فناوری نانو در اصل در برگیرنده کلیه روشها و فناوریهای مرتبط با فرایندهای ساخت، دستکاری و شناسایی ذرات یا ترکیبات با اندازه کمتر از 100 نانومتر است. این فناوری که به عنوان یک فناوری پلتفرمی[1] شناخته میشود، در بسیاری از حوزههای کاربردی با ایجاد یک بستر سختافزاری، آن هم در کوچکترین مقیاس ممکن، فناوریها و علوم دیگر را نیز توانمند میسازد. یکی از اصلیترین مزایای فناوری نانو، بر اساس این حقیقت استوار است که با استفاده از این فناوری میتوان ساختار مواد را در ابعاد نانو و برای دستیابی به خواصی ویژه، کنترل و بهینه سازی نمود. بر این اساس، تا به امروز محصولات متعددی در حوزههای مختلف توسعه یافته، تجاری سازی شده و در بازارها در دسترس هستند.
تصویر صرفا جهت استفاده گرافیست
- غشا و فرایندهای غشایی
به طور کلی غشا به عنوان یک سد یا مانع گزینشی[2] بین دو فاز (مایع یا گاز) قرار میگیرد. به این معنا که نسبت به برخی ذرات، مولکولها یا ترکیبات خاص موجود در آب به صورت تراوا عمل میکند و مانع عبور برخی دیگر میشود. غشاها از ترکیبات مختلفی (مثل پلیمرها، سرامیکها و…) ساخته میشوند و یک شرایط ایدهآل برای آنها این است که در کنار برخورداری از مقاومت مکانیکی مناسب، قادر باشند با گزینشپذیری[3] و بازده[4] بالا ترکیبات مورد نظر (بسته به کاربرد) را از خود عبور دهند. غشاها انواع مختلفی دارند و فرایندهای مبتنی بر غشاها را میتوان بر اساس مولفههای مختلفی طبقه بندی نمود؛ از جمله:
- بر اساس نیروی محرکه[5]؛ که مواردی همچون اختلاف فشار (مثل اسمز معکوس)، اختلاف دما (مثل تقطیر غشایی)، اختلاف پتانسیل الکتریکی (مثل الکترودیالیز)، اختلاف یا گرادیان غلظتی[6] (مثل دیالیز) و اختلاف فشار جزئی[7] (مثل جداسازی گاز) را در برمیگیرد.
- بر اساس کاربردهای خاص غشاها مثل غشاهای تصفیه آب، غشاهای مورد استفاده در صنایع غذایی، غشاهای مورد استفاده در صنایع داروسازی و… .
- بر اساس سازوکار عملکرد غشاها مثل فیزیکی، مکانیکی، الکتروشیمایی و… .
- بر اساس جنس غشاها مثل غشاهای پلیمری، غشاهای سرامیکی، غشاهای نانوالیاف و… .
- بر اساس اندازه حفرات غشا مثل میکروفیلتراسیون[8]، اولترافیلتراسیون[9] و… .
در این میان، طبقه بندی بر اساس اندازه حفرات غشا، متداولترین نوع طبقه بندی فرایندهای غشایی است. بر این اساس، فرایندهایی که از غشاهایی با ابعاد حفرات بزرگتر از 100 نانومتر استفاده میکنند، در زمره فرایندهای میکروفیلتراسیون قرار میگیرند. در حالیکه به فرایندهای مبتنی بر غشاهایی با ابعاد 10 تا 100 نانومتر، اولترافیلتراسیون، غشاهایی با ابعاد 1 تا 10 نانومتر، نانوفیلتراسیون[10] و غشاهایی با ابعاد کوچکتر از 1 نانومتر، اسمز معکوس[11] گفته میشود.
یک دسته نسبتا جدید از فرایندها/فناوریهای غشایی که در اصل از ادغام میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون با یک بیوراکتور (راکتور زیستی)[12] توسعه یافته است، فرایند/فناوری بیوراکتور غشایی[13] است که در ادامه گزارش به بررسی آن پرداخته خواهد شد.
تصویر صرفا جهت استفاده گرافیست
- بیوراکتور
به سیستم یا ادواتی که در آنها از یک محیط فعال بیولوژیکی (زیستفعال)[14] جهت انجام واکنشها یا فرایندهای مختلف دیگر استفاده میشود، بیوراکتور اطلاق میشود (شکل 1). این محیط فعال بیولوژیکی معمولا به وسیله میکروارگانیسمهای[15] موجود در سیستم ایجاد میشود. میکروارگانیسمهای مورد استفاده در این سیستمها گستره وسیعی همچون انواع مختلفی از باکتریها، ویروسها، جلبکها[16]، پروتوزوا[17]، آرکایا[18]، قارچها[19] و حیوانات میکروسکوپی (مثل کرمها) را در بر میگیرند. هر یک از این میکروارگانیسمها، با توجه به متابولیسم[20] خود میتوانند واکنش یا واکنشهای خاصی را انجام دهند که ماهیت آن میتواند شیمیایی، الکتروشیمیایی، فوتوشیمیایی، کاتالیستی و… باشد. به عنوان مثال انواع خاصی از باکتریها صرفا قادر به اکسید کردن آمونیاک و تبدیل نمودن آن به نیترات هستند و از این جهت به آنها باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک[21] یا AOB گفته میشود. در واقع، این واکنشهای انجام شده توسط میکروارگانیسمها هستند که باعث ایجاد مفهومی به نام بیوراکتور شده است.
امروزه بیوراکتورها کاربردهای بسیار متنوعی را در حوزههای مختلف علمی و صنعتی به خود اختصاص دادهاند (مثل صنایع زیستی، مهندسی بافت، مهندسی بیوشیمی، تصفیه فاضلاب و پساب و…). ناگفته مشخص است که اصلیترین جزء این سیستمها، همان بخش زیستفعال آن است که متناسب با کاربرد مورد نظر طراحی میگردد. در این قسمت عموما از میکروارگانیسمها یا سلولهای خاص (مثل باکتریها، آنزیمها، ویروسها، قارچها، جلبکها و…) استفاده میشود که عملکرد (یا فرایند) در نظر گرفته شده برای سیستم را به ارمغان میآورند. همچون سایر فرایندهای زیستی، فرایندهایی که در بیوراکتورها صورت میگیرند نیز به دو دسته هوازی[22] و بیهوازی[23] تقسیم بندی میشوند. میکروارگانیسمهایی که در بیوراکتورها مورد استفاده قرار میگیرند، یا در فاز مایع شناور[24] هستند و یا روی یک فاز جامد قرار گرفتهاند. در این میان، برای حالت شناور، گستره بیشتری از میکروارگانیسمها را میتوان استفاده نمود و قابلیت مقیاس پذیری[25] سیستمها بسیار بیشتر است. در نهایت لازم به ذکر است که بیوراکتورها از نظر نحوه عملکرد به دو دسته کلی پیوسته[26] و ناپیوسته (دستهای)[27] تقسیمبندی میشوند.
شکل 1. نمونهای از بیوراکتورهای صنعتی مورد استفاده در صنایع زیستی [1].
- بیوراکتورها و تصفیه فاضلاب
حدود 100 سال پیش و در سال 1914 متخصصانی از شرکت انگلیسی Savyhulme Sewage Works با نامهای آردِرن[28] و لاکِت[29] فرایند لجن فعال[30] را برای تصفیه فاضلاب معرفی نمودند. این فرایند که در آن از یک سری میکروارگانیسمها در کنار فرایند هوادهی[31] (جهت تامین اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسمها) برای تصفیه فاضلاب استفاده میشود، در اصل اولین کاربرد بیوراکتورها در تصفیه فاضلاب بوده است (شکل 2). فرایند لجن فعال به واسطه فعالیت میکروارگانیسمها و توانایی آنها در حذف آلایندههای آلی و معدنی، به قدری کارآمد است که کماکان یکی از اصلیترین گزینهها در تصفیه فاضلاب به شمار میآید و تصفیه خانههای بسیاری در سراسر دنیا از این فرایند بهره میبرند. در فرایند لجن فعال، یک سری واکنشها (شیمیایی، بیولوژیکی، الکتروشیمیایی و…) توسط میکروارگانیسمها صورت میپذیرد و محصول آن تودهها[32] و لختههایی از میکروارگانیسمها و ترکیبات دیگر خواهد بود که بایستی از سیستم حذف شوند. جهت حذف این ترکیبات، به طور معمول از حوضچههای ته نشینی[33] (بر اثر جاذبه زمین) و یا زلال سازها[34] استفاده میشود.
شکل 2. شمای سادهای از فرایند لجن فعال جهت تصفیه فاضلاب [2].
- بیوراکتورهای غشایی
همان گونه که اشاره شد، فرایند لجن فعال جهت حذف میکروارگانیسمهای اضافی و ترکیبات جامد ایجاد شده نیازمند مراحل ته نشینی و زلال سازی است. با این حال، این فرایندها که فرایندهای زمانبری هستند، قادر نیستند ترکیبات جامد را به صورت کامل حذف نمایند و حتی در صورت داشتن بهترین عملکرد هم مقادیری از ترکیبات جامد (چیزی در حدود 5 میلیگرم در هر لیتر) به صورت معلق در آب باقی خواهند ماند. لذا، در اواخر دهه 60 میلادی و زمانی که غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند، شرکت Dorr-Olivier Inc فرایند مبتنی بر لجن فعال جدیدی را معرفی نمودند که در آن به جای استفاده از زلال سازها و حوضچههای ته نشینی از یک سری غشاهای پلیمری استفاده شده بود. این فرایند که در آن زمان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود، بعدها تحت عنوان فرایند/فناوری بیوراکتور غشایی نام گذاری شد (شکل 3).
شکل 3. شمای سادهای از بیوراکتور غشایی جهت تصفیه فاضلاب [3].
بیوراکتورهای غشایی با پیشرفتهای چشمگیری (چه از جنبه فنی و چه از نظر طراحی سیستم) که در چند دهه اخیر تجربه کردهاند، امروزه بسیار شناخته شده هستند و به صورت گسترده به منظور تصفیه فاضلابهای شهری یا پسابهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این فرایند در کنار کاهش زمان فرایند تصفیه (تا حدود 10 ساعت در مقایسه با فرایند لجن فعال) و حذف نیاز به زلال ساز، از غشاهای میکرو و اولترافیلتراسیون بهره میبرد که نیاز به اعمال فشار کمی (انرژی کم) دارند و در عین حال، قادرند تمام تودههای میکروب و باکتریایی را نیز از آب جدا نمایند و بدین ترتیب ظرفیت گندزدایی[35] بسیار بالایی را نیز برای سیستم به ارمغان میآورند. همچنین به دلیل حذف حوضچههای تهنشینی و زلالسازی، در کل مساحت کمتری برای سامانههای بیورآکتور غشایی در مقایسه با سایر روشهای مشابه مورد نیاز است.
به طور کلی در طراحی بیوراکتورهای غشایی از دو نوع پیکربندی[36] استفاده میشود: 1) بیوراکتورهای دارای جریان جانبی[37] که به آنها خارجی[38] نیز گفته میشود و غشاها در محفظه مجزایی نسبت به بیوراکتور قرار میگیرند (شکل 4 الف)، و 2) بیوراکتورهای غوطهور (مستغرق)[39] که در آنها غشاها درون محفظه بیوراکتور قرار میگیرند (شکل 4 ب). در این میان، بیوراکتورهای غشایی غوطهور با توجه به مصرف انرژی کمتر (به دلیل نوع سیستم پمپاژ)، طراحی سادهتر و کارایی هیدرولیکی[40] بالاتر بیشتر از نوع جریان جانبی برای تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین لازم به ذکر است که نیز بیشترین کاربرد را در این نوع بیوراکتورهای غشایی به خود اختصاص دادهاند.
شکل 4. پیکربندیهای مورد استفاده جهت طراحی بیوراکتورهای غشایی؛ الف) با جریان جانبی (خارجی)، ب) غوطهور [4].
- فناوری نانو و بیوراکتورهای غشایی
به طور کلی، در بیوراکتورهای غشایی سه عامل اصلی روی فرایند و بازدهی نهایی سیستم تاثیر میگذارند که عبارتند از شرایط عملیاتی[41] (مثل دما، شار سیال، هوادهی و…)، مشخصات لجن (غلظت، اندازه و ساختار ذرات و…) و مشخصات غشای مورد استفاده (مثل اندازه حفرات، آب دوستی و…). تاکنون اقدامات مختلفی جهت بهبود هر یک از این عوامل صورت گرفته است که منجر به پیشرفتهای متعددی در رابطه با بیوراکتورهای غشایی شده است. امروزه با توسعه چشمگیر کاربردها و محصولات فناوری نانو در حوزههای مختلف، فعالیتهایی نیز در راستای بهبود کارایی بیوراکتورهای غشایی صورت پذیرفته است. البته تمام اقدامات صورت گرفته در این حوزه، در راستای بهبود خواص غشایی بیوراکتورهای غشایی بوده است. بهبودهای صورت گرفته روی خواص غشاهای مورد استفاده در بیوراکتورهای غشایی به وسیله فناوری نانو مواردی همچون بهبود آب دوستی[42] غشاها، کاهش گرفتگی (یا فولینگ)[43]، افزایش تراوایی[44] و افزایش مقاومت غشاها را در برمیگیرد. این بهبودها به صورت کلی انجام میشوند: 1) ساخت غشاهای نانوساختار جدید که عموما حاصل تحقیقات صورت گرفته در راستای تولید غشاهای کاراتر جهت فرایند بیوراکتورهای غشایی است و طی آن، با استفاده از نانوذرات یا ساختارهای نانویی با خواص مشخص به عنوان ماده اولیه، غشاهای جدیدی توسعه یافته و تجاری سازی میشوند، و 2) اصلاح سطح یا ساختار غشاهای موجود که طی آن یا در حین مراحل تولید غشا، یک سری نانوذرات یا ترکیبات نانوساختار مشخص به مواد اولیه سازنده غشا اضافه میشود و یا اینکه پس از ساخت غشاها، سطح آنها با استفاده از نانوذرات یا ترکیبات نانوساختار اصلاح میگردد. البته لازم به ذکر است که به طور کلی، اصلاح ساختار غشاهای تجاری به وسیله فناوری نانو متداولتر از سایر راهکارهاست.
به طور کلی غشاهای قابل استفاده در بیوراکتورهای غشایی به سه دسته غشاهای الیاف توخالی[45]، پیچیده شده به صورت مارپیچ[46] و صفحه مسطح[47] تقسیم میشوند (شکل 5) و میتوانند از جنس ترکیبات مختلف ساخته شوند؛ از جمله:
- غشاهای معدنی مثل غشاهای سرامیکی، غشاهای فلزی، غشاهای کربنی و غشاهای زئولیتی، که هم میتوانند از اساس و به صورت ذاتی نانوساختار باشند و هم میتوان حین یا بعد از ساخت، آنها را به وسیله فناوری نانو بهبود داد. این غشاها در کنار مزایایی همچون مقاومت حرارتی، شیمیایی و مکانیکی بالا و احتمال گرفتگی کم، سهولت در تمیز شدن بعد از گرفتگی…، معایبی نیز دارند. مهمترین عدم مزیت غشاهای معدنی را میتوان در نیاز به هزینه سرمایهگذاری[48] بالا برای تولید آنها دانست که به تنهایی منجر به محدودیت کاربرد آنها شده است.
- غشاهای پلیمری که به دلایلی از جمله سادگی فرایندهای تولید، قیمت کم، انعطاف پذیری، در دسترستر بودن منابع اولیه، نیاز به مصرف انرژی کمتر و… تقریبا در اکثر کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند. این دسته از غشاها که از انواع مختلف پلیمرها ساخته میشوند را میتوان با به کارگیری فناوری نانو ارتقا[49] داد. این اقدام معمولا با استفاده از افزودنیهای نانوساختار مختلف در حین فرایند ساخت غشا در راستای ارتقاء عملکرد غشا و همچنین افزایش تراوایی، مقاومت مکانیکی، مقاومت آن در برابر گرفتگی و … صورت میپذیرد.
شکل 5. مدولهای مبتنی بر الف) غشا الیاف توخالی، ب) غشای پیچیده شده به صورت مارپیچ، ج) غشای صفحه مسطح جهت استفاده در بیوراکتورهای غشایی [5].
- بررسی بازار
در حال حاضر، در نقاط مختلف دنیا فناوریهای متعددی جهت تصفیه آب و فاضلاب (از جنبههای مختلف) به کار میروند. برآوردها حاکی از این است که حجم بازار جهانی فناوریهای تصفیه آب و فاضلاب در سال 2016 چیزی در حدود 72 میلیارد دلار بوده است و پیش بینی میشود که این بازار تا پایان سال 2021 به رقم 92 میلیارد دلار برسد [6]. بررسی بازار فناوری بیوراکتور غشایی به عنوان یکی از فناوریهای مهم در تصفیه فاضلابها و پسابهای صنعتی، نشان از این دارد که بازار این فناوری در سال 2012 برابر با 8/963 میلیون دلار بوده است و پیش بینیها حاکی از افزایش این بازار به رقمی در حدود 2506 میلیون دلار در سال 2019 میباشد [7]. البته در گزارش دیگری که به بررسی بازار بیوراکتورهای غشایی پرداخته است، بازاری بیش از 2900 میلیون دلار برای آن در سال 2019 متصور شده است [8]. نظر به بهرهگیری از غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون در بیوراکتورهای غشایی، خالی از لطف نخواهد بود که به این نکته اشاره شود که برآوردها، حاکی از این است که بازار غشاهای میکروفیلتراسیون (برای همه کاربردها) از 9/1 میلیارد دلار در سال 2015 به 6/2 میلیارد دلار در سال 2020 [9] و بازار غشاهای اولترافیلتراسیون از 1/3 میلیارد دلار در سال 2015 به 6/4 میلیارد دلار در سال 2021 خواهد رسید [10]. با این وجود اطلاعات دقیقی از حجم بازار غشاهای مورد استفاده بیوراکتورهای غشایی که به وسیله فناوری نانو ارتقا یافتهاند در دسترس قرار ندارد.
- معرفی برخی از شرکتهای فعال خارجی
بیوراکتورهای غشایی از جمله سیستمهای پر کاربرد در حوزه تصفیه فاضلاب و پساب به شمار میآیند و شرکتهای متعددی در سراسر دنیا در این حوزه در حال فعالیت هستند. در این میان، غشاهای مورد استفاده در این سیستمها را میتوان اصلیترین جزء آنها دانست که پیشرفتهای اخیر در حوزه فناوری نانو منجر به ارتقای سطح کیفی آنها و ارائه چندین محصول تجاری در این حوزه گردیده است. در حال حاضر، شرکتهای کوچک و بزرگی در نقاط مختلف دنیا در این حوزه در حال فعالیت هستند که در ادامه به معرفی برخی از آنها پرداخته خواهد شد.
شرکت ژاپنی Toraywater که به عنوان زیرمجموعهای از هلدینگ بینالمللی Toray شناخته میشود، یکی از شرکتهای شاخته شده در حوزه محصولات و فناوریهای تصفیه آب و فاضلاب به شمار میآید. از جمله حوزههای اصلی فعالیت این شرکت، میتوان به طراحی و ساخت غشاهای مختلف اشاره نمود. یک دسته از محصولات تجاری این شرکت که با نام تجاری MEMBRAY در بازار شناخته میشوند، در بر گیرنده چند سری از غشاهای مورد استفاده در بیوراکتورهای غشایی است. بر اساس ادعای این شرکت، نسل جدید سری غشاهای صفحه مسطح MEMBRAY TMR090 این شرکت (شکل 6) که مبتنی بر نانوالیافهای بی بافتی[50] از پلی وینیلیدین فلورید[51] و پلی استر[52] طراحی شده است، در کنار تراوایی و مقاومت فیزیکی و شیمیایی بسیار بالا، مقاومت چشمگیری نیز در مقابل گرفتگی (فولینگ) دارد [11].
شکل 6. شمایی از بیوراکتور غشایی ساخت شرکت Toraywater که بر اساس غشاهای مبتنی بر نانوالیاف سری TMR090 این شرکت طراحی شده است [12].
دیگر شرکت بزرگی که در این حوزه اقدام به طراحی و ساخت غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو نموده است، شرکت BASF است. بر اطلاعات حاصله، غشاهای اولترافیلتراسیون با برند تجاریMultibore که حق اختراع آنها توسط این شرکت به ثبت رسیده است، از جنس پلیمرهایی بر پایه پلی اتر سولفون[53] ساخته میشوند. فرایند ساخت این غشاها به نحوهای صورت میگیرد که رشتههای الیافی با ابعادی حدود 20 نانومتر (نانوالیاف) در بدنه غشاها ایجاد میشود (شکل 7). این نوع از غشاها، به صورت ویژه در بیوراکتورهای مبتنی بر جریان جانبی قابل استفاده است و کیفیت آب خروجی از آن در مقایسه با انواع غشاهای متداول بیشتر خواهد بود [13, 14].
شکل 7. غشای الترافیلتراسیون Multibore ساخت شرکت BASF [15].
شرکت GE Water به عنوان زیر مجموعهای از شرکت مادر General Electrics در صنعت آب فعالیت دارد و محصولات مختلفی در این حوزه به بازار عرضه مینماید. یکی از این محصولات که با نام تجاری ZeeWeed 500 در بازار به فرش میرسد، غشاهای مبتنی بر الیاف توخالی جهت ساخت بیوراکتورهای غشایی است (شکل 8). بر اساس ادعای این شرکت، این غشاها که بر اساس فناوری نانو تولید میشوند، تراوایی فوقالعادهای دارند و مصرف انرژی آنها نیز بسیار پایین است [16, 17]. البته لازم به ذکر است که این غشاها تقریبا از اواخر دهه 90 میلادی در بازار موجود هستند و در ساخت نسلهای جدید آنها از فناوری نانو استفاده میشود که ساز و کار آن به صورت پتنت به ثبت رسیده است و اطلاعات دقیقی در رابطه با چند و چون آن در دسترس نیست.
شکل 8. بیوراکتور غشایی از نوع غوطهور که مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی شرکت GE Water ساخته شده است .[16]
- معرفی شرکتهای داخلی
در کنار شرکتهای خارجی که در حوزه ساخت بیوراکتورهای غشایی مبتنی بر غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو فعالیت میکنند، در داخل کشور نیز اقداماتی در این حوزه صورت پذیرفته است. یکی از شرکتهای فعال داخلی، شرکت دانش بنیان ایفاپژوهش است که در سال 1382 تاسیس شده و به صورت ویژه در حوزه بیوراکتورهای غشایی فعالیت میکند. طی چند سال اخیر و همگام با پیشرفت فناوری نانو در دنیا و همچنین افزایش رسوخ این فناوری در داخل کشور، این شرکت نیز به توسعه و تجاری سازی غشاهای ارتقا یافته توسط فناوری نانو، جهت به کارگیری در بیوراکتورهای غشایی اقدام نموده است. محصول توسعه یافته توسط این شرکت که در زمره غشاهای مبتنی بر الیاف توخالی قرار میگیرد، بر پایه ساختارهای پلی اولفینی[54] طراحی شده است. در ساختار این محصول، جهت بهبود خواص آب دوستی و افزایش تراوایی غشا از یک سری نانوذرات خاص (از جنس سیلیس) بهره گرفته شده است. شکل 9 شمایی از بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی توسعه یافته توسط این شرکت را به نمایش میگذارد.
شکل 9. بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی ساخت شرکت ایفا پژوهش [18].
از جمله پروژههای این شرکت میتوان به راه اندازی بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو، با ظرفیت 150 متر مکعب در روز جهت تصفیه فاضلاب در باغ کتاب شهر تهران [19] و تصفیه پساب شرکت دارو سازی دانا با ظرفیت 200 لیتر در روز اشاره نمود [20].
- نتیجه گیری
تصفیه فاضلابهای انسانی و پسابهای صنعتی را میتوان یکی از نیازهای اساسی جوامع انسانی دانست. این اقدامات میتواند منجر به بازیابی و باز چرخانی مجدد آب در حوزههای مختلف و در نتیجه کاهش و بهبود مصرف آب شوند. یکی از فناوریهای نسبتا جدیدی که در دهههای اخیر در این حوزه توجه زیادی را در سراسر دنیا به خود اختصاص داده است، فناوری بیوراکتورهای غشایی است. این فناوری در اصل با ادغام فرایند تصفیه زیستی پساب یا فاضلاب فرایندهای میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون توسعه یافته است. در سالهای اخیر و به دنبال توسعه روزافزون فناوری نانو، اقداماتی نیز جهت بهبود فناوری بیوراکتورهای غشایی در سراسر دنیا صورت گرفته است که منجر به توسعه غشاهای ارتقا یافته با فناوری نانو جهت استفاده در بیوراکتورهای غشایی شده است. استفاده از فناوری نانو، موجب بهبودهای ساختاری در این غشاها و تقویت خواصی همچون آب دوستی، تراوایی، مقاومت فیزیکی و شیمیایی و افزایش طول عمر غشاها میشود. در کشور ما نیز اقداماتی در این حوزه صورت گرفته است که منجر به توسعه غشاهای الیاف توخالی بر پایه ساختارهای پلی اولفینی گردیده است. محصولات فناوری نانو در حوزه بیورآکتورهای غشایی در بازار داخلی نیز مورد علاقه است و دستاوردهای ارزشمندی نیز در پروزه هایی به کار گرفته شدهاند.
- مراجع
- http://fermentec.gobizkorea.com/att/cat/fermentec/tp_html/img/fermentec_cat_1351585911636_large_img1_1.JPG.
- http://www.grassrootswiki.org/images/9/99/Activated_Sludge.png.
- http://www.bioazul.com/wp-content/uploads/2015/06/MBR_EN.jpg.
- Ladewig, B. and M.N.Z. Al-Shaeli, Fundamentals of Membrane Bioreactors. 2017.
- Park, H.-D., I.-S. Chang, and K.-J. Lee, Principles of membrane bioreactors for wastewater treatment. 2015: CRC Press.
- https://www.bccresearch.com/market-research/environment/water–wastewater-treatment-markets-report-env008d.html.
- http://www.transparencymarketresearch.com/pressrelease/membrane-bioreactor-mbr-market.htm.
- http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/membrane-bioreactor.asp.
- https://www.bccresearch.com/market-research/membrane-and-separation-technology/membrane-microfiltration-market-report-mst028f.html.
- https://www.bccresearch.com/market-research/membrane-and-separation-technology/ultrafiltration-membranes-techs-markets-report-mst044d.html.
- http://www.toraywater.com.
- http://www.toraywater.com/products/mbr/TMR090_series.pdf.
- http://www.performancechemicals.basf.com/ev/internet/watersolutions/en/membrane_technology/index.
- http://www.inge.basf.com/ev/internet/inge/en/content/inge/Produkte/Multibore_Membran.
- http://www.inge.basf.com/ev/internet/inge/en/function/conversions:/publish/content/inge/Support_Downloads/xxl_images/inge_multibore_12_10_2014_XL.jpg.
- https://www.gewater.com/products/zeeweed-500-membrane.
- https://www.manufacturing.net/news/2015/04/water-plant-blasted-granite-gets-nanotech-makeover.
- http://ifapco.com.
- http://ifapco.com/branch/10103/ifa/tehran-book-garden.
- http://ifapco.com/branch/10101/ifa/wastewater-treatment-research-reactor-for-dana-pharmacy-co.
[1] Platform Technology
[2] Selective Barrier
[3] Selectivity
[4] Throughput
[5] Driving Force
[6] Concentration Gradient
[7] Partial Pressure
[8] Microfiltration (MF)
[9] Ultrafiltration (UF)
[10] Nanofiltration (NF)
[11] Reverse Osmosis (RO)
[12] Bioreactor
[13] Membrane Bioreactor (MBR)
[14] Biologically Active
[15] Microorganisms
[16] Algae
[17] Protozoa
[18] Archaea
[19] Fungi
[20] Metabolism
[21] Ammonia-Oxidizing Bacteria (AOB)
[22] Aerobic
[23] Anaerobic
[24] Submerged
[25] Scalability
[26] Continuous
[27] Batch
[28] Ardern
[29] Lockett
[30] Activated Sludge
[31] Aeration
[32] Flocs
[33] Settler
[34] Clarifier
[35] Disinfection
[36] Configuration
[37] Side-S
فناوری نانو در اصل در برگیرنده کلیه روشها و فناوریهای مرتبط با فرایندهای ساخت، دستکاری و شناسایی ذرات یا ترکیبات با اندازه کمتر از 100 نانومتر است. این فناوری که به عنوان یک فناوری پلتفرمی[1] شناخته میشود، در بسیاری از حوزههای کاربردی با ایجاد یک بستر سختافزاری، آن هم در کوچکترین مقیاس ممکن، فناوریها و علوم دیگر را نیز توانمند میسازد. یکی از اصلیترین مزایای فناوری نانو، بر اساس این حقیقت استوار است که با استفاده از این فناوری میتوان ساختار مواد را در ابعاد نانو و برای دستیابی به خواصی ویژه، کنترل و بهینه سازی نمود. بر این اساس، تا به امروز محصولات متعددی در حوزههای مختلف توسعه یافته، تجاری سازی شده و در بازارها در دسترس هستند.
تصویر صرفا جهت استفاده گرافیست
- غشا و فرایندهای غشایی
به طور کلی غشا به عنوان یک سد یا مانع گزینشی[2] بین دو فاز (مایع یا گاز) قرار میگیرد. به این معنا که نسبت به برخی ذرات، مولکولها یا ترکیبات خاص موجود در آب به صورت تراوا عمل میکند و مانع عبور برخی دیگر میشود. غشاها از ترکیبات مختلفی (مثل پلیمرها، سرامیکها و…) ساخته میشوند و یک شرایط ایدهآل برای آنها این است که در کنار برخورداری از مقاومت مکانیکی مناسب، قادر باشند با گزینشپذیری[3] و بازده[4] بالا ترکیبات مورد نظر (بسته به کاربرد) را از خود عبور دهند. غشاها انواع مختلفی دارند و فرایندهای مبتنی بر غشاها را میتوان بر اساس مولفههای مختلفی طبقه بندی نمود؛ از جمله:
- بر اساس نیروی محرکه[5]؛ که مواردی همچون اختلاف فشار (مثل اسمز معکوس)، اختلاف دما (مثل تقطیر غشایی)، اختلاف پتانسیل الکتریکی (مثل الکترودیالیز)، اختلاف یا گرادیان غلظتی[6] (مثل دیالیز) و اختلاف فشار جزئی[7] (مثل جداسازی گاز) را در برمیگیرد.
- بر اساس کاربردهای خاص غشاها مثل غشاهای تصفیه آب، غشاهای مورد استفاده در صنایع غذایی، غشاهای مورد استفاده در صنایع داروسازی و… .
- بر اساس سازوکار عملکرد غشاها مثل فیزیکی، مکانیکی، الکتروشیمایی و… .
- بر اساس جنس غشاها مثل غشاهای پلیمری، غشاهای سرامیکی، غشاهای نانوالیاف و… .
- بر اساس اندازه حفرات غشا مثل میکروفیلتراسیون[8]، اولترافیلتراسیون[9] و… .
در این میان، طبقه بندی بر اساس اندازه حفرات غشا، متداولترین نوع طبقه بندی فرایندهای غشایی است. بر این اساس، فرایندهایی که از غشاهایی با ابعاد حفرات بزرگتر از 100 نانومتر استفاده میکنند، در زمره فرایندهای میکروفیلتراسیون قرار میگیرند. در حالیکه به فرایندهای مبتنی بر غشاهایی با ابعاد 10 تا 100 نانومتر، اولترافیلتراسیون، غشاهایی با ابعاد 1 تا 10 نانومتر، نانوفیلتراسیون[10] و غشاهایی با ابعاد کوچکتر از 1 نانومتر، اسمز معکوس[11] گفته میشود.
یک دسته نسبتا جدید از فرایندها/فناوریهای غشایی که در اصل از ادغام میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون با یک بیوراکتور (راکتور زیستی)[12] توسعه یافته است، فرایند/فناوری بیوراکتور غشایی[13] است که در ادامه گزارش به بررسی آن پرداخته خواهد شد.
تصویر صرفا جهت استفاده گرافیست
- بیوراکتور
به سیستم یا ادواتی که در آنها از یک محیط فعال بیولوژیکی (زیستفعال)[14] جهت انجام واکنشها یا فرایندهای مختلف دیگر استفاده میشود، بیوراکتور اطلاق میشود (شکل 1). این محیط فعال بیولوژیکی معمولا به وسیله میکروارگانیسمهای[15] موجود در سیستم ایجاد میشود. میکروارگانیسمهای مورد استفاده در این سیستمها گستره وسیعی همچون انواع مختلفی از باکتریها، ویروسها، جلبکها[16]، پروتوزوا[17]، آرکایا[18]، قارچها[19] و حیوانات میکروسکوپی (مثل کرمها) را در بر میگیرند. هر یک از این میکروارگانیسمها، با توجه به متابولیسم[20] خود میتوانند واکنش یا واکنشهای خاصی را انجام دهند که ماهیت آن میتواند شیمیایی، الکتروشیمیایی، فوتوشیمیایی، کاتالیستی و… باشد. به عنوان مثال انواع خاصی از باکتریها صرفا قادر به اکسید کردن آمونیاک و تبدیل نمودن آن به نیترات هستند و از این جهت به آنها باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک[21] یا AOB گفته میشود. در واقع، این واکنشهای انجام شده توسط میکروارگانیسمها هستند که باعث ایجاد مفهومی به نام بیوراکتور شده است.
امروزه بیوراکتورها کاربردهای بسیار متنوعی را در حوزههای مختلف علمی و صنعتی به خود اختصاص دادهاند (مثل صنایع زیستی، مهندسی بافت، مهندسی بیوشیمی، تصفیه فاضلاب و پساب و…). ناگفته مشخص است که اصلیترین جزء این سیستمها، همان بخش زیستفعال آن است که متناسب با کاربرد مورد نظر طراحی میگردد. در این قسمت عموما از میکروارگانیسمها یا سلولهای خاص (مثل باکتریها، آنزیمها، ویروسها، قارچها، جلبکها و…) استفاده میشود که عملکرد (یا فرایند) در نظر گرفته شده برای سیستم را به ارمغان میآورند. همچون سایر فرایندهای زیستی، فرایندهایی که در بیوراکتورها صورت میگیرند نیز به دو دسته هوازی[22] و بیهوازی[23] تقسیم بندی میشوند. میکروارگانیسمهایی که در بیوراکتورها مورد استفاده قرار میگیرند، یا در فاز مایع شناور[24] هستند و یا روی یک فاز جامد قرار گرفتهاند. در این میان، برای حالت شناور، گستره بیشتری از میکروارگانیسمها را میتوان استفاده نمود و قابلیت مقیاس پذیری[25] سیستمها بسیار بیشتر است. در نهایت لازم به ذکر است که بیوراکتورها از نظر نحوه عملکرد به دو دسته کلی پیوسته[26] و ناپیوسته (دستهای)[27] تقسیمبندی میشوند.
شکل 1. نمونهای از بیوراکتورهای صنعتی مورد استفاده در صنایع زیستی [1].
- بیوراکتورها و تصفیه فاضلاب
حدود 100 سال پیش و در سال 1914 متخصصانی از شرکت انگلیسی Savyhulme Sewage Works با نامهای آردِرن[28] و لاکِت[29] فرایند لجن فعال[30] را برای تصفیه فاضلاب معرفی نمودند. این فرایند که در آن از یک سری میکروارگانیسمها در کنار فرایند هوادهی[31] (جهت تامین اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسمها) برای تصفیه فاضلاب استفاده میشود، در اصل اولین کاربرد بیوراکتورها در تصفیه فاضلاب بوده است (شکل 2). فرایند لجن فعال به واسطه فعالیت میکروارگانیسمها و توانایی آنها در حذف آلایندههای آلی و معدنی، به قدری کارآمد است که کماکان یکی از اصلیترین گزینهها در تصفیه فاضلاب به شمار میآید و تصفیه خانههای بسیاری در سراسر دنیا از این فرایند بهره میبرند. در فرایند لجن فعال، یک سری واکنشها (شیمیایی، بیولوژیکی، الکتروشیمیایی و…) توسط میکروارگانیسمها صورت میپذیرد و محصول آن تودهها[32] و لختههایی از میکروارگانیسمها و ترکیبات دیگر خواهد بود که بایستی از سیستم حذف شوند. جهت حذف این ترکیبات، به طور معمول از حوضچههای ته نشینی[33] (بر اثر جاذبه زمین) و یا زلال سازها[34] استفاده میشود.
شکل 2. شمای سادهای از فرایند لجن فعال جهت تصفیه فاضلاب [2].
- بیوراکتورهای غشایی
همان گونه که اشاره شد، فرایند لجن فعال جهت حذف میکروارگانیسمهای اضافی و ترکیبات جامد ایجاد شده نیازمند مراحل ته نشینی و زلال سازی است. با این حال، این فرایندها که فرایندهای زمانبری هستند، قادر نیستند ترکیبات جامد را به صورت کامل حذف نمایند و حتی در صورت داشتن بهترین عملکرد هم مقادیری از ترکیبات جامد (چیزی در حدود 5 میلیگرم در هر لیتر) به صورت معلق در آب باقی خواهند ماند. لذا، در اواخر دهه 60 میلادی و زمانی که غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند، شرکت Dorr-Olivier Inc فرایند مبتنی بر لجن فعال جدیدی را معرفی نمودند که در آن به جای استفاده از زلال سازها و حوضچههای ته نشینی از یک سری غشاهای پلیمری استفاده شده بود. این فرایند که در آن زمان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبود، بعدها تحت عنوان فرایند/فناوری بیوراکتور غشایی نام گذاری شد (شکل 3).
شکل 3. شمای سادهای از بیوراکتور غشایی جهت تصفیه فاضلاب [3].
بیوراکتورهای غشایی با پیشرفتهای چشمگیری (چه از جنبه فنی و چه از نظر طراحی سیستم) که در چند دهه اخیر تجربه کردهاند، امروزه بسیار شناخته شده هستند و به صورت گسترده به منظور تصفیه فاضلابهای شهری یا پسابهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این فرایند در کنار کاهش زمان فرایند تصفیه (تا حدود 10 ساعت در مقایسه با فرایند لجن فعال) و حذف نیاز به زلال ساز، از غشاهای میکرو و اولترافیلتراسیون بهره میبرد که نیاز به اعمال فشار کمی (انرژی کم) دارند و در عین حال، قادرند تمام تودههای میکروب و باکتریایی را نیز از آب جدا نمایند و بدین ترتیب ظرفیت گندزدایی[35] بسیار بالایی را نیز برای سیستم به ارمغان میآورند. همچنین به دلیل حذف حوضچههای تهنشینی و زلالسازی، در کل مساحت کمتری برای سامانههای بیورآکتور غشایی در مقایسه با سایر روشهای مشابه مورد نیاز است.
به طور کلی در طراحی بیوراکتورهای غشایی از دو نوع پیکربندی[36] استفاده میشود: 1) بیوراکتورهای دارای جریان جانبی[37] که به آنها خارجی[38] نیز گفته میشود و غشاها در محفظه مجزایی نسبت به بیوراکتور قرار میگیرند (شکل 4 الف)، و 2) بیوراکتورهای غوطهور (مستغرق)[39] که در آنها غشاها درون محفظه بیوراکتور قرار میگیرند (شکل 4 ب). در این میان، بیوراکتورهای غشایی غوطهور با توجه به مصرف انرژی کمتر (به دلیل نوع سیستم پمپاژ)، طراحی سادهتر و کارایی هیدرولیکی[40] بالاتر بیشتر از نوع جریان جانبی برای تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین لازم به ذکر است که نیز بیشترین کاربرد را در این نوع بیوراکتورهای غشایی به خود اختصاص دادهاند.
شکل 4. پیکربندیهای مورد استفاده جهت طراحی بیوراکتورهای غشایی؛ الف) با جریان جانبی (خارجی)، ب) غوطهور [4].
- فناوری نانو و بیوراکتورهای غشایی
به طور کلی، در بیوراکتورهای غشایی سه عامل اصلی روی فرایند و بازدهی نهایی سیستم تاثیر میگذارند که عبارتند از شرایط عملیاتی[41] (مثل دما، شار سیال، هوادهی و…)، مشخصات لجن (غلظت، اندازه و ساختار ذرات و…) و مشخصات غشای مورد استفاده (مثل اندازه حفرات، آب دوستی و…). تاکنون اقدامات مختلفی جهت بهبود هر یک از این عوامل صورت گرفته است که منجر به پیشرفتهای متعددی در رابطه با بیوراکتورهای غشایی شده است. امروزه با توسعه چشمگیر کاربردها و محصولات فناوری نانو در حوزههای مختلف، فعالیتهایی نیز در راستای بهبود کارایی بیوراکتورهای غشایی صورت پذیرفته است. البته تمام اقدامات صورت گرفته در این حوزه، در راستای بهبود خواص غشایی بیوراکتورهای غشایی بوده است. بهبودهای صورت گرفته روی خواص غشاهای مورد استفاده در بیوراکتورهای غشایی به وسیله فناوری نانو مواردی همچون بهبود آب دوستی[42] غشاها، کاهش گرفتگی (یا فولینگ)[43]، افزایش تراوایی[44] و افزایش مقاومت غشاها را در برمیگیرد. این بهبودها به صورت کلی انجام میشوند: 1) ساخت غشاهای نانوساختار جدید که عموما حاصل تحقیقات صورت گرفته در راستای تولید غشاهای کاراتر جهت فرایند بیوراکتورهای غشایی است و طی آن، با استفاده از نانوذرات یا ساختارهای نانویی با خواص مشخص به عنوان ماده اولیه، غشاهای جدیدی توسعه یافته و تجاری سازی میشوند، و 2) اصلاح سطح یا ساختار غشاهای موجود که طی آن یا در حین مراحل تولید غشا، یک سری نانوذرات یا ترکیبات نانوساختار مشخص به مواد اولیه سازنده غشا اضافه میشود و یا اینکه پس از ساخت غشاها، سطح آنها با استفاده از نانوذرات یا ترکیبات نانوساختار اصلاح میگردد. البته لازم به ذکر است که به طور کلی، اصلاح ساختار غشاهای تجاری به وسیله فناوری نانو متداولتر از سایر راهکارهاست.
به طور کلی غشاهای قابل استفاده در بیوراکتورهای غشایی به سه دسته غشاهای الیاف توخالی[45]، پیچیده شده به صورت مارپیچ[46] و صفحه مسطح[47] تقسیم میشوند (شکل 5) و میتوانند از جنس ترکیبات مختلف ساخته شوند؛ از جمله:
- غشاهای معدنی مثل غشاهای سرامیکی، غشاهای فلزی، غشاهای کربنی و غشاهای زئولیتی، که هم میتوانند از اساس و به صورت ذاتی نانوساختار باشند و هم میتوان حین یا بعد از ساخت، آنها را به وسیله فناوری نانو بهبود داد. این غشاها در کنار مزایایی همچون مقاومت حرارتی، شیمیایی و مکانیکی بالا و احتمال گرفتگی کم، سهولت در تمیز شدن بعد از گرفتگی…، معایبی نیز دارند. مهمترین عدم مزیت غشاهای معدنی را میتوان در نیاز به هزینه سرمایهگذاری[48] بالا برای تولید آنها دانست که به تنهایی منجر به محدودیت کاربرد آنها شده است.
- غشاهای پلیمری که به دلایلی از جمله سادگی فرایندهای تولید، قیمت کم، انعطاف پذیری، در دسترستر بودن منابع اولیه، نیاز به مصرف انرژی کمتر و… تقریبا در اکثر کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند. این دسته از غشاها که از انواع مختلف پلیمرها ساخته میشوند را میتوان با به کارگیری فناوری نانو ارتقا[49] داد. این اقدام معمولا با استفاده از افزودنیهای نانوساختار مختلف در حین فرایند ساخت غشا در راستای ارتقاء عملکرد غشا و همچنین افزایش تراوایی، مقاومت مکانیکی، مقاومت آن در برابر گرفتگی و … صورت میپذیرد.
شکل 5. مدولهای مبتنی بر الف) غشا الیاف توخالی، ب) غشای پیچیده شده به صورت مارپیچ، ج) غشای صفحه مسطح جهت استفاده در بیوراکتورهای غشایی [5].
- بررسی بازار
در حال حاضر، در نقاط مختلف دنیا فناوریهای متعددی جهت تصفیه آب و فاضلاب (از جنبههای مختلف) به کار میروند. برآوردها حاکی از این است که حجم بازار جهانی فناوریهای تصفیه آب و فاضلاب در سال 2016 چیزی در حدود 72 میلیارد دلار بوده است و پیش بینی میشود که این بازار تا پایان سال 2021 به رقم 92 میلیارد دلار برسد [6]. بررسی بازار فناوری بیوراکتور غشایی به عنوان یکی از فناوریهای مهم در تصفیه فاضلابها و پسابهای صنعتی، نشان از این دارد که بازار این فناوری در سال 2012 برابر با 8/963 میلیون دلار بوده است و پیش بینیها حاکی از افزایش این بازار به رقمی در حدود 2506 میلیون دلار در سال 2019 میباشد [7]. البته در گزارش دیگری که به بررسی بازار بیوراکتورهای غشایی پرداخته است، بازاری بیش از 2900 میلیون دلار برای آن در سال 2019 متصور شده است [8]. نظر به بهرهگیری از غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون در بیوراکتورهای غشایی، خالی از لطف نخواهد بود که به این نکته اشاره شود که برآوردها، حاکی از این است که بازار غشاهای میکروفیلتراسیون (برای همه کاربردها) از 9/1 میلیارد دلار در سال 2015 به 6/2 میلیارد دلار در سال 2020 [9] و بازار غشاهای اولترافیلتراسیون از 1/3 میلیارد دلار در سال 2015 به 6/4 میلیارد دلار در سال 2021 خواهد رسید [10]. با این وجود اطلاعات دقیقی از حجم بازار غشاهای مورد استفاده بیوراکتورهای غشایی که به وسیله فناوری نانو ارتقا یافتهاند در دسترس قرار ندارد.
- معرفی برخی از شرکتهای فعال خارجی
بیوراکتورهای غشایی از جمله سیستمهای پر کاربرد در حوزه تصفیه فاضلاب و پساب به شمار میآیند و شرکتهای متعددی در سراسر دنیا در این حوزه در حال فعالیت هستند. در این میان، غشاهای مورد استفاده در این سیستمها را میتوان اصلیترین جزء آنها دانست که پیشرفتهای اخیر در حوزه فناوری نانو منجر به ارتقای سطح کیفی آنها و ارائه چندین محصول تجاری در این حوزه گردیده است. در حال حاضر، شرکتهای کوچک و بزرگی در نقاط مختلف دنیا در این حوزه در حال فعالیت هستند که در ادامه به معرفی برخی از آنها پرداخته خواهد شد.
شرکت ژاپنی Toraywater که به عنوان زیرمجموعهای از هلدینگ بینالمللی Toray شناخته میشود، یکی از شرکتهای شاخته شده در حوزه محصولات و فناوریهای تصفیه آب و فاضلاب به شمار میآید. از جمله حوزههای اصلی فعالیت این شرکت، میتوان به طراحی و ساخت غشاهای مختلف اشاره نمود. یک دسته از محصولات تجاری این شرکت که با نام تجاری MEMBRAY در بازار شناخته میشوند، در بر گیرنده چند سری از غشاهای مورد استفاده در بیوراکتورهای غشایی است. بر اساس ادعای این شرکت، نسل جدید سری غشاهای صفحه مسطح MEMBRAY TMR090 این شرکت (شکل 6) که مبتنی بر نانوالیافهای بی بافتی[50] از پلی وینیلیدین فلورید[51] و پلی استر[52] طراحی شده است، در کنار تراوایی و مقاومت فیزیکی و شیمیایی بسیار بالا، مقاومت چشمگیری نیز در مقابل گرفتگی (فولینگ) دارد [11].
شکل 6. شمایی از بیوراکتور غشایی ساخت شرکت Toraywater که بر اساس غشاهای مبتنی بر نانوالیاف سری TMR090 این شرکت طراحی شده است [12].
دیگر شرکت بزرگی که در این حوزه اقدام به طراحی و ساخت غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو نموده است، شرکت BASF است. بر اطلاعات حاصله، غشاهای اولترافیلتراسیون با برند تجاریMultibore که حق اختراع آنها توسط این شرکت به ثبت رسیده است، از جنس پلیمرهایی بر پایه پلی اتر سولفون[53] ساخته میشوند. فرایند ساخت این غشاها به نحوهای صورت میگیرد که رشتههای الیافی با ابعادی حدود 20 نانومتر (نانوالیاف) در بدنه غشاها ایجاد میشود (شکل 7). این نوع از غشاها، به صورت ویژه در بیوراکتورهای مبتنی بر جریان جانبی قابل استفاده است و کیفیت آب خروجی از آن در مقایسه با انواع غشاهای متداول بیشتر خواهد بود [13, 14].
شکل 7. غشای الترافیلتراسیون Multibore ساخت شرکت BASF [15].
شرکت GE Water به عنوان زیر مجموعهای از شرکت مادر General Electrics در صنعت آب فعالیت دارد و محصولات مختلفی در این حوزه به بازار عرضه مینماید. یکی از این محصولات که با نام تجاری ZeeWeed 500 در بازار به فرش میرسد، غشاهای مبتنی بر الیاف توخالی جهت ساخت بیوراکتورهای غشایی است (شکل 8). بر اساس ادعای این شرکت، این غشاها که بر اساس فناوری نانو تولید میشوند، تراوایی فوقالعادهای دارند و مصرف انرژی آنها نیز بسیار پایین است [16, 17]. البته لازم به ذکر است که این غشاها تقریبا از اواخر دهه 90 میلادی در بازار موجود هستند و در ساخت نسلهای جدید آنها از فناوری نانو استفاده میشود که ساز و کار آن به صورت پتنت به ثبت رسیده است و اطلاعات دقیقی در رابطه با چند و چون آن در دسترس نیست.
شکل 8. بیوراکتور غشایی از نوع غوطهور که مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی شرکت GE Water ساخته شده است .[16]
- معرفی شرکتهای داخلی
در کنار شرکتهای خارجی که در حوزه ساخت بیوراکتورهای غشایی مبتنی بر غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو فعالیت میکنند، در داخل کشور نیز اقداماتی در این حوزه صورت پذیرفته است. یکی از شرکتهای فعال داخلی، شرکت دانش بنیان ایفاپژوهش است که در سال 1382 تاسیس شده و به صورت ویژه در حوزه بیوراکتورهای غشایی فعالیت میکند. طی چند سال اخیر و همگام با پیشرفت فناوری نانو در دنیا و همچنین افزایش رسوخ این فناوری در داخل کشور، این شرکت نیز به توسعه و تجاری سازی غشاهای ارتقا یافته توسط فناوری نانو، جهت به کارگیری در بیوراکتورهای غشایی اقدام نموده است. محصول توسعه یافته توسط این شرکت که در زمره غشاهای مبتنی بر الیاف توخالی قرار میگیرد، بر پایه ساختارهای پلی اولفینی[54] طراحی شده است. در ساختار این محصول، جهت بهبود خواص آب دوستی و افزایش تراوایی غشا از یک سری نانوذرات خاص (از جنس سیلیس) بهره گرفته شده است. شکل 9 شمایی از بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی توسعه یافته توسط این شرکت را به نمایش میگذارد.
شکل 9. بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای الیاف توخالی ساخت شرکت ایفا پژوهش [18].
از جمله پروژههای این شرکت میتوان به راه اندازی بیوراکتور غشایی مبتنی بر غشاهای ارتقا یافته به وسیله فناوری نانو، با ظرفیت 150 متر مکعب در روز جهت تصفیه فاضلاب در باغ کتاب شهر تهران [19] و تصفیه پساب شرکت دارو سازی دانا با ظرفیت 200 لیتر در روز اشاره نمود [20].
- نتیجه گیری
تصفیه فاضلابهای انسانی و پسابهای صنعتی را میتوان یکی از نیازهای اساسی جوامع انسانی دانست. این اقدامات میتواند منجر به بازیابی و باز چرخانی مجدد آب در حوزههای مختلف و در نتیجه کاهش و بهبود مصرف آب شوند. یکی از فناوریهای نسبتا جدیدی که در دهههای اخیر در این حوزه توجه زیادی را در سراسر دنیا به خود اختصاص داده است، فناوری بیوراکتورهای غشایی است. این فناوری در اصل با ادغام فرایند تصفیه زیستی پساب یا فاضلاب فرایندهای میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون توسعه یافته است. در سالهای اخیر و به دنبال توسعه روزافزون فناوری نانو، اقداماتی نیز جهت بهبود فناوری بیوراکتورهای غشایی در سراسر دنیا صورت گرفته است که منجر به توسعه غشاهای ارتقا یافته با فناوری نانو جهت استفاده در بیوراکتورهای غشایی شده است. استفاده از فناوری نانو، موجب بهبودهای ساختاری در این غشاها و تقویت خواصی همچون آب دوستی، تراوایی، مقاومت فیزیکی و شیمیایی و افزایش طول عمر غشاها میشود. در کشور ما نیز اقداماتی در این حوزه صورت گرفته است که منجر به توسعه غشاهای الیاف توخالی بر پایه ساختارهای پلی اولفینی گردیده است. محصولات فناوری نانو در حوزه بیورآکتورهای غشایی در بازار داخلی نیز مورد علاقه است و دستاوردهای ارزشمندی نیز در پروزه هایی به کار گرفته شدهاند.
- مراجع
- http://fermentec.gobizkorea.com/att/cat/fermentec/tp_html/img/fermentec_cat_1351585911636_large_img1_1.JPG.
- http://www.grassrootswiki.org/images/9/99/Activated_Sludge.png.
- http://www.bioazul.com/wp-content/uploads/2015/06/MBR_EN.jpg.
- Ladewig, B. and M.N.Z. Al-Shaeli, Fundamentals of Membrane Bioreactors. 2017.
- Park, H.-D., I.-S. Chang, and K.-J. Lee, Principles of membrane bioreactors for wastewater treatment. 2015: CRC Press.
- https://www.bccresearch.com/market-research/environment/water–wastewater-treatment-markets-report-env008d.html.
- http://www.transparencymarketresearch.com/pressrelease/membrane-bioreactor-mbr-market.htm.
- http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/membrane-bioreactor.asp.
- https://www.bccresearch.com/market-research/membrane-and-separation-technology/membrane-microfiltration-market-report-mst028f.html.
- https://www.bccresearch.com/market-research/membrane-and-separation-technology/ultrafiltration-membranes-techs-markets-report-mst044d.html.
- http://www.toraywater.com.
- http://www.toraywater.com/products/mbr/TMR090_series.pdf.
- http://www.performancechemicals.basf.com/ev/internet/watersolutions/en/membrane_technology/index.
- http://www.inge.basf.com/ev/internet/inge/en/content/inge/Produkte/Multibore_Membran.
- http://www.inge.basf.com/ev/internet/inge/en/function/conversions:/publish/content/inge/Support_Downloads/xxl_images/inge_multibore_12_10_2014_XL.jpg.
- https://www.gewater.com/products/zeeweed-500-membrane.
- https://www.manufacturing.net/news/2015/04/water-plant-blasted-granite-gets-nanotech-makeover.
- http://ifapco.com.
- http://ifapco.com/branch/10103/ifa/tehran-book-garden.
- http://ifapco.com/branch/10101/ifa/wastewater-treatment-research-reactor-for-dana-pharmacy-co.
[1] Platform Technology
[2] Selective Barrier
[3] Selectivity
[4] Throughput
[5] Driving Force
[6] Concentration Gradient
[7] Partial Pressure
[8] Microfiltration (MF)
[9] Ultrafiltration (UF)
[10] Nanofiltration (NF)
[11] Reverse Osmosis (RO)
[12] Bioreactor
[13] Membrane Bioreactor (MBR)
[14] Biologically Active
[15] Microorganisms
[16] Algae
[17] Protozoa
[18] Archaea
[19] Fungi
[20] Metabolism
[21] Ammonia-Oxidizing Bacteria (AOB)
[22] Aerobic
[23] Anaerobic
[24] Submerged
[25] Scalability
[26] Continuous
[27] Batch
[28] Ardern
[29] Lockett
[30] Activated Sludge
[31] Aeration
[32] Flocs
[33] Settler
[34] Clarifier
[35] Disinfection
[36] Configuration
[37] Side-Stream MBRs
[38] External
[39] Submerged MBRs
[40] Hydraulic Efficiency
[41] Operating Conditions
[42] Hydrophilicity
[43] Fouling
[44] Permeability
[45] Hollow Fiber Membranes
[46] Spiral Wound Membranes
[47] Flat Sheet Membranes
[48] Capital Cost (Capex)
[49] Enhancement
[50] Nonwoven
[51] Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
[52] Polyester (PET)
[53] Polyethersulfone (PES)
[54] Polyolefin
tream MBRs
[38] External
[39] Submerged MBRs
[40] Hydraulic Efficiency
[41] Operating Conditions
[42] Hydrophilicity
[43] Fouling
[44] Permeability
[45] Hollow Fiber Membranes
[46] Spiral Wound Membranes
[47] Flat Sheet Membranes
[48] Capital Cost (Capex)
[49] Enhancement
[50] Nonwoven
[51] Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
[52] Polyester (PET)
[53] Polyethersulfone (PES)
[54] Polyolefin
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- گروه تخصصی کیمیافناورکارگزار حوزه آب و محیط زیست ستاد توسعه فناوری نانو
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
