تراوش از فیلتری که قادر است ذرات بسیار ریز (اولترامیکروسکوپیک) را از خود عبور دهد را فراپالایش یا اولترافیلتراسیون (Ultra-filteration) می‌نامند. فراپالایش با بهره‌گیری از غشاها انجام می‌ شود و از این نوع غشا برای جداسازی ماکرومولکول‌هایی با اندازه ۲۰ تا ۱۰۰۰ انگستروم استفاده می‌ شود. تمام نمک‌های حل شده و مولکول‌ های کوچک تر از این محدوده از غشا عبور می‌ کنند. در این روش جداسازی کلوئیدها، پروتئین‌ ها، مواد میکروبی بیماری زا و مولکول‌ های آلی بزرگ که وزن مولکولی آن بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ است انجام می‌ شود. به‌ طور کلی محلول‌ هایی که در پشت غشاها جریان می‌ یابند، مواد برگشتی یا «فاز ماندگار»، نامیده می‌ شوند. آن چه از آن عبور می‌ نماید، تراویده یا «فاز عبوری» به‌ شمار می‌ آید. اولترا فیلتراسیون یکی از روش های جداسازی ترکیبات نامطلوب از یک سیال می باشد که این تکنولوژی برای حذف ذرات معلق، باكتری ها، ويروس ها، اندوتوكسين و ديگر میکروارگانیزم های بیماری­ زای موجود در آب و فاضلاب، کاربرد دارد. در واقع این سیستم، ذرات معلق به قطر 0/03 میکرون و بزرگ تر را از محلول جدا می کند. غشاء های اولترا فیلتراسیون قادر به حذف ذرات بزرگ تر از mµ 0.005 می باشند. اندازه منافذ غشاء در فرایند اولتراسیون حدود 0/015 الی 8 نانومتر بوده و اختلاف فشار اعمال شده در این سیستم بین 0/5 الی 10 بار می باشد. حذف ذرات در اولترا فیلتراسیون به میزان کمی به بار الکتریکی ذره و تا حد زیادی به سایز ذره بستگی دارد.

غشاء اولترا فیلتراسیون جهت جداسازی و خالص سازی رنگ های کلوئیدی از پساب های صنعتی، پروتئین ها، جداسازی لیگنین (Lignin) در کاغذسازی، بعضی از محلول های کلوئیدی، جداسازی روغن از پساب، تغلیظ پروتئین شیر و مشتقات آن، خالص سازی خون، تصفیه و شفاف سازی آبمیوه و کلا موادی که وزن مولکولی آن ها بیشتر از 1000 دالتون است به کار می رود. اولترا فیلتراسیون معمولا در جداسازی جریان مواد آلی مؤثر نمی باشد. نیروی محرکه این فرایند، اختلاف فشار می باشد. در طی اين فرايند، جريان سيال ورودی به صورت مماسی از سطح ممبران عبور داده شده و به دو فاز آب تصفیه شده (Permeate) و آب تغلیظ یا پساب (Concentrate) تقسیم می­ شود، سپس آب تغليظ شده وارد لوله اصلی پساب و آب تصفيه شده جهت ضدعفونی نهایی به مخزن ذخيره هدايت می شود. فشار عملکردی سیستم های اولترا فیلتراسیون، 0.2 تا 7 بار بوده و به دلیل اتومات بودن، نیاز به اپراتوری کمی دارد. اختلاف فشار، نیروی محرک جریان جهت عبور از غشای ممبران می باشد. ساختار نامتقارن ممبران های UF باعث جدا شدن ذرات بزرگ تر از اندازه مولکولی ممبران و باقی ماندن آن ها در سطح ممبران می شود در حالی كه ذرات كوچک تر از میان ساختار ممبران عبور می ‌كنند. غشاها معمولاً از جنس پلی اترسولفون (PES)، پلی وینیلیدین دی فلوراید (PVDF)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اکریلو نیتریل (PAN) و پلی سولفون (PS) ساخته می شوند. بیشتر این مواد آبدوست هستند PES ها، آبدوست ترین این مواد هستند. مواد آبدوست دو مزیت دارند: 1- به سرعت مرطوب می شوند و قابلیت نفوذ آن ها افزایش می یابد. 2- مقاومت بالاتری نسبت به گسستگی دارند. از این رو 99/99% از میکروارگانیزم ها، باکتری ها، امولسیون ها، مواد نفتی، روغن، رنگدانه و … توسط این سیستم به صورت فیزیکی حذف می‌ گردد. فرایند کلی بدین صورت است که آب ناخالص توسط یک پمپ وارد فیلترهای میکرونی و سپس ممبران UF شده و بعد از خروج، مواد شیمیایی مورد نیاز به آن تزریق می شود.

از فرایند اولترافیلتراسیون جهت حذف ذرات و مولکول های سنگین محلول در آب خام جهت تولید آب شرب مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین از فرایند اولترافیلتراسیون به صورت جایگزینی برای سیستم های تصفیه ثانویه شامل انعقاد، لخته سازی و رسوب گذاری و همچنین به جای سیستم های فیلتراسیون شنی و تزریق کلر که در تصفیه خانه های آب و یا به صورت سیستم های مستقل در مناطق در حال رشد جمعیت استفاده می شود. در هنگام احداث سیستم تصفیه آب در مناطق مختلف با سطح آلودگی متناوب، اگر مواد جامد معلق در آنالیز نمونه آب وجود داشته باشد؛ غالبا بهره گیری از فرایند UF یکی از الزامات می باشد که در زمان طراحی سیستم های آب شیرین کن با یکدیگر ادغام می شود. در حال حاضر با توجه به دلایل زیر فرایندهای اولترافیلتراسیون نسبت به روش های تصفیه سنتی ترجیح داده می شود.

فرایند اولترافیلتراسیون در صنایع لبنی نیز کاربرد زیادی دارد. فرایند تولید پنیر با فرایند اولترافیلتراسیون با استفاده از ممبران هایی UF است که آب و مولکول‌ های کوچک را از خود عبور داده و مانع عبور مولکول‌ های بزرگ تر می شود. در فرایند تولید پنیر با UF، شیر تحت فشار و حرارت مشخص از ممبران عبور داده می‌ شود. آب، لاکتوز و املاح که از مولکول‌ های کوچک تشکیل شده‌ اند از ممبران عبور می کند؛ ولی چربی و پروتئین که عموما از مولکول‌ های بزرگ تر تشکیل شده اند، امکان عبور از ممبران را ندارند. به عبارت دیگر شیر با فرایند اولترافیلتراسیون به دو فاز (شامل آب، لاکتوز و املاح) و فاز غلیظ (شامل آب، چربی، پروتئین، لاکتوز و املاح) تقسیم می‌ شود. یکی از کاربردهای رایج فراپالایش (UF)، استفاده از آن برای تغلیظ شیر به منظور تولید پنیر می‌ باشد. پروتئین تغلیظ شده آب پنیر که با استفاده از فرایند فراپالایش از آب پنیر تولید می‌ شوند با درصدهای مختلف پروتئین، دارای خواص کاربردی زیادی می‌ باشند. این خواص، استفاده از کنسانتره‌ های پروتئینی آب پنیر را در فرمولاسیون فرآورده‌ های غذایی مقدور می‌ سازد. ارزش تغذیه‌ ای محصول نیز با استفاده از این روش بهبود می‌ یابد، زیرا پروتئین‌ های آب پنیر، درون بافت پنیر حفظ می‌ شوند.

مدول های اولترا فیلتراسیون از ممبران های بسیار مستحکم hollow fiber ساخته می شوند که دارای ویژگی های زیر می باشند:

• دارای منافذ با قطر اسمی 0.03 میکرون برای حذف باکتری ها، ویروس ها و ذرات کلوئیدی
• دارای لوله های توخالی پلیمری PVDF برای استحکام بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی
• دارای هوزینگ های U-PVC که نیاز به پرشر وسل را مرتفع کرده و مقاوم به اشعه UV هستند.
• دارای فیبرهای PVDF آب دوست، جهت شست و شوی آسان و ترشوندگی که به عملکرد طولانی مدت کمک می کند.

شکل هندسی ممبران های اولترافیلتراسیون

غشاهای پیش تصفیه آب شور شکل تو خالی، لوله ای و مارپیچ دارند. غشاهای فیبر تو خالی معمولا از چند صد تا چند هزار فیبر غشایی تشکیل شده است که در انتها با اپوکسی با رزین پلی اورتان پوشیده می شوند و در ماژول های جداگانه محصور می گردند. قطر داخلی فیبرها از 0.4 تا 1.5 میلیمتر می باشد. با توجه به نوع غشا، جهت جریان از داخل به خارج و یا از خارج به داخل می باشد. الگوی جریان به خارج معمولا نسبت به مقدار بار جامد در آب شور حساسیت کمتری دارد. در غشاهای لوله ای قطر داخلی آن ها نسبت به فیبرهای تو خالی بیشتر است (1- 2.5 سانتیمتر) این لوله ها در داخل پلاستیک تقویت شده با فایبر گلس یا لوله های استنلس استیل قرار می گیرد که در دو انتهای لوله واشر وجود دارد.

مزایای غشا فیبر تو خالی

• شستشوی راحت تر
• مساحت سطح بالا نسبت به حجم
• تصفیه در فشار ورودی TMP از 0.2 تا 1 بار
• افت فشار کمتر از بین دیگر ماژول های غشایی (0.1 – 1 بار)

مزایای غشای لوله ای

• سرعت تقریبا 2 برابر در عبور جریان
• تصفیه آب های با ذرات جامد بالاتر با توجه به قطر داخلی بیشتر آن ها

سیستم های غشایی تحت فشار

سیستم های غشایی تحت فشار UF و MF همانند سیستم های RO در pressure vessel های مختلف نصب می گردند. سیستم های تحت فشار بسته به جهت آب ورودی به ممبران به دو نوع سیستم فشار از خارج به فیدهای ممبران که به آن PDO (تحت فشار خارجی) و فشار از داخل که به آن ها PDI (تحت فشار داخلی) گفته می شود تقسیم می گردد. معمولا در تمیز کردن سطح ممبران ها در PDO از آب تصفیه شده و برای PDI از ترکیب هوا و آب تصفیه شده استفاده می شود. سیستم PDO در فشار کاری بالاتری در دبی مشابه نسبت به سیستم PDI طراحی می گردد. المان های ممبران های تحت فشار به صورت افقی و عمودی نصب می گردند.

مزايای استفاده از سيستم های اولترافيلتراسيون

• نصب راحت و آسان
• نرخ پايين گرفتگی ممبران ها
• رسوب کم ماژول‌ های غشایی
• تأمين آب با كيفيت بالا با كمترين انرژی
• سرعت جریان بالا و مقاومت در برابر آلودگی
• قابليت شستشوی معكوس جهت بهبود عملكرد سيستم
• مقاومت بالا در برابر حرارت، مواد شيميايی و عوامل اكسيد كننده
• عدم نیاز به تزریق منعقد و کمک منعقد کننده ها جهت کاهش کدورت
• افزایش طول عمر ممبران های سيستم RO به سبب کاهش ميزان بالای ذرات ورودی به سيستم
• عملكرد موثر فيلتراسيون در حذف مواد معلق، پاتوژن ها، ميكروارگانيسم ها، باكتری ها، ويروس ها و ذرات كلوئيدی

کاربردهای اولترافیلتراسیون

• صنایع نساجی
• بازیافت آب تبرید
• صنایع لبنی (تغلیظ شیر و پنیر)
• پیش تصفیه سیستم های RO و NF
• گندزدایی و زلال سازی آب آشامیدنی
• صنایع غذایی و آشامیدنی (تصفیه آبمیوه، حذف پروتئین، آنزیم و تصفیه آب های معدنی)
• به کارگیری به صورت مستغرق جهت تصفیه فاضلاب در روش هایی نظیر بیو رآکتور غشایی (MBR)
• حذف روغن، نفت از آب، پساب صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به خصوص روغن موجود در سیکل آب برگشتی
• پیش تصفیه سیستم های آب شیرین کن دریایی جهت حذف مواد معلق، جلوگیری از ورود روغن و لکه های نفتی ناشی از حوادث دریایی نظیر لکه های نفتی (Oil Spill)
• تهیه آب مورد نیاز جهت صنایع تولید نوشیدنی ها، داروسازی ها (حذف آنزیم ها، هورمون ها، آلبومین ها، انسولین، آمینو اسیدها و آنتی بیوتیک ها)، بیوتکنولوژی و نیمه رساناها