يشير غشاء الترشيح إلى وسيلة تفصل بين مرحلتين مختلفتين من المواد تحت قوى دافعة معينة. تحت تأثير القوة الدافعة، يمكن فصل الأيونات والجزيئات وبعض الجزيئات الموجودة في المحلول المختلط عن طريق نفاذية الغشاء.
وفقا لنوع المادة، يتم تصنيف الأغشية إلى أغشية عضوية وأغشية غير عضوية. تم تقديم الأغشية العضوية لأول مرة واستخدمت على نطاق واسع في معالجة المياه بسبب كفاءة الفصل العالية والمعدات البسيطة وعملية التشكيل السهلة. ومع ذلك، لا تزال لديها عيوب متأصلة مثل العمر القصير، وضعف الاستقرار الكيميائي، وضعف المقاومة للكائنات الحية الدقيقة، وضعف الاستقرار الحراري.
لقد جذبت الأغشية غير العضوية، وخاصة الأغشية الخزفية، الانتباه تدريجيًا. منذ التسعينيات، وصل معدل النمو السنوي للأغشية غير العضوية إلى 30%-35%، وتمثل الأغشية الخزفية حوالي 80% من هذا النمو.
خصائص أداء الأغشية الخزفية غير العضوية
الأغشية الخزفية هي نوع من الأغشية ذات الحالة الصلبة، حيث تتكون دعامتها من مواد خزفية مسامية وطبقة الترشيح مكونة من أغشية خزفية صغيرة المسامية. يمكن أن تكون أنبوبية أو مسطحة أو متعددة القنوات. يتميز سطح الأغشية الخزفية بمسام دقيقة مرتبة بشكل موحد مع أحجام مسام تتراوح عادة من 0.004 إلى 15 ميكرومتر. تم تحضير الأغشية الخزفية من مواد مثل Al2O3، وTiO2، وZrO2، وSiO2، وهي معروفة جيدًا بثباتها الكيميائي الممتاز، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية، وعمرها الطويل.
1. مقاومة درجات الحرارة العالية
تتميز أغشية السيراميك غير العضوية بمقاومة ممتازة للحرارة، حيث أن معظم أغشية السيراميك قادرة على العمل في درجات حرارة تتراوح بين 1000-1300 درجة مئوية. إنها مناسبة لفصل السوائل ذات درجة الحرارة العالية واللزوجة العالية. في السيناريوهات، لا يكون هذا التنظيف الكيميائي ممكنًا، كما هو الحال في صناعات الأغذية والألبان والأدوية، أو عند الحاجة إلى تقليل لزوجة المواد من خلال زيادة درجة الحرارة،
2. الاستقرار الكيميائي الجيد
أغشية السيراميك غير العضوية مقاومة للتآكل الحمضي والقلويات والبيولوجي، وتتفوق على المعادن والمواد الغشائية العضوية الأخرى من حيث مقاومة التآكل. ويمكن استخدامها للتعامل مع المواد ذات قيم الرقم الهيدروجيني العالية، وخاصة المواد القلوية، كما أنها تتمتع بخصائص ممتازة مضادة للبكتيريا ومقاومة للتحلل البيولوجي.
3. انتقائية عالية النفاذ
نظرًا لأحجام المسام الصغيرة للأغشية الخزفية المسامية، فإنها تتمتع بانتقائية عالية للنفاذ، ويمكن تطبيقها على الترشيح الفائق والترشيح الدقيق. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أغشية الترشيح النانوي الخزفية بخصائص فصل مختلفة للأيونات، لذلك يمكن اختيار مادة السيراميك وفقًا للأيونات المستهدفة المراد فصلها.
4. لا يوجد تلوث، سهل التنظيف، عمر خدمة طويل
تتمتع الأغشية الخزفية بثبات كيميائي ممتاز، بدون تغيرات في الطور أو تفاعل كيميائي أثناء عملية الفصل، لذلك لا يوجد أي تلوث للسائل.
يعد تنظيف غشاء السيراميك أمرًا سهلاً للغاية، ويمكن استخدام المنظفات الحمضية والقلوية والإنزيمية لإزالة الرواسب غير القابلة للذوبان والمواد الزيتية والبروتينات الموجودة على سطح الغشاء، ويمكن استخدام البخار والماء المغلي للتعقيم، ويمكن تطبيق طريقة الغسيل العكسي لإزالة الملوثات من مسام الغشاء، لأن الأغشية الخزفية لها بنية غير متماثلة.
تتمتع الأغشية الخزفية بمتانة ممتازة، وعمرها النموذجي هو 3-5 سنوات، ويمكن أن يصل بعضها إلى 8-10 سنوات مع الصيانة المناسبة.
5. التحفيز الضوئي
تمتلك أنواع معينة من الأغشية الخزفية، مثل أغشية TiO2، خصائص تحفيز ضوئي قوية. تحت الضوء فوق البنفسجي، يمكنها قتل البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى في مادة التغذية، مما يجعلها مناسبة لمعالجة المياه، وتنقية الهواء، وتطبيقات التعقيم.
تطبيق الأغشية الخزفية في معالجة مياه الصرف الصحي
1. تتميز أغشية السيراميك الخاصة بمياه الصرف الصحي في صناعة الأغذية
بمقاومة درجات الحرارة العالية، والثبات الكيميائي، ومقاومة الأحماض والقلويات والتآكل البيولوجي، وبالتالي لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في معالجة ترشيح مياه الصرف الصحي في صناعة الأغذية، وذلك بشكل أساسي لمصانع تصنيع عصائر الفاكهة، يمكن أيضًا استخدام البيرة وصلصة الصويا والخل وماء الجنكة والشاي وما إلى ذلك لترشيح الأدوية العشبية.
2. مياه الصرف الصحي لصناعة المنسوجات والورق
تتميز مياه الصرف الصحي المستخدمة في صناعة النسيج والورق بحجمها الكبير وألوانها العالية وتركيبتها المعقدة، وتحتوي على أصباغ ولب وشوائب ألياف ومعادن ثقيلة ومواد أخرى، كما أنها ذات سمية بيولوجية عالية وسوف تسبب تلوثًا شديدًا. تعتبر الأغشية الخزفية فعالة بشكل خاص في معالجة الأصباغ غير القابلة للذوبان، وبالنسبة للأصباغ القابلة للذوبان، يمكن تحسين معدل الإزالة بشكل كبير عن طريق إضافة المادة الخافضة للتوتر السطحي.
3. مياه الصرف الصحي البيوكيميائية
لقد اجتذب تطبيق الأغشية الخزفية في مجال الهندسة البيوكيميائية مؤخرًا الكثير من الاهتمام، بما في ذلك مجالات إزالة الخلايا، وإنتاج الماء المعقم، وتوضيح المركبات العضوية ذات الوزن الجزيئي المنخفض، وأغشية المفاعلات الحيوية. أدى استخدام الأغشية الخزفية لفصل البكتيريا عن مرق التخمير إلى تركيبات متعددة على نطاق صناعي، مما أدى فقط إلى تحسين إنتاجية المنتج، وتقليل حمل المعدات، ولكنه أيضًا أدى إلى تقليل تصريف مياه الصرف الصحي بشكل كبير.
4. مياه الصرف الصحي المحتوية على النفط
تنشأ مياه الصرف الصحي المحتوية على النفط من مصادر مختلفة، بما في ذلك البتروكيماويات، واستخراج النفط، والنقل، والتصنيع الآلي، والجلود، والمنسوجات، والأغذية، والأدوية. وهو يتطلب الأكسجين بشكل كبير كيميائيا ويحتوي على كميات كبيرة من النفط، مما يسبب تلوثا بيئيا شديدا. يعد الفصل الفعال لمياه الصرف الصحي المحتوية على النفط أمرًا بالغ الأهمية للمعالجة البيئية واستخلاص النفط وإعادة استخدام المياه. أصبحت تكنولوجيا الترشيح بالغشاء الخزفي نقطة جذب بحثية نظرًا لتأثيرها الممتاز في الفصل وعدم وجود تلوث ثانوي.
5. يمكن استخدام أغشية الألومينا لمياه الصرف الصحي المنزلية والحضرية
لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية والحضرية، وليس من السهل سد المسام الدقيقة، وسهلة التنظيف، وتبقى الملوثات المحاصرة على سطح طبقة التحكم. بعد التنظيف، يمكن استعادة نسبة الاحتفاظ ومعدل التدفق المتاح بنسبة 100% تقريبًا. تتميز أنابيب غشاء الألومينا ذات حجم مسام طبقة التحكم التي تتراوح من 0.1 إلى 0.35 ميكرومتر بمعدل إزالة يبلغ 83% لـ BOD5، و67% لـ CODcr، و100% للمادة الصلبة العالقة الأكبر من 0.1 ميكرومتر.
تطبيق المفاعلات الحيوية الغشائية الخزفية في معالجة المياه
إن تطبيق الأغشية الخزفية في معالجة المياه منتشر بشكل خاص في معالجة مياه الصرف الصحي، وخاصة مياه الصرف الصناعي، ولا يزال البحث وتطبيق الأغشية الخزفية في معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية نادرًا نسبيًا. يمكن تصنيف التطبيقات الأساسية للأغشية الخزفية في معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية إلى نوعين: فصل الغشاء والمفاعلات الحيوية ذات الغشاء الخزفي (CMBR) التي تجمع بين فصل الغشاء وتكنولوجيا المفاعلات الحيوية. حاليًا، يعتبر فصل الغشاء أقل شيوعًا في الأبحاث التطبيقية، حيث تركز غالبية الجهود على المفاعلات الحيوية ذات الأغشية الخزفية، والعمليات اللاهوائية في الغالب.
المفاعل الحيوي الغشائي (MBR) عبارة عن تقنية مبتكرة لمعالجة المياه تجمع بين وحدات فصل الأغشية ووحدات المعالجة البيولوجية. يتم استبدال خزان الترسيب الثانوي المستخدم في طريقة الحمأة المنشطة التقليدية بوحدة غشائية، وهي ذات كفاءة فصل عالية، ويتم تحقيق تأثيرات فصل الطين عن الماء غير المسبوقة وتأثيرات تركيز الحمأة. بالإضافة إلى ذلك، يحتفظ الغشاء بكفاءة بالمواد الصلبة العالقة والمواد العضوية ومسببات الأمراض والفيروسات من مياه الصرف الصحي، مما يحسن بشكل كبير من جودة المياه المعالجة.
بالمقارنة مع تقنيات المعالجة الكيميائية الحيوية التقليدية، تتمتع MBR بمزايا كبيرة تتمثل في كفاءة المعالجة العالية وجودة المياه الممتازة والمعدات المدمجة ومساحة الأرضية الصغيرة والأتمتة السهلة والتشغيل والإدارة المبسطة. منذ الثمانينيات، جذبت هذه التكنولوجيا اهتمامًا متزايدًا وأصبحت موضوعًا ساخنًا في أبحاث معالجة المياه. حاليًا، تم تطبيق المفاعلات الحيوية الغشائية في أكثر من عشر دول، بما في ذلك الولايات المتحدة وألمانيا وفرنسا واليابان ومصر.
بالنسبة لمعالجة مياه الصرف الصحي البلدية مركزيًا، فإن الحجم الكبير من المياه المراد معالجتها والتركيز المنخفض نسبيًا للملوثات يجعل الترشيح الغشائي كثيف الاستهلاك للطاقة وأقل جدوى اقتصاديًا. ومع ذلك، يمكن استخدام المفاعلات الحيوية ذات الغشاء الخزفي للمعالجة الموزعة لمياه الصرف الصحي المنزلية، مثل إعادة استخدام مياه الصرف الصحي في مجمع سكني. توفر المفاعلات الحيوية ذات الأغشية الخزفية تشغيلًا مستقرًا، والحد الأدنى من متطلبات الصيانة، وقوة ميكانيكية عالية، وعمر خدمة طويل، ومقاومة للتآكل الكيميائي، مما يجعلها ذات قدرة تنافسية عالية مقارنة بالأغشية العضوية.
باختصار، اكتسبت المفاعلات الحيوية ذات الأغشية الخزفية إشادة واسعة النطاق في معالجة المياه الصناعية نظرًا لعمر الخدمة الطويل، والموثوقية العالية، وتأثير المعالجة المتسق، ومتطلبات التشغيل والصيانة الأقل، ولديها آفاق تطبيق كبيرة في معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الموزعة.
