غشاء

Microfiltration removes particles higher than 0.08–2 μm and operates within a range of 7–100 kPa.^[5] Microfiltration is used to remove residual suspended solids (SS), to remove bacteria in order to condition the water for effective disinfection and as a pre-treatment step for reverse osmosis.^[6]

Relatively recent developments are membrane bioreactors (MBR) which combine microfiltration and a bioreactor for biological treatment.

Ultrafiltration removes particles higher than 0.005–2 μm and operates within a range of 70–700 kPa.^[5] Ultrafiltration is used for many of the same applications as microfiltration. Some ultrafiltration membranes have also been used to remove dissolved compounds with high molecular weight, such as proteins and carbohydrates. Also, they can remove viruses and some endotoxins.

Nanofiltration is also known as "loose" RO and can reject particles smaller than 0.002 μm. Nanofiltration is used for the removal of selected dissolved constituents from wastewater. NF is primarily developed as a membrane softening process which offers an alternative to chemical softening.

Likewise, nanofiltration can be used as a pre-treatment before directed reverse osmosis. The main objectives of NF pre-treatment are:^[7] (1). minimize particulate and microbial fouling of the RO membranes by removal of turbidity and bacteria, (2) prevent scaling by removal of the hardness ions, (3) lower the operating pressure of the RO process by reducing the feed-water total dissolved solids (TDS) concentration.

Reverse osmosis is commonly used for desalination. As well, RO is commonly used for the removal of dissolved constituents from wastewater remaining after advanced treatment with microfiltration. RO excludes ions but requires high pressures to produce deionized water (850–7000 kPa). RO is the most widely used desalination technology because of its simplicity of use and relatively low energy costs compared with distillation, which uses technology based on thermal processes. Note that RO membranes remove water constituents at the ionic level. To do so, most current RO systems use a thin-film composite (TFC), mainly consisting of three layers: a polyamide layer, a polysulphone layer and a polyester layer.^[8]

تعتمد فئة جديدة من الأغشية على قنوات نانوية لفصل المواد على المستوى الجزيئي . وتشمل هذه الأغشية أغشية أنابيب الكربون النانوية ، وأغشية الجرافين ، والأغشية المصنوعة من بوليمرات ذات مسامية دقيقة جوهرية (PIMS)، والأغشية التي تتضمن أطرًا معدنية عضوية (MOFs). ^{[ 9 ]} يمكن استخدام هذه الأغشية في عمليات الفصل الانتقائي حسب الحجم، مثل الترشيح النانوي والتناضح العكسي، وكذلك في عمليات الفصل الانتقائي بالامتزاز ، مثل فصل الأوليفينات عن البارافينات والكحولات عن الماء، والتي كانت تتطلب تقليديًا التقطير المكلف والمستهلك للطاقة .

يُعطى إجمالي تدفق المُرشَّح من نظام الأغشية بالمعادلة التالية:

${\displaystyle Q_{p}=F_{w}\cdot A}$

حيث Qp هو معدل تدفق تيار النفاذ [كجم·ثانية ⁻¹ ]، و F _w هو معدل تدفق الماء [كجم·م ⁻² ثانية ⁻¹ ] و A هي مساحة الغشاء [م ² ]

تُعطى نفاذية (k) [م·ث ⁻² ·بار ⁻¹ ] للغشاء بالمعادلة التالية:

${\displaystyle k={F_{w} \over P_{TMP}}}$

يُعطى ضغط الغشاء (TMP) بالصيغة التالية:

${\displaystyle P_{TMP}={(P_{f}+P_{c}) \over 2}-P_{p}}$

حيث P _TMP هو ضغط الغشاء [كيلو باسكال]، و P _{f هو} ضغط مدخل تيار التغذية [كيلو باسكال]؛ و P _c هو ضغط تيار المركز [كيلو باسكال]؛ و P _p هو ضغط تيار النفاذ [كيلو باسكال].

يمكن تعريف معدل الرفض (r) بأنه عدد الجسيمات التي تمت إزالتها من مياه التغذية.

${\displaystyle r={(C_{f}-C_{p}) \over C_{f}}\cdot 100}$

معادلات توازن الكتلة المقابلة هي:

${\displaystyle Q_{f}=Q_{p}+Q_{c}}$

${\displaystyle Q_{f}\cdot C_{f}=Q_{p}\cdot C_{p}+Q_{c}\cdot C_{c}}$

للتحكم في تشغيل عملية الأغشية، يمكن استخدام نمطين، يتعلقان بالتدفق وضغط الغشاء. هذان النمطان هما (1) ضغط غشاء ثابت، و(2) تدفق ثابت.

تتأثر أنماط التشغيل عندما تميل المواد والجسيمات المرفوضة في المُركّز إلى التراكم في الغشاء. عند ضغط عبر الغشاء (TMP) مُحدد، ينخفض ​​تدفق الماء عبر الغشاء، وعند تدفق مُحدد، يزداد ضغط الغشاء، مما يُقلل النفاذية (k). تُعرف هذه الظاهرة بالتلوث ، وهي العائق الرئيسي أمام تشغيل عملية الأغشية.

يمكن استخدام نمطين لتشغيل الأغشية. وهذان النمطان هما:

• الترشيح النهائي هو عملية ترشيح يتم فيها تمرير جميع المواد المغذية المطبقة على الغشاء من خلاله، مما ينتج عنه مُرشَّح. ولعدم وجود تيار مُركَّز، تُحتجز جميع الجزيئات في الغشاء. ويُستخدم ماء التغذية الخام أحيانًا لغسل المواد المتراكمة من سطح الغشاء. ^{[ 13 ]}
• في عملية الترشيح بالتدفق المتقاطع، يُضخ ماء التغذية بتدفق متقاطع مماس للغشاء، فنحصل على تيارين: تيار المركز وتيار النفاذ. يشير هذا النموذج إلى أنه عند مرور ماء التغذية عبر الغشاء، لا يتحول إلا جزء منه إلى منتج نفاذ. يُطلق على هذا المعامل اسم "التحويل" أو "الاسترداد" (S). ينخفض ​​معدل الاسترداد إذا استُخدم النفاذ لاحقًا في صيانة العمليات، وعادةً ما يكون ذلك لتنظيف الغشاء.

${\displaystyle S={Q_{permeate} \over Q_{feed}}=1-{Q_{concentrate} \over Q_{feed}}}$

تؤدي عملية الترشيح إلى زيادة مقاومة التدفق. في حالة الترشيح ذي النهاية المغلقة، تزداد المقاومة تبعًا لسمك طبقة الترشيح المتكونة على الغشاء. ونتيجة لذلك، تنخفض النفاذية (k) والتدفق بسرعة، بما يتناسب مع تركيز المواد الصلبة.وبالتالي، يتطلب الأمر تنظيفاً دورياً.

في عمليات التدفق المتقاطع، يستمر ترسب المواد حتى تتوازن قوى التصاق طبقة المواد بالغشاء مع قوى السائل. عند هذه النقطة، تصل عملية الترشيح بالتدفق المتقاطع إلى حالة الاستقرار.وبالتالي، سيظل التدفق ثابتًا مع مرور الوقت. لذلك، سيتطلب هذا التكوين تنظيفًا دوريًا أقل.

Since fouling is an important consideration in the design and operation of membrane systems, as it affects pre-treatment needs, cleaning requirements, operating conditions, cost and performance, it should be prevented, and if necessary, removed. Optimizing the operation conditions is important to prevent fouling. However, if fouling has already taken place, it should be removed by using physical or chemical cleaning.

Physical cleaning techniques for membrane include membrane relaxation and membrane backwashing.

• Back-washing or back-flushing consists of pumping the permeate in the reverse direction through the membrane. Back-washing removes successfully most of the reversible fouling caused by pore blocking. Backwashing can also be enhanced by flushing air through the membrane.^[16] Backwashing increase the operating costs since energy is required to achieve a pressure suitable for permeate flow reversion.

• Membrane relaxation consists of pausing the filtration during a period, and thus, there is no need for permeate flow reversion. Relaxation allows filtration to be maintained for a longer period before the chemical cleaning of the membrane.

• Back pulsing high frequency back pulsing resulting in efficient removal of dirt layer. This method is most commonly used for ceramic membranes

Recent studies have assessed to combine relaxation and backwashing for optimum results.^[17][18]

Chemical cleaning. Relaxation and backwashing effectiveness will decrease with operation time as more irreversible fouling accumulates on the membrane surface. Therefore, besides the physical cleaning, chemical cleaning may also be recommended. It includes:

• Chemical enhanced backwash, that is, a low concentration of chemical cleaning agent is added during the backwashing period.
• Chemical cleaning, where the main cleaning agents are sodium hypochlorite (for organic fouling) and citric acid (for inorganic fouling). Every membrane supplier proposes their chemical cleaning recipes, which differ mainly in terms of concentration and methods.^[19]

Optimizing the operation condition. Several mechanisms can be carried out to optimize the operating conditions of the membrane to prevent fouling, for instance:

• Reducing flux. The flux always reduces fouling but it impacts on capital cost since it demands more membrane area. It consists of working at sustainable flux which can be defined as the flux for which the TMP increases gradually at an acceptable rate, such that chemical cleaning is not necessary.
• Using cross-flow filtration instead of dead-end. In cross-flow filtration, only a thin layer is deposited on the membrane since not all the particles are retained on the membrane, but the concentrate removes them.
• Pre-treatment of the feed water is used to reduce the suspended solids and bacterial content of the feed-water. Flocculants and coagulants are also used, like ferric chloride and aluminium sulphate that, once dissolved in the water, adsorbs materials such as suspended solids, colloids and soluble organic.^[20] Metaphysical numerical models have been introduced in order to optimize transport phenomena.^[21]

Membrane alteration. Recent efforts have focused on eliminating membrane fouling by altering the surface chemistry of the membrane material to reduce the likelihood that foulants will adhere to the membrane surface. The exact chemical strategy used is dependent on the chemistry of the solution that is being filtered. For example, membranes used in desalination might be made hydrophobic to resist fouling via accumulation of minerals, while membranes used for biologics might be made hydrophilic to reduce protein/organic accumulation. Modification of surface chemistry via thin film deposition can thereby largely reduce fouling. One drawback to using modification techniques is that, in some cases, the flux rate and selectivity of the membrane process can be negatively impacted.^[22]

Once the membrane reaches a significant performance decline it is discarded. Discarded RO membrane modules are currently classified worldwide as inert solid waste and are often disposed of in landfills; although they can also be energetically recovered. However, various efforts have been made over the past decades to avoid this, such as waste prevention, direct reapplication, and ways of recycling. In this regard, membranes also follows the waste management hierarchy. This means that the most preferable action is to upgrade the design of the membrane which leads to a reduction in use at same application and the least preferred action is a disposal and landfilling.^[23]

تواجه أغشية التناضح العكسي بعض التحديات البيئية التي يجب حلها للامتثال لمبادئ الاقتصاد الدائري. أهمها قصر عمرها الافتراضي الذي يتراوح بين 5 و10 سنوات. وخلال العقدين الماضيين، ازداد عدد محطات تحلية المياه بتقنية التناضح العكسي بنسبة 70%. كما ازداد حجم هذه المحطات بشكل ملحوظ، حيث وصلت طاقة إنتاج بعضها إلى أكثر من 600,000  متر ^مكعب من المياه يوميًا. وهذا يعني توليد 14,000 طن من نفايات الأغشية التي تُدفن في مكبات النفايات سنويًا. ولزيادة عمر الغشاء، يجري تطوير طرق وقائية مختلفة، منها: دمج عملية التناضح العكسي مع عملية المعالجة المسبقة لتحسين الكفاءة؛ وتطوير تقنيات مقاومة التلوث؛ ووضع إجراءات مناسبة لتنظيف الأغشية. وتساهم عمليات المعالجة المسبقة في خفض تكاليف التشغيل نظرًا لانخفاض كميات المواد الكيميائية المضافة إلى مياه التغذية المالحة، وانخفاض الصيانة التشغيلية المطلوبة لنظام التناضح العكسي. ^{[ 24 ]}

توجد أربعة أنواع من التلوث على أغشية التناضح العكسي: (1) غير عضوي (ترسب الأملاح)، (2) عضوي، (3) غرواني (ترسب الجسيمات في المعلق)، (4) ميكروبيولوجي (البكتيريا والفطريات). ^{[ 25 ]} وبالتالي، فإن الجمع المناسب بين إجراءات المعالجة المسبقة والجرعات الكيميائية، بالإضافة إلى خطة تنظيف فعالة تعالج هذه الأنواع من التلوث، من شأنه أن يُمكّن من تطوير تقنية فعالة لمكافحة التلوث.

تقوم معظم المصانع بتنظيف أغشيتها أسبوعياً (التنظيف العكسي المعزز كيميائياً). بالإضافة إلى هذا التنظيف الدوري، يُنصح بإجراء تنظيف مكثف (CIP) من مرتين إلى أربع مرات سنوياً.

تشمل إعادة استخدام أغشية التناضح العكسي إعادة تطبيق الوحدات مباشرةً في عمليات فصل أخرى بمواصفات أقل صرامة. ويمكن تحويل غشاء التناضح العكسي ذي الطبقة الرقيقة المركبة (TFC) إلى غشاء مسامي عن طريق تحلل الطبقة الكثيفة من البولي أميد. ويهدف تحويل أغشية التناضح العكسي بالمعالجة الكيميائية باستخدام محاليل مؤكسدة مختلفة إلى إزالة الطبقة النشطة من غشاء البولي أميد، المُخصصة لإعادة الاستخدام في تطبيقات مثل الترشيح الدقيق (MF) أو الترشيح الفائق (UF). ويؤدي ذلك إلى إطالة عمر الغشاء لمدة عامين تقريبًا. ^{[ 26 ]} وقد أشارت تقارير قليلة جدًا إلى إمكانية إعادة استخدام أغشية التناضح العكسي مباشرةً. وتُظهر الدراسات استخدام النفاذية الهيدروليكية، ورفض الأملاح، والخصائص المورفولوجية والطبوغرافية، بالإضافة إلى المجهر الإلكتروني الماسح ذي الانبعاث الميداني ومجهر القوة الذرية في دراسة تشريحية. كان أداء عنصر التناضح العكسي القديم مشابهاً لأداء أغشية الترشيح النانوي، لذا لم يكن من المستغرب رؤية زيادة النفاذية من 1.0 إلى 2.1 لتر/م² ^{ساعة /} بار ^{وانخفاض} نسبة رفض كلوريد الصوديوم من أكثر من 90% إلى 35-50%. ^{[ 27 ]}

من جهة أخرى، ولتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الإجمالية للعملية، شاع مؤخرًا دمج عناصر التناضح العكسي ذات الأداء المتفاوت داخل وعاء الضغط نفسه، وهو ما يُعرف بتصميم وعاء متعدد الأغشية. من حيث المبدأ، يوصي هذا النظام الهجين المبتكر باستخدام أغشية ذات كفاءة عالية في فصل الشوائب وإنتاجية منخفضة في الجزء العلوي من سلسلة الترشيح، تليها أغشية ذات إنتاجية عالية واستهلاك منخفض للطاقة في الجزء السفلي. يُمكن لهذا التصميم أن يُساهم بطريقتين: إما عن طريق تقليل استهلاك الطاقة نتيجة انخفاض الحاجة إلى الضغط، أو عن طريق زيادة الإنتاج. ولأن هذا المفهوم يُقلل من عدد الوحدات وأوعية الضغط اللازمة لتطبيق مُحدد، فإنه يُمكن أن يُخفض تكاليف الاستثمار الأولي بشكل كبير. ويُقترح تكييف هذا المفهوم الأصلي، من خلال إعادة استخدام أغشية التناضح العكسي القديمة داخل وعاء الضغط نفسه. ^{[ 28 ]}

إعادة تدوير المواد مصطلح عام يشمل تحويل المادة أو مكوناتها فيزيائيًا بحيث يمكن إعادة إنتاجها إلى منتجات أخرى مفيدة. وحدات الأغشية عبارة عن هياكل معقدة تتكون من عدد من المكونات البوليمرية المختلفة، ويمكن استعادة كل مكون على حدة لأغراض أخرى. يمكن تقسيم معالجة النفايات البلاستيكية الصلبة وإعادة تدويرها إلى إعادة تدوير ميكانيكية، وإعادة تدوير كيميائية، واستعادة الطاقة.

خصائص إعادة التدوير الميكانيكي:

• يلزم إجراء فصل أولي للمكونات ذات الأهمية.
• يُنصح بالغسل المسبق لتجنب تدهور حالة العقار أثناء عملية الغسيل.
• طحن المواد البوليمرية إلى الحجم المناسب (فقدان 5٪ من المادة).
• غسل خلفي محتمل.
• عملية الصهر والبثق (فقدان 10  % من المادة).
• مكونات الأغشية التي يمكن إعادة تدويرها (اللدائن الحرارية): البولي بروبيلين، البوليستر، إلخ.
• الأغشية الرقيقة: تتكون من عدد من البوليمرات والمواد المضافة المختلفة، وبالتالي يصعب فصلها بدقة وكفاءة.
• الميزة الرئيسية: يحل محل إنتاج البلاستيك الخام. • العيوب الرئيسية: الحاجة إلى فصل جميع المكونات، وكمية كبيرة من المكونات لضمان الجدوى الاقتصادية. ^{[ 29 ]}

خصائص إعادة التدوير الكيميائي:

• قم بتفكيك البوليمرات إلى جزيئات أصغر، باستخدام تقنيات إزالة البلمرة والتحلل.
• لا يمكن استخدامه مع المواد الملوثة.
• تُصمم عمليات إعادة التدوير الكيميائي خصيصاً لمواد محددة.
• الميزة: إمكانية معالجة البوليمرات غير المتجانسة باستخدام محدود للمعالجة المسبقة.
• العيوب: أكثر تكلفة وتعقيداً من إعادة التدوير الميكانيكية.
• تُعد مواد البوليستر (مثل تلك الموجودة في فاصل النفاذية ومكونات غشاء الصفيحة) مناسبة لعمليات إعادة التدوير الكيميائي، ويتم استخدام التحلل المائي لعكس تفاعل التكثيف البوليمري المستخدم في صنع البوليمر، مع إضافة الماء للتسبب في التحلل.

خصائص التعافي النشط:

• انخفاض الحجم بنسبة 90-99%، مما يقلل الضغط على مكب النفايات.
• يمكن لمحارق النفايات عمومًا أن تعمل في نطاق درجات حرارة من 760 درجة مئوية إلى 1100 درجة مئوية، وبالتالي ستكون قادرة على إزالة جميع المواد القابلة للاحتراق، باستثناء الحشو غير العضوي المتبقي في غلاف الألياف الزجاجية. ^{[ 29 ]}
• يمكن استعادة الطاقة الحرارية واستخدامها لتوليد الكهرباء أو العمليات الأخرى المتعلقة بالحرارة، ويمكنها أيضًا تعويض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة عن الطاقة التقليدية.
• إذا لم يتم التحكم بها بشكل صحيح، فقد تنبعث منها غازات دفيئة بالإضافة إلى منتجات ضارة أخرى.

ما بعد العلاج

• بعد تطبيق التقنية المختارة، من الضروري إجراء عملية معالجة لاحقة لضمان قدرة الغشاء على العمل بشكل طبيعي مرة أخرى.
• تتمثل الخطوة الأولى في المعالجة اللاحقة في إزالة جميع النفايات المتبقية من المعدات. وهذا يضمن عدم وجود أي ملوثات متبقية قد تؤثر على أداء الغشاء.
• تُستخدم تقنيات الفصل لاستخلاص المواد القيّمة من أغشية التناضح العكسي، مثل البولي أميد أو البولي سلفون، والتي يمكن إعادة تدويرها واستخدامها في إنتاج أغشية جديدة أو منتجات أخرى. خلال مرحلة استخلاص المواد، تُجرى عمليات فصل فيزيائية أو كيميائية لعزل هذه المواد وتنقيتها، مما يضمن جودتها ويسهل إعادة إدخالها في سلسلة الإنتاج.
• بعد إزالة النفايات، يتم اختبار الغشاء في نظام تجريبي. خلال هذه المرحلة، يُحلل أداؤه بدقة لتحديد ما إذا كان الناتج يفي بالمعايير والحدود المحددة. تُعد هذه الخطوة حاسمة للتحقق من أن الغشاء يعمل بكفاءة وفعالية بعد المعالجة.

• قد يُؤدي تطبيق عملية إعادة تدوير أغشية التناضح العكسي إلى تكاليف إضافية، وهو ما قد تتردد العديد من الشركات والمؤسسات في قبوله. علاوة على ذلك، غالبًا ما تُظهر الأغشية المُعاد تدويرها أداءً وكفاءةً أقل. مع ذلك، تتمثل إحدى المزايا الهامة لإعادة التدوير في تقليل الأثر البيئي المرتبط بإنتاج أغشية جديدة من المواد الخام. تحتوي أغشية التناضح العكسي على بوليمرات مُشتقة من البترول، وهو مصدر رئيسي للغازات الدفيئة التي تُساهم في تغير المناخ. إضافةً إلى ذلك، فإن هذه البوليمرات غير قابلة للتحلل الحيوي، مما يجعل إعادة تدويرها أمرًا صعبًا.
• من خلال إعادة تدوير أغشية التناضح العكسي، نقلل الحاجة إلى مواد جديدة، وبالتالي نخفف من الأثر البيئي. إن إنتاج أغشية جديدة من البوليمرات المشتقة من البترول يزيد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وتساعد إعادة تدوير الأغشية الموجودة على التخفيف من هذا الأثر من خلال إعادة استخدام مواد كانت ستساهم لولا ذلك في تدهور البيئة.
• ازداد الطلب على أغشية التناضح العكسي بشكل كبير نتيجة لتشديد اللوائح المتعلقة بتصريف مياه الصرف الصحي. وقد يتجاوز هذا الطلب العرض، مما يجعل إعادة تدوير أغشية التناضح العكسي الحالية حلاً عملياً لمواجهة هذا التحدي.
• أدى تزايد الطلب على أغشية التناضح العكسي إلى ارتفاع أسعارها. في المقابل، تُعدّ عملية إعادة التدوير عموماً أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بشراء أغشية جديدة. ويمكن لهذه الميزة الاقتصادية أن تُساعد في تعويض الاستثمار الأولي اللازم لإنشاء عمليات إعادة التدوير.