الترشيح الدقيق

لعلّ أبرز استخدامات أغشية الترشيح الدقيق هو معالجة مياه الشرب. تُشكّل هذه الأغشية خطوةً أساسيةً في عملية التطهير الأولي لمياه الشرب. قد تحتوي هذه المياه على مسببات أمراض مثل الكريبتوسبوريديوم والجيارديا اللمبلية ، وهما من الأوليات المسؤولة عن العديد من تفشيات الأمراض. تُظهر كلتاهما مقاومةً تدريجيةً للمطهرات التقليدية (مثل الكلور ). ^{[ 7 ]} يُوفّر استخدام أغشية الترشيح الدقيق وسيلةً فيزيائيةً للفصل (حاجزًا) بدلاً من البديل الكيميائي. وبهذا المعنى، تتم عمليتا الترشيح والتطهير في خطوة واحدة، مما يُلغي التكلفة الإضافية للمواد الكيميائية والمعدات اللازمة للمناولة والتخزين.

وبالمثل، تُستخدم أغشية الترشيح الدقيق في مياه الصرف الصحي الثانوية لإزالة العكارة ، وكذلك لتوفير معالجة للتطهير. في هذه المرحلة، يمكن إضافة مواد مُخثِّرة ( حديد أو ألومنيوم ) لترسيب مواد مثل الفوسفور والزرنيخ التي كانت قابلة للذوبان لولا ذلك. ^{[ 8 ]}

يُعدّ التعقيم البارد للمشروبات والأدوية أحد التطبيقات المهمة الأخرى لأغشية الترشيح الدقيق . ^{[ 9 ]} تاريخيًا، استُخدمت الحرارة لتعقيم المشروبات المنعشة ، كالعصير والنبيذ والبيرة على وجه الخصوص، إلا أن التسخين كان يُؤدي إلى فقدان ملحوظ في النكهة. وبالمثل، ثبت أن الأدوية تفقد فعاليتها عند تسخينها. تُستخدم أغشية الترشيح الدقيق في هذه الصناعات كوسيلة لإزالة البكتيريا والشوائب الأخرى غير المرغوب فيها من السوائل، وهي عملية تُعرف باسم "التعقيم البارد"، مما يُغني عن استخدام الحرارة.

علاوة على ذلك، تشهد أغشية الترشيح الدقيق استخدامًا متزايدًا في مجالات مثل تكرير البترول، ^{[ 10 ]} حيث يُعدّ إزالة الجسيمات من غازات المداخن أمرًا بالغ الأهمية. وتتمثل التحديات/المتطلبات الرئيسية لهذه التقنية في قدرة وحدات الأغشية على تحمّل درجات الحرارة العالية (أي الحفاظ على استقرارها)، بالإضافة إلى ضرورة تصميمها بحيث توفر طبقة رقيقة جدًا (بسماكة أقل من 2000 أنغستروم ) لتسهيل زيادة التدفق . كما يجب أن تتميز الوحدات بانخفاض معدل التلوث ، والأهم من ذلك، أن تكون متوفرة بتكلفة منخفضة لضمان جدوى النظام اقتصاديًا.

إلى جانب التطبيقات المذكورة أعلاه، تُستخدم أغشية الترشيح الدقيق على نطاق واسع في مجالات رئيسية ضمن صناعة الألبان، لا سيما في معالجة الحليب ومصل اللبن. تُساعد هذه الأغشية في إزالة البكتيريا والجراثيم المرتبطة بها من الحليب، وذلك بمنع مرور الأنواع الضارة. ويمكن استخدامها أيضًا كخطوة تمهيدية للبسترة ، مما يُطيل مدة صلاحية المنتج. ويبدو أن البكتيريا قادرة على المرور عبر أغشية بمسام 0.8 و1.2 ميكرومتر ، ومقاومة عملية البسترة عالية الحرارة. ^{[ 11 ]} 

تُعدّ تقنية فصل الكازين عن بروتينات مصل اللبن (أي بروتينات مصل الحليب) تقنية واعدة أخرى لأغشية الترشيح الدقيق في هذا المجال. ^{[ 12 ]} ينتج عن ذلك منتجان رئيسيان يعتمد عليهما المستهلكون بشكل كبير؛ الأول هو مُركّز غني بالكازين يُستخدم في صناعة الجبن، والثاني هو بروتين مصل اللبن/بروتينات المصل الذي يُعالج لاحقًا (باستخدام الترشيح الفائق ) لإنتاج مُركّز بروتين مصل اللبن. يخضع مُركّز بروتين مصل اللبن لعملية ترشيح إضافية لإزالة الدهون، وذلك لزيادة محتوى البروتين في مسحوقي مُركّز بروتين مصل اللبن (WPC) وعزل بروتين مصل اللبن (WPI) النهائيين.

تشمل التطبيقات الشائعة الأخرى التي تستخدم الترشيح الدقيق كعملية فصل رئيسية ما يلي:

• توضيح وتنقية مزارع الخلايا حيث يتم فصل الجزيئات الكبيرة عن الجزيئات الكبيرة الأخرى أو البروتينات أو حطام الخلايا . ^{[ 13 ]}
• تطبيقات أخرى في مجال الكيمياء الحيوية والمعالجة الحيوية مثل تصفية الدكستروز . ^{[ 14 ]}
• إنتاج الدهانات والمواد اللاصقة. ^{[ 15 ]}

يمكن لأغشية الترشيح الدقيق أن تعمل بشكل عام في أحد تكوينين.

الترشيح بالتدفق المتقاطع : حيث يمر السائل بشكل مماس للغشاء. ^{[ 20 ]} يُجمع جزء من تيار التغذية المحتوي على السائل المعالج أسفل المرشح، بينما يمر جزء من الماء عبر الغشاء دون معالجة. يُعتبر الترشيح بالتدفق المتقاطع عمليةً متكاملةً وليست عمليةً منفصلة. انظر الشكل 2 للاطلاع على مخطط عام للعملية.

الترشيح النهائي ؛ حيث يتدفق سائل العملية بالكامل، وتُحجز جميع الجسيمات الأكبر من أحجام مسام الغشاء عند سطحه. تتم معالجة جميع مياه التغذية دفعة واحدة، مما يؤدي إلى تكوّن طبقة من الرواسب. ^{[ 21 ]} تُستخدم هذه العملية غالبًا للترشيح الدفعي أو شبه المستمر للمحاليل منخفضة التركيز. ^{[ 22 ]} انظر الشكل 3 للاطلاع على مخطط عام لهذه العملية.

• الطاقة الاستيعابية والطلب على المنشأة.
• نسبة الاسترداد والرفض.
• خصائص السائل ( اللزوجة ، العكارة ، الكثافة )
• جودة السائل المراد معالجته
• عمليات المعالجة المسبقة

• تكلفة شراء المواد وتصنيعها
• درجة حرارة التشغيل
• الضغط عبر الغشاء
• تدفق الغشاء
• معالجة خصائص السوائل (اللزوجة، العكارة، الكثافة)
• مراقبة وصيانة النظام
• التنظيف والمعالجة
• التخلص من مخلفات العملية

فيما يلي مناقشة لبعض قواعد التصميم المهمة وتقييمها:

• عند معالجة السوائل الخام الملوثة، قد تتسبب المواد الصلبة الحادة في تآكل وتمزق المسامات الدقيقة في المرشح، مما يجعله غير فعال. لذا، يجب معالجة السوائل مسبقًا قبل مرورها عبر المرشح الدقيق. ^{[ 24 ]} ويمكن تحقيق ذلك من خلال تنويع عمليات الفصل الكلي، مثل الغربلة أو الترشيح باستخدام وسائط حبيبية.
• عند تنفيذ عمليات التنظيف، يجب عدم جفاف الغشاء بعد ملامسته لتيار العملية. ^{[ 25 ]} ينبغي شطف وحدات الغشاء والأنابيب والمضخات ووصلات الوحدات الأخرى جيدًا بالماء حتى يصبح الماء الناتج نظيفًا.
• عادةً ما يتم ضبط وحدات الترشيح الدقيق للعمل عند ضغوط تتراوح من 100 إلى 400 كيلو باسكال. ^{[ 26 ]} تسمح هذه الضغوط بإزالة مواد مثل الرمل والشقوق والطين، وكذلك البكتيريا والبروتوزوا.
• عند استخدام وحدات الأغشية لأول مرة، أي أثناء بدء تشغيل المحطة، يجب تهيئة الظروف بدقة. وعمومًا، يلزم بدء التشغيل ببطء عند إدخال المادة المغذية إلى الوحدات، لأن أي اضطراب طفيف يتجاوز التدفق الحرج سيؤدي إلى تلوث لا رجعة فيه. ^{[ 27 ]}

مثل أي أغشية أخرى، فإن أغشية الترشيح الدقيق معرضة للتلوث. (انظر الشكل 4 أدناه) لذلك من الضروري إجراء صيانة دورية لإطالة عمر وحدة الغشاء.

• تُستخدم عملية " الغسيل العكسي " الروتينية لتحقيق ذلك. وبحسب التطبيق المحدد للغشاء، يُجرى الغسيل العكسي لفترات قصيرة (عادةً من 3 إلى 180 ثانية) وعلى فترات متقاربة (من 5 دقائق إلى عدة ساعات). ويُفضل استخدام ظروف تدفق مضطرب بأرقام رينولدز أكبر من 2100، ويفضل أن تكون بين 3000 و5000. ^{[ 28 ]} مع ذلك، يجب عدم الخلط بين هذه العملية و"التنظيف بالتدفق العكسي"، وهي تقنية تنظيف أكثر دقة وشمولية، تُستخدم عادةً في حالات التلوث الجزيئي والغرواني.
• عند الحاجة إلى تنظيف شامل لإزالة الجزيئات العالقة ، تُستخدم تقنية التنظيف في الموقع (CIP). ^{[ 29 ]} وتُستخدم عادةً مواد تنظيف/ منظفات ، مثل هيبوكلوريت الصوديوم ، وحمض الستريك ، والصودا الكاوية ، أو حتى إنزيمات خاصة، لهذا الغرض. ويعتمد تركيز هذه المواد الكيميائية على نوع الغشاء (حساسيته للمواد الكيميائية القوية)، وكذلك على نوع المادة المراد إزالتها (مثل الترسبات الناتجة عن وجود أيونات الكالسيوم).
• قد يكون من الممكن زيادة عمر الغشاء بطريقة أخرى، وذلك بتصميم غشائين للترشيح الدقيق متصلين على التوالي . يُستخدم المرشح الأول للمعالجة الأولية للسائل المار عبر الغشاء، حيث تُحجز الجزيئات الكبيرة والرواسب على الخرطوشة. أما المرشح الثاني، فيعمل كـ"فحص" إضافي للجزيئات التي تستطيع المرور عبر الغشاء الأول، بالإضافة إلى توفير ترشيح للجزيئات ذات الحجم الأدنى ضمن نطاق الترشيح. ^{[ 30 ]}

انخفضت تكلفة تصميم وتصنيع الأغشية لكل وحدة مساحة بنحو 20% مقارنةً ببداية التسعينيات، وهي في انخفاض مستمر عمومًا. ^{[ 31 ]} تتميز أغشية الترشيح الدقيق بمزايا أكثر مقارنةً بالأنظمة التقليدية، إذ لا تتطلب هذه الأنظمة معدات إضافية باهظة الثمن مثل المواد المُرَسِّبة، أو إضافة مواد كيميائية، أو الخلاطات السريعة، أو أحواض الترسيب والترشيح. ^{[ 32 ]} مع ذلك، قد تظل تكلفة استبدال المعدات الرأسمالية (مثل خراطيش ترشيح الأغشية) مرتفعة نسبيًا، نظرًا لإمكانية تصنيع هذه المعدات خصيصًا للتطبيق. وباستخدام أساليب التصميم الإرشادية ومبادئ تصميم المصانع العامة (المذكورة أعلاه)، يمكن زيادة عمر الأغشية لتقليل هذه التكاليف.

من خلال تصميم أنظمة تحكم أكثر ذكاءً في العمليات وتصميمات المصانع الفعالة، تم إدراج بعض النصائح العامة لتقليل تكاليف التشغيل أدناه ^{[ 33 ].}

• تشغيل المحطات بتدفقات أو ضغوط منخفضة خلال فترات الأحمال المنخفضة (الشتاء)
• إيقاف تشغيل أنظمة المصنع لفترات قصيرة عندما تكون ظروف التغذية قاسية.
• فترة إيقاف تشغيل قصيرة (حوالي ساعة واحدة) خلال التدفق الأول للنهر بعد هطول الأمطار (في تطبيقات معالجة المياه) لتقليل تكاليف التنظيف في الفترة الأولية.
• استخدام مواد تنظيف أكثر فعالية من حيث التكلفة عند الاقتضاء (حمض الكبريتيك بدلاً من حمض الستريك/الفوسفوريك).
• استخدام نظام تصميم تحكم مرن. يتمكن المشغلون من التحكم في المتغيرات ونقاط الضبط لتحقيق أقصى قدر من توفير التكاليف.

يوضح الجدول 1 (أدناه) دليلاً إرشادياً لتكاليف رأس المال والتشغيل لترشيح الأغشية لكل وحدة تدفق.

الجدول 1: التكلفة التقريبية لترشيح الأغشية لكل وحدة تدفق ^{[ 34 ]}

ملحوظة:

• تُحسب التكاليف الرأسمالية بالدولار لكل جالون من سعة محطة المعالجة
• يُقاس التدفق التصميمي بملايين الجالونات في اليوم.
• تكاليف الأغشية فقط (لا يتم احتساب معدات ما قبل المعالجة أو ما بعد المعالجة في هذا الجدول)
• تعتمد تكاليف التشغيل والتكاليف السنوية على الدولار لكل ألف جالون معالج.
• جميع الأسعار بالدولار الأمريكي كما كانت عليه في عام 2009، ولم يتم تعديلها وفقًا للتضخم.

بما أن الفصل يتم عن طريق الغربلة، فإن الآلية الرئيسية للنقل في الترشيح الدقيق عبر الأغشية المسامية الدقيقة هي التدفق الكتلي. ^{[ 37 ]}

بشكل عام، نظرًا لصغر قطر المسام، يكون التدفق داخل العملية انسيابيًا ( رقم رينولدز < 2100). وبالتالي يمكن تحديد سرعة تدفق السائل المتحرك عبر المسام (بواسطة معادلة هاجن-بوازوي )، وأبسطها هو افتراض شكل سرعة مكافئ .

${\displaystyle v={\frac {D^{2}*\Delta P}{32*\mu *L}}}$

الضغط عبر الغشاء (TMP) ^{[ 38 ]}

يُعرَّف ضغط النقل عبر الغشاء (TMP) بأنه متوسط ​​الضغط المُطبَّق من جانب التغذية إلى جانب المُركَّز للغشاء مطروحًا منه ضغط المُرشَّح. يُستخدم هذا التعريف بشكل أساسي في الترشيح النهائي، وهو مؤشر على ما إذا كان النظام مُتلوثًا بدرجة كافية تستدعي استبداله.

${\displaystyle v={\frac {P_{F}+P_{C}}{2}}-P_{P}}$

أين

• ${\displaystyle P_{f}}$الضغط على جانب التغذية
• ${\displaystyle P_{c}}$هو ضغط المركز
• ${\displaystyle P_{p}}$هو ضغط المُرشَّح

تدفق النفاذية ^{[ 39 ]}

يُعطى تدفق المُرشَّح في الترشيح الدقيق بالعلاقة التالية، استنادًا إلى قانون دارسي.

${\displaystyle J_{v}={\frac {1}{A_{M}}}*{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu *(R_{u}+R_{c})}}}$

أين

• ${\displaystyle R_{u}}$= مقاومة تدفق غشاء النفاذية (${\displaystyle m-1}$)
• ${\displaystyle R_{c}}$= مقاومة كعكة النفاذية (${\displaystyle m-1}$)
• μ = لزوجة المُرشَّح (كجم م-1 ث-1)
• ∆P = انخفاض الضغط بين الكعكة والغشاء

تُعطى مقاومة الكعكة بالمعادلة التالية:

${\displaystyle R_{c}=r*{\frac {V_{S}}{A_{m}}}}$

أين

• r = مقاومة الكعكة النوعية (م-2)
• Vs = حجم الكعكة (م³)
• AM = مساحة الغشاء (م2)

بالنسبة للجسيمات ذات الحجم الميكروني، فإن مقاومة الكعكة النوعية تقارب ^{[ 40 ] .}

${\displaystyle r={\frac {180*(1-\epsilon )}{\epsilon ^{3}*d_{s}^{2}}}}$

أين

• ε = مسامية الكعكة (بدون وحدة)
• d_s = متوسط ​​قطر الجسيمات (م)

معادلات تصميم صارمة ^{[ 41 ]}

ولإعطاء مؤشر أفضل فيما يتعلق بالتحديد الدقيق لمدى تكوين الكعكة، تم وضع نماذج كمية أحادية البعد لتحديد عوامل مثل

• انسداد كامل (المسام ذات نصف قطر ابتدائي أقل من نصف قطر المسام)
• الحجب القياسي
• تكوين الطبقة الفرعية
• تشكيل الكعكة

راجع الروابط الخارجية لمزيد من التفاصيل

تتميز أغشية الترشيح الفائق بمسامات يتراوح حجمها بين 0.1  و0.01  ميكرومتر، وهي قادرة على احتجاز البروتينات والسموم الداخلية والفيروسات والسيليكا. وتتعدد تطبيقات الترشيح الفائق لتشمل معالجة مياه الصرف الصحي والتطبيقات الصيدلانية.

تتميز أغشية الترشيح النانوي بمسام يتراوح حجمها بين 0.001  ميكرومتر و0.01  ميكرومتر، وهي قادرة على ترشيح الأيونات متعددة التكافؤ، والأصباغ الاصطناعية، والسكريات، وأملاح محددة. ومع انخفاض حجم المسام من الترشيح الدقيق (MF) إلى الترشيح النانوي (NF)، يزداد الضغط الأسموزي المطلوب.

تُعدّ عملية التناضح العكسي (RO) أدقّ عمليات فصل الأغشية المتاحة، حيث تتراوح أحجام المسام من 0.0001  ميكرومتر إلى 0.001  ميكرومتر. تستطيع هذه العملية احتجاز جميع الجزيئات تقريبًا باستثناء الماء، ونظرًا لحجم المسام، فإنّ الضغط الأسموزي المطلوب فيها أعلى بكثير من ذلك المطلوب في الترشيح الدقيق. يختلف كلٌّ من التناضح العكسي والترشيح النانوي اختلافًا جوهريًا عن الترشيح الدقيق، إذ يسير التدفق عكس تدرج التركيز، لأنّ هذه الأنظمة تستخدم الضغط كوسيلة لدفع الماء من منطقة ذات ضغط أسموزي منخفض إلى منطقة ذات ضغط أسموزي مرتفع.