نانوفیلتراسیون بهعنوان یکی از فناوریهای پیشرفته غشایی، جایگاه ویژهای در تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده به آرسنیک و یونهای سختیزا پیدا کرده است.
این روش به دلیل فشار عملیاتی پایینتر، مصرف انرژی کمتر و حذف انتخابی آلایندهها، نسبت به اسمز معکوس مزیتهای چشمگیری دارد.
مطالعه موردی: حذف آرسنیک و سختی در یک تصفیهخانه شهری
در یک پروژه پایلوت، استفاده از غشاهای پلیآمیدی NF90 همراه با پیشتصفیه میکروفیلتراسیون نتایج بسیار امیدوارکنندهای به دست داد:
- کاهش آرسنیک از حدود ۸۰ µg/L به کمتر از ۱۰ µg/L (مطابق استاندارد سازمان جهانی بهداشت).
- کاهش سختی کل از ۱۵۰۰ mg/L به حدود ۴۰۰ mg/L.
- مصرف انرژی پایین در حدود ۰.۹ kWh/m³.
- راندمان بازیافت بالا برابر با ۸۲٪.
این نتایج نشان میدهند که نانوفیلتراسیون میتواند بهطور همزمان کیفیت آب آشامیدنی را بهبود داده و هزینههای بهرهبرداری را کاهش دهد.
شرایط عملیاتی و طراحی
در یک آزمایش عملی روی آب زیرزمینی آلوده با شرایط زیر:
- آرسنیک ورودی: ۵۰ تا ۱۰۰ µg/L
- سختی: ۱۵۰۰ mg/L
- pH: حدود ۷.۵
روش تصفیه شامل مراحل زیر بود:
- پیشتصفیه میکروفیلتراسیون ۰.۱ میکرونی برای حذف ذرات معلق.
- تزریق کلر (۱ mg/L) جهت اکسیداسیون آرسنیک سهظرفیتی (As(III)) به پنجظرفیتی (As(V)).
- استفاده از غشاهای NF90 با اندازه منافذ ۱–۲ نانومتر.
- بهرهبرداری در فشار ۱۰–۱۲ بار، دمای ۲۲–۲۵ درجه سانتیگراد، دبی ۱.۲ L/min و راندمان بازیافت ۸۲٪.
- شستوشوی دورهای اسیدی و قلیایی برای افزایش طول عمر غشا (تا ۴ سال).
نتایج عملکردی
- حذف آرسنیک: حدود ۹۰٪ (غلظت نهایی ۸ µg/L).
- کاهش سختی: ۶۵٪ (از ۱۵۰۰ به ۴۰۰ mg/L).
- کاهش TDS: از ۱۵۰۰ به ۴۰۰ mg/L.
- مصرف انرژی: ۶۰ تا ۷۰٪ کمتر از اسمز معکوس.
مقایسه با اسمز معکوس (RO)
- برتریهای نانوفیلتراسیون نسبت به RO:
- فشار کاری پایینتر (۱۰–۲۰ bar در برابر ۲۰–۸۰ bar).
- حذف انتخابی آلایندهها و باقی ماندن املاح مفید (مثل پتاسیم).
- مصرف انرژی و هزینه بهرهبرداری کمتر.
- کیفیت بالاتر آب آشامیدنی (بدون نیاز به بازگرداندن املاح معدنی).
- الزامات طراحی و بهرهبرداری
بر اساس نتایج آزمایشها:
- بهترین عملکرد در فشار حدود ۱۰ bar و pH نزدیک به خنثی (۶–۷) حاصل شد.
- حذف As(V) بالای ۹۵٪، اما حذف As(III) نیازمند اکسیداسیون اولیه (کلر، ازن یا پرمنگنات پتاسیم).
- افزایش فشار بالاتر از ۱۲ bar فقط مصرف انرژی و گرفتگی غشاء را بالا میبرد.
- تغییر pH به سمت قلیایی (>8) یا اسیدی (<6) باعث افت راندمان حذف میشود.
با توجه به بحران آب در ایران، توسعه و نصب و راه اندازی سامانههای تصفیه و بازچرخانی مبتنی بر نانوفیلتراسیون میتواند نقش کلیدی در تأمین آب شرب ایمن و پایدار داشته باشد. تجربه موفق کشورهایی مانند اسرائیل (پروژههای شفدان و سورک) نشان میدهد که سرمایهگذاری و مدیریت صحیح در این حوزه میتواند به بهبود کیفیت آب و کاهش هزینههای ملی منجر شود.
مرجع و نتایج آزمایشات
[1] Siddique TA, Dutta NK, Choudhury NR. Nanofiltration for arsenic removal: Challenges, recent developments, and perspectives. Nanomaterials. 2020;10(7):1323.
جدول نتایج تستهای نانوفیلتراسیون برای حذف آرسنیک
| نکات فنی | نیاز به اکسیداسیون اولیه؟ | حذف As(III) (%) | حذف As(V) (%) | درصد بازیابی آب (Recovery%) | pH | فشار خوراک (Bar) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| حذف As(III) ضعیف – در pH خنثی تنها As(V) مؤثر حذف میشود. | بله | 37 | 82 | 65 | 6 | 4 |
| افزایش فشار باعث افزایش retention به ویژه برای As(V) میشود. | بله | 44 | 90 | 70 | 6 | 6 |
| در این فشار حذف As(V) بسیار مطلوب – As(III) همچنان پایین. | بله | 48 | 95 | 77 | 6 | 8 |
| نقطه بهینه عملکردی برای فشار – TMP بالا ولی بازیابی خوب. | بله | 52 | 97 | 82 | 6 | 10 |
| عملکرد حذف As(V) ثابت، As(III) کمی افزایش ولی نه کافی. گرفتگی شروع میشود. | بله | 54 | 97.5 | 85 | 6 | 12 |
| افزایش pH به قلیایی باعث افت حذف As(V) و As(III) میشود. | بله | 46 | 94 | 80 | 8 | 10 |
| در pH قلیایی کارایی حذف بیشتر افت میکند به دلیل پروتونزدایی سطحی. | بله | 41 | 90 | 78 | 10 | 10 |
| در pH اسیدیتر نیز حذف پایینتر – بار سطح غشاء تغییر میکند. | بله | 32 | 78 | 60 | 4 | 4 |
| پروتون شدن آرسنات در pH کم → کاهش راندمان. | بله | 35 | 84 | 63 | 4 | 6 |
| توضیحات | شرایط تست |
|---|---|
| فشار کم ← نیروی رانش برای عبور مولکولها کم است، حذف As(V) قابل قبول ولی As(III) بهدلیل بار کمتر و اندازه کوچکتر راحتتر از غشاء عبور میکند؛ بنابراین نیاز به اکسیداسیون اولیه داریم. | فشار 4 bar، pH=6 |
| افزایش فشار باعث بهتر ماندن لایه برداری روی غشاء و دفع بهتر آرسنیک میشود، As(V) بهدلیل بار ۲- دافعه بیشتری با سطح غشاء دارد ← حذف بهتر، اما As(III) همچنان نفوذپذیر است. | فشار 6 bar، pH=6 |
| فشار نزدیک به بهینه ← بیشترین راندمان دفع آرسنات، ولی چون As(III) غالباً خنثی یا با بار کمتر است، کمتر اثر میپذیرد و نفوذ میکند. | فشار 8 bar، pH=6 |
| بهترین نقطه عملکردی غشاء؛ حذف As(V) به حداکثر نزدیک شده (۹۷٪)، بازیابی خوب. As(III) کماکان مشکلساز، لذا در عمل برای حذف خوب باید ابتدا توسط اکسیدان تبدیل شود (مثلاً کلر یا ازن). | فشار 10 bar، pH=6 |
| فشار زیاد ← حذف بهتر نمیشود، فقط گرفتگی غشاء بالا میرود. As(V) ثابت مانده ← هزینه انرژی بیشتر بدون مزیت. | فشار 12 bar، pH=6 |
| در pH قلیایی، سطح غشاء و آرسنات هر دو پروتونزدایی شده و بار منفیتر میشوند ← مکانیسم دافعه الکتروستاتیکی کمتر مؤثر ← حذف آرسنیک افت میکند. | فشار 10 bar، pH=8 |
| در pH بسیار قلیایی تقریباً تمام آرسنیک به صورت یون منفی است → از طرفی غشاء هم منفی → تعادل باعث عبور بیشتر شده و راندمان پایینتر میرود. | فشار 10 bar، pH=10 |
| در pH اسیدی، آرسنیک پروتوندار میشود و تمایل بیشتری برای عبور از غشاء پیدا میکند → حذف کمتر، فشار هم پایین و کمک نمیکند. | فشار 4 bar، pH=4 |
| pH پایین + فشار متوسط → حذف کمی بهتر از فشار ۴ بار ولی همچنان ضعیف، زیرا در این pH بیشتر As(V) تک پروتونه بوده و نسبت به pH خنثی دافعه کمتری دارد → عبور بیشتر از غشاء. | فشار 6 bar، pH=4 |
نکات کلیدی و عملیاتی نانوفیلتراسیون در حذف آرسنیک
• آرسنیک(V) بهتر توسط نانوفیلتراسیون حذف میشود (تا ۹۷–۹۸٪ حذف در فشار ۱۰–۱۲ بار).
• آرسنیک(III) ضعیف حذف میشود (کمتر از ۵۵٪ حتی در فشارهای بالا)؛
بنابراین حتماً باید ابتدا توسط اکسیداسیون(مثلاً NaClO یا KMnO₄ ) به As(V) تبدیل شود.
• بهترین عملکرد حذف و بازیابی آب در فشار خوراک ۱۰ بار با Recovery حدود ۸۰–۸۲٪ بهدست آمد.
• تغییر pH به سمت قلیایی، بیشتر از 8 یا اسیدی، کمتر از 6، کارایی حذف هر دو گونه کاهش مییابد
عملیات NF باید در محدوده pH نرمال (۶–۷) انجام شود.
• As(III) در صورت عدم اکسیداسیون → نهتنها حذف نمیشود بلکه میتواند باعث گرفتگی منافذ شده و طول عمر غشاء را کاهش دهد.
• در فشارهای بالاتر از ۱۰–۱۲ بار، گرفتگی و مصرف انرژی افزایش مییابد بدون بهبود قابل توجه در حذف پس توصیه نمیشود.
• نکات عملیاتی برای طراحی واحد نانوفیلتراسیون در حذف آرسنیک
• در سیستمهای نانوفیلتراسیون، مقدار فشار خوراک و pH آب ورودی نقش تعیینکنندهای در حذف آرسنیک دارند. بررسیها نشان میدهد که بهترین شرایط برای حذف آرسنیک توسط NF، فشار ۸ تا ۱۰ بار و pH نزدیک به خنثی (۶ تا ۷) است، جایی که نرخ حذف آرسنیک پنج ظرفیتی (As(V)) به بیش از ۹۵ درصد میرسد.
توجه داشته باشید که آرسنیک سه ظرفیتی (As(III)) با فشار و pH بهسختی حذف میشود؛ بنابراین ضروری است پیش از ورود به سیستم NF با استفاده از اکسیدانهایی مثل کلر، ازن یا پرمنگنات پتاسیم ابتدا به As(V) تبدیل گردد. افزایش فشار بیش از ۱۰–۱۲ بار باعث مصرف بیهوده انرژی و افزایش گرفتگی غشاء میشود، بدون آنکه لزوماً درصد حذف بهتر شود.
نتیجه عملی آنکه برای طراحی یک واحد مؤثر NF، اکسیداسیون اولیه + حفظ فشار در محدوده بهینه و کنترل pH سیستم از اهمیت حیاتی برخوردار است.