در دهه‌های گذشته فناوری‌های غشایی تبدیل به یک فناوری جداسازی ویژه شده است. علت اصلی گسترش این فناوری‌ها، عدم استفاده از مواد شیمیایی و در عین حال استفاده از انرژی نسبتا کم و سادگی فرایند است. واتک در این مقاله به بررسی و معرفی فناوری اولترافیلتراسیون و طراحی سیستم آن می‌پردازد.
برای اولین بار اشمیت اولترافیلتراسیون را در آزمایشگاه در سال 1861 به کار برد. اگرچه اصطلاح اولترافیلتراسیون برای اولین بار در سال 1906 توسط بچولد و همكاران پیشنهاد شد. در دهه 1970 با ظهور انواع مختلف مواد جدید، غشاهای اولترافیلتراسیون به سرعت وارد تجارت شدند.
کاربرد اولیه فناوری اولترافیلتراسیون در صنایع شیمیایی و دارویی بود. تا دهه 1990 در صنعت تصفیه آب نتوانست به سرعت توسعه یابد. هم اکنون، تصفیه آب به این روش در زمینه‌های مختلفی از جمله آماده‌سازی آب تصفیه برای صنعت الکترونیک، بازیافت الکتروفورتیک، تولید نوشیدنی و آب میوه، صنایع غذایی، صنعت داروسازی، صنایع پزشکی و تصفیه فاضلاب و بازیافت و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فناوری اولترافیلتراسیون بطور گسترده در سراسر جهان در زمینه‌های مختلف تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. غربال‌گری فیزیکی اصلی‌ترین مکانیسم در غشاهای اولترافیلتراسیون است، بنابراین یک فناوری سبز است و بهره‌وری از انرژی و منابع را بهبود می‌بخشد.
با بهبود مستمر فرآیندهای مونتاژ غشایی، مواد غشاها، ماژول‌های غشایی، طراحی سیستم و فن‌آوری‌های عملکرد و نگهداری، استفاده از تکنولوژی اولترافیلتراسیون در کاربردهای تصفیه آب گسترده‌تر خواهد شد.
اولترافیلتراسیون یک فرآیند جداسازی با استفاده از غشاهای با اندازه منافذ در محدوده 001/0 تا 1/0میکرومتر است. اولترافیلتراسیون معمولا مواد با وزن مولکولی بالا، مواد کلوئیدی و مولکول‌های پلیمری آلی و معدنی را از بین می‌برد.
ارگانیسم‌های کم وزن و یون‌ها مانند سدیم، کلسیم، کلرید منیزیم و سولفات جدا نمی‌شوند. از آنجا که فقط گونه‌های با وزن مولکولی بالا حذف می‌شوند، اختلاف فشار اسمزی در سطح غشا ناچیز است. بنابراین فشارهای اعمالی کم برای دستیابی به شار زیاد در غشای اولترافیلتراسیون کافی است.
غشاهای اولترافیلتراسیون می‌توانند شار بسیار بالایی داشته باشند اما در بیشتر کاربردهای عملی شار بین 50 تا 200 GFD با فشار عملیاتی در حدود 50 psig متفاوت است، غشا اسمز معکوس فقط شارهای بین 10 تا 30 GFD در فشارهای 200 تا 400 psig تولید می‌کند.
اولترافیلتراسیون (UF) یک فرآیند غشایی است که نیروی محرکه آن اختلاف فشار است. اولترافیلتراسیون می‌تواند همزمان ماکرومولکول‌ها یا مواد کلوئیدی جریان را تغلیظ کند. اولترافیلتراسیون به عنوان روشی برای تمیز کردن، تغلیظ و خرد کننده همزمان ماکرومولکول‌ها یا مواد کلوئیدی معلق ریز در نظر گرفته می‌شود.
بیشترین کاربرد آن در بخش تصفیه، ابتدا در پزشکی یعنی عملیات دیالیز کلیه بود. امروزه اولترافیلتراسیون در زمینه‌های مختلفی از صنایع غذایی و آشامیدنی تا صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تصفیه آب و فاضلاب نیز کاربرد بالقوه اولترافیلتراسیون است. امروزه از فن‌آوری UF در سراسر جهان برای تصفیه منابع مختلف آب استفاده می‌شود. استفاده از فناوری UF برای کاربردهای تصفیه آب آشامیدنی شهری نسبتا جدید است، اگرچه معمولا در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند صنایع غذایی یا دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
افزایش جهانی اخیر در استفاده از غشاها در تصفیه آب به عوامل مختلف تصفیه بهتر آب، افزایش تقاضا برای بهره‌برداری از منابع آبی با کیفیت پایین‌تر و نیروهای بازار و تجاری‌سازی فن‌آوری‌های غشایی و صنایع آب نسبت داده می‌شود.
غشاهای اولترافیلتراسیون از مواد آلی پلیمری و معدنی تشکیل می‌شود. انتخاب یک پلیمر به عنوان ماده غشا بر اساس خواص ویژه آن از قبیل وزن مولکولی، انعطاف‌پذیری زنجیره، تعامل زنجیره‌ها و غیره است.
برخی از مواد پیلمری مورد استفاده به عنوان غشا عبارتند از پلی‌سولفون، پلی‌اترسولفون، پلی‌سولفون سولفونیت، پلی‌وینیلیدن فلوراید، پلی‌آکریلونیتریل، سلولزیک، پلی‌آمید، پلی‌اتریمید، آلیفاتیک پلی‌آمیدها و پلی اترکتون است. برخی از مواد معدنی همچون آلومینا و زیرکونیا نیز به عنوان غشا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ساختار غشاهای اولترافیلتراسیون می‌تواند متقارن یا نامتقارن باشد. ضخامت غشای متقارن (متخلخل و غیر متخلخل) از 10 تا 200 میکرومتر است. مقاومت به انتقال جرم با ضخامت کل غشاء تعیین می‌شود. کاهش ضخامت غشا باعث افزایش سرعت نفوذ می‌شود.
غشاهای با ساختار نامتقارن، یک پوسته بسیار چگال با ضخامت0 تا 1/0 میکرومتر بر روی زیر لایه با ساختار متخلخل با ضخامت 50 تا 150 میکرومتر است. این نوع غشا ترکیبی از انتخاب‌پذیری بالای لایه متراکم و سرعت نفوذ بالای لایه نازک را داراست. مقاومت به انتقال جرم به طور کامل توسط لایه نازک بالایی تعیین می‌شود.
ابعاد منافذ در غشاهای متخلخل، عمدتا خصوصیات جداسازی را تعیین می‌کند. نوع ماده غشایی از نظر پایداری شیمیایی، حرارتی و مکانیکی بسیار مهم است اما برای جداسازی و دفع آن موثر نیست. بنابراین، هدف از آماده‌سازی غشا، اصلاح مواد با روش مناسب برای به دست آوردن ساختار غشایی با مورفولوژی مناسب برای جداسازی خاص است.
مهم‌ترین روش‌های ساخت و اصلاح غشا شامل زینتر، کشش، وارونگی فاز، سل-ژل، رسوب از فاز بخار و پوشش است. در بین روش‌های مختلف معمولا برای تهیه غشای اولترافیلتراسیون از وارونگی فاز و فرآیند سل-ژل استفاده می‌شود.
خصوصیات غشاهای متخلخل بر اساس پارامترهای مربوط به ساختار (تعیین اندازه منافذ، توزیع اندازه منافذ، ضخامت لایه بالا، تخلخل سطح) و پارامترهای مربوط به نفوذپذیری انجام می‌شود.
غشاهای اولترافیلتراسیون اساسا به یکی از دو شکل لوله‌ای یا مسطح ساخته می‌شوند که معمولا روی بستر متخلخل تولید می‌شوند.
ماژول‌های اولترافیلتراسیون فیبر توخالی و مارپیچی دو نوع اصلی ماژول‌های آن در بازار است. ماژول‌های صفحه و قاب، لوله‌ای، ماژول‌های چرخشی، ماژول‌های ارتعاش و گردابی جز ماژول‌های مورد استفاده در اولترافیلتراسیون است.
شتابدهنده واتک، سعی دارد تا با ایجاد یک فضای فناورانه، آشنایی با روش‌های جداسازی غشایی مسیر توسعه این روش‌ها را در راستای بهبود و ارتقا سطح کیفیت آب، بهداشت و سلامت عمومی هموار کند.
