الترشيح الدقيق (MF)
تتراوح دقة الترشيح بين ٠٫١ و٥٠ ميكرون. يشمل الترشيح الدقيق عناصر ترشيح مختلفة من البولي بروبيلين، وعناصر ترشيح الكربون المنشط، وعناصر ترشيح السيراميك، وغيرها. يزيل العناصر الضارة من الماء، مثل الكائنات الدقيقة. غالبًا ما يكون عنصر الترشيح غير قابل للغسل، وهو مادة ترشيح لمرة واحدة فقط، ويجب استبداله بانتظام.
①لب القطن PP: يستخدم بشكل عام فقط للترشيح الخشن مع متطلبات منخفضة لإزالة الجزيئات الكبيرة مثل الرواسب والصدأ في الماء.
②الكربون المنشط: يمكنه إزالة الألوان والروائح المختلفة في الماء، لكنه لا يستطيع إزالة البكتيريا الموجودة في الماء، كما أن تأثير إزالة الرواسب والصدأ ضعيف جدًا.
③عنصر فلتر السيراميك: دقة الترشيح الصغيرة هي 0.1 ميكرون فقط، ومعدل التدفق عادة ما يكون صغيرًا، مما يصعب تنظيفه.
غشاء الترشيح الفائق (UF)
غشاء الترشيح الدقيق المسامي يتراوح حجم مسامه بين 0.001 و0.02 ميكرون، وله معايير ثابتة لحجم المسام. الترشيح الغشائي فائق الترشيح هو عملية ترشيح غشائي تعتمد على غشاء فائق الترشيح مع فرق ضغط. تُصنع معظم أغشية الترشيح الفائق من ألياف أسيتات أو مواد بوليمرية ذات خصائص متشابهة. وهو مناسب لفصل وتركيز المواد المذابة في محاليل المعالجة، ويُستخدم غالبًا لفصل المعلقات الغروانية التي يصعب إنهاؤها باستخدام تقنيات فصل أخرى، ومجالات تطبيقه في ازدياد مستمر.
يُصنف الترشيح الفائق الغشائي، بناءً على فرق الضغط، إلى ثلاثة أنواع: الترشيح الفائق الغشائي، والترشيح بالغشاء الدقيق المسامي، والترشيح بالغشاء بالتناضح العكسي. وتتميز هذه الأنواع بحجم الجسيمات أو الوزن الجزيئي الصغير الذي تحتفظ به طبقة الغشاء. عند استخدام نطاق حجم المسام المُصنّف للغشاء كمعيار للتمييز، يتراوح نطاق حجم المسام المُصنّف للغشاء الدقيق المسامي (MF) بين 0.02 و10 أمتار، ويتراوح نطاق حجم المسام المُصنّف لغشاء الترشيح الفائق (UF) بين 0.001 و0.02 متر، ويتراوح نطاق حجم المسام المُصنّف لغشاء التناضح العكسي بين 0.0001 و0.001 متر. هناك عدة عناصر تحكم للمسام، مثل أغشية الترشيح الفائق ذات أحجام المسام المتفاوتة، ويمكن تحديد توزيعات حجم المسام بناءً على نوع وتركيز المحلول، بالإضافة إلى ظروف التبخر والتخثر أثناء إنتاج الغشاء.
خريطة فيزيائية للترشيح الفائق
عادةً ما تكون أغشية الترشيح الفائق أغشية فصل بوليمرية، وتتكون مواد البوليمر المستخدمة فيها غالبًا من مشتقات السليلوز، والبولي سلفون، والبولي أكريلونيتريل، والبولي أميد، والبولي كربونات. تُستخدم أغشية الترشيح الفائق على نطاق واسع في الصناعات الدوائية والغذائية والبيئية، ويمكن تشكيلها على شكل أغشية مسطحة، أو أغشية لفافية، أو أغشية أنبوبية، أو أغشية من الألياف المجوفة.
كان غشاء الترشيح الفائق من أوائل أغشية فصل البوليمرات التي تم اختراعها، وصُنعت أجهزة الترشيح الفائق في ستينيات القرن الماضي. تُستخدم أغشية الترشيح الفائق على نطاق واسع في الصناعة، وقد برزت كوحدة تشغيل كيميائية جديدة. تُستخدم في فصل وتركيز وتنقية المنتجات البيولوجية والصيدلانية والأغذية، بالإضافة إلى أجهزة المعالجة النهائية في معالجة الدم، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وتحضير المياه فائقة النقاء.
تتراوح دقة ترشيح النانو (NF) بين دقة الترشيح الفائق والتناضح العكسي، ومعدل تحلية المياه أقل من التناضح العكسي. كان هناك مقولة شائعة في السوق: الترشيح النانوي هو تناضح عكسي غير دقيق. في الواقع، هذه فكرة تقنية مضللة.
الخريطة الفيزيائية للترشيح النانوي
في مفهوم الفصل الفعلي، يُعدّ الترشيح النانوي غشاء ترشيح يُلبي تأثير دونان ويتميز برفض انتقائي للأيونات، وهو غشاء تتناسب نفاذية كلوريد الصوديوم فيه طرديًا مع تركيز كلوريد الصوديوم، وتزيد عن 0.4. وتتمثل تطبيقاته الرئيسية في تحلية المياه وتركيز سوائل الإدخال المختلفة. وقد لوحظ رفض بنسبة 0% لكلوريد الصوديوم باستخدام أغشية الترشيح النانوي عند تركيز 30,000 جزء في المليون من كلوريد الصوديوم مع أيونات أخرى.
التناضح العكسي (RO): تبلغ دقة الترشيح حوالي 0.0001 ميكرون، وهو طريقة فصل غشائي فائقة الدقة، طُوّرت في الولايات المتحدة الأمريكية في أوائل ستينيات القرن الماضي باستخدام الضغط التفاضلي. ويمكن لهذه الطريقة تصفية جميع الملوثات تقريبًا (الضارة والمفيدة) في الماء، تاركةً جزيئات الماء فقط. ويُستخدم هذا النظام في معظم الحالات في إنتاج الماء النقي، والماء فائق النقاء الصناعي، والماء فائق النقاء الطبي. وتتطلب تقنية التناضح العكسي الضغط والطاقة.
RO هو اختصار لغشاء التناضح العكسي. ولأن حجم مسام غشاء التناضح العكسي يبلغ خمسة ملايين من الشعرة (0.0001 ميكرون)، فهو غير مرئي للعين المجردة، وتُعد البكتيريا والفيروسات 5000% منه. لذلك، لا تمر عبره إلا جزيئات الماء وبعض الأيونات المعدنية المفيدة لجسم الإنسان، بينما تُطرد الشوائب والمعادن الثقيلة الأخرى من أنابيب الصرف الصحي.
مبدأ التناضح العكسي:
أولاً وقبل كل شيء، يجب أن نفهم مفهوم "التناضح". التناضح عملية فيزيائية. عند فصل نوعين من الماء بأملاح مختلفة، مثلاً بواسطة حاجز شبه نفاذ، يتخلل الماء على الجانب الأقل ملوحة. يدخل الغشاء إلى الماء ذي المحتوى العالي من الملح، لكن الملح لا يتخلله، مما يؤدي إلى اندماج تركيز الملح على كلا الجانبين تدريجياً حتى يصبحا متساويين. ومع ذلك، تستغرق هذه العملية وقتاً طويلاً لإتمامها، وتُعرف أيضاً بالضغط التناضحي.
خريطة فيزيائية للتناضح العكسي
ومع ذلك، إذا حاولتَ الضغط على جانب الماء ذي المحتوى الملحي العالي، فقد يحدّ ذلك أيضًا من النفاذية المذكورة سابقًا، ويُعرف هذا الضغط بالضغط الأسموزي. إذا ارتفع الضغط، يُمكن عكس التسرب، ويبقى الملح. ونتيجةً لذلك، يقوم مبدأ تحلية المياه بالتناضح العكسي على تطبيق ضغط أكبر من الضغط الأسموزي الطبيعي في الماء المالح (مثل الماء الخام)، بحيث يحدث التناضح في الاتجاه المعاكس، وتُضغط جزيئات الماء في الماء الخام إلى الجانب الآخر من الغشاء، مما ينتج عنه ماء نقي، وذلك لتحقيق هدف إزالة الشوائب والأملاح من الماء.
أصل عملية التناضح العكسي RO:
اكتشف عالم أمريكي، بالصدفة، عام ١٩٥٠ أن طيور النورس تمتص كمية هائلة من مياه البحر من سطح البحر أثناء طيرانها. وتتقيأ كمية صغيرة منها بعد ثوانٍ قليلة، مما أثار مخاوف لأن الحيوانات على اليابسة تتنفس عبر رئتيها. لا يُمكن شرب الماء المالح عالي الملوحة. بعد تشريح جسم النورس، اكتُشف أن له طبقة رقيقة. الفيلم دقيق للغاية. يستنشق النورس الماء المالح، الذي يُضغط لاحقًا، فتمر جزيئات الماء عبره بفعل الضغط.
تُحوَّل المياه إلى مياه عذبة، وتُبصق الملوثات والملح شديد التركيز في مياه البحر من الفم. هذا هو الأساس النظري لعملية التناضح العكسي، التي طُبِّقت لأول مرة على معدات تحلية المياه عام ١٩٥٣ من قِبَل جامعة فلوريدا. تعاون الدكتور س. سيدني لود، أستاذ كلية الطب بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، مع الدكتور س. سويراجان لبدء أبحاث أغشية التناضح العكسي عام ٢٠٠٩، بدعم من مشروع حكومي فيدرالي أمريكي، واستثمرا ما يقارب ٤٠٠ مليون دولار أمريكي سنويًا في الأبحاث لتطبيقها على رواد الفضاء.
وقت النشر: ٣١ مارس ٢٠٢٢