نانوفیلتراسیون و حذف نیترات از آب
نیترات یک یون پایداراست و حلالیت بالایی دارد که حذف آن از محیط‌های آبی، توسط روش‌های متداول از قبیل انعقاد، لخته‌سازی یا سبک‌سازی با آهک مشکل است. بنابراین روش‌های مختلفی از قبیل رزین‌های تبادل یونی، احیای شیمیایی، الکترودیالیز، دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی، اسمزمعکوس و نانوفیلتراسیون برای حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفته‌است. در این میان، روش بیولوژیکی نیازمند افزایش منبع کربن برای انجام فرآیند دنیتریفیکاسیون است و دفع لجن ناشی از بیومس جزو معایب این سیستم‌ها می باشد. روش تبادل یونی نیازمند احیاء و تجدید رزین و همچنین دفع پساب حاصل از احیاء است. در احیای الکتروشیمی، الکترودها به راحتی غیر فعال می‌شوند. اسمز معکوس نیز هزینه راهبری بالایی دارد. احیای کاتالیستی موجب تولید محصولات جانبی خطرناک، از قیبل نیتریت و آمونیوم می‌شود.
روش‌های فیلتراسیون غشایی را می‌توان به دو دسته کلی غشاهای تراوا (میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون) و غشاهای نیمه‌تراوا (نانوفیلتراسیون و اسمزمعکوس) تقسیم نمود. زمانی که هدف جداسازی ذرات بزرگتر است از روش‌های میکروفیلتراسیون (با قابلیت جداسازی ذرات با سایز 0.1-1 میکرومتر) و اولترافیلتراسیون (با قابلیت جداسازی ذرات با سایز 0.01-0.1 میکرومتر) استفاده می‌شود. برای جداسازی نمک‌های محلول در آب از روش‌های نانوفیلتراسیون (با قابلیت جداسازی ذرات با سایز 0.001-0.01 میکرومتر) و اسمزمعکوس (با قابلیت جداسازی ذرات با سایزکوچکتر از 0.001 میکرومتر) استفاده می گردد. در جداسازی توسط غشاهای نیمه تراوا از اصل نفوذ از غشا استفاده می‌گردد و فشار مورد استفاده در روش‌های نانوفیلتراسیون و اسمزمعکوس بیشتر از فشار مورد نیاز در روش میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون است. در شکل زیر توانمندی انواع غشاها در حذف آلودگی نشان داده شده‌است.
تاریخچه نانوفیلتراسیون به دهه هفتاد میلادی زمانی که غشاهای اسمز معکوس با فشارهای نسبتاً پایین همراه با جریان آب تصفیه ای قابل قبول، بسط و توسعه پیدا کردند باز می‌گردد. استفاده از فشارهای بسیار بالا در فرآیند اسمز معکوس، اگر چه منجر به تهیه آب با کیفیت بسیار عالی می‌شود، لیکن به همان نسبت هزینه گزاف انرژی مصرفی عاملی نگران‌کننده به شماره می‌آمد. در‌نتیجه، تهیه آب با استفاده از این روش از نظر اقتصادی مقرون به‌صرفه نبود. بنابراین استفاده از غشاهایی با میزان درصد حذف پایین تر ترکیبات محلول، اما با قدرت نفوذ آب بیشتر و به‌طبع آن، افزایش حجم آب تصفیه‌شده با کیفیتی مطلوب (درحد استانداردهای مورد‌نظر) در فناوری جداسازی، یک پیشرفت قابل ملاحظه به‌شمار می‌آمد. از این‌رو غشاهای اسمز معکوس با فشار پایین، به‌عنوان غشاهای نانوفیلتراسیونی شناخته می‌شود.
نکته حائز اهمیت در مورد نانو فیلترها نسبت به سایر غشاها، قدرت انتخاب‌گری در حذف یون‌هاست. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از دو لایه تشکیل می‌شود. لایه نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می‌دهد. این غشاها معمولاً در دو نوع باردار و غیرباردار موجود هستند. مکانیسم اصلی در حذف مولکول‌های بدون بار، خصوصاً ترکیبات آلی بر پایه غربال‌سازی استوار است. در حالی که حذف ترکیبات یونی به‌دلیل برهم کنش‌های الکتروستاتیک بین سطح غشا و گونه‌های باردار، حذف می‌شوند. امروزه غشاهای نانویی تجاری، در اشکال متفاوتی استفاده می‌گردند. این اشکال شامل سیستم‌های مارپیچی، صفحه‌ای، جعبه‌ای، لوله‌ای و فیبری است.
به‌طور کلی مزایای زیر را می‌توان برای فرآیند نانوفیلتراسیون بیان کرد:
- تولید آب در مقیاس وسیع‌تر در مقایسه با سایر سیستم‌ها نظیر RO
- از بین بردن انواع ویروس، باکتری و میکروارگانیسم‌ها
- حذف آلاینده‌های عالی و حفظ مواد معدنی مورد نیاز
- عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی مضر برای محیط زیست و انسان
- حذف سختی و شوری
- کاهش کدورت
- پساب کمتر نسبت به RO
- نگهداری و راهبری آسان سیستم
- انرژی پایین سیستم نسبت به سایر سیستم‌ها و صرفه جویی در انرژی
- پایین بودن هزینه
مطالعه و تحقیق روی حذف نیترات به‌کمک نانو فیلتراسیون از دهه ۷۰ میلادی شروع شده و فرآیندهای متفاوتی با غشاهای مختلف گزارش شده‌است. نانوفیلتراسیون هم به‌تنهایی و هم با ترکیب با فرآیندهای دیگر جداسازی در حذف نیترات به‌کار گرفته شده‌است. با بررسی مطالعات انجام‌شده مشخص می‌شود که روش نانوفیلتراسیون توانسته‌است بازدهی مناسب را در حذف نیترات به‌همراه داشته باشد. همچنین بررسی مطالعات گوناگون حاکی از آن است که این روش در مقایسه با دیگر روش‌های حذف نیترات از قبیل اسمز معکوس و تبادل یونی دارای هزینه انرژی مصرفی کمتر و شرایط عملیاتی کم هزینه‌تری است.
از جمله پارامترهای عملیاتی که در حذف نیترات به روش نانو فیلترایون موثر هستند می توان به دما، فشار، اسیدیته، زمان، سرعت جریان متقابل، قدرت یونی و غلظت و نوع یون‌های خوراک اشاره کرد. در نهایت می‌توان گفت فناوری نانوفیلتراسیون یک روش کاربردی و بهینه را برای حذف ناخالصی‌های نامطلوب آب از جمله نیترات در اختیار قرار می‌دهد.
طراحی سامانه آزمایشگاهی نانوفیلتراسیون:
دو روش پیوسته و ناپیوسته برای اجرای فرآیندهای غشایی وجود دارد. در روش پیوسته جریان آب خوراک از طریق خطوط و یا مخازن خوراک به صورت مداوم وارد مدول‌های غشایی شده و به دو قسمت پساب (باقیمانده) و محصول تصفیه شده تقسیم می‌شود.
گاهی برای افزایش میزان بازدهی محصول، مقداری از پساب مجدد با آب خوراکی ترکیب شده و به سیستم غشایی وارد می‌گردد. از این سیستم‌ها بیشتر در مقیاس صنعتی بهره گرفته می‌شود. ورودی پیوسته خوراک در حالت ناپیوسته وجود ندارد و جریان در تانکی ذخیره شده‌است. در این نوع سامانه‌ها پساب و جریان محصول تصفیه‌شده پس از انجام ارزیابی‌های لازم به داخل مخزن خوراک فرستاده شده تا کیفیت خوراک تغییر نکند. از این سیستم‌ها در کارهای پژوهشی و در مقیاس کوچک استفاده می‌گردد. در شکل زیر نمایی از طرح اولیه یک سامانه آزمایشگاهی پیوسته نشان داده شده‌است.
نویسنده: نوید ناصری - مدیر مرکز خدمات تخصصی شیمی و مهندسی شیمی جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان
نظر شما :