اخبار صنایع آب، پساب و محیط زیست

تصفیه آب با استفاده از غشاء پلیمری نانوفیلتراسیون

فناوری نانو توانایی طراحی ساختارها را با دقت و ظرافت مولکولی-اتمی فراهم می آورد. این به معنای مهندسی دقیق یک ساختار در حد میلیاردیوم متر یا همان نانومتر است. ساختارهایی که با این دقت تهیه می شوند، خصوصیات ویژه و منحصربفردی از خود نشان می دهند. همچنین این اندازه ذرات (یا جزییات ساختار) است که خصوصیات منحصر بفرد را ایجاد می کند. انتظار می رود که تا سال 2050 میلادی، این فناوری بتواند چهره زندگی بشر را بطور کلی تغییر دهد. فناوری نانو در کنار فناوری زیستی و فناوری اطلاعات موج دیگری از انقلاب صنعتی را در جهان رقم خواهد زد.

  • محصولات غشایی

استفاده از غشاهای نیمه تراوا برای جداسازی ترکیبات و مواد معلق یا محلول در مایعات و گازها یک رویکرد کارای مهندسی است. غشاهای نانوفیلتراسیونی جزء آخرین ابداعات در زمینه غشاء هستند و معمولا برای گندزدایی و حذف املاح از آب های سطحی یا زیرزمینی به کار می روند. با این حال،  محصولات غشایی  نیمه تراوا  که حاوی حفرات نانو مقیاس هستند در بسیاری از صنایع صنعتی و نیمه صنعتی مربوط به تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی غشاها دارای حفرات بسیار ریزی هستند که مولکولهای کوچک به راحتی می توانند از آن عبور کنند و مولکولهای درشت تر در طرف دیگر غشاء باقی می مانند.  در سیستم غشایی، مواد شیمیایی جدا شده از بین نمیروند بلکه تغلیظ می شوند. به طور معمول مولکولهای کوچک مثل آب، حلال ها و یونهای ریز می توانند از غشاء عبور کنند، ولی مولکولهای درشت اجازه عبور نخواهند داشت ( شکل 1).

شکل 1: عملکرد یک غشاء نیمه تراوا، برخی مواد قابلیت عبور از منافذ غشاء را ندارند و به مرور جداسازی میشوند.

 

محصولات غشایی بر اساس اندازه حفرات خود به سه دسته ماکرو حفره ها[1] ، مزو حفره ها[2] و میکرو حفره ها[3] تقسیم بندی می شوند (جدول 1) [1] .

جدول 1: توانایی انواع غشاء برای جداسازی و فیلتراسیون [1]

نوع حفرات نوع غشاء گونه و ترکیبات قابل عبور ابعاد گونه قابل عبور (nm)
ماکرو حفره ها (بیشتر از50 nm) ماکروفیلتراسیون [4] مخمرها و قارچ ها 1000-10000
باکتری ها 300-10000
ذرات روغنی 100-10000
مزوحفره ها (2 تا 50 nm ) الترافیلتراسیون [5] کلوئید های جامد 100-1000
ویروس ها 30-300
پروتئین ها و پلی ساکارید ها 3-10
اسید های نوکلئیک بیشتر از 3
میکرو حفره ها ( 2/0 تا 2 nm) نانو فیلتراسیون[6] آنتی بیوتیک های رایج 3/0-8/1
اسمز معکوس و مستقیم[7] یونهای معدنی 2/0-4/0
آب 2/0
  • چالش های پیش روی فناوری غشاء:

مهمترین چالش در این حوزه، افزایش گزینش پذیری برای یک غشاء است به طوری که از تراوایی آن کاسته نشود. همچنین مصرف انرژی جهت نیروی پیش برنده در فرایند تصفیه و شیرین سازی آّب اهمیت قابل توجهی دارد. مقاومت در برابر رسوب و گرفتگی منافذ، پایداری مکانیکی و حرارتی، خاصیت خود تمیز شوندگی و توانایی همزمان جداسازی و تخریب آلاینده ها در سطح، از دیگر نکات قابل توجهی میتواند باشد که با بهره گیری از فناوری نانو ، میتوان در غشاء مشاهده کرد [2].

 

  • نانو فیلتراسیون

از غشاهای نانو فیلتراسیون معمولی برای نرم سازی آب استفاده می شود که در آن سختی آب کم شده و مواد آلی، باکتری ها و ناخالصی های دیگر از آب جدا می شوند. نرم سازی فرایندی است که در آن نمک زدایی در حد بالا صورت نمی گیرد. چرا که بسیاری از صنایع نیازی به نمک زدایی کامل ندارند.  همچنین برای آب شرب نیاز به آبی است که املاح به طور کامل از آن حذف نشده باشد ( شکل 2). برای نمک زدایی کامل نیاز به فرایند اسمز معکوس می باشد. در فرایند نانو فیلتراسیون معمولی، بخشی از مواد معدنی آب حذف می شوند در حالی که در اسمز معکوس تا 5/99 درصد املاح حذف می شوند.  به دلیل نیاز به فشار کمتر نانوفیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و کاهش هزینه انرژی، در خصوص نمک زدایی از آب حاوی مقادیر بالا از املاح جهت مصارف آشامیدن، توجه به نانو فیلتراسیون فزاینده است. با توجه به قوانین سخت در مورد حذف آلاینده ها و خطر فلزات سنگین در آب شرب، اصلاح غشاهای نانوفیلتراسیون توسط فناوری نانو امری اجتناب ناپذیر است.  غشاهای نانو فیلتراسیون را می توان به دو گروه سرامیکی و پلیمری طبقه بندی نمود [3].

شکل 2 : عملکرد غشاء نیمه تراوا نانو فیلتراسیونی [3]

————————————

[1] Macropores

[2] Mesopores

[3] Micropores

[4] Microfiltration

[5] Ultrafiltration

[6] Nanofiltration

[7] Reverse & Forward Osmosis

 

  • بهبود غشاء نانو فیلتراسیون پلیمری

دو نوع غشاء سلولز استات[1] و غشاء کامپوزیت لایه نازک پلی آمید[2] ، موفقترین غشاهای نانو فیلتراسیون در بازار هستند. غشاء سلولز استات به دلیل تولید آسان و ارزان بودن بخش کوچکی از بازار را در اختیار دارد ولی معایبی دارد که از آن جمله  می توان به محدوده کارکردش در pH بین 4-6 ، از بین رفتن کارایی غشا در بالاتر از دمای 35 درجه سانتی گراد و جذب راحت باکتری روی این غشاء اشاره کرد.  غشاء کامپوزیت لایه نازک پلی آمید نیز به دلیل قابلیت خوب در پس زدن نمک، در بازار تجاری موفق بوده اما معایبی مثل  مقاومت کم در برابر فشار، مقاومت کم در برابر اکسید کننده ها و کلر، مقاومت دمایی پایین را دارد. همچنین  غشاهای  نانو فیلتراسیون موجود در بازار، به سرعت منافذشان گرفته می شود و از طول عمر آنها به شدت کاسته می شود. در این خصوص ، غشا های جدید پلیمری ترکیب شده با فناوری نانو مشکلات گذشته را برطرف کرده است. از جمله موادی که می توانند در بهبود عملکرد غشاهای نانوفیلتراسیون پلیمری نقش ایفا کنند: (1) غشاء های پوشش داده شده از نانو کانی های سیلیکاتی،  (2) غشاهای پلیمری -پروتئینی پیوندی و یا شبه زیستی[3]، (3) غشاهای ترکیب شده با نانو لوله های کربنی، (4) غشاهای کوپلیمری خود آرا[4]،  (5) غشاهای پایه گرافنی، (6) نانو کامپوزیت های لایه نازک آلی- غیر آلی می باشند [5،4] ( شکل 3). به عنوان مثال ، شرکت LG محصولات غشاهای اسمز معکوس نانو کامپوزیت لایه نازک با نام تجاری NanoH2O به بازار عرضه کرده و درحال کار بر روی محصولات نانو فیلتراسیون هستند [6]. یا شرکت دانمارکی Aquaporin غشاهای متنوع از نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس که با نانو فناوری ادغام شده است را به فروش می رساند [7]. در این باره میتوان  غشاء نانوفیلتراسیون اصلاح شده با نانو زئولیت را مثال زد.

 

  • آماده سازی لایه های غشاء نانو فیلتراسیون

فرایند غشاء نانو فیلتراسیون منجربه پس زدن ذرات بزرگتر از یک نانومتر مثل مولکولهای آلی با وزن زیاد، یونهای چند ظرفیتی ( مثل Ca2+ و SO42-) و در مواردی یونهای تک ظرفیتی ( مثل CL–) می شود. غشاء های نانو فیلتراسیون معمولا ضخامتی بین 100 تا 200 میکرومتر  با یک لایه تفکیک کننده دارد که منافذی با قطر کمتر از 002/0 میکرومتر را دارا می باشد.  معمولا غشاء های نانو فیلتراسیون پلیمری به صورت چند لایه استفاده می گردند که این لایه ها به شکل لوله ای و یا حلزونی پیچیده می شوند ( شکل4 ). و برای استحکام بین لایه ها، از چسب های مخصوصی که در عملکرد سیستم غشاء نقشی داشته باشد استفاده می کنند. فشار عبوری غشاء معمولا بین 5/3 تا 16 بار می باشد. [8]. غشای نانوفیلتراسیون پلیمری نیز به عنوان جزء اصلی فرآیند نانوفیلتراسیون می تواند بنابر ساختار، جنس، گستره اندازه حفرات و فناوری طراحی شده با روش های گوناگونی ساخته شود.

شکل 4 :  طراحی غشاء نانو فیلتراسیون به مدل حلزونی

———————————–

[1] Cellulose acetate membranes

[2] Polyamide TFC membranes

[3] Hybrid protein-polymer biomimetic membranes

[4] Self-assembled co-polymer membranes

 

  • نانو فیتراسیون جهت نمک زدایی آب دریا

باتوجه به کاهش منابع آبی در بسیاری از کشورها ، تصفیه آب دریا اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است، استفاده از اسمز معکوس به منظور نمک زدایی آب دریا به دلیل مصرف زیاد انرژی و هزینه بالای نگه داری سیستم، مقرون به صرفه نیست. تحقیقات نشان می دهد که استفاده از غشاهای اصلاح شده نانو فیلتراسیون در دو مرحله (شکل 5 و 6) نتایج مطلوبتری نسبت به اسمز معکوس در تصفیه آب دریا خواهد داشت زیرا [9] : الف) فشار مورد نیازبرای اسمز معکوس، 83 بار می باشد درحالی که فشار مورد نیاز برای دو مرحله نانوفیلتراسیون، 38 بار است که نزدیک به 20 درصد انرژی کمتری هدر می رود.

ب) استحکام و طول عمر این سیستم بهتر از سیستم تک مرحله ای اسمز معکوس خواهد بود.

پ) طبق نظر سازمان جهانی بهداشت، مقدار H2BO3–  نباید از 5/0 میلیگرم بر لیتر بیشتر شود، این درحالی است که آب دریا بین 4 تا 6 میلی گرم بر لیتر یون بورات دارد که غشاهای نانو فیلتراسیون اصلاح شده با نانو مواد می توانند به راحتی در طی دو مرحله حذف کنند. ولی در اسمز معکوس احتمال عبور یون بورات وجود دارد. بعنوان نمونه، در این موضوع، پروژه نصب و راه اندازی سیستم نمک زدایی آب دریا با استفاده از غشاء نانو فیلتراسیون در کالیفرنیا مربوط به سالها قبل (2006) به درخواست بنیاد تحقیقاتی اتحادیه آب آمریکا [1]و سازمان احیا اراضی امریکا [2] گزارش شده بود.

شکل 5: سیستم نانو فیلتراسیون دو مرحله ای جهت نمک زدایی آب دریا

 

——————————

[1] American Water Works Association Research Foundation

[2] United States Bureau of Reclamation

 

  • تجاری سازی نانوفیلتراسیون در ایران

در ایران به دلیل بحران کم آبی در دهه گذشته، توجه خاصی به طرح های تصفیه آب، استفاده مجدد از فاضلاب و تهیه آب شرب شده است. در این راستا می توان به طرح های نوین نانوفناوری نیز اشاره نمود.

  • طرح بررسی عملکرد نانوفیلتراسیون در تصفیه آب تهران برای تصفیه نیترات حاصل از نشت فاضلاب
  • طرح آب رسانی به شهر مرزی خمارلو در سال 1385 انجام گردید که تجهیزات تصفیه خانه نانوفیلتراسیون در کنار رود ارس احداث گردید.
  • تصفيه آب رود کارون به روش نانوفيلتراسيون با حجم تصفیه روزانه 300 متر مکعب جهت آب رسانی به منطقه محروم ملاثانی در سال 1386 توسط شرکت نانو پالایش آب لیان
  • تامین آب شهر پل دشت از توابع آذربایجان غربی با روش نانوفیلتراسیون در سال 1392 با حجم 1700 مترمکعب در روز

مطالعات در هریک از این موارد، بازده خوب و بهره وری اقتصادی را برای طرح های فوق نوید می دهند.

در زمینه ساخت غشاهای نانوفیلتراسیون تلاش های موفقی در پژوهشکده فناوری نانوی دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل صورت پذیرفت و نهایتا محصول طراحی شده در راستای فعالیت های شرکت فناوری نانو کاسپین تجاری سازی و عرضه شد. این گروه که در زمینه ساخت نسل جدید غشاءهای نانوفیلتر در تصفیه آب و پساب صنعتی فعالیت می کند، در سال 1385 آغاز به کار کرد و از سال 1391 در قالب شرکت دانش بنیان فناوری نانوکاسپین ادامه یافت. وجود متخصصان زبده در حوزه غشاء در دانشگاه و در پژوهشکده و همچنین حمایت های ستاد ویژه توسعه فناوری نانو و دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، موتور محرکه تأسیس شرکت در حوزه نانوغشاء شد[10-12].

همچنین شرکت هایی همچون نانو پالایش آب لیان و  مهندسي ساخت آب روبش رسوب مهسار از موارد فعال در زمینه تصفیه آب با نانوفیلتراسیون بوده اند.

 

  • شرکت ها و محصولات خارجی

بازار محصولات غشایی برای مصارف تصفیه آب بسیار گسترده بوده و به طور قابل توجهی افزایش یافته است به عنوان مثال در سال 2010 ، تنها در زمینه غشاء های مربوط به تصفیه آب اشامیدنی ، بازاری معادل 594 میلیون دلار داشته است. تخمین زده می شود که تا سال 2015 ،  حجم بازار محصولات غشایی ، برای آب آشامیدنی ، آب فرایندی و پساب به ترتیب معادل 900، 600 و 420 میلیون دلار باشد.

بسیاری از شرکت های فعال در زمینه تصفیه آب، شرکت های تولید کننده غشاء را شامل می شوند و بسیاری از تولید کنندگان غشاء که مبتنی بر فناوری نانو هستند از زیر مجموعه های شرکت های بزرگ چند ملیتی مانند Dow Chemicals ، Toray Industreis، Koch Industries، Toyobo، Woongjin Chemical ، BASF می باشند. برخی شرکت ها  مانند MarCorPurification ، در زمینه تولید فیلتر ها آب مصارف پزشکی  فعالیت می کنند. از دیگر شرکت های فعال در زمینه غشاء های پلیمری نانو فیلتراسیون میتوان نام برد [13-21] :

شرکت Argonide/ Daicel Chemical Industrie/ Donaldson Co/ Dow water&process / Emembrane/ Hydranautics-Nitto Denko / ITT industries/ Kochmembrane/ Membrane Products Corp/ Microdyn-Nadir Gmbh/ New logic International/ Trisep corp/Fraunhofer IKTS Appliedmembranes// Aquaporin

 

یکی از موفق ترین کمپانی های بزرگ در صنایع تصفیه آب ، شرکت GE’s Water & Process Technologies می باشد که از سال 1999 شروع به کار کرده و توانسته با بهبود کیفیت محصولات و بهره گیری از فناوری های روز دنیا، بسیاری از رقیبان خود را کنار زده و جایگاهی جهانی را بدست آورد[22]. تا به امروز نزدیک به 2 میلیارد دلار در جهت تحقیقات توسط این شرکت سرمایه گذاری شده است که اخیرا، فناوری نانو و استفاده آن در سیستمهای غشایی سهم بزرگی از بودجه تحقیقاتی شرکت را شامل شده است. (مثال: محصول غشایی نانو فیلتراسیون شرکت GE’s Water & Process Technologies)

 

  • جمع بندی

امروزه فرآیندهای فیلتراسیون نقشی اساسی در تصفیه آب بازی می کنند. در این میان غشاهای توسعه یافته نانوساختار منجر به ایجاد سامانه های نانوفیلتراسیون بسیار کارآ با قابلیت های نمک زدایی و گندزدایی شده اند. شرکت های بسیار بزرگی در در دنیا سرمایه گذاری های ارزنده ای در این زمینه انجام داده اند. خوشبختانه در داخل کشور نیز تحقیقات گسترده ای در این زمینه صورت می گیرد و شرکت هایی نیز موفق به تجاری سازی چنین محصولاتی گردیده اند. به طور کلی دورنمای بسیار موفقی برای تولید و بکارگیری محصولات نانوفیلتراسیون در کشور متصور است [8] .

 

 

  • منابع

[1] A review of water treatment membrane nanotechnologies, M. Theresa M. Pendergast , E.M.V. Hoek, Energy & Environmental Science, P: 1946, V: 4 (2011).

[2] Applications of Nanotechnology in Water and Wastewater Treatment, X. Qu, P. J.J. Alvarez, Q. Li, Water Research, P: 3931, V: 47 (2013).

[3] Applications of Nanotechnology in Wastewater Treatment—A Review, T. Bora ,J. Dutta, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, P: 613, V: 14 (2014).

[4] Nanotechnology Applications for Clean Water ,Solutions for Improving Water Quality, Elsevier Inc. (2014).

[5] Advances in Polymer-based Nanostructured Membranes for Water Treatment, N. Mehwish, A. Kausar, M. Siddiq, Polymer-Plastics Technology and Engineering, P: 1290–1316, V: 53 (2014)

[6] http://www.nanoh2o.com/products

[7] http://www.aquaporin.dk/85/aquaporins.aspx

[8] Encyclopedia of Membrane Science and Technology, E. M.V. Hoek , V. V. Tarabara, John Wiley & Sons, Inc (2013).

[9] http://www.usbr.gov/main/programs/

[10] http://corridor.nano.ir/

[11] http://www.mtfn.ir/info_company.php

[12] http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1406&lang=1

[13] http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1374&lang=1

[14] http://daicen.com/en/products/membrane/

[15] http://www.argonide.com/commercial/product-line/

[16] http://www.sterlitech.com/membrane-process-development/flat-sheet-membranes/nanofiltration-nf-membrane/

[17] http://www.dowwaterandprocess.com/en/products/reverse_osmosis_and_nanofiltration

[18] http://www.membranes.com/index.php?pagename=esna

[19] http://membranes.trisep.com/category/nanofiltration-membranes

[20] http://www.kochmembrane.com/Learning-Center/Technologies/What-is-Nanofiltration.aspx

[21] http://www.kochmembrane.com/Landing/SR3D-Nanofiltration.aspx

[222] http://www.gewater.com/product-directory.html?cid=ProductsNavBar

—————————————————

تهیه کنندگان

  • احسان فریدی (کارشناس ارشد شیمی تجزیه)
  • محسن سروری (دکتری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: 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 دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================

مطالب مرتبط
درباره رسانه نانو و صنعت

ستادویژه‌توسعه‌فناوری‌نانو معاونت علمی وفناوری ریاست جمهوری در راستای تحقق اهداف سند چشم انداز توسعه صنعتی فناوری نانوی ایران، به عنوان بخشی از اقدامات خود، امر ترویج صنعتی و مدیریتی را به منظور معرفی و بکارگیری توان داخلی و با هدف ثروت آفرینی دانش‌بنیان و تولید فناورانه، در دستور کار خود قرار داده است. بر این اساس، پایگاه اینترنتی «رسانه نانو و صنعت» ستاد ویژه توسعه فناوری نانو (رسانه تخصصی فناوری نانو در صنایع و سازمانهای کشور)، به منظور «ارائه الگوهای موفق پیشرفت ملی برای مدیران و متخصصان برتر در سازمان‌های اثرگذار، پژوهشی، تولیدی و صنعتی کشور»، «تبیین توانمندیها و دستاوردهای صنعتی نانوفناوران ایران»، و «معرفی خدمات کارگروه های صنعت، بازار، توسعه فناوری، سرمایه های انسانی، بین‌الملل و مؤسسه خدمات فناوری تا بازار»، در دسترس هموطنان گرامی قرار گرفته است.

تازه‌ترین اخبار نانو و صنعت
RSS آخرین اخبار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
مطالب پیشنهادی نانو و صنعت