ההבדל בין מיקרו-פילטרציה, אולטרה-פילטרציה, ננו-פילטרציה ואוסמוזה הפוכה

מיקרו-סינון (MF)
דיוק הסינון נע בין 0.1 ל-50 מיקרון. מיקרו-סינון כולל אלמנטים שונים של סינון PP, אלמנטים של סינון פחם פעיל, אלמנטים של סינון קרמי וכן הלאה. מסיר אלמנטים מסוכנים מהמים, כמו מיקרואורגניזמים. אלמנט הסינון לרוב אינו ניתן לשטיפה והוא חומר סינון חד פעמי שיש להחליפו באופן קבוע.

①ליבת כותנה PP: משמשת בדרך כלל רק לסינון גס עם דרישות נמוכות להסרת חלקיקים גדולים כגון משקעים וחלודה במים.

②פחם פעיל: הוא יכול לחסל את הצבעים והריחות השונים במים, אך הוא אינו יכול להסיר את החיידקים במים, וגם אפקט הסרת המשקעים והחלודה הוא גרוע מאוד.

③ אלמנט סינון קרמי: דיוק הסינון הקטן הוא רק 0.1 מיקרון, וקצב הזרימה הוא בדרך כלל קטן, שאינו קל לניקוי.

ממברנת סינון אולטרה (UF)
לממברנת סינון מיקרופורוסית יש טווח גודל נקבוביות מדורג של 0.001-0.02 מיקרון ותקני גודל נקבוביות עקביים. סינון ממברנת אולטרה-סינון הוא תהליך סינון ממברנה המשתמש בממברנת אולטרה-סינון עם הפרש לחצים ככוח מניע. רוב ממברנות האולטרה-סינון בנויות מסיבי אצטט או מחומרים פולימריים בעלי מאפיינים דומים. היא מתאימה להפרדה וריכוז של מומסים בתמיסות טיפול, והיא משמשת לעתים קרובות גם להפרדת תרחיפים קולואידיים שקשה לסיים באמצעות טכניקות הפרדה אחרות, ותחומי היישום שלה גדלים בהתמדה.

סינון אולטרה-נקבובי המבוסס על הפרש לחצים מסווג לשלושה סוגים: סינון באמצעות קרום אולטרה-נקבובי, סינון באמצעות קרום מיקרו-נקבובי וסינון באמצעות קרום אוסמוזה הפוכה. הם נבדלים על ידי גודל החלקיקים הזעיר או המשקל המולקולרי ששכבת הממברנה יכולה לשמור. כאשר טווח גודל הנקבוביות המדורג של הממברנה משמש כסטנדרט המבחין, לממברנה המיקרו-נקבוביות (MF) יש טווח גודל נקבוביות מדורג של 0.02-10 מ', לממברנת האולטרה-סינון (UF) יש טווח גודל נקבוביות מדורג של 0.001-0.02 מ', ולממברנת האוסמוזה ההפוכה (RO) יש טווח גודל נקבוביות מדורג של 0.0001-0.001 מ'. ישנם מספר רכיבי בקרה עבור נקבוביות, כגון ממברנות אולטרה-סינון עם גדלי נקבוביות משתנים, וניתן ליצור התפלגויות גודל נקבוביות על סמך סוג וריכוז התמיסה, כמו גם תנאי אידוי וקרישה במהלך ייצור הממברנה.

מפה פיזית של סינון אולטרה
ממברנות אולטרה-סינון הן בדרך כלל ממברנות הפרדה פולימריות, כאשר חומרי הפולימר המשמשים לממברנות אולטרה-סינון מורכבים בעיקר מנגזרות תאית, פוליסולפון, פוליאקרילוניטריל, פוליאמיד ופוליקרבונט. ממברנות אולטרה-סינון נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות התרופות, המזון והסביבה, וניתן לעצב אותן לממברנות שטוחות, ממברנות גליל, ממברנות צינוריות או ממברנות סיבים חלולים.

ממברנת האולטרה-סינון הייתה אחת מממברנות ההפרדה הפולימריות הראשונות שהומצאו, ומכונות אולטרה-סינון יוצרו בשנות ה-60. ממברנות אולטרה-סינון נמצאות בשימוש נרחב בתעשייה והן צצו כיחידה כימית חדשה. הן משמשות בהפרדה, ריכוז וטיהור של מוצרים ביולוגיים, מוצרים פרמצבטיים ומוצרי מזון, כמו גם במכשירי טיפול סופיים בטיפול בדם, טיפול בשפכים והכנת מים אולטרה-טהורים.

דיוק הסינון של ננו-סינון (NF) הוא בין זה של אולטרה-סינון לזה של אוסמוזה הפוכה, וקצב ההתפלה נמוך מזה של אוסמוזה הפוכה. בשוק נפוץ לומר: ננו-סינון הוא אוסמוזה הפוכה רשלנית. למעשה, זהו רעיון טכני מטעה.
מפה פיזית של ננו-סינון
בתפיסת ההפרדה בפועל, ננו-סינון הוא ממברנת סינון העונה על אפקט דאונאן ובעלת דחיית יונים סלקטיבית, ממברנה שחדירותה של נתרן כלורי פרופורציונלית לריכוז נתרן כלורי ועולה מ-0.4. היישומים העיקריים שלה הם התפלה וריכוז נוזלי קלט שונים. דחיית NaCl של 0% נצפתה באמצעות ממברנות ננו-סינון ב-30,000 ppm NaCl בשילוב עם יונים אחרים.

אוסמוזה הפוכה (RO): דיוק הסינון הוא כ-0.0001 מיקרון, וזוהי שיטת הפרדת ממברנות מדויקת במיוחד שפותחה בארצות הברית בתחילת שנות ה-60 תוך שימוש בלחץ דיפרנציאלי. היא יכולה לסנן כמעט את כל המזהמים (מזיקים ומועילים כאחד) במים, ולהשאיר רק מולקולות מים. ברוב המקרים, היא משמשת לייצור מים טהורים, מים טהורים תעשייתיים ומים טהורים רפואיים. לחץ ואנרגיה נדרשים לטכנולוגיית אוסמוזה הפוכה.

RO הוא קיצור של ממברנת אוסמוזה הפוכה באנגלית. מכיוון שגודל הנקבוביות של ממברנת RO הוא חמש מיליונית השערה (0.0001 מיקרון), היא בדרך כלל בלתי נראית לעין בלתי מזוינת, וחיידקים ווירוסים הם 5000. לכן, רק מולקולות מים וכמה יוני מינרלים מועילים לגוף האדם יכולים לעבור דרכה, וזיהומים אחרים ומתכות כבדות נפלטים מצינור השפכים.

עקרון האוסמוזה ההפוכה:
ראשית, עלינו להבין את רעיון ה"אוסמוזה". אוסמוזה היא תהליך פיזיקלי. כאשר שני סוגי מים עם מלחים שונים מופרדים, כמו למשל על ידי מחסום חדיר למחצה, המים בצד עם פחות מלח יחלחלו. הממברנה נכנסת למים עם תכולת מלח גבוהה, אך המלח אינו חודר, מה שגורם לריכוז המלח בשני הצדדים להתמזג בהדרגה עד שהם שווים. עם זאת, לוקח זמן רב להשלים תהליך זה, המכונה גם לחץ אוסמוטי.

מפה פיזית של אוסמוזה הפוכה
עם זאת, אם תנסו להפעיל לחץ בצד המים עם תכולת מלח גבוהה, התוצאה עלולה גם להגביל את החדירה הנזכרת לעיל, ולחץ זה מכונה לחץ אוסמוטי. אם הלחץ עולה, ניתן להפוך את החדירה, והמלח יישאר. כתוצאה מכך, עקרון ההתפלה באוסמוזה הפוכה הוא להפעיל לחץ גדול יותר מהלחץ האוסמוטי הטבעי במים מלוחים (כגון מים גולמיים), כך שהאוסמוזה מתקדמת בכיוון ההפוך, ומולקולות המים במים הגולמיים נלחצות לצד השני של הממברנה, וכתוצאה מכך מים נקיים, על מנת להשיג את המטרה של הסרת זיהומים ומלחים מהמים.

מקור האוסמוזה ההפוכה של RO:

מדען אמריקאי גילה במקרה בשנת 1950 ששחפים ינקו פה עצום של מי ים מפני הים בעת טיסה בים. הם הקיאו פה קטן של מי ים לאחר מספר שניות, מה שעורר חששות מכיוון שבעלי חיים ביבשה נושמים דרך הריאות שלהם. לא ניתן לצרוך מי מלח עתירי מלח. לאחר ניתוח, התגלה כי לגופו של השחף יש שכבה דקה. הסרט מדויק מאוד. השחף שואף מי מלח, אשר נדחסים לאחר מכן, ומולקולות המים עוברות דרך הסרט עקב השפעת הלחץ.

הם הופכים למים מתוקים, והמזהמים והמלח המרוכזים ביותר במי הים יורקים החוצה מהפה. זהו הבסיס התיאורטי של תהליך האוסמוזה ההפוכה, אשר יושם לראשונה על ציוד התפלה בשנת 1953 על ידי אוניברסיטת פלורידה. ד"ר ס. סידני לוד, פרופסור בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת UCLA, שיתף פעולה עם ד"ר ס. סוירירג'אן כדי להתחיל במחקר על ממברנות אוסמוזה הפוכה בשנת 2009, בתמיכת פרויקט של הממשל הפדרלי האמריקאי, והשקיע כ-400 מיליון דולר בשנה במחקר כדי ליישם אותו על אסטרונאוטים.