در همه روش‌ های پیشرفته تصفیه آب، مهمترین هدف تصفیه، حذف املاح محلول در آب می باشد ولی نکته مهمی که وجود دارد این است که برای کاربردهای مختلف، آب با درجه خلوص متفاوتی مورد نیاز می باشد برای مثال در صنعت داروسازی و یا تولید سوخت هسته ای آب مورد نیاز، آب فوق خالص (Ultra Pure) می باشد لذا طبیعی است برای تولید آب با درجه خلوص بیشتر باید هزینه بیشتری صرف شود. ولی برای برخی دیگر از کاربردها آب با خلوص بسیار زیاد مورد نیاز نمی باشد. برای مثال آب استفاده شده در برج های خنک کننده (Cooling Tower) باید صرفا از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد. در چنین کاربردهایی می توان از سیستم‌ هایی با درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود. نانوفیلتراسیون (Nano-filteration) روش جدیدتری از فرآیندهای فیلتراسیون غشایی است. این روش معمولا برای جداسازی ذرات از آب‌ هایی استفاده می‌ شود که دارای مقادیر کمی از مواد جامد محلول هستند؛ مانند آب های سطحی و آب های شیرین زیرزمینی. هدف این روش حذف کاتیون‌ های چند ظرفیتی و حذف مواد ضدعفونی‌ کننده پیش‌ ساخته مانند مواد آلی طبیعی و مصنوعی است. کاربرد نانوفیلتراسیون در صنایع غذایی مانند صنایع لبنی به‌ طور گسترده‌ای در حال گسترش است. در این صنایع برای حذف جزئی مواد معدنی (یون‌های تک ظرفیتی) از نانوفیلتراسیون استفاده می‌ شود.

نانو فیلتراسیون قادر به تغلیظ مواد قندی، جداسازی نمک های دو ظرفیتی (مثل Na₂SO₄ و MgSO₄)، باکتری ها، پروتئین ها، ذرات، مواد رنگی و سایر موادی که وزن مولکولی بالای 250 دالتون دارند (مثل لاکتوز و آنتی بیوتیک ها) می باشد. یک نمونه از آن تغلیظ شربت ذرت است. ممبران نانو فیلتر مولکول های آب را از خود عبور داده و با نگه داشتن شکر در پشت خود باعث تغلیظ محلول می گردد. اخیراً از فرایند نانو فیلتراسیون جهت حذف یون های کلسیم و منیزیم آب استفاده نموده و با این روش آب سخت را نرم می کنند. مشابه غشاء اسمز معکوس، غشاء نانو فیلتراسیون نیز تحت تأثیر بار الکتریکی ذرات قرار می گیرد و ذراتی که بار الکتریکی بیشتری دارند راحت تر جذب می شوند. نانو فیلتراسیون روی مواد آلی با وزن مولکولی پایین مانند متانول تأثیری ندارد. تحقيقات نشان مي دهد استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب علاوه بر افزايش كيفيت آب تصفيه شده، می تواند هزينه های تصفيه را تا حدود زيادی كاهش دهد. به تازگی پژوهشگران فعاليت های وسيعی در زمينه استفاده از فناوری نانو مد نظر قرار داده اند كه چنانچه تحقيقات به نتايج مطلوبی برای استفاده در مقياس صنعتی برسد اميد آن می رود در آينده ای نزديک نانو تكنولوژی بسياری از فرايندها را در صنايع مختلف، به ويژه در صنعت نفت، گاز و پتروشيمی تحت تأثير خود قرار دهد. نانوفیلتراسیون یک روش مبتنی بر فیلتراسیون غشایی است و از منافذی در مقیاس نانومتری استفاده می‌ کند که از غشا عبور می‌ کنند. غشاهای نانوفیلتراسیون منافذی در مقیاس ۱ تا ۱۰ نانومتر دارند که از اندازه منافذ در ریز پالایش (میکرو فیلتراسیون) و فرا پالایش (اولترا فیلتراسیون) کوچک‌ تر و از منافذ روش اسمز معکوس کمی بزرگ‌ تر است.

غشاهای مورد استفاده در نانوفیلتراسیون عمدتا از لایه‌ های نازک پلیمری ساخته می‌ شوند. موادی که استفاده می‌ شوند هم اغلب پلی اتیلن ترفتالات یا فلزاتی مانند آلومینیوم هستند. ابعاد منافذ توسط PH، دما و زمان گسترش، با تراکم منافذ در بازه ۱ تا ۱۰۶ منفذ در سانتی‌ متر مربع کنترل می‌ شود. غشا و فیلتر به کار رفته در ساختار پکیج های تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون دارای دو لایه می باشند که یک لایه به منظور حفظ دستگاه در برابر فشار وارد شده به آن عمل می کند. لایه دوم در واقع نقش جداکننده مواد زائد از آب را دارا می باشد که با تکنولوژی نانو تولید شده و از طول عمر بالایی برخوردار است. از لحاظ علمی این دسته از غشاها مابین دسته‌ بندی فراپالایش و اسمز معکوس قرار می‌ گرفتند؛ بنابراین مشهور به اسمز معکوس سست یا باز و همین‌ طور اولترافیلتراسیون محکم شدند.

مزایا و معایب

یکی از اصلی‌ ترین مزایای نانوفیلتراسیون به عنوان یک روش نرم کردن آب (در مقابل آب سخت)، این است که در حین فرایند نگه داشتن یون‌ های کلسیم و منیزیم، هنگامی که یون‌ های هیدرات تک ظرفیتی از غشا عبور می‌ کنند، فیلتراسیون بدون اضافه کردن یون‌ های سدیم انجام می‌ شود. (برخلاف مبدل‌ های یونی) هم‌ چنین بسیاری از فرایندهای جداسازی در دمای اتاق انجام نمی‌ شود (مانند فرایند تقطیر) و این فرایندها هزینه‌ های هنگفتی دارند. چرا که نیاز است سرمایش یا گرمایش پیوسته در حین فرایند به کار رود. انجام جداسازی مولکولی ملایم با نانوفیلتراسیون ارتباط تنگاتنگی دارد که غالبا در سایر فرآیندهای جداسازی دیده نمی‌ شود. دو مزیتی که بیان شد، از مزایای اصلی نانوفیلتراسیون است. مزیت مطلوب دیگر نانوفیلتراسیون، توانایی انجام فرایند بر روی حجم‌ های زیاد و از طرف دیگر تولید جریان‌ های خروجی پیوسته‌ است. البته هنوز نانوفیلتراسیون کمترین کاربرد را در بین روش‌ های مختلف فیلتراسیون غشایی در صعنت دارد؛ زیرا اندازه منافذ تنها به چند نانومتر محدود می‌ شود. در نتیجه برای ذرات ریزتر، اسمز معکوس و برای ذرات بزرگ‌ تر، اولترافیلتراسیون به کار می‌ رود. هم‌چنین اولترافیلتراسیون می‌ تواند درمواردی که نانوفیلتراسیون به کار می‌ رود، استفاده شود؛ چرا که روش مرسوم‌ تری است. از طرف دیگر، یک عیب اصلی مربوط به فناوری نانو، مانند فناوری‌ های فیلتر غشایی، هزینه و نگهداری غشاهای مورد استفاده است. غشاهای نانوفیلتراسیون، یکی از بخش‌ های گران‌ قیمت فرایند هستند. تعمیرات و تعویض غشاها بستگی به عوامل مختلفی مانند مقدار کل مواد جامد محلول، سرعت جریان ورودی و اجزای استفاده شده در حین فرایند دارد. برای استفاده از نانوفیلتراسیون در صنایع گوناگون، باید یک برآورد زمانی برای جایگزینی نانو فیلترها به صورت مرتب داشت. به این ترتیب نانو فیلترها مدت زمان کوتاهی قبل یا بعد از اتمام کارکرد بهینه‌شان جایگزین می‌ شوند.

مزایای استفاده از سیستم نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و فاضلاب

• سختی گیری موثر آب
• هزینه بهره برداری بسیار کم
• نگهداری راهبردی و آسان سیستم
• میزان مصرف انرژی بسیار پایین سیستم
• عدم نیاز به مصرف مواد و املاح شیمیایی
• میزان انرژی پایین سیستم نسبت به سیستم های RO
• حذف املاح و نمک زدایی از آب های دارای شوری پایین
• نسبت به سیستم های RO میزان پساب سیستم بسیار اندک است.
• سیستم دارای قابلیت کاهش نیترات، سولفات، فلزات سنگین و….. را نیز دارا می باشد.

نفوذپذیری انتخابی غشاهای نانو

برخلاف غشاهای دارای منافذ کوچک‌ تر و بزرگ‌ تر، عبور مواد حل‌ شده و املاح از راه نانوفیلتراسیون، به‌طور قابل توجهی پیچیده‌ تر است. باتوجه به اندازه منافذ، سه نوع انتقال مواد حل‌ شونده و املاح از راه غشا وجود دارد که عبارتند از:

1. انتفال الکتریکی (electromigration): جذب یا دفع املاح ناشی از بارهای داخل و کنار غشا است.
2. انتشار (diffusion): مولکول به دلیل اختلاف (سطح) غلظت انجام می‌ شود. همان‌ طور که از راه غشاهای اسمز معکوس دیده می‌ شود.
3. همرفت (convection): جا به‌ جایی ذرات و املاح همراه با جریان صورت می‌ پذیرد. مانند صافش (فیلتراسیون) با منافذ دارای اندازه بزرگ‌ تر، مانند ریزپالایش

علاوه بر آن، ساز و کارهای جلوگیری از انتقال مواد در نانوفیلتراسیون پیچیده‌ تر از سایر شکل‌ های صافش هستند. بیشتر سیستم‌ های صافش تنها بر اساس اندازه ذرات عمل می‌ کنند؛ اما در مقیاس‌ های کوچک‌ تر که در نانوفیلتراسیون با آن‌ ها سر و کار داریم، باید تأثیرات بار سطحی بر روی املاح باردار کوچک و هم‌ چنین تأثیرات هیدراسیون را در نظر گرفت. از آن‌ جا که مولکول‌ های داخل محلول توسط پوسته‌ ای از مولکول‌ های آب اطراف پوشانده شده‌ اند. باید توجه داشت پی اچ محلول تأثیر زیادی بر بار سطح می‌ گذارد و بر همین اساس می‌ توان روشی را برای درک و کنترل بهتر عدم نفوذ ارائه داد. ساز و کارهای نفوذپذیری انتخابی به‌ شدت از اندازه منافذ غشا، گرانروی حلال، ضخامت غشا، نفوذ پذیری مواد حل‌ شونده، دمای محلول، پی اچ محلول و ثابت دی‌الکتریک غشا تأثیر می‌ پذیرند. چگونگی توزیع و پخش‌شدن اندازه منافذ نیز مهم است. مدل‌ سازی دقیق نانو فیلتراسیون بسیار چالش‌ برانگیز است.

مقایسه نانوفیلتراسیون با اولترافیلتراسیون

یکی از اصلی ترین تفاوت های NF و RF در نوع فشار وارد شده به آب می باشد که در NF نیاز به فشار الکتریکی می باشد و در RF آب بدون فشار خارجی از فیلتر عبور می کند. در نتیجه از نظر میزان مصرف انرژی نانو فیلتراسیون بالاتر از RF می باشد. با توجه به این که حفره های غشا میانی در اولترافیلتراسیون دارای قطر 0.01 میکرون می باشد، در نتیجه درجه خلوص آب نسبت به دو روش دیگر کمتر بوده و از نظر قیمت نیز ارزان تر است.

کاربرد نانو فیلتراسیون

روش های نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس بیشتر برای محیط های صنعتی و کارخانجات تولید دارو و مواد غذایی کاربرد دارد. مهمترین کاربرد نانو فیلتراسیون در صنعت آب، حذف سختی (یون های کلسیم و منیزیم) از آب می باشد و مزیت آن نسبت به سایر سیستم های متعارف نظیر سختی گیر رزینی و فرایند لایم سودا، عدم نیاز آن به احیا و مواد شیمیایی می باشد. از دیگر کاربردهای آن عبارت از:

• حذف آنیون ها
• حذف پاتوژن ها
• تصفیه آب شرب
• حذف کاتیون ها و سختی
• حذف کروم (VI)، اورانیم و آرسنیک
• تصفیه آب مورد نیاز در فرآیندهای صنعتی
• تصفیه آب در صنایع پزشکی و دارو سازی
• حذف یون های چند ظرفیتی و سختی گیری از آب
• حذف آلاینده ها، گل و لای، میکرو ارگانیسم های موجود در آب
• حذف آفت کش ها از جمله آترازین، سیمازین، دیورن و ایزوپرتورن
• حذف محصولات جانبی حاصل از واکنش گندزدا با ترکیبات آلی آب از جمله هالومتان ها
• حذف ترکیبات آلی فرار مانند مشتقات کلردار آلی سبک مانند کلروفرم، تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن

مشخصات فني سيستم‌های نانوفیلتراسیون

• لوله‌ كشی ها از جنس UPVC
• ظرفيت دستگاه بين 1 تا 10000 متر مكعب در شبانه‌ روز
• واحد تزريق مواد شيميايی شامل تزريق مواد ضد رسوب، كلر و …
• شاسی استنلس استيل/ كربن استيل پوشيده شده با رنگ اپوكسی
• فيلترهای ميكرونی از جنس الياف پلی پروپيلن با محفظه PVC / استنلس استيل
• واحد پيش‌ تصفيه شامل فيلترهای شنی و كربن اكتيو از جنس استيل/ فايبر گلس/ كربن استيل
• اجزاء كنترل هيدروليكی و الكترونيكی شامل فشار سنج، جريان سنج، كنترل اتوماتيک (PLC) و …
• واحد اصلی تصفيه شامل پمپ سانتريفيوژ طبقاتی از جنس استيل، فيلترهای نانو فيلتراسيون، محفظه تحت فشار از جنس FRP