مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون:

۱. مقدمه

نانو فیلتراسیون (NF) یک فرآیند غشایی با اندازه منافذ ۰.۱ تا ۱ نانومتر است که قادر به حذف ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا (۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون)، یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca²⁺، Mg²⁺) و آلاینده‌های میکروبی است. این روش برای نرم‌سازی آب، حذف فلزات سنگین و کاهش کدورت کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• حذف فیزیکی: ذرات بزرگتر از اندازه منافذ غشا به دام می‌افتند.

• دافعه بار الکتریکی: غشاهای NF معمولاً بار منفی دارند و یون‌های مثبت (مثل Ca²⁺) را دفع می‌کنند.

• انتقال حل‌شونده: ترکیبات خنثی با وزن مولکولی پایین ممکن است از غشا عبور کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع غشا پلی آمید، سلولز استات انتخاب بر اساس نوع آلاینده و pH آب

فشار عملیاتی ۵–۲۰ بارفشار بالاتر برای آب‌های شور

درجه بازیابی ۵۰–۸۵٪ نسبت آب تصفیه‌شده به آب ورودی

شار غشایی ۱۰–۳۰ LMH (لیتر/متر²/ساعت) بهینه برای جلوگیری از گرفتگی

pH آب ۳–۱۰ جلوگیری از تخریب غشا

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه سطح غشا مورد نیاز

سطح غشا (m²) = دبی آب تصفیه‌شده (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۱۰۰ / (۲۰ × ۲۴) ≈ ۰.۲۱ m².

ب. محاسبه انرژی مصرفی

انرژی (kWh/m³) = (فشار (bar) × دبی (m³/h)) / (۳۶۰۰ × راندمان پمپ)  

• مثال: فشار ۱۵ بار، دبی ۵ m³/h، راندمان ۷۰% → انرژی ≈ (۱۵ × ۵) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۳ kWh/m³.

ج. بازیابی آب

بازیابی (%) = (دبی آب تصفیه‌شده / دبی آب ورودی) × ۱۰۰  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• پیش‌تصفیه: فیلترهای شنی، میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی غشا.

• ممبران NF: ماژول‌های مارپیچی (Spiral Wound) یا صفحه‌ای (Flat Sheet).

• پمپ فشار بالا: از جنس استیل ضدزنگ برای تحمل فشار عملیاتی.

• سیستم شستشوی معکوس (CIP): استفاده از محلول‌های اسیدی یا بازی برای احیای غشا.

ب. مصالح و مواد

• غشا: پلی آمید نازک (TFC) یا سلولز استات.

• محفظه فشار: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

• لوله‌کشی: PVC مقاوم به فشار یا استیل.

۶. اجرا و مراحل راه‌اندازی

۱. پیش‌تصفیه آب: حذف ذرات معلق > ۱۰ μm با فیلترهای کارتریج.
۲. تنظیم pH: اسیدی یا بازی کردن آب برای جلوگیری از رسوب‌گیری (مثلاً تنظیم pH ≈ ۶–۸).
۳. تزریق آنتی‌اسکالانت: جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی روی غشا.
۴. راه‌اندازی سیستم: افزایش تدریجی فشار برای جلوگیری از شوک به غشا.
۵. پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار، شار، و هدایت الکتریکی آب خروجی.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی غشا (Fouling):

  • علت: تجمع مواد آلی، معدنی یا بیولوژیکی.

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول NaOH (pH ۱۲) یا اسید سیتریک (pH ۲).

• رسوب‌گیری (Scaling):

  • علت: اشباع نمک‌های کلسیم یا سولفات.

  • راهکار: تزریق آنتی‌اسکالانت (مثل پلی آکریلیک اسید).

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در قسمت‌های مرطوب.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب ورودی: ۵۰ m³/day

• آلاینده اصلی: سولفات (SO₄²⁻) با غلظت ۸۰۰ mg/L

• هدف: کاهش سولفات به ≤ ۲۰۰ mg/L

محاسبات:

• شار غشایی: ۱۵ LMH → سطح غشا = ۵۰ / (۱۵ × ۲۴) ≈ ۰.۱۴ m².

• فشار عملیاتی: ۱۰ بار → انرژی مصرفی ≈ (۱۰ × ۲.۰۸) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۰۸ kWh/m³.

• بازیابی آب: ۷۰% → دبی پساب غلیظ = ۵۰ × ۰.۳ = ۱۵ m³/day.

تجهیزات:

• ماژول مارپیچی با سطح ۰.۲ m².

• پمپ فشار بالا با ظرفیت ۳ m³/h.

• سیستم تزریق آنتی‌اسکالانت با دوز ۲ mg/L.

۹. پیشرفت‌های نوین

• غشاهای نانوکامپوزیتی: ترکیب نانوذرات (مثل TiO₂) برای افزایش مقاومت شیمیایی.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب NF با اسمز معکوس (RO) یا اکسیداسیون پیشرفته (AOPs).

• غشاهای کم‌انرژی: کاهش فشار عملیاتی تا ۵ بار با استفاده از غشاهای نسل جدید.

۱۰. نتیجه‌گیری

نانو فیلتراسیون به عنوان یک روش کارآمد و انعطاف‌پذیر، جایگاه ویژه‌ای در تصفیه آب صنعتی و شرب دارد. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آب ورودی، انتخاب غشای مناسب و مدیریت چالش‌هایی مانند گرفتگی، کلید موفقیت سیستم است. فناوری‌های نوین مانند غشاهای نانوکامپوزیت و سیستم‌های هوشمند پایش، آینده این روش را متحول خواهند کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقایسه تصفیه ثالثیه با استفاده از نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس برای استفاده مجدد آب در صنایع نساجی

دانلود

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در همه روش‌های پیشرفته تصفیهٔ آب مهمترین هدف تصفیه، حذف املاح محلول در آب می باشد ولی نکته مهمی که وجود دارد این است که برای کاربردهای مختلف، آب با درجه خلوص متفاوتی مورد نیاز می باشد برای مثال در صنعت داروسازی و یا تولید سوخت هستهای آب مورد نیاز، آب فوق خالص (Ultra Pure) می باشد لذا طبیعی است برای تولید آب با درجه خلوص بیشتر باید هزینه بیشتری صرف شود، ولی برای برخی دیگر از کاربردها آب با خلوص بسیار زیاد مورد نیاز نمی باشد.

برای مثال آب استفاده شده در برجهای خنک کننده (Cooling Tower) باید صرفا از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد. در چنین کاربردهایی می توان از سیستم‌هایی با درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود.

یکی از این روشهای تصفیه مرسوم در دنیا، روش نانو فیلتراسیون می باشد. یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند. نانوفیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون مزایای ویژه‌ای دارد، از جمله آن‌که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آبِ حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامدِ آن افزایش قیمت این روش است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نانو فیلتراسیون

نانو فیلترها در اصل فیلتراسیون با فشار پایین تر است بنابراین قیمت تمام شده نانو فیلترها و انرژی مصرفی آنها كم است. سيستم‌هاي N.F عمدتاً براي تصفيه آب آشاميدني و يا پيش تصفيه قبل از اسمز معکوس به منظور حذف کدورت، جامدات معلق، ويروس، رنگ، مواد آلي و نمک‌هاي دو ظرفيتي به بالا بکار برده مي‌شود. سيستم‌هاي N.F

به دليل قطر كمتر منافذش، قابليت حذف سختي آب و نمك‌هاي چند ظرفيتي را دارند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب