبرين FILMTEC تحقیقات علمی در مورد اصول ممبرين را، شرکت

در سال ۱۹6۳ پايه ريزی کرده است.

پس از آن محصوالت جديدی ارائه گرديد و تولیدات موجود نیز به لحاظ توانايی شان در بهبود کیفیت آب

۱۹اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

20

روش های نوين تصفیه آب20

تصفیه شده و قیمت تمام شده کمتر آب در حال ارتقا قرار دارند.

به طور کلی ممبرين های RO اکنون امکان درصد دفع نمک باالتر را در فشارهای عملیاتی پايین تر و در

نتیجه کاهش هزينه ها را فراهم می کنند.فن آوری ممبرين های نانوفیلتر قدرت دفع انتخابی برخی از ترکیبات و

موارد معین را در فشارهای عملیاتی به نسبت پايین فراهم می آورد.

شرکت FILMTEC در سال ۱۹77 در شهر ماينپولیس )Minneapolis( آمريکا تاسیس شد. پس

از تولید عمده محصوالت، اين شرکت دچار تغییراتی شد و بین سال های ۱۹۸۱ تا ۱۹۸4 توسعه يافت. در

آگوست ۱۹۸5 اين شرکت مالک يکی از شرکت های تابعه کمپانی DOW Chemical شد.

شرکت DOW جهت اطمینان مستمر، ثبات، کیفیت باالی ملزومات و محصوالت FILMTEC، برای

رشد سريع بخش معامالت بازرگانی اسمز معکوس و نانوفیلتر، منابع و سرمايه قابل توجهی را در به روز کردن

و توسعه ظرفیت کارخانه FILMTEC به کار گرفت.

از کیفیت ISO، مکمل سرمايه گذاری در تجهیزات و توسعه فن آوری اطمینان برنامه های پذيرش

کارخانه شد. همین امر باعث باال رفتن کارآيی و سازگاری محصوالت گرديد.

به واسطه ترکیب بخش فروش شرکتهای تصفیه آب با شرکت DOW که مورد تايید مراکز سرويس دهی فنی

هستند، اين کمپانی می تواند نتايج فنی و تجاری محصوالت FILMTEC را برای مشتريانش ضمانت کند.

2-1 فنون نمک زدایی و فرآیندهای فیلتر کردن

فن آوری ممبرين های اسمز معکوس )RO( و نانوفیلتر )FILMTEC )NF ازنظر کارآيی زياد و مقرون

به صرفه بودن فرآيند، به عنوان انتخابی در دسترس و متداول شناخته شده است. سیستم های نمک زدايی RO و

NF کوچک و بزرگ می توانند بیش ترين کارآيی را برای منابع آب دريا و آب لب شور داشته باشند.

با متداول ترين استانداردهای اجرايی کیفیت آب شرب ،)Permeate( مشخصات آب های تولید شده

مطابقت می کند.

2۱

2۱ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

وقتی که RO و NF به طور مستقل استفاده شوند، در ترکیب با هم يا با ساير فرآيندها مانند تبادل يونی،

می توانند هزينه های مربوط به مرحله احیا و حجم دورريز را کاهش دهند.

اين سیستم ها می توانند آب را با کیفیت بسیار باال تولید کرده و زمانی که در ترکیب با فرآيندهای تقطیر

حرارتی، می توانند از سرمايه به کار گرفته شده در تولید نیرو و آب حفاظت کنند.

ارائه نمک زدايی مهم و اقتصادی فرآيندهای به نسبت را شوری درجه ی حدودی نمودار ۱-۱ شکل

می دهد.

محدوده عملیاتی چهار فرآيند عمده نمک زدايی در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

هم چنین محدوده عملیاتی برای چند نوع متداول ممبرين FILMTEC نشان داده شده است.

شکل ۱-۱: فرآيندهای عمده نمک زدايی

فن آوری های رايج و گوناگون فیلتراسیون موجود می توانند بر اساس اندازه ذرات حذف شده از جريان

خوراک طبقه بندی شوند.

در يک جريان فیلتر از يک معلق، محلول خوراک برای حذف جامدات متداول ماکروفیلترهای در

عمودی عبور می کند. جريان محلول ورودی پس از عبور از فیلتر تنها يک جريان خروجی ايجاد می کند که

22

روش های نوين تصفیه آب22

مانند فیلترهای کارتريج، بگ فیلترها )bag filters(، فیلترهايی شنی و فیلترهای مولتی مديا می باشد، ولی

محدوديت اين نوع جداسازی توسط ماکروفیلتراسیون اين است که فقط ذرات حل نشده بزرگ تر از يک

میکرون را می توانند حذف کنند.

)cross flow( برای حذف ذرات کوچک و نمک های حل شده، از فیلتر ممبرين با جريان متقاطع

استفاده می شود.

در فیلتر ممبرين با جريان متقاطع )شکل 2-۱ ( از يک جريان خوراک تحت فشار که به طور موازی روی

سطح ممبرين جاری است، استفاده می شود. بخشی از اين جريان از میان ممبرين عبور می کند، در حالی که ذرات

دفع شده توسط جريان غلیظ شده خارج می شود.

در حقیقت يک جريان پیوسته و متقاطع در سطح ممبرين وجود دارد که مانع از تجمع ذرات دفع شده

بنابراين جريان داده می شوند. ممبرين حرکت بر روی سطح غلیظ شده توسط جريان اين ذرات می شود،

خوراک به دو جريان خروجی تقسیم می شود:

)Concentrate( .و جريان غلیظ شده باقی مانده )Permeate( محلول عبوری از میان سطح ممبرين

شکل ) 2-۱ (: فیلتر ممبرين با جريان متقاطع

چهار نوع فیلتر ممبرين با جريان متقاطع وجود دارد: میکرو فیلتراسیون )microfiltration( – اولترافیلتراسیون

.)Reverse osmosis( و اسمز معکوس -)nanofiltration( نانو فیلتراسیون -)ultrafiltration(

2۳

2۳ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

:)microfiltration) )MF) میکرو فیلتراسیون

میکروفیلتراسیون ذرات با قطر تقريبی 0/۱ تا ۱ میکرون را حذف می کند. عموما در اين روش جامدات

)MF( معلق و کلوئیدهای بزرگ حذف می شوند و ماکرو مولکول ها و جامدات حل شده از میان ممبرين های

عبور می کنند. کاربرد آنها شامل حذف باکتری، مواد لخته شده، يا TSS )مقدار کل جامدات معلق( می باشد.

فشار ممبرين نوعا psi۱0 ) 0/7 بار( است.

:)ultrafiltration) )UF) اولترافیلتراسیون

اولترافیلتر جداسازی ماکرومولکولی را برای ذرات در محدوده 20 تا ۱000 آنگستروم ) تا 0/۱ میکرون (

تحقق می بخشد. تمام نمک های حل شده و مولکول های کوچک تر، از ممبرين عبور می کنند. مواردی که از

ممبرين رد نمی شوند عبارتند از کلوئیدها، پروتئین ها، آالينده های میکروبیولوژی و مولکول های آلی بزرگ.

بیش تر ممبرين های UF ذرات با وزن مولکولی بین ۱000 تا ۱00،000 را جدا می کنند. فشار عملیاتی ممبرين

نوعا ۱5 تا psi ۱00 )۱ تا 7 بار ( است.

:)nanofiltration) )NF) نانو فیلتراسیون

نانو فیلتر به فرآيند ممبرين خاصی گفته می شود که در آن ذرات با اندازه تقريبی ۱ نانومتر ) ۱0 آنگستروم (

دفع می گردند. از اين رو نانوفیلتر NF در محدوده بین RO و UF عمل می کند. با اين فن آوری مولکول های

آلی که دارای وزن مولکولی بزرگتر از 400-200 هستند و نیز نمک های محلول تا حدود ۹۸- 20 جدا

می گردند. نمک هايی که يون های تک ظرفیتی دارند )مانند کلريد سديم يا کلريد کلسیم ( از 20 تا ۸0 و

يون های دو ظرفیتی )مانند سولفات منیزيم ( بالغ بر ۹0 تا ۹۸ جدا می شوند. ديگر کاربردها شامل حذف کلر

و مجموع کربن های آلی )TOC( از آب های سطحی، حذف سختی يا راديوم از آب چاه، کاهش مجموع

جامدات معلق )TDS( و جداسازی مواد آلی از غیرآلی در صنايع غذايی خاص و پسآب، می باشد. فشار عملیاتی

24

روش های نوين تصفیه آب24

بین 50 تا psi 225 )۳/5 تا ۱6 بار ( است.

:)RO) اسمز معکوس

اسمز معکوس عالی ترين سطح از بین روش های فیلتراسیون موجود می باشد. ممبرين RO به عنوان يک مانع

برای تمام نمک های محلول و مولکول های غیر آلی و مولکول های آلی با وزن مولکولی تقريبی بیش از ۱00

عمل می کند. به عبارت ديگر فقط مولکول های آب به طور آزاد از میان ممبرين عبور کرده و جريان خالصی

را تولید می کنند. عملیات حذف نمک های حل شده به مقدار ۹5 تا ۹۹ انجام می پذيرد.

کاربرد RO بی شمار و متنوع می باشد و شامل نمک زدايی از آب دريا و آب لب شور جهت مقاصد

آشامیدنی، بازيافت پساب، فرآيندهای غذايی و نوشابه سازی، جداسازی های biomedical، خالص سازی

آب شرب خانگی و آب فرآيندهای صنعتی می باشد.

هم چنین اغلب برای تولید آب فوق خالص از RO استفاده می گردد. مورد مصرف اين آب در صنايع نیمه

RO رساناها، صنايع تولید نیرو ) آب ورودی به بويلر ( و موارد دارويی / آزمايشگاهی می باشد. اگر واحد

قبل از تبادل کننده های يونی )IX( قرار گیرند، به شدت هزينه های عملیاتی و موارد متعدد احیا را کاهش

می دهد.

فشار عملیاتی برای RO عموما از psig 75 ) 5 بار ( برای آب لب شور و بالغ بر psig ۱200 )۸4 بار (

برای آب درياست.

محدوده فرآيند فیلتراسیون در شکل ۳-۱ نشان داده شده است.

25

25 اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

شکل ۳-۱: محدوده فرآيند فیلتراسیون

3-1 اصول اسمز معکوس و نانو فیلتر

چگونگی عملکرد اسمز معکوس

پديده اسمز زمانی رخ می دهد که آب خالص موجود در محلول نمکی رقیق، از میان ممبرين به داخل محلول

نمکی ديگری با غلظت باالتر جريان پیدا کند.

پديده اسمزی در شکل 4-۱ توضیح داده شده است. يک ممبرين با غشاء نیمه تراوا بین دو قسمت قرار

می گیرد. نیمه تراوا يعنی اين که ممبرين برای برخی ذرات تراواست و برای برخی ديگر خیر. فرض کنید که

ممبرين برای آب تراوا و برای نمک غیر تراوا باشد. بنابراين وقتی محلول نمک در يک طرف و آب خالص

در طرف ديگر قرار می گیرد. ممبرين به آب اجازه می دهد که به سمت ديگر تراوش پیدا کند. اما نمک

نمی تواند از ممبرين عبور کند.

26

روش های نوين تصفیه آب26

شکل 4-۱: شمای اسمز

اسمز معکوس اسمز

به عنوان يک اصل طبیعی، اين سیستم سعی دارد به حالت تعادل برسد. بنابراين غلظت های هردو طرف

ممبرين يکسان خواهند شد. تنها راه رسیدن به اين تعادل، عبور آب از میان بخش مربوط به آب خالص است

به سمتی که دارای نمک می باشد تا محلول نمکی، رقیق گردد.

شکل 4-۱ نشان می دهد که اسمز می تواند سبب افزايش ارتفاع محلول نمکی شود. اين ارتفاع تا جايی زياد

می شود که فشار ستون آب ) محلول نمک ( به اندازه ای افزايش يابد که نیروی ستون آب، جريان را متوقف

سازد.نقطه تعادل در ارتفاع ستون آب، فشار آب بر روی ممبرين است که فشار اسمزی نامیده می شود.

اگر نیرويی بر روی ستون آب اعمال شود، جهت جريان آب عبوری از میان ممبرين می تواند معکوس گردد.

اين اصل، همان اصل اسمز معکوس می باشد. توجه داشته باشید که جريان معکوس تولید شده تا زمانی که

ممبرين نمک را از خود عبور ندهد، همان آب خالصی است که از محلول نمکی جدا گرديده است.

چگونگی عملکرد نانوفیلتر

ممبرين نانوفیلتر مانع کاملی برای عبور نمک های حل شده نمی باشد. بر اساس نوع نمک و نوع ممبرين، نفوذ

پذيری نمک می تواند کم يا زياد گردد. اگر نفوذ نمک کم باشد، اختالف فشار اسمزی بین دو بخش تقريبا

27

27 اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

به اندازه فشار اسمز معکوس است. به عبارت ديگر، نفوذ زياد نمک از داخل ممبرين اجازه نخواهد داد که

غلظت های نمک در دو بخش بسیار متفاوت باقی بمانند. بنابراين زمانی که نفوذ نمک زياد است، فشار اسمزی

تاثیر کم تری دارد.

چگونگی استفاده عملی از اسمز معکوس و نانوفیلتر

در عمل اسمز معکوس و نانوفیلتر جزو روش های جداسازی با جريان متقاطع هستند. فرآيند ساده شده ای

در شکل 5-۱ نشان داده شده است.

شکل 5-۱ فرآيند اسمز معکوس

آب به طور پیوسته با فشار زياد توسط يک پمپ فشارقوی داخل سیستم ممبرين جريان می يابد. داخل

سیستم ممبرين، آب خوراک به محلول نمکی )concentrate( و آب تصفیه شده )permeate( تقسیم

می شود. سوپاپ تنظیم يا شیر پساب )concentrate valve( درصد آب خوراکی را تنظیم می کند که به

دو جريان آب غلیظ شده و آب تصفیه شده تبديل می شود.

پارامترهای کلیدی در فرآيند اسمز معکوس / نانوفیلتر به شرح زير می باشد:

بازيافت )recovery(: به معنی درصدی از آب خوراک سیستم ممبرين است که سبب تولید آب خالص

)permeate( می شود.طراحی سیستم ممبرين بر اساس کیفیت مورد انتظار آب ورودی و بازيافت می باشد

که توسط شیرهای جريان غلیظ شده تنظیم می شود. مقدار بازيافت اغلب در باالترين سطحی که در آن جريان

آب خالص حداکثر است، ثابت می شود البته به صورتی که از رسوب نمک های فوق اشباع در داخل سیستم

2۸

روش های نوين تصفیه آب2۸

ممبرين جلوگیری شود.

مقدار دفع )rejection(: يعنی درصد غلظت نمک حذف شده از آب خوراک سیستم توسط ممبرين. در

اسمز معکوس بسیار اهمیت دارد که دفع کل جامدات حل شده )TDS( مقدار زيادی باشد. همان طوری که

در نانوفیلتر بايد امکان رد شدن سختی آب زياد و امکان رد شدن مواد آلی کم باشد.

)passage( به کار می رود، میزان عبور )rejection( به معنی خالف مقدار دفع :)passage( مقدار عبور

عبارت است از درصد اجزای حل شده در آب خوراک که قادر خواهند بود از ممبرين عبور کنند.

آب تصفیه شده )permeate(: آب خالص تولید شده توسط سیستم ممبرين

جريان )flow(: جريان خوراک که عبارت است از سرعت آب خوراک ورودی به المان ممبرين يا سیستم

ممبرين، که معموال بر حسب گالن در دقیقه )gpm( يا متر مکعب در ساعت )m 3/ h( اندازه گیری می شود.

جريان غلیظ شده عبارت است از سرعت جريان آب خوراک غیر خالص که از المان ممبرين يا سیستم ممبرين

خارج می شود.

اين جريان غلیظ که دارای بیش ترين مواد حل شده است و از طريق مخزن آب خوراک به سیستم ممبرين وارد

می شود، معموال بر حسب گالن در دقیقه )gpm( و يا متر مکعب در ساعت )m 3/ h( اندازه گیری می شود.

شدت جريان نفوذ )flux(: شدت جريان آب تصفیه شده انتقال يافته در واحد سطح ممبرين است که معموال

بر حسب گالن بر فوت مربع در روز )gfd( يا لیتر بر متر مربع در ساعت )l/m 2.h( اندازه گیری می شود.

عوامل موثر در عملکرد اسمز معکوس و نانوفیلتر

شدت جريان نفوذ آب تصفیه شده و مقدار دفع نمک، پارامترهای کلیدی در عملکرد فرآيندهای اسمز

معکوس و نانوفیلتر می باشند. تحت شرايط خاص، شدت جريان نفوذ و مقدار دفع جزو خواص ذاتی عملکرد

ممبرين می باشند. اصوال اين دو خاصیت تحت تاثیر عوامل زير می باشند:

ـ فشار

2۹

2۹ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

ـ دما

ـ بازيافت

ـ غلظت نمک در آب خوراک

نمودارهای زير تاثیر اين پارامترها را، زمانی که سه عامل ديگر ثابت هستند، نشان می دهند. اين نمودارها

عمال در مورد تاثیر دو يا چند عامل مشترک هستند. شکل 6-۱، شکل 7-۱، شکل ۸-۱ و شکل ۹-۱ مثال های

کیفی از عملکرد اسمز معکوس می باشند. اين توابع می توانند با مدل نفوذ محلول که در بخش 2-۱۱-۳ توضیح

داده می شود، درک شوند. در نانوفیلتر، دفع نمک بستگی کمی به شرايط عملیاتی دارد.البته نبايد از چند عامل

اصلی که مستقیما در عملکرد سیستم ظاهر نمی شوند، غفلت ورزيد.

اين عوامل شامل نگه داری و بهره برداری از دستگاه، همراه با طراحی مناسب پیش تصفیه مهم می باشند.

توجه به اين سه پارامتر بسیار مهم در عملکرد سیستم اسمز معکوس، بايد مورد توجه OEM )سازنده

تجهیزات اصلی ( و استفاده کننده قرار گیرد.

نفوذ آب تصفیه شده زياد می شود و افزايش فشار موثر خوراک، شدت جريان )pressure(:با فشار

TDS آب خالص هم کاهش می يابد. اين مسئله در شکل 6-۱ نشان داده شده است.

دما )temperature(:اگر دما زياد شود و ساير پارامترها ثابت باشند، شدت جريان نفوذ آب تصفیه شده

خالص و عبور نمک زياد می شود. )شکل 7-۱ را ببینید. (

بازيافت )recovery(:بازيافت عبارت است از نسبت جريان آب خالص به جريان آب خوراک. با افزايش

بازيافت، تراوش آب خالص کاهش می يابد. اگر غلظت نمک به مقداری برسد که فشار اسمزی محلول نمکی

در مقايسه با فشار خوراک زياد باشد، مقدار نفوذ متوقف می گردد.

مقدار دفع نمک با افزايش باز يافت کاهش می يابد. )شکل ۸-۱ را ببینید.(

غلظت نمک در آب خوراک: شکل ۹-۱ تاثیر غلظت نمک در آب خوراک را بر روی مقدار نفوذ آب

تصفیه شده و مقدار دفع نمک نشان می دهد.

۳0

روش های نوين تصفیه آب۳0

شکل 6-۱: عملکرد فشار

شکل 7-۱: عملکرد دما

شکل ۸-۱: عملکرد بازيافت

شکل ۹-۱ عملکرد غلظت نمک در آب خوراک

۳۱

۳۱ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

جدول ۱-۱ خالصه ای از تاثیر عوامل مهم بر روی نحوه عملکرد اسمز معکوس را نشان می دهد.

جدول ۱-۱: عوامل مهم در عملکرد اسمز معکوس

4-1 تعریف ممبرین

ممبرين FILMTEC يک فیلم نازک کامپوزيتی می باشد که از سه اليه ساخته شده است: اليه محافظتی

پلی استری نگه دارنده رطوبت، اليه داخلی از جنس پلی سولفون بسیار ريز، و يک اليه بسیار نازک پلی آمید

که بر روی سطح ممبرين کشیده شده است. هر اليه به جهت رفع نیازهای به خصوصی در نظر گرفته شده است.

نمايی از ممبرين در شکل ۱0-۱ نشان داده شده است.

FILMTEC شکل ۱0-۱ نمای مقطع نازکی از ساختمان ممبرين

شرکت FILMTEC برای خالص سازی آب دو نوع متفاوت از ممبرين های پلی آمید را تولید می کند. اولی

chemistryFT80 است که يک پلی آمید آروماتیک بوده و در ممبرين های اسمز معکوس و نانوفیلتر

FILMTEC NF90 استفاده می شود و امتیاز آن متعلق به John Caddotte، سال ۱۹6۹ می باشد.

نوع دوم ترکیبی از پلی آمید آروماتیک و آلیفاتیک است و در تمام ممبرين های نانوفیلتر استفاده می شود که

کاربرد اين نوع هم نخستین بار توسط John Caddotte از شرکت FILMTEC گسترش يافته است.

۳2

روش های نوين تصفیه آب۳2

حاال پس از گذشت سی سال از اين نوآوری ها در شرکت FILMTEC، استفاده از ممبرين های اسمز

معکوس و نانوفیلتر در صنعت گسترش يافته است. ممبرين های FILMTEC می تواند جريان عملیاتی در

محدوده 0/04 تا gfd/psi 0/55 ) ۱ تا l/m2 .h.bar ۱4( را پوشش دهد. اين محدوده ۱4 واحدی مربوط

به مقدار نفوذ آب در دو نوع پلی آمیدی است که اختالف اندکی در ساختار و اختالف بیش تری در درصد

رطوبت دارند، ممبرين FT30 آروماتیک و ممبرين نانوفیلتر آلیفاتیک /آروماتیک. نوع دوم گاهی اوقات

ممبرين پلی پايپرازين نامیده می شود.

شکل ۱۱-۱ ساختار تقريبی ممبرين پلی آمید آروماتیکی FT30 را نشان می دهد. در شکل هر دو گروه

انتهايی آمینی و کربوکسیالتی نشان داده شده است.

FT۳0 شکل ۱۱-۱: اليه محافظ ممبرين پلی آمید آروماتیکی

ممبرين FT30 ساختاری از پلی آمید آروماتیکی است که از ۱و ۳ فنیل دی آمین و تری کلريد اسید

بنزن ساخته شده است. اين ترکیب از نظر شیمیايی بسیار مقاوم بوده و از نظر ساختاری جزو پلیمرهای قوی

محسوب می گردد که دارای اسید کربوکسیلیک و آمین های آزاد )واکنش نداده ( در سطوح مختلف می باشد.

ثبات شیمیايی باال باعث دوام بیش تر و قدرت پاک کنندگی آسان تر مواد موجود در ممبرين است. ساختار

تقريبی بیش تر ممبرين های نانوفیلتر FILMTEC در شکل ۱2-۱ نشان داده شده است. اين ساختار مربوط

به يک پلی آمید آروماتیک / آلیفاتیک با گروه های انتهايی آمین و کربوکسیالت می شود.

۳۳

۳۳ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

شکل ۱2-۱: اليه محافظ ممبرين نانوفیلتر پلی آمید آروماتیک / آلیفاتیک

به جهت مقادير کم افزودنی ها و عوامل تجزيه کننده متفاوت موجود در بافت کريستالی اين نوع پلیمرها،

تعداد زيادی از نمک های تک ظرفیتی و دو ظرفیتی از اين پلیمر عبور می کنند. اين مسئله باعث می شود که ما

بتوانیم تعداد بیشتری از ممبرين های نانوفیلتر با قدرت انتخاب برای نمک های گوناگون جهت جداسازی های

مختلف، را طراحی کنیم. ساختار محافظ اصلی از بافت تنیده نشده ای تشکیل شده که برای تولید سطحی سخت

و صاف بدون هدر رفتن الیاف ها، فشرده شده است. از آن جا که اليه پلی استر نامنظم تر و متخلخل تر از آن

است که بتواند بستری مناسب برای اليه نازک نمک باشد، يک اليه میکرو متخلخل از پالستیک مهندسی

)پلی سولفون( بر روی اين سطح محافظ کشیده می شود. ضخامت پوشش پلی سولفون برای اين که سطح متخلخل

را به خوبی کنترل کند، تقريبا ۱50 آنگستروم می باشد. اليه محافظ تقريبا 2000 آنگستروم ضخامت دارد و

به علت وجود اليه محافظ پلی سولفون می تواند فشار باال را تحمل کند. ترکیب پوسته پلی استری و اليه پلی

سولفون سبب نفوذ باالتر آب در فشار باال می شود. اليه محافظ نسبتا ضخیم است بنابراين ساختار ممبرين

FILMTEC دارای مقاومت بااليی در برابر تنش های مکانیکی و تجزيه های شیمیايی می باشد.

5-1 عملکرد ممبرین

ممبرين های FILMTEC با اليه نازک کامپوزيت )composite( در موارد گوناگون و فراوان زير

۳4

روش های نوين تصفیه آب۳4

بسیار خوب عمل می کنند که شامل استفاده در کاربردهای فشار پايین آب های شهری، نمک زدايی از آب دريا،

خالص سازی آب لب شور، فرآيند شیمیايی و تصفیه پساب می باشد. اين ممبرين ها عملکرد خوبی در مقادير نفوذ

)flux(، دفع نمک و مواد آلی )rejection( و مقاومت میکروبیولوژی از خود نشان می دهند. المان های

FILMTEC می توانند در محدوده pH 2 تا ۱۱ به خوبی عمل کنند و نیز نسبت به فشردگی مقاوم بوده و

برای دماهای تا 45 درجه سانتی گراد مناسب می باشند. اين المان ها می توانند در pH بین ۱ تا ۱2 به طور موثری

تمیز شوند. عملکرد آن ها در طی چند سال حتی تحت شرايط سخت عملیاتی می تواند ثابت بماند.

ممبرين در برابر حضور کلر )هیپوکلريت ( در مدت زمان کوتاهی می تواند مقاومت کند. حد مجاز کلر

آزاد برای ممبرين، کمتر از ppm 0/۱ می باشد. چنان چه ممبرين در معرض مداوم کلر قرار گیرد، ممکن

است آسیب ببیند و بايد از بروز اين حالت اجتناب نمود. تحت شرايط معین، حضور کلر آزاد و ساير عوامل

اکسید کننده سبب خرابی زودهنگام ممبرين می شود. به جهت اين که عامل مخرب اکسیداسیون در دوره

تضمین ممبرين بروز نکند، شرکت FILMTEC حذف رسوب کلر آزاد توسط پیش تصفیه ای که قبل از

ممبرين تعبیه می شود، را توصیه می کند. برای اطالعات بیش تر به بخش ۳-6-2 مراجعه نمايید.

مقادير آب قابل نفوذ و محلول قابل نفوذ خواص عملیاتی ممبرين را مشخص می کنند.

ممبرين ايده آل جهت اسمز معکوس دارای قابلیت نفوذ باال برای آب و قابلیت نفوذ برابر صفر برای نمک

می باشد. ممبرين ايده آل جهت نانوفیلتر نیز دارای قابلیت نفوذ باال برای آب است اما قابلیت نفوذ ايده آل برای

محلول ها در آن می تواند صفر يا مقدار مثبت ديگری باشد که بستگی به محلول و کاربرد ممبرين دارد. برای

مثال قابیلت نفوذ برای آفت کش ها برابر با صفر و برای يون های کلسیم برابر با 50 است.

سیستم های ممبرين نوعا برای مقدار تراوش ثابتی طراحی و به کار برده می شوند. بخش ۳ را ببینید، طراحی

سیستم ممبرين، فشار خوراک برای ممبرين ها با قابلیت نفوذ باالی آب، پايین است. بنابراين انرژی عملیاتی در

واحد تراوش مورد نظر، کم می باشد.

جدول 2-۱ مقايسه بین عملکرد ممبرين های مختلف بر اساس مقدار تراوشی که نوعا داده می شود، در

۳5

۳5 اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

سیستم های ممبرين را نشان می دهد.

FILMTEC جدول 2-۱: عملکرد برخی از ممبرين های

به عنوان يک اصل عمومی، ممبرين ها با قابلیت نفوذ باال برای آب ) فشار خوراک پايین ( دارای قابلیت نفوذ

باالتری برای نمک، نسبت به ممبرين های با قابلیت نفوذ کم برای آب هستند. قابلیت نفوذ محلول ها با افزايش

عوامل زير کاهش می يابد )دفع زياد می شود(:

درجه تفکیک )degree of dissocaiation(: اسیدهای ضعیف مانند اسید الکتیک در pH باالتر،

دفع )rejection(بهتری دارند.

باريونی )ionic charge(: يون های دو ظرفیتی مقدار دفع بهتری نسبت به يون های تک ظرفیتی دارند.

وزن مولکولی: )molecular weight(: مولکول های با وزن مخصوص باال، مقدار دفع بهتری دارند.

غیر قطبی بودن )nonpolarity(: مواد با قطبیت کمتر مقدار دفع بهتری دارند.

درجه هیدراتاسیون )degree of hydration(: گونه هايی که هیدراتاسیون بااليی دارند مانند کلريدها،

نسبت به بقیه دسته ها مانند نیترات ها دارای مقدار دفع بهتری هستند.

درجه انشعاب مولکولی )degree of branching (: مانند ايزو پروپانول که نسبت به n – پروپانول،

دفع بهتری دارند.

6-1 ممبرین FILMTEC مطمئن جهت استفاده در فرآیند غذایی

طبق قوانین مربوط به افزودنی های خوراکی، غذا، دارو و لوازم آرايشی فدرال، سطوح در تماس با ترکیبات

استفاده شده در محصوالت خوراکی، شامل آب بايد به طور کامل با مقررات وضع شده توسط مديريت غذا و

۳6

روش های نوين تصفیه آب۳6

دارو آمريکا )FDA( برای اخذ تائیديه حصول اطمینان برای استفاده، منطبق باشد. بر طبق تعهد طوالنی مدت

FILMTEC و تمام ممبرين های FILMTEC FT30 برای حفظ کیفیت، برای ممبرين اسمز معکوس

NF برای ارزيابی و گرفتن تائیديه در خواست داده شده است.

بايد درخواست ابتدا کامل طی شود. به طور بايد تمامی مراحل و بوده اخذ تائیديه از FDA مشکل

اين درخواست شامل اطالعاتی در خصوص مشخصات مربوط به افزودنی خوراکی به FDA ارائه شود.

شیمیايی و ترکیب اجزای سازنده و خواص فیزيکی، شیمیايی و بیولوژيکی آن می باشد. درخواست دهنده بايد

درباره استفاده ی پیشنهاد شده برای اجزای سازنده که شامل تمام دستورالعمل ها، توصیه ها و پیشنهادات الزم

است، توضیح کامل ارائه دهد. اين اطالعات بايد مربوط به اجزای سازنده ی تاثیر گذاری باشد که در چنین

روشی استفاده می شوند. عالوه بر اين، اطالعات تجربی مربوط به ترکیبات سازنده ای که به طور مستقیم يا

غیر مستقیم بر روی داده های مربوط به خوراک اثر گذار هستند، بايد به طور مرتب ارائه شوند. باالخره

چنین درخواستی بايد با قوانین زيست محیطی مربوط به فرآيند ساخت و استفاده نهايی از چنین ساختاری،

مطابق شود.

درخواست ها از نقطه نظر خواص بیولوژی ساختار، توسط FDA ارزيابی شده و ايمنی آن ها برای استفاده

پیشنهادی تايید می گردد. اطالعات و روش های تجربی نیز به جهت مناسبت و حصول اطمینان ارزيابی می شوند.

به عنوان راهنمای اين بررسی، FDA از اصول و روش های ايمنی برای افزودنی های خوراکی تعیین شده در

نشريه جاری انجمن تحقیقات علوم دانشگاه ملی، استفاده می کند. ممبرين های اسمز معکوس و نانو فیلتر اجازه

استفاده در فرآيند خوراکی مايع و زالل سازی آب برای کاربردهای غذايی را دارا می باشند. اين مجوز در

مجموعه قوانین موجود در مقررات فدرال تحت عنوان 2۱، بخش ۱77/2550 مربوط به ممبرين های اسمز

معکوس آورده شده است. ممبرين اسمز معکوس FT30 مانند ممبرين های نانو فیلتر مطابق با اين قوانین

می باشد.

۳7

۳7 اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

7-1 ساختار المان

ممبرين FILMTEC ممبرين هايی با ترکیب اليه ای نازک هستند که با پیکره ای مارپیچی بسته بندی

شده اند. برای بیش تر کاربردهای اسمز معکوس در تصفیه آب، طراحی مارپیچ در مقايسه با ديگر مدل های

طراحی ديگر مانند لوله ای، صفحه ای، قابی و فیبر توخالی دارای مزايای بیش تری می باشد.

نوعا پیکره ی مارپیچی، با داشتن استاندارد صنعتی برای ممبرين های اسمز معکوس و نانوفیلتر در تصفیه آب،

به جهت هزينه اندک تعويض، سیستم لوله کشی ساده تر، نگه داری آسان تر و آزادی بیش تر در طراحی، نسبت

به ديگر پیکر بندی ها ترجیح داده می شود.

ساختار المان ممبرين مارپیچی FILMTEC همانند نصب آن در لوله تحت فشار به طور نمادين در

شکل ۱۳-۱ نشان داده شده است. المان FILMTEC بر حسب قطر المان و نوع آن دارای ۱ يا بیش تر از

۳0 ورقه ممبرين است.

با استفاده از فرآيند ساخت خودکار منحصر به فرد FILMTEC، هر ورقه از دو تخته ممبرين که پشت

به پشت بهم چسبیده اند، با فضای خالی مربوط به آب تصفیه شده در بین آن ها، تشکیل شده است. فرآيند خود

کار FILMTEC موجب پايداری خطوط چسبیده شده با پهنای در حدود ۱/5 اينچ ) 4 سانتی متر( می شود

که از طرف داخل )آب تصفیه شده( در برابر طرف خارجی ) خوراک / محلول غلیظ شده ( آب بندی شده

است. يک نوار چسب در انتهای مربوط به قسمت خوراک و محلول غلیظ شده در المان، و نیز قطر بیرونی

المان وجود دارد.

طرف باز ورقه متصل بوده و در مقابل قسمت مرکزی منفذ دار در لوله مربوط به آب تولید شده که آب

تصفیه شده را از میان تمام ورقه ها جمع آوری می کند، آب بندی می شود.

ورقه ها به صفحه ای که محل عبور خوراک در بین آن هاست کوبیده می شود و کانالی برای جريان خوراک

و محلول غلیظ شده مهیا می گردد. در هنگام بهره برداری، از میان کانال های مربوط به خوراک، آب ورودی

به سطح المان وارد شده و از طرف مخالف تحت نام محلول غلیظ شده خارج می گردد. بخشی از آب خوراک،

۳۸

روش های نوين تصفیه آب۳۸

نوعا ۱0 الی 20 از میان ممبرين به داخل ورقه ها نفوذ کرده و از داخل لوله مربوط به آب تصفیه شده خارج

می گردد.

وقتی که المان ها برای تولید شدت جريان های باالی آب تصفیه شده استفاده شوند، افت فشار در جريان

آب تصفیه شده داخل ورقه ها، بازدهی المان را کاهش می دهد. بنابراين المان های FILMTEC از جهت

زياد بودن تعداد ورقه های کوتاه تر ممبرين و ضخامت و چسبندگی خطوط چسب زده شده بايد بهینه باشند.

هم چنین ساختار المان FILMTEC از نظر سطح فعال ممبرين ) سطح داخلی خطوط چسب زده شده (

و اندازه فضای مربوط به خوراک بايد بهینه شود. بهره وری المان با زياد شدن سطح فعال باال می رود. در

صورتی که فضای باز مربوط به خوراک مساله رسوب گرفتگی را کم کرده و باعث تمیز شدن بهتر می شود.

چنین دقتی در ساخت المان تنها می تواند با استفاده از تجهیزات ساختاری دقیق و پیشرفته خودکار حاصل شود.

مقطع لوله آب تصفیه شده با ورقه های متصل شده در شکل ۱4-۱ نشان داده شده است.

در سیستم ممبرينی، المان ها داخل لوله تحت فشار به صورت سری قرار می گیرند. محلول غلیظ شده از آب

خوراک در اولین المان به دست می آيد و داخل دومین المان و المان های بعدی می شود. لوله های آب تصفیه

شده توسط اتصاالت درونی )چسباننده – coupler نیز نامیده می شوند( به هم متصل می گردند. آب تصفیه

شده کل از طرف ديگر ) برخی اوقات از دو طرف ( لوله تحت فشار خارج می گردد.

شکل ۱۳-۱: ساختار المان ممبرينی FILMTEC RO مارپیچی

۳۹

۳۹ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

شکل ۱4-۱: مقطع لوله آب تصفیه شده عبور کرده از قسمت خطوط چسب زده شده در ورقه ها ) فلش ها

فضای بین ورقه ها را نشان می دهند. (

8-1خواص المان

نوع نظر از می توانند آن ها می دهد. پوشش را کاربرد ها از وسیعی محدوده FILMTEC المان های

اين از برخی FILMTEC المان های نام بندی شوند. و عملکرد طبقه اندازه پوشش خارجی، ممبرين،

اطالعات را نشان می دهد.

نام گذاری:

المان های با قطر کوچک تر از ۸ اينچ، بر طبق جدول ۳-۱ نام گذاری می شوند. اولین بخش اسم، ممبرين و

نوع استفاده از آن را مشخص می کند ؛ مثال BW30 مربوط به ممبرين brackish water FT30 قابل

استفاده برای آب های لب شور می باشد. بخش دوم اسم، اندازه المان را مشخص می کند، مثال 2540 المانی با قطر

2/5 اينچ و طول 40 اينچ می باشد.

40

روش های نوين تصفیه آب40

جدول ۳-۱: نام گذاری المان های کوچک تر از ۸ اينچ

نمونه ای از نامگذاری برای المان های FILMTEC در زير آورده شده است:

طول المان بر حسب اينچ

قطر المان، تقسیم بر ۱0، بر حسب اينچ

FT30 - خانواده المان

TW- آب شهری

BW- آب لب شور

SW - آب دريا

SWHR - آب دريا با دفع زياد

المان های ۸ اينچ دارای قطر ۸ اينچ و طول 40 اينچ می باشند. آن ها بر طبق فعالیت عملی سطح ممبرين بر

حسب فوت مربع نام گذاری می شوند، مثال المان BW30 -400 سطح ممبرينی فعال برابر با 400 فوت مربع

را دارا می باشد.

نام برخی از انواع ممبرين دارای پسوند است. مانند FF يا FR. اين عالئم مربوط به خصوصیات المان يا

ممبرين می باشد.

FR :مقاوم در برابر رسوب

FF: )FULLFIT( بسیار مجهز

ممبرین:

انواع ممبرين های زير در المان های FILMTEC استفاده می شوند:

NF270: ممبرين نانو فیلتر با بهره وری باال جهت حذف ارگانیک ها با عبور متوسط برای نمک و سختی.

4۱

4۱ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

NF200: ممبرين نانو فیلتر برای دفع باالی TOC و atrazine زياد و عبور کلسیم متوسط.

NF90: ممبرين نانو فیلتر جهت حذف ۹0 از نمک، حذف باالی آهن و آفت کش ها و علف کش ها و

.TOC

NF: ممبرين نانو فیلتر جهت استفاده در کاربرد های غیر آبی.

شیر آب برای معکوس اسمز برای نوعا باال، دفع با شور لب آب برای FT30 ممبرين :TW30

)TAP WATER( استفاده می شود.

TW30LP: ممبرين TW30 قابل استفاده در فشار پايین.

BW30: ممبرين FT30 برای آب لب شور با دفع باال.

RO: ممبرين اسمز معکوس قابل استفاده در المان های fullfit برای موارد بهداشتی.

.fullfit با قابلیت ضد عفونی کردن باال قابل استفاده در المان های RO ممبرين :HSRO

BW30LE: ممبرين BW30 با انرژی پايین.

SG: ممبرين FT30 نیمه هادی برای آب فوق العاده خالص اسمز معکوس.

SG30LE: ممبرين SG30 با انرژی پايین.

XLE: ممبرين RO با انرژی به شدت پايین برای RO آب لب شور با کم ترين فشار.

RO آب دريا با خواص بهداشتی اندک و سرد يا RO برای آب دريا، نوعا برای RO ممبرين :SW30

آب لب شور با خواص بهداشتی باال استفاده می شود.

SW30HR: ممبرين RO برای آب دريا با دفع زياد نمک، نوعا برای نمک زدايی از آب دريا با يک

گذر استفاده می شود.

SW30HRLE: ممبرين RO برای آب دريا با دفع زياد نمک، نوعا برای نمک زدايی از آب دريا با

انرژی کم استفاده می شود.

SW30XLE: ممبرين برای نمک زدايی آب دريا با مصرف انرژی بسیار کم.

42

روش های نوين تصفیه آب42

اندازه المان:

طول استاندارد المان ممبرين 40 اينچ می باشد. ) ۱0۱6 میلی متر ( المان های کوتاه تر برای سیستم های کوچک

و فشرده نیز موجود هستند مانند ۱4 اينچ ) ۳56 میلی متر ( و 2۱ اينچ ) 5۳۳ میلی متر (.

المان های RO برای آب قابل نوشیدن خانگی طول ۱2 اينچ و قطر ۱/۸ اينچ داشته و داخل محفظه ای با

قطر داخلی 2 اينچ قرار می گیرند.

قطر استاندارد المان های FILMTEC 2/5، 4 و ۸ اينچ ) 6۱، ۹۹و 20۱ میلی متر ( می باشد. اين المان ها

برای لوله های تحت فشاری به اندازه 2/5 و 4 و ۸ اينچ مناسب هستند.

پوشش خارجی المان:

پوشش خارجی المان های FILMTEC نواری، فايبر گالس يا پلی پروپیلن منفذ دار می باشد. المان های

مربوط به آب شهری و آب قابل نوشیدن خانگی با پوشش نواری بوده و ديگر انواع المان ها به جز المان های

فول فیت ) fullfit ( با فايبر گالس پوشش داده می شوند. برای موارد بهره برداری که تحت شرايط سخت

انجام می شود، فايبر گالس باعث افزايش استحکام فیزيکی المان می گردد. المان های FILMTEC دارای

مسیر کنار گذر طراحی شده می باشند که در حین بهره برداری، سطح بدون فعالیت را حداقل می کند. چنین

المان هايی برای کاربرد های بهداشتی بهینه هستند.

عملکرد المان:

عملکرد تمام المان های FILMTEC بر روی برگه های اطالعاتی مربوط به تولیدات، توضیح داده شده

است. جمع بندی اندازه های موجود و محدوده عملکرد جريانی آن ها در جدول 4-۱ نشان داده شده است.

4۳

4۳ اساس اسمز معکوس و نانو فیلتر

FILMTEC جدول 4-۱: انواع المان های

شرايط آزمايشی استاندارد المان بر حسب نوع ممبرين متفاوت می باشد. جدول 5-۱ خالصه ای از شرايط

آزمايشی استفاده شده برای تعیین عملکرد المان های FILMTEC را دارا می باشد.

FILMTEC جدول 5-۱: شرايط آزمايشی استاندارد برای المان های