नैनोफिल्टरेशन

नैनोफिल्टरेशन एक झिल्ली निस्पंदन प्रक्रिया है जिसका उपयोग पानी को नरम और कीटाणुरहित करने के लिए किया जाता है।

सिंहावलोकन
नैनोफिल्टरेशन एक मेम्ब्रेन तकनीक-आधारित विधि है जो नैनोमीटर आकार के छिद्रों का उपयोग करती है जिसके माध्यम से 10 नैनोमीटर से छोटे कण झिल्ली से गुजरते हैं। नैनोफिल्टरेशन झिल्लियों में 1-10 नैनोमीटर से ताकना आकार होता है, जो माइक्रोफिल्ट्रेशन और अल्ट्राफिल्ट्रेशन में इस्तेमाल होने वाले से छोटा होता है, लेकिन विपरीत परासरण में उससे थोड़ा बड़ा होता है। उपयोग की जाने वाली झिल्लियाँ मुख्य रूप से बहुलक पतली फिल्मों से बनाई जाती हैं। आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में पॉलीथीन टैरीपिथालेट या धातु जैसे अल्युमीनियम शामिल हैं। 1 से 106 छिद्र प्रति सेमी तक के छिद्र घनत्व के साथ विकास के दौरान छिद्र आयाम पीएच, तापमान और समय द्वारा नियंत्रित होते हैं 2। पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट और अन्य समान सामग्रियों से बनी झिल्लियों को ट्रैक-ईच मेम्ब्रेन कहा जाता है, जिसका नाम झिल्लियों पर छिद्रों के बनने के तरीके के नाम पर रखा गया है। ट्रैकिंग में उच्च ऊर्जा कणों के साथ बहुलक पतली फिल्म पर बमबारी करना शामिल है। इसका परिणाम ऐसे ट्रैक बनाने में होता है जो रासायनिक रूप से झिल्ली में विकसित होते हैं, या झिल्ली में उकेरे जाते हैं, जो कि छिद्र होते हैं। एल्युमिना झिल्ली जैसे धातु से निर्मित झिल्ली, एक अम्लीय माध्यम में एल्यूमीनियम धातु से एल्यूमीनियम ऑक्साइड की एक पतली परत को विद्युत रासायनिक रूप से विकसित करके बनाई जाती हैं।

अनुप्रयोगों की रेंज
ऐतिहासिक रूप से, आणविक पृथक्करण के लिए उपयोग की जाने वाली नैनोफिल्टरेशन और अन्य झिल्ली प्रौद्योगिकी पूरी तरह से जलीय घोल प्रणालियों पर लागू की गई थी। नैनोफिल्टरेशन के लिए मूल उपयोग जल उपचार और विशेष रूप से जल मृदुकरण थे। नैनोफिल्टर स्केल बनाने वाले द्विसंयोजक आयनों (जैसे Ca2+, एमजी2+). नैनोफिल्टरेशन को अन्य उद्योगों जैसे दूध और जूस उत्पादन के साथ-साथ फार्मास्युटिकल दवा, बढ़िया रसायन और स्वाद और सुगंध उद्योगों में विस्तारित किया गया है।

फायदे और नुकसान
पानी को नरम करने की एक विधि के रूप में नैनोफिल्टरेशन के मुख्य लाभों में से एक यह है कि कैल्शियम और मैगनीशियम आयनों को बनाए रखने की प्रक्रिया के दौरान छोटे हाइड्रेटेड मोनोवालेंट आयनों को पारित करते हुए, अतिरिक्त सोडियम आयनों को जोड़े बिना निस्पंदन किया जाता है, जैसा कि आयन एक्सचेंजर्स में उपयोग किया जाता है। कई जुदाई प्रक्रियाएं कमरे के तापमान (जैसे आसवन) पर संचालित नहीं होती हैं, जो लगातार हीटिंग या कूलिंग लागू होने पर प्रक्रिया की लागत को बहुत बढ़ा देती हैं। जेंटल मॉलिक्यूलर सेपरेशन को नैनोफिल्ट्रेशन से जोड़ा जाता है जिसे अक्सर सेपरेशन प्रोसेस ( centrifugation ) के अन्य रूपों के साथ शामिल नहीं किया जाता है। ये दो मुख्य लाभ हैं जो नैनोफिल्टरेशन से जुड़े हैं। बड़ी मात्रा में प्रक्रिया करने और लगातार उत्पादों की धाराओं का उत्पादन करने में सक्षम होने के कारण नैनोफिल्टरेशन का बहुत अनुकूल लाभ है। फिर भी, नैनोफिल्टरेशन उद्योग में झिल्ली निस्पंदन का सबसे कम इस्तेमाल किया जाने वाला तरीका है क्योंकि झिल्ली छिद्रों का आकार केवल कुछ नैनोमीटर तक सीमित है। कुछ भी छोटा, रिवर्स ऑस्मोसिस का उपयोग किया जाता है और कुछ भी बड़ा अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए उपयोग किया जाता है। अल्ट्राफिल्ट्रेशन का उपयोग उन मामलों में भी किया जा सकता है जहां नैनोफिल्टरेशन का उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि यह अधिक पारंपरिक है। सभी मेम्ब्रेन फ़िल्टर तकनीक की तरह, नैनोटेक्नोलॉजी से जुड़ा एक मुख्य नुकसान उपयोग की जाने वाली मेम्ब्रेन की लागत और रखरखाव है। नैनोफिल्टरेशन मेम्ब्रेन प्रक्रिया का एक महंगा हिस्सा है। झिल्लियों की मरम्मत और प्रतिस्थापन कुल घुलित ठोस, प्रवाह दर और फ़ीड के घटकों पर निर्भर है। विभिन्न उद्योगों में उपयोग किए जा रहे नैनोफिल्टरेशन के साथ, केवल प्रतिस्थापन आवृत्ति का अनुमान लगाया जा सकता है। इसके कारण नैनोफिल्टरों को उनके प्रमुख उपयोग के पूरा होने से पहले या बाद में थोड़े समय के लिए बदल दिया जाता है।

डिजाइन और संचालन
झिल्लियों के औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए सैकड़ों से हजारों वर्ग मीटर झिल्लियों की आवश्यकता होती है और इसलिए उन्हें पैक करके पदचिह्न को कम करने के लिए एक कुशल तरीके की आवश्यकता होती है। जब 'मॉड्यूल' में आवास की कम लागत वाली विधियों को प्राप्त किया गया तो मेम्ब्रेन पहली बार व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य हो गए। मेम्ब्रेन स्वावलंबी नहीं होते हैं। उन्हें एक झरझरा समर्थन से रहने की जरूरत है जो झिल्ली के प्रदर्शन में बाधा डाले बिना एनएफ झिल्ली को संचालित करने के लिए आवश्यक दबावों का सामना कर सके। इसे प्रभावी ढंग से करने के लिए, मॉड्यूल को झिल्ली चूना को हटाने के लिए एक चैनल प्रदान करने और उचित प्रवाह की स्थिति प्रदान करने की आवश्यकता होती है जो एकाग्रता ध्रुवीकरण की घटना को कम करती है। एक अच्छा डिजाइन फ़ीड पक्ष और पारगम्य पक्ष दोनों पर दबाव के नुकसान को कम करता है और इस प्रकार ऊर्जा आवश्यकताओं को कम करता है।

एकाग्रता ध्रुवीकरण
एकाग्रता ध्रुवीकरण झिल्ली की सतह के करीब बनाए रखने वाली प्रजातियों के संचय का वर्णन करता है जो पृथक्करण क्षमताओं को कम करता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कण विलायक के साथ झिल्ली की ओर संवहन कर रहे हैं और इसका परिमाण विलायक प्रवाह के कारण होने वाले इस संवहन और सांद्रता प्रवणता (मुख्य रूप से प्रसार के कारण) के कारण झिल्ली से दूर कण परिवहन के बीच संतुलन है। हालांकि एकाग्रता ध्रुवीकरण है। आसानी से प्रतिवर्ती, यह झिल्ली के झिल्ली दूषण का कारण बन सकता है।

सर्पिल घाव मॉड्यूल
सर्पिल घाव मॉड्यूल मॉड्यूल की सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली शैली है और 'मानकीकृत' डिज़ाइन हैं, जो मानक दबाव वाहिकाओं को फिट करने के लिए मानक व्यास (2.5, 4 और 8) की एक श्रृंखला में उपलब्ध हैं जो ओ-रिंग्स से जुड़े श्रृंखला में कई मॉड्यूल रख सकते हैं। मॉड्यूल एक केंद्रीय ट्यूब के चारों ओर लिपटे फ्लैट शीट का उपयोग करता है। झिल्लियों को 'पत्ते' बनाने के लिए परमिट स्पेसर के ऊपर तीन किनारों से चिपकाया जाता है। पर्मीएट स्पेसर झिल्ली का समर्थन करता है और पर्मीएट को केंद्रीय पर्मीएट ट्यूब में ले जाता है। प्रत्येक पत्ती के बीच, फीड स्पेसर जैसा जाल डाला जाता है। स्पेसर के जाल जैसे आयाम का कारण झिल्ली की सतह के पास एक द्रव गतिकी वातावरण प्रदान करना है जो एकाग्रता ध्रुवीकरण को हतोत्साहित करता है। एक बार केंद्रीय ट्यूब के चारों ओर पत्तियों को लपेटने के बाद, मॉड्यूल को एक आवरण परत में लपेटा जाता है और 'टेलीस्कोपिंग' को रोकने के लिए सिलेंडर के अंत में रखा जाता है जो उच्च प्रवाह दर और दबाव की स्थिति में हो सकता है।

ट्यूबलर मॉड्यूल
ट्यूबलर मॉड्यूल अंदर झिल्ली की सक्रिय सतह के साथ ट्यूबों के बंडलों के साथ खोल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर के समान दिखते हैं। ट्यूबों के माध्यम से प्रवाह सामान्य रूप से अशांति है, कम एकाग्रता ध्रुवीकरण सुनिश्चित करता है लेकिन ऊर्जा लागत भी बढ़ाता है। ट्यूब या तो स्व-सहायक हो सकते हैं या छिद्रित धातु ट्यूबों में सम्मिलन द्वारा समर्थित हो सकते हैं। यह मॉड्यूल डिज़ाइन नैनोफिल्टरेशन के लिए दबाव द्वारा सीमित है जिसे वे फटने से पहले झेल सकते हैं, अधिकतम प्रवाह को सीमित कर सकते हैं। अशांत प्रवाह की उच्च ऊर्जा परिचालन लागत और सीमित फट दबाव दोनों के कारण, ट्यूबलर मॉड्यूल 'गंदे' अनुप्रयोगों के लिए अधिक अनुकूल हैं, जहां फीड में पार्टिकुलेट होते हैं जैसे कि फ़ाइन प्रक्रिया में पीने के पानी को प्राप्त करने के लिए कच्चे पानी को छानना। झिल्लियों को ' चुभने वाले ' तकनीक के माध्यम से आसानी से साफ किया जा सकता है, फोम गेंदों को ट्यूबों के माध्यम से निचोड़ा जाता है, पके हुए जमा को साफ किया जाता है।

फ्लक्स बढ़ाने की रणनीतियाँ
ये रणनीतियाँ सघनता ध्रुवीकरण और दूषण के परिमाण को कम करने के लिए काम करती हैं। उपलब्ध तकनीकों की एक श्रृंखला है, हालांकि सबसे आम फ़ीड चैनल स्पेसर है जैसा कि सर्पिल घाव मॉड्यूल में वर्णित है। सभी रणनीतियाँ एड़ी (द्रव गतिकी) को बढ़ाकर और झिल्ली की सतह के पास प्रवाह में एक उच्च कतरनी (द्रव) उत्पन्न करके काम करती हैं। इनमें से कुछ रणनीतियों में झिल्ली को हिलाना, झिल्ली को घुमाना, झिल्ली के ऊपर एक रोटर डिस्क होना, फ़ीड प्रवाह दर को स्पंदित करना और झिल्ली की सतह के करीब गैस बुदबुदाहट शुरू करना शामिल है।

प्रदर्शन पैरामीटर
आवेशित और अनावेशित विलेय दोनों की अवधारण और पारगम्य माप को प्रदर्शन मापदंडों में वर्गीकृत किया जा सकता है क्योंकि एक झिल्ली की प्राकृतिक परिस्थितियों में प्रदर्शन झिल्ली के माध्यम से बनाए गए / पारगम्य विलेय के अनुपात पर आधारित होता है।

आवेशित विलेय के लिए, झिल्ली-समाधान इंटरफ़ेस के पास लवण का आयनिक वितरण एक झिल्ली की अवधारण विशेषता को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यदि झिल्ली का आवेश और फ़िल्टर किए जाने वाले घोल की संरचना और सांद्रता ज्ञात हो, तो विभिन्न लवणों का वितरण पाया जा सकता है। यह बदले में झिल्ली के ज्ञात आवेश और डोनन संतुलन के साथ जोड़ा जा सकता है। उस झिल्ली के प्रतिधारण विशेषताओं की भविष्यवाणी करने के लिए गिब्स-डोनन प्रभाव।

अनावेशित विलेय को केवल आण्विक भार कट ऑफ (MWCO) द्वारा अभिलक्षित नहीं किया जा सकता है, हालांकि सामान्य रूप से आण्विक भार या विलेय के आकार में वृद्धि से प्रतिधारण में वृद्धि होती है। चार्ज और संरचना, विलेय का पीएच, प्रतिधारण विशेषताओं को प्रभावित करता है।

आकृति विज्ञान पैरामीटर
एक झिल्ली की आकृति विज्ञान आमतौर पर माइक्रोस्कोपी द्वारा स्थापित किया जाता है। परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) एक विधि है जिसका उपयोग झिल्ली की सतह के खुरदुरेपन को चिह्नित करने के लिए किया जाता है, एक झिल्ली की सतह के आर-पार एक छोटा सा नुकीला सिरा (<100 Ă) पास करके और अंत में परमाणुओं के बीच परिणामी वैन डेर वाल का बल को मापता है। नोक और सतह। यह उपयोगी है क्योंकि सतह खुरदरापन और कोलाइडल दूषण के बीच सीधा संबंध विकसित किया गया है। दूषण और अन्य आकारिकी मापदंडों के बीच सहसंबंध भी मौजूद हैं, जैसे कि हाइड्रोफोबिसिटी, यह दर्शाता है कि एक झिल्ली जितनी अधिक हाइड्रोफोबिक होती है, उसके दूषण की संभावना उतनी ही कम होती है। अधिक जानकारी के लिए मेम्ब्रेन फॉलिंग देखें।

झरझरा झिल्लियों की सरंध्रता को निर्धारित करने के तरीके भी केशिका प्रवाह पोरोमेट्री के माध्यम से पाए गए हैं, जो झिल्ली के भीतर छिद्र के आकार और छिद्र के आकार के वितरण को चिह्नित करने के लिए अलग-अलग वाष्प दबावों का उपयोग करते हैं। प्रारंभ में झिल्ली के सभी छिद्र पूरी तरह से एक तरल से भरे होते हैं और इस तरह गैस का कोई पारगमन नहीं होता है, लेकिन सापेक्ष वाष्प के दबाव को कम करने के बाद केल्विन समीकरण द्वारा निर्धारित छिद्रों के भीतर कुछ अंतराल बनने लगेंगे। पॉलीमेरिक (गैर-झरझरा) झिल्लियों को इस पद्धति के अधीन नहीं किया जा सकता है क्योंकि संघनित वाष्प का झिल्ली के भीतर एक नगण्य अंतःक्रिया होनी चाहिए।

विलेय परिवहन और अस्वीकृति
बड़े और छोटे ताकना आकार वाली झिल्लियों के विपरीत, नैनोफिल्ट्रेशन के माध्यम से विलेय का मार्ग काफी अधिक जटिल है।

छिद्रों के आकार के कारण, झिल्ली के माध्यम से विलेय के परिवहन के तीन तरीके हैं। इनमें शामिल हैं 1) विसरण (सांद्रता संभावित ढाल के कारण अणु यात्रा, जैसा कि रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली के माध्यम से देखा जाता है), 2) संवहन (प्रवाह के साथ यात्रा, जैसे बड़े छिद्र आकार के निस्पंदन जैसे कि माइक्रोफिल्ट्रेशन), और 3) विद्युत प्रवासन (आकर्षण या प्रतिकर्षण) झिल्ली के भीतर और उसके पास आवेश)।

इसके अतिरिक्त, नैनोफिल्टरेशन में बहिष्करण तंत्र निस्पंदन के अन्य रूपों की तुलना में अधिक जटिल हैं। अधिकांश निस्पंदन प्रणालियां केवल आकार (स्टीरिक) बहिष्करण द्वारा संचालित होती हैं, लेकिन नैनोफिल्टरेशन में देखी जाने वाली छोटी लंबाई के पैमाने पर, महत्वपूर्ण प्रभावों में सतह आवेश और जलयोजन (सॉल्वेशन खोल) शामिल हैं। जलयोजन के कारण बहिष्करण को परावैद्युत अपवर्जन के रूप में संदर्भित किया जाता है, एक झिल्ली सब्सट्रेट के भीतर बनाम विलयन में एक कण के साथ जुड़े परावैद्युत स्थिरांक (ऊर्जा) का एक संदर्भ। समाधान पीएच सतह के आवेश पर जोरदार प्रभाव डालता है, अस्वीकृति को समझने और बेहतर नियंत्रण के लिए एक तरीका प्रदान करना।

परिवहन और बहिष्करण तंत्र झिल्ली छिद्र के आकार, विलायक चिपचिपाहट, झिल्ली की मोटाई, विलेय प्रसार, समाधान तापमान, समाधान पीएच और झिल्ली ढांकता हुआ स्थिरांक से बहुत अधिक प्रभावित होते हैं। ध्यान में लीन होना आकार वितरण भी महत्वपूर्ण है। NF के लिए सटीक रूप से मॉडलिंग अस्वीकृति बहुत चुनौतीपूर्ण है। यह नर्नस्ट-प्लैंक समीकरण के अनुप्रयोगों के साथ किया जा सकता है, हालांकि प्रयोगात्मक डेटा के लिए फिटिंग पैरामीटर पर भारी निर्भरता आमतौर पर आवश्यक होती है।

सामान्य तौर पर, आवेशित विलेय, अनावेशित विलेय की तुलना में NF में अधिक प्रभावी रूप से अस्वीकृत होते हैं, और बहुसंयोजक विलेय जैसे (2 की वैलेंस) बहुत उच्च अस्वीकृति का अनुभव करते हैं।

औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट आंकड़े
यह ध्यान में रखते हुए कि एनएफ आमतौर पर शुद्धिकरण के लिए एक समग्र प्रणाली का हिस्सा है, एनएफ इकाई के लिए डिजाइन विनिर्देशों के आधार पर एक एकल इकाई का चयन किया जाता है। जल शोधन के लिए कई वाणिज्यिक झिल्लियां मौजूद हैं, जो विभिन्न संरचनाओं, रासायनिक सहनशीलता और नमक अस्वीकृति वाले रासायनिक परिवारों से आती हैं।

पीने के पानी के शुद्धिकरण में NF इकाइयाँ बहुत कम नमक अस्वीकृति (<1001A झिल्लियों में 5%) से लेकर लगभग पूर्ण अस्वीकृति (8040-TS80-TSA झिल्लियों में 99%) तक होती हैं। प्रवाह दर 25-60 मीटर तक होती है।3/दिन प्रत्येक इकाई के लिए, इसलिए वाणिज्यिक निस्पंदन के लिए बड़ी मात्रा में फ़ीड पानी को संसाधित करने के लिए समानांतर में कई NF इकाइयों की आवश्यकता होती है। इन इकाइयों में आवश्यक दबाव आम तौर पर 4.5-7.5 बार के बीच होते हैं।

एनएफ-आरओ प्रणाली का उपयोग करके समुद्री जल के अलवणीकरण के लिए एक विशिष्ट प्रक्रिया नीचे दिखाई गई है।

चूंकि एनएफ परमीट पीने के पानी और अन्य जल शोधन के लिए अंतिम उत्पाद के रूप में उपयोग करने के लिए शायद ही कभी पर्याप्त साफ होता है, क्या यह आमतौर पर रिवर्स ऑस्मोसिस (आरओ) के लिए पूर्व उपचार चरण के रूप में उपयोग किया जाता है। जैसा कि ऊपर दिखाया गया है।

उपचार के बाद
अन्य झिल्ली आधारित अलगाव जैसे कि अल्ट्राफिल्ट्रेशन, माइक्रोफिल्ट्रेशन और रिवर्स ऑस्मोसिस के साथ, या तो परमिटेट या रिटेंटेट फ्लो स्ट्रीम (आवेदन के आधार पर) का पोस्ट-ट्रीटमेंट - उत्पाद के व्यावसायिक वितरण से पहले औद्योगिक एनएफ पृथक्करण में एक आवश्यक चरण है। पश्च-उपचार में नियोजित इकाई संचालन का विकल्प और क्रम पानी की गुणवत्ता के नियमों और एनएफ प्रणाली के डिजाइन पर निर्भर है। विशिष्ट NF जल शोधन के बाद के चरणों में वातन और कीटाणुशोधन और स्थिरीकरण शामिल हैं।

वातन
एक पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी) या फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक (FRP) डिगैसिफायर का उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन सल्फाइड जैसी घुली हुई गैसों को परमीट स्ट्रीम से हटाने के लिए किया जाता है। यह डिगैसिफायर में पैकिंग सामग्री के माध्यम से गिरने वाले पानी के विपरीत दिशा में हवा को उड़ाने से प्राप्त होता है। हवा प्रभावी ढंग से पानी से अवांछित गैसों को दूर करती है।

कीटाणुशोधन और स्थिरीकरण
एनएफ पृथक्करण से पारगम्य पानी विखनिजीकृत होता है और पीएच में बड़े बदलावों के लिए निपटाया जा सकता है, इस प्रकार पाइपिंग और अन्य उपकरण घटकों में जंग का पर्याप्त जोखिम होता है। पानी की स्थिरता को बढ़ाने के लिए, क्षारीय घोल जैसे चूना और कास्टिक सोडा के रासायनिक संयोजन को नियोजित किया जाता है। इसके अलावा, क्लोरीन या क्लोरोमाइन जैसे कीटाणुनाशकों को पर्मीएट में जोड़ा जाता है, साथ ही कुछ मामलों में फॉस्फेट या फ्लोराइड जंग अवरोधक भी।

अनुसंधान रुझान
नैनोफिल्टरेशन (एनएफ) प्रौद्योगिकी में चुनौतियों में झिल्ली के दूषण को कम करना और ऊर्जा आवश्यकताओं को कम करना शामिल है। पतली फिल्म समग्र झिल्ली (TFC), जिसमें कई बेहद पतली चयनात्मक परतें होती हैं, जो एक सूक्ष्म सब्सट्रेट पर पॉलीमराइज्ड होती हैं, को औद्योगिक झिल्ली अनुप्रयोगों में व्यावसायिक सफलता मिली है। Electrospunnanofibrous मेम्ब्रेन लेयर्स (ENMs) परमीट फ्लक्स को बढ़ाता है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सर्पिल घाव व्यवस्था के लिए ऊर्जा-कुशल विकल्प खोखले फाइबर झिल्ली होते हैं, जिन्हें कम पूर्व-उपचार की आवश्यकता होती है। झिल्ली दूषण को कम करने के लिए रंजातु डाइऑक्साइड नैनोकणों का उपयोग किया गया है।

बाहरी संबंध

 * Project ETAP-ERN, that uses renewable energies for desalinization.
 * Nano based methods to improve water quality - Hawk's Perch Technical Writing, LLC