جداسازی غشایی چیست و چه کاربردی دارد؟

به فرایند جداسازی تركیبات یک محلول به کمک یک غشای نیمه‌تراوا، ”جداسازی غشایی“ یا ”فیلتراسیون غشایی“ گفته می‌شود. جداسازی غشایی بر حسب اندازه منافذ غشاء بکار رفته به ترتیب از بزرگ به کوچک به میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) طبقه‌بندی می‌شود. ابتدا به توضیح غشای نیمه‌تراوا و سپس انواع فرایندهای جداسازی غشایی می‌پردازیم.

جداسازی غشایی نیمه‌تراوا چیست؟

غشایی که به مولکول‌های حلال اجازه عبور از خود را می‌دهد، اما به تمام یا بخشی از مولکول‌ها و یون‌های حل‌شونده اجازه عبور از خود را نمی‌دهد، غشای نیمه‌تراوا (semipermeable membrane) نامیده می‌شود. سلولز، نیترات سلولز و مثانه حیوانات، خاصیت نیمه‌تراوایی دارند.

غشاهای نیمه‌تراوا بر حسب اندازه منافذ، به ترتیب از بزرگ به کوچک به غشای میکروفیلتراسیون (MF)، غشای اولترافیلتراسیون (UF)، غشای نانوفیلتراسیون (NF) و غشای اسمز معکوس (RO) طبقه‌بندی می‌شوند. در شکل زیر انواع آلاینده‌هایی که هر یک از غشاهای نیمه‌تراوا قادر به حذف آنها هستند، نشان داده شده.

میکروفیلتراسیون (MF)

میکروفیلتراسیون (MF) معمولاً برای جداسازی جامد از مایع و به عنوان یک پیش تصفیه برای سایر فرآیندهای جداسازی مانند اسمز معکوس (RO) مورد استفاده قرار می‌گیرد. غشای میکروفیلتراسیون (MF) دارای منافذی به اندازه 0/1 تا 10 میکرون است. فیلترهای مورد استفاده در فرآیند میکروفیلتراسیون (MF) به طور ویژه برای جلوگیری از عبور ذراتی مانند رسوبات، جلبک‌ها، تک‌یاخته‌ها و باکتری‌های بزرگ طراحی شده است.

اولترافیلتراسیون (UF)

غشای اولترافیلتراسیون (UF) دارای منافذی به اندازه 10 تا 100 نانومتر است. ذرات معلق و املاح با وزن مولکولی زیاد در غشای اولترافیلتراسیون (UF) به دام می‌افتند در حالی که آب و املاح با وزن مولکولی کم از آن عبور می‌کنند.

نانوفیلتراسیون (NF)

غشای نانوفیلتراسیون (NF) دارای منافذی به اندازه 1 تا 10 نانومتر است. منافذ فیلتر غشایی نانوفیلتراسیون (NF) کمی بزرگتر از منافذ فیلتر غشایی اسمز معکوس (RO) است. غشای نانوفیلتراسیون (NF) توانایی حذف یون‌های چند ظرفیتی از قبیل کلسیم و منیزیم را دارد لکن یون‌های تک ظرفیتی مانند سدیم را به خوبی یون‌های چند ظرفیتی حذف نمی‌کند. در ساخت فیلتر غشایی نانوفیلتراسیون (NF) از لایه‌های نازک پلیمری (مانند ترفتالات پلی اتیلن) یا فلزاتی مانند آلومینیوم استفاده می‌شود.

اسمز معکوس (RO)

در فرایند فیلتراسیون اسمز معکوس از یک غشای نیمه‌تراوا برای جداسازی یون‌های سخت آب استفاده می‌شود. غشای اسمز معکوس (RO) دارای منافذی به اندازه 1/0 تا 1 نانومتر است. غشای اسمز معکوس (RO) توانایی حذف یون‌های چند ظرفیتی (مانند کلسیم و منیزیم) و یون‌های تک ظرفیتی (مانند سدیم) را دارد. هرچند که فرایند اسمز به طور طبیعی و بدون نیاز به انرژی انجام می‌شود، لکن برای معکوس کردن فرآیند اسمز نیاز به صرف انرژی است.

مقایسه اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF)

نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) دو فرایند جداسازی غشایی هستند که شباهت‌ها و تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. در هر دو فرایند، از فشار برای عبور دادن آب از فیلتر غشایی یا ممبران استفاده می‌شود لکن برخلاف اسمز معکوس (RO) که توانایی بالایی در حذف یون‌های تک ظرفیتی و چند ظرفیتی دارد و تقریباً همه املاح آب را حذف می‌کند، نانوفیلتراسیون (NF) یون‌های تک ظرفیتی مانند سدیم را به خوبی یون‌های چند ظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم حذف نمی‌کند. لازم به ذکر است که به فرایند حذف یون‌های سخت آب، به ویژه کلسیم و منیزیم، فرایند نرم‌سازی یا سبک‌سازی آب گفته می‌شود.