فیلتراسیون

مشخصات فیلتراسیون شنی و ماسه ای

مکانیزم حذف مواد معلق در صافی

  • صاف شدن یا غربال شدن مکانیکی (Mechanical straining)
  • ته نشینی (Sedimentation)
  • جذب سطحی (Adsorption)
  • نیروی ثقل (Gravity)
  • دیفوژن
  • تاثیرات هیدرودینامیک
  • جدا شدن
  • اینرسی
  • کنده شدن (Detachment)

تقسیم بندی فیلترها از جنبه های مختلف

1- از نظر نوع استفاده

الف- مورد استفاده در پیش تصفیه

  • فیلترهای ریز مکانیکی یا میکرواسترینرها
  • فیلترهای درشت دانه افقی و عمودی
  • فیلترهای سنگریزه ای
  • فیلترهای تند ماسه ای

ب- مورد استفاده به عنوان مرحله اصلی تصفیه

  • فیلترهای تند ماسه ای
  • فیلترهای کند ماسه ای
  • فیلترهای غشائی
  • فیلترهای کربن فعال دانه ای
  • فیلترهای دیاتومه

2- از نظر جنس مواد فیلتری

  • ماسه سیلیسی
  • آنتراسیت
  • کربن فعال
  • و ...

3- از نظر جهت جریان

  • رو به بالا
  • رو به پایین
  • دو طرفه
  • افقی

4- از نظر تعداد لایه

  • یک لایه
  • دو لایه
  • چند لایه

5- از نظر استغراق

  • مستغرق
  • غیر مستغرق

عوامل موثر روی کاهش دوره فیلتراسیون

1- تجمع مصالح ریز دانه بستر در سطح صافی

2- ریز بودن اندازه موثر مصالح بستر به نسبت نرخ فیلتراسیون انتخاب شده

3- زیاد بودن غلظت مواد معلق و لخته ها در آب ورودی به صافی

4- کثیف بودن بستر و پر بودن از گلوله های گلی

5- وجود جلبک های مسدود کننده بستر در آب ورودی

6- تجمع حباب های هوا در بستر صافی

7- استفاده بیش از حد بهینه از پلی مر ها

فیلترهای ایده آل

1- فیلترهای ایده آل فیلتری است که جهت جریان در آن از دانه درشت به دانه ریز صورت پذیرد.

2- ترتیب استقرار لایه های فیلترهای ثقلی تند به علت شستشوی معکوس به گونه ای است که جریان از دانه ریز به طرف دانه درشت صورت می گیرد.

اولترا فیلتر (UF)

دو نوع غشا اولترا و ميكرو فيلتر را غشاهاي كم فشار مي‌ناميم. اين غشاها به هيچ وجه قادر به حذف نمك‌ها نيستند و براي حذف ذرات معلق و كلوئيدي به كار مي‌روند. همچنين از اين غشاها براي گندزدائي و حذف ميكروارگانيسم‌هاي بيماري‌زا استفاده مي‌كنيم.

 

 غشا،غشاء،غشائیی، فیلتر،صافی، فیلتراسیون،اولترا، اولترافیلتر،اولترافیلتراسیون

نحوه کارکرد دستگاه اولترا فیلتر

دستگاه اولترا فیلتر یکی از انواع فیلتراسیون غشایی است که در آن نیروهایی مانند اختلاف غلظت یا فشار باعث جداسازی مواد از طریق یک غشای نیمه تراوا می شوند. جامدات معلق و مواد با وزن مولکولی بالا فیلتر شده و پشت غشا باقی می مانند در حالی که آب و حلال های با وزن مولکولی پایین از غشا عبور کرده و وارد جریان تصفیه شده می شوند.

کلویید ها ، پروتئین ها ، مولکول های آلی و آلودگی های میکروبی ، باکتری ها و ویروس ها به دلیل اینکه از منافذ غشا ( اندازه منافذ بسیار کوچکتر از ۰/۱ میکرومتر است ) بزرگ تر هستند در عبور از این غشاها جدا می شوند اما ذراتی با وزن مولکولی کم و یون هایی مانند سدیم ، کلسیم و غیره از این غشاها عبور کرده و حذف نمی شوند.

مبانی طراحی دستگاه اولترا فیلتر

راندمان فرآیند اولترا فیلتراسیون تا حدی بستگی به عواملی چون بار و اندازه ذرات دارد.

انواع غشا های اولترا فیلتراسیون

 

 

غشاهایی که در اولترا فیلتراسیون مورد استفاده قرار می گیرند، عمدتا به شکل حلزونی ، لوله ای سرامیکی و الیاف میان تهی می باشند.

کاربرد دستگاه اولترا فیلتر

 

دستگاه اولترا فیلتر در تصفیه آب آشامیدنی می تواند در مراحل مختلفی از فرایند مورد استفاده قرار گیرد.

به عنوان پیش تصفیه آب قبل از اسمز معکوس RO

به عنوان تصفیه آب شستشوی فیلتر شنی

دستگاه اولترا فیلتر می تواند برای حذف ذرات و ماکرومولکول ها از جریان آب خام جهت تهیه آب آشامیدنی استفاده گردد.
در تصفیه آب با میزان مواد جامد معلق بالا ، اولترا فیلتراسیون اغلب با تصفیه اولیه همراه است ( غربالگری، انعقاد، فیلتراسیون ) و در برخی از تصفیه های ثانویه به عنوان مرحله پیش تصفیه استفاده می شود.

غشا،غشاء،غشائیی، فیلتر،صافی، فیلتراسیون،اولترا، اولترافیلتر،اولترافیلتراسیون

مزایای دستگاه اولترا فیلتر

فرآیند اولترا فیلتراسیون در حال حاضر در میان روش های تصفیه سنتی به دلایل زیر ترجیح داده می شود.

عدم نیاز به مواد شیمیایی (به جز در مواقع تمیز کردن)

کیفیت محصول ثابت بدون توجه به کیفیت آب خام ورودی

کم حجم بودن اندازه دستگاه

دستیابی به حذف ۱۰۰-۹۰ درصدی پاتوژن ها

معایب دستگاه اولترا فیلتر

در حال حاضر استفاده از سیستم اولترا فیلتر به دلیل هزینه های بالای ناشی از گرفتگی های غشا و تعویض آنها، محدود شده اند.

برخی مواقع ازسیستم‌های اسمز معکوس به صورت ترکیبی استفاده شده است به این سیستم‌ها، سیستم‌های یکپارچه غشائی یا integrated membrane sys می‌گویند. یعنی سیستمی که از غشاء برای پیش‌تصفیه و از غشاء برای شیرین‌سازی آب بهره می‌برند.در این فرایند فیلترهای میکرو و اولترا نقش اساسی دارند.

 

غشاهای مورد استفاده در سیستم های اسمز معکوس

غشاهای مورد استفاده در سیستم های اسمز معکوس

برای تهیه آب خالص، عموماً از دو غشای سلولز استات (CA) و پلی آمید (PA) استفاده می‌شود که هر دو پلیمری می­باشند. نوع سوم غشاء که در سالهای اخیر مرسوم شده است، پلی سولفان باردار (PS) می­باشد.

سلولز استات

غشای سلولز استات، اولین نوع غشائی است که به نحو گسترده­ای در آرایش حلزونی مورد استفاده قرار گرفت. این غشاء مقاومت بالایی به کلر آزاد از خود نشان داد و تا زمان دستیابی به غشاء فیلم- نازک پلی آمیدی تنها غشاء انتخابی برای کاربردهای مختلف RO  بود. غشای سلولز استات بدون بار است. بدین معنا که حلقه‌های انتهایی پلیمر به شدت قطبی نیستند و این یک مزیت نسبت به سایر غشاها نظیر پلی‌اَمید و پلی سولفان باردار است. زیرا بسیار کمتر از آنها احتمال جذب ذرات باردار عامل فولینگ روی غشاء CA وجود دارد. در غشای سلولز استات، سطحی که در معرض آب خوراک قرار دارد بسیار نازک و شبیه به یک لایه صاف است که چرم و یا پوست نامیده می‌شود.

از این پوسته، غشاء به داخل ساختار متخلخل محافظ غشاء شاخه شاخه می­شود. همچنین به نظر می‌رسد که سطح صاف و نرم لایه­های این پوسته به مقاومت غشاء CA در مقابل گرفتگی کمک می­نماید. مهمترین فاکتور کنترلی برای غشای سلولزاستات، PH می­باشد. غشای سلولزاستات با گذشت زمان، هیدرولیز خواهد شد. در این حالت، غشا خاصیت دفع نمک را از دست خواهد داد. سرعت تخریب تابعی از دما و PH می­باشد. همچنین با تغییر شرایط خصوصاً مقدار pH یک تغییر فوق العاده زیاد در نرخ هیدرولیز غشاء بوجود می­آید.جهت کاهش سرعت هیدرولیز غشای سلولزاستات، بیشتر سیستم‌های محتوی این نوع غشا، جهت کاهش PH از اسید استفاده می‌کنند.

PH مطلوب حدود 8/4 است، تنظیم PH به مقدار کمتر از 5/6، سرعت هیدرولیز سلولز استات (CA) را به حداقل می‌رساند به طوری که غشا، حداقل سه سال کارآیی خواهد داشت.

نخستین غشاء های CA از جنس سلولز دی استات ساخته می­شدند. در تجربه­ های بعد، با اختلاط آن با سلولز تری استات در کارائی آن بهبود بوجود آورند. این غشاء مختلط CA نرخ جریان محصول بالاتر و مقاومت بهتر در مقابل حمله باکتریها و نرخ هیدرولیز کمتر را دارا بودن. تقریباً همه المنتهای با غشاء CA که امروزه در بازار هستند از جنس CA مختلط ساخته می­شوند.

غشاهای سلولز استات توانائی بالاتری در تحمل مواد اکسید کننده نظر کلر آزاد و کلروآمینها نسبت به دیگر انواع غشاءها دارا می­باشد. در نتیجه انتخاب یک سیستم غشائی با غشاء سلولز استات برای استفاده در جاهایی که پتانسیل بالائی بیوفولینگ (گرفتگی بیولوژیکی) دارد، بسیار مناسب می­باشد. زیرا در این موارد امکان تزریق کلر تا غلظت ppm1 به آب خوراک RO به منظور کاهش رشد مواد بیولوژیکی بدون تغییر در عمر مورد نظر غشا امکان پذیر می­باشد.

غشاء پلی‌اَمیدی

مقبولیت استفاده از غشاهای پلی‌آمید به سبب شار بالای محصول عبوری از آنها رو به افزایش می­باشد. غشای پلی‌آمید در ابتدا با آرایش الیاف توخالی غشا مورد استفاده قرار گرفت. ساختمان شیمیایی آن از پلی‌امید آروماتیک خطی است که می­تواند به شکل تارهای پوک بسیار ریز، قالب پذیرد. غشای پلی آمید که با آرایش حلزونی مورد استفاده قرار می‌گیرد از لایه نازک پلی امید آروماتیک ساخته شده که به شکل فرعی پلی سولفان با جرم حجمی کم درآمده است. این نوع خاص از غشا، لایه نازک نامیده می‌شود. ساختمان شیمیایی این غشا، چلیپایی است که در مقابل عوامل اکسید کننده مقاومت بیشتری دارد. غشای پلی آمید لایه نازک، اساساً دارای شار بیشتری نسبت به سلولزاستات است و این امر سبب می­گردد تا فشار راهبری سیستم اسمز معکوس برای غشای پلی امید نیمی از فشار غشای سلولزاستات باشد و دفع نمک بهترصورت پذیرد. این بدین معنا است که یک سیستم RO با استفاده از غشای لایه نازک نیمی از انرژی سیستم RO  با غشای سلولز استات را مصرف می‌کند.

به دلیل نیاز به اتصالات و لوله های با تحمل فشار کمتر، هزینه سرمایه گذاری اولیه دستگاه های سیستم RO با غشای لایه‌ی نازک معمولاً از نوع مشابه آن با غشای سلولز استات ارزانتر می­باشد.

غشای پلی‌آمید به عوامل اکسید کننده نظیر کلر آزاد یا یُد آزاد، بسیار حساس است. بدین معنا که اگر در آب خوراک سیستم، کلر آزاد وجود دارد باید توسط یک عامل احیا کننده، نظیر بی‌سولفیت سدیم، یا با عبور آب خوراک از کربن فیلتر، کلر آزاد از میان برداشته شود.

به محض حذف عامل اکسید کننده از نوع بایو سایدی در آب خوراک، احتمال فعالیت بیولوژیکی و متعاقب آن، گرفتگی غشا بیشتر خواهد شد. در مورد بسیاری از آبهای سطحی و بعضی از چاههای آب، رشد بیولوژیکی موجب غیرقابل استفاده شدن غشای PA می‌شود؛ مخصوصاً اگر از سیستم به تناوب استفاده شود.

غشای پلی آمید لایه‌ نازک که غالباً در صنایع تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای مشخصات بار منفی است. در بعضی از منابع آب، این بار منفی سایر ذرات را که موجب گرفتگی شده‌اند، جذب می‌کند. همچنین در سیستم شستشوی شیمیائی برای جمع آوری مواد از سطح غشاء باید از مواد شیمیائی هم بار با غشا استفاده شود. به عنوان مثال فقط باید از فعال کننده­ های سطحی آنیونی برای شستشوی سیستم با غشاء آنیونی استفاده نمود.

غشای پلی اَمید برای آب دریا

غشاهای مخصوص از جنس PA برای نمک زدائی از آب دریا و سایر کاربردهایی که نیاز به فشار بالا دارند، مورد استفاده قرار می­گیرند. این نوع المنت های غشا از یک لایه ضخیم‌تر پلی‌آمید استفاده می‌کنند. میزان شار آب محصول با وجود لایه ضخیم تر غشاء کمتر است، اما دفع نمک، بهتر صورت می‌گیرد. کاربرد غشای پلی آمید برای آب دریا مزایایی دارد و نیز برای کاربردهایی غیر از آب دریا مناسب است. افزایش دور ریز املاح موجب بهبود کیفیت آب محصول می‌شود. همچنین، کاهش شار محصول می‌تواند به کاهش پتانسیل گرفتگی غشا کمک کند.

پایین بودن فشار اُسمزی در ابتدای مرحله در صورت استفاده از المنت غشای پلی آمید مخصوص آب دریا، موجب افزایش بیش از حد آب محصول می‌شود. المنتهای با غشاء مخصوص را می­توان جهت نرخ شار و موازنه بیشتر در عرض سیستم RO و کاهش نرخ گرفتگی در مراحل انتهائی مصرف نمود.

اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس (Reverse Osmosis):

اسمز معکوس یک فرایند فیزیکی است که می­توان از محلولی به کمک یک غشاء نیمه تراوا، حلال تقریبا خالص تهیه کرد. بعنوان مثال به کمک این روش می توان از آب شور، آب آشامیدنی مطلوب تهیه کرد. اسمز معکوس یکی از بهترین روش ها برای حذف یون های محلول در آب است. از آنجا که فقط مولکول های آب قادر به عبور از منافذ غشای نیمه تراوا هستند ، در نتیجه تقریبا تمامی یون ها و مولکول های محلول ( از جمله نمک ، قند و املاح موجود در آب ) پشت غشاء باقی مانده و از آب حذف می شوند.

RO1 Fr

اسمز طبیعی چیست؟

اسمز طبیعی زمانی رخ می دهد که دو محلول با غلظت های متفاوت توسط یک غشای نیمه تراوا از هم جدا شده باشند. فشار اسمزی آب خالص را از طریق منافذ غشاء به درون محلول غلیظ تر هدایت می کند و این فرآیند تا آنجا ادامه میابد که غلظت هر دو محلول برابر گردد.

 اساس کار اسمز معکوس

اگر یک غشاء نیمه تراوا (Semi-Permeable Membrane) بین دو محلول با غلظت های متفاوت قرار گیرد، مقداری از حلال (رقیق) از یک طرف غشاء به طرف دیگر منتقل می شود. غشاء معمولا از جنس استات سلولوز و یا پلی آمید است. البته امروزه غشاء را از مخلوط استات سلولوز و تری استات سلولوز می سازند. جهت طبیعی حرکت حلال به گونه ای است که محلول غلیظ تر، رقیق می شود. در شکل زیر آب خالص از غشاء عبور کرده و وارد آب ناخالص می شود. اگر به سیستم اجازه رسیدن به تعادل داده شود، در آن صورت سطح آب نمک ( آب حاوی ناخالصی ) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت. این اختلاف سطح در دو طرف غشاء را فشار اسمزی می گویند. در واقع تنها مولکول های آب قادر به عبور از غشاء نیمه تراوا هستند.

با توجه به شکل :

 RO

سمت چپ: مولکول های آب در قسمت آب خالص، به خاطر پدیده طبیعی اسمز وارد محفظه آب ناخالص می شوند.

سمت راست : می توان با اعمال فشار P ( به میزان بالاتر از فشار اسمزی ) مولکول های آب را وادار کرد که از محفظه آب شور وارد محفظه آب خالص شوند. این همان مفهوم اسمز معکوس است و راهی است برای تهیه آب شیرین از آب شور

بنابراین با اعمال فشار مکانیکی به آب شور ، مولکوله ای آب از مولکوله ای نمک ( ناخالصی ) جدا می شوند. این فرایند را اسمز معکوس (Reverse Osmosis) می گویند. هر دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس ( اعم از خانگی و یا صنعتی ) به صورت ساده شامل قسمت های زیر است:

·         غشاء نیمه تراوا (ممبرین)

·         پمپی که بتواند فشار لازم آب ورودی به سیستم را تامین کند.

·         خروجی پساب (فاضلاب)

وجود پمپ به این دلیل است که آب جهت عبور از چشمه های غشاء که قطر آنها 0/0001 میکرون است، نیاز به فشار دارد ، لذا وجود پمپ در سیستم ضروری است. خروجی پساب در سیستم های اسمز معکوس، به منظور دفع ناخالصی هایی که توسط غشاء از آب جدا شده است، تعبیه شده و در واقع آب غلیظ شده و سرشار از ناخالصی ها از طریق خروجی پساب وارد فاضلاب می شود. همچنین عبور آب از روی سطح غشاء و جاری شدن آن به مجرای فاضلاب باعث می شود که ناخالصی های جدا شده از آب روی سطح غشاء رسوب گذاری نکنند و باعث کاهش عمر غشاء نشوند. در صورتی که مجرای خروجی پساب بنا به هر دلیلی بسته شود، غشاء در مدت زمان کوتاهی کاملا کیپ شده و می بایست تعویض شود. با توجه به اینکه غشاء اسمز معکوس از قیمت نسبتا بالایی برخوردار است، در نظر گرفتن خروجی پساب جهت افزایش عمر غشاء مقرون به صرفه خواهد بود.

 میزان فاضلاب در سیستم های مختلف متفاوت است. اما معمولا نسبت پساب سیستم به تولید آن ، سه به یک است. به عبارتی در بدو راه اندازی سیستم، به ازای هر یک واحد آب تصفیه شده، سه واحد آب وارد فاضلاب خواهد شد. در صورت امکان، آب خروجی پساب دستگاه را در یک منبع ذخیره کرده و جهت مصارفی چون : آبیاری باغچه ها، شستشوی اتومبیل، شستشوی حیاط و … استفاده گردد. اسمز معکوس می تواند املاح آب را ۹۰ تا ۹۸ درصد کاهش دهد. حذف باکتری ها و ویروس ها و دیگر میکروب ها با اسمز معکوس تقریبا صد در صد است، اما بعلت عدم آب بندی کامل سیستم اسمزمعکوس مقدار کمی از این ناخالصی ها ممکن است از غشاء عبور کرده و در آب تصفیه شده دیده می شوند.

RO2

میزان واقعی (Actual)حذف عناصر، ممکن است با تغییر فشار آب ورودی، درجه حرارت آب ورودی، کیفیت شیمیایی آب ورودی و تغییر میزان آلاینده ها، تغییر کند. در صورتی که آهن و منگنز به نحو موثر و مطلوب توسط ممبرین RO از آب حذف می شوند، همزمان می توانند به راحتی روی سطح ممبرین رسوب گذاری کرده و عمر آن را کاهش دهند. حتی در غلظت های پایین آهن و منگنز نیز وقوع این امر دور از ذهن نیست. به طور کلی جهت مقابله با این مشکل بهتر است آهن و منگنز توسط یک سیستم پیش تصفیه مناسب، قبل از ورود به سیستم اسمز معکوس از آب ورودی حذف شوند. میزان حذف نیترات توسط ممبرین به فاکتورهایی نظیر: PH آب ورودی، درجه حرارت آب ورودی، فشار آب ورودی و میزان سایر آلاینده ها در آب ورودی بستگی دارد. امروزه روش اسمز معکوس اقتصادی ترین فرایند برای تهیه آب آشامیدنی از آب های شور مناطق کم آب می باشد.

اسمز مستقیم (FO)

FO از پدیده اسمز برای انتقال آب از محلول تغذيه(پتانسیل شيميايي پایین آب) به یک محلول کِشنده (پتانسیل شيميايي بالای آب)

از میان یک غشای نیمه تراوا استفاده می‌کند.

نیروی محرک این فرآيند به وسیله اختلاف فشار اسمزی بین محلول تغذيه و کِشنده ايجاد مي­گردد.

اخیراً FO به علت مزایای فراوان به عنوان جایگزینی برای سایر فرآيندهای غشایی مورد توجه قرار گرفته است.

FO1

مزایا:

  • مصرف انرژی کمتر
  • گرفتگی و رسوب پایین­تر
  • طول عمر بیشتر
  • در تمامی مطالعات در دهه 1970 تا دهه 1980 که شامل اسمز مستقیم و معکوس بود، از غشاهای اسمز معکوس استفاده می‌شد.

یکی از نتایجی که در تمامی این مطالعات مشابه بود عبارت است از اینکه جریان آب فرآيندهای FO و PRO با استفاده از غشاهای اسمز معکوس در حالت کلی پایین بود

تا به امروز فقط یک نوع غشای ورقه‌ای مسطح اسمز مستقیم به طور تجاری در دسترس است. این نوع غشا اولین بار به وسیله شرکت Hydration Technology (HTI) در دهه 1990 ساخته شد.

نمایش SEM ساختار داخلی غشای اسمز مستقیم (McCutcheon, McGinnis et al. 2005)

FO2

غشای اسمز مستقیم برای نگهداری مکانیکی دارای یک شبکه (مش) پلی استر

واقع در بین دو لایه از مصالح سلولز تری استات[2] CTA می‌باشد

اين شبكه با ضخامتی حدود 50 میکرومتر باعث كاهش اثرات قطبيت غلظتي داخلي (ICP) ناشی از لایه‌های ضخیم نگهدارنده غشاهای اسمز معکوس مي گردد       Internal Concentration Polarization

مقایسه‌ای بین شار عبوري از غشاي اسمز مستقيم و معكوس توسط Ng et al در سال 2006 صورت گرفت كه در نتيجه اين مطالعه محققان نتیجه گرفتند که غشاهای اسمز مستقیم به دلیل کاهش اثرات ICP بدليل كاهش ضخامت لايه نگهدارنده، دارای جریان آب بیشتری می‌باشد