การกรองระดับไมโคร (Microfiltration) เป็นกระบวนการ กรองทางกายภาพชนิดหนึ่งโดยของเหลวที่ปนเปื้อนจะถูกส่งผ่านแผ่นกรองเมมเบรนที่มีขนาดรูพรุน พิเศษ เพื่อแยกจุลินทรีย์และอนุภาคแขวนลอยออกจากของเหลว ในกระบวนการ โดยทั่วไปจะใช้ร่วมกับกระบวนการแยกอื่นๆ เช่นการกรองระดับอัลตรา (Ultrafiltration)และการออสโมซิสย้อนกลับ (Reverse Osmosis)เพื่อ ให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ปราศจากสิ่งปนเปื้อน ที่ไม่พึงประสงค์

โดยทั่วไปแล้ว การกรองระดับไมโครจะใช้เป็นขั้นตอนก่อนการแยกสารด้วยวิธีอื่น เช่นการกรองระดับอัลตราฟิลเท รชัน และเป็นขั้นตอนหลัง การแยก สารด้วยตัวกลางแบบเม็ด ขนาดอนุภาคที่ใช้สำหรับการกรองระดับไมโครโดยทั่วไปมีตั้งแต่ประมาณ 0.1 ถึง 10 ไมโครเมตร[ ^{1 ] ใน}แง่ของน้ำหนักโมเลกุลโดยประมาณเยื่อ เหล่านี้ สามารถแยกโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุลโดยทั่วไปน้อยกว่า 100,000 กรัม/โมล^{[ 2 ]}ตัวกรองที่ใช้ในกระบวนการกรองระดับไมโครได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันอนุภาค เช่นตะกอนสาหร่ายโปรโตซัวหรือแบคทีเรีย ขนาดใหญ่ ไม่ให้ผ่านเยื่อ แต่สารที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น น้ำ (H2O ₎สารที่มีประจุบวกหนึ่งตัวเช่น โซเดียม (Na ⁺ ) หรือคลอไรด์ (Cl− ⁾สารอินทรีย์ที่ละลายหรือสารอินทรีย์ ตามธรรมชาติ และคอลลอยด์ ขนาดเล็ก และไวรัสจะยังคงสามารถผ่านตัวกรองได้^{[ 3 ]}

ของเหลวที่แขวนลอยจะไหลผ่านด้วยความเร็วค่อนข้างสูงประมาณ 1–3 ม./วินาที และที่ความดันต่ำถึงปานกลาง (ประมาณ 100–400 กิโลปาสคาล ) ขนานหรือสัมผัสกับเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ในรูปแบบแผ่นหรือท่อ^{[ 4 ]}โดยทั่วไปจะติดตั้งปั๊ม ไว้กับอุปกรณ์ประมวลผลเพื่อให้ของเหลวไหลผ่านตัวกรองเมมเบรน นอกจากนี้ยังมีปั๊มสองแบบ คือ แบบขับเคลื่อนด้วยแรงดันหรือแบบสุญญากาศ โดยทั่วไปจะติดตั้ง เกจวัดแรงดัน แบบดิฟเฟอเรน เชียลหรือแบบปกติเพื่อวัดการลดลงของแรงดันระหว่างกระแสขาออกและขาเข้า ดูรูปที่ 1 สำหรับการตั้งค่าทั่วไป^{[ 5 ]}

การใช้งานเมมเบรนไมโครฟิลเทรชันที่พบมากที่สุดคือใน อุตสาหกรรม น้ำเครื่องดื่มและกระบวนการทางชีวภาพ (ดูด้านล่าง) กระแสกระบวนการขาออกหลังจากการบำบัดโดยใช้ไมโครฟิลเตอร์มีอัตราการฟื้นตัวโดยทั่วไปอยู่ในช่วงประมาณ 90–98% ^{[ 6 ]}

การใช้งานเมมเบรนไมโครฟิลเทรชันที่โดดเด่นที่สุดอาจเกี่ยวข้องกับการบำบัดน้ำดื่ม เมมเบรนเหล่านี้เป็นขั้นตอนสำคัญในการฆ่าเชื้อขั้นต้นของกระแสน้ำที่เข้าสู่ระบบ กระแสน้ำดังกล่าวอาจมีเชื้อโรคเช่น โปรโตซัวCryptosporidiumและGiardia lamblia ซึ่งเป็นสาเหตุของการระบาดของโรคต่างๆ มากมาย ทั้งสองชนิดแสดงความต้านทานต่อ สารฆ่าเชื้อแบบดั้งเดิม(เช่นคลอรีน ) ในระดับหนึ่ง ^{[ 7 ]}การใช้เมมเบรน MF เป็นวิธีการแยกทางกายภาพ (สิ่งกีดขวาง) ซึ่งแตกต่างจากทางเลือกทางเคมี ในแง่นั้น ทั้งการกรองและการฆ่าเชื้อเกิดขึ้นในขั้นตอนเดียว ทำให้ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการใช้สารเคมีและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง (ที่จำเป็นสำหรับการจัดการและการจัดเก็บ)

ในทำนองเดียวกัน เมมเบรน MF ถูกนำมาใช้ในน้ำเสียขั้นที่สองเพื่อกำจัดความขุ่นแต่ยังใช้ในการบำบัดเพื่อฆ่าเชื้อโรคด้วย ในขั้นตอนนี้ อาจมีการเติม สารตกตะกอน ( เหล็กหรืออะลูมิเนียม ) เพื่อตกตะกอนสารประกอบต่างๆ เช่นฟอสฟอรัสและสารหนูซึ่งหากไม่ตกตะกอนก็จะละลายได้^{[ 8 ]}

การประยุกต์ใช้เมมเบรน MF ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการฆ่าเชื้อเครื่องดื่มและยา ด้วยวิธี เย็น^{[ 9 ]} ในอดีตมีการใช้ความร้อนในการฆ่าเชื้อเครื่องดื่ม เช่น น้ำผลไม้ ไวน์ และเบียร์โดยเฉพาะ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียรสชาติที่รับประทานได้นั้นเห็นได้ชัดเจนเมื่อได้รับความร้อน ในทำนองเดียวกัน ยาก็แสดงให้เห็นว่าสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อได้รับความร้อน เมมเบรน MF ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเหล่านี้เพื่อกำจัดแบคทีเรียและสารแขวนลอย ที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ ออกจากของเหลว ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า 'การฆ่าเชื้อด้วยวิธีเย็น' ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อน

นอกจากนี้ เมมเบรนไมโครฟิลเทรชันยังถูกนำมาใช้มากขึ้นในพื้นที่ต่างๆ เช่น การกลั่นปิโตรเลียม^{[ 10 ]}ซึ่งการกำจัดอนุภาคออกจากก๊าซไอเสียเป็นเรื่องที่น่ากังวลเป็นพิเศษ ความท้าทาย/ข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีนี้คือความสามารถของโมดูลเมมเบรนในการทนต่ออุณหภูมิสูง (เช่น รักษาเสถียรภาพ) แต่การออกแบบจะต้องเป็นแผ่นบางมาก (ความหนา < 2000 อังสตรอม ) เพื่อเพิ่มอัตราการไหลนอกจากนี้ โมดูลจะต้องมี โปรไฟล์ การอุดตัน ต่ำ และที่สำคัญที่สุดคือต้องมีราคาต่ำเพื่อให้ระบบมีความคุ้มค่าทางการเงิน

นอกเหนือจากการใช้งานข้างต้นแล้ว เยื่อ MF ยังถูกนำไปใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพในอุตสาหกรรมนม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการแปรรูปนมและเวย์ เยื่อ MF ช่วยในการกำจัดแบคทีเรียและสปอร์ที่เกี่ยวข้องออกจากนม โดยการปฏิเสธไม่ให้สายพันธุ์ที่เป็นอันตรายผ่านไปได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับการพาสเจอร์ไรซ์ซึ่งช่วยยืดอายุการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ได้จุลินทรีย์ดูเหมือนจะสามารถผ่านเยื่อขนาด 0.8 และ 1.2 μm ได้ และทนต่อการพาสเจอร์ไรซ์แบบ HSTS ได้^{[ 11 ]}

เทคนิคที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งสำหรับเมมเบรน MF ในด้านนี้เกี่ยวข้องกับการแยกเคซีนออกจากโปรตีนเวย์ (เช่น โปรตีนเซรั่มนม) ^{[ 12 ]} ซึ่งส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์สองกระแส ซึ่งทั้งสองกระแสเป็นที่พึ่งพาของผู้บริโภคอย่างมาก ได้แก่ กระแสเข้มข้นที่อุดมด้วย เคซีนซึ่งใช้ในการทำชีส และกระแสโปรตีนเวย์/เซรั่มซึ่งจะถูกนำไปแปรรูปเพิ่มเติม (โดยใช้อัลตราฟิลเตรชัน ) เพื่อทำเป็นเวย์โปรตีนเข้มข้น กระแสโปรตีนเวย์จะผ่านการกรองเพิ่มเติมเพื่อกำจัดไขมันเพื่อให้ได้ปริมาณโปรตีนที่สูงขึ้นในผง WPC (Whey Protein Concentrate) และ WPI (Whey Protein Isolate) ขั้นสุดท้าย

การใช้งานทั่วไปอื่นๆ ที่ใช้ไมโครฟิลเทรชันเป็นกระบวนการแยกหลัก ได้แก่

• การทำให้ใสและการทำให้บริสุทธิ์ของน้ำซุป เซลล์ ซึ่งโมเลกุลขนาดใหญ่จะถูกแยกออกจากโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ โปรตีน หรือเศษเซลล์^{[ 13 ]}
• การประยุกต์ใช้ทางชีวเคมีและกระบวนการทางชีวภาพอื่นๆ เช่น การทำให้เดกซ์โทรสใส^{[ 14 ]}
• การผลิตสีและกาว^{[ 15 ]}

กระบวนการกรองด้วยเมมเบรนสามารถจำแนกได้ตามลักษณะสำคัญ 3 ประการ ได้แก่ แรงขับเคลื่อน กระแส สารตกค้างและ กระแสสาร ที่ผ่านเมมเบรน กระบวนการไมโครฟิลเทรชันเป็นกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดัน โดยมีอนุภาคแขวนลอยและน้ำเป็นสารตกค้าง และสารละลาย ที่ละลาย รวมกับน้ำเป็นสารที่ผ่านเมมเบรน การใช้แรงดันไฮดรอลิกช่วยเร่งกระบวนการแยกโดยการเพิ่มอัตราการไหล ( ฟลักซ์ ) ของกระแสของเหลว แต่ไม่มีผลต่อองค์ประกอบทางเคมีของสารในกระแสสารตกค้างและกระแสผลิตภัณฑ์^{[ 16 ]}

ลักษณะสำคัญที่จำกัดประสิทธิภาพของไมโครฟิลเทรชันหรือเทคโนโลยีเมมเบรนใดๆ คือกระบวนการที่เรียกว่าการอุดตันการอุดตันหมายถึงการตกตะกอนและการสะสมของส่วนประกอบของสารป้อน เช่น อนุภาคแขวนลอย สารละลายที่ไม่สามารถซึมผ่านได้ หรือแม้แต่สารละลายที่สามารถซึมผ่านได้ บนพื้นผิวเมมเบรนและ/หรือภายในรูพรุนของเมมเบรน การอุดตันของเมมเบรนในระหว่างกระบวนการกรองจะลดอัตราการไหลและประสิทธิภาพโดยรวมของการทำงาน ซึ่งบ่งชี้ได้เมื่อความดันลดลงถึงจุดหนึ่ง มันเกิดขึ้นแม้ว่าพารามิเตอร์การทำงานจะคงที่ (ความดัน อัตราการไหล อุณหภูมิ และความเข้มข้น) การอุดตันส่วนใหญ่ไม่สามารถย้อนกลับได้ แม้ว่าชั้นการอุดตันบางส่วนจะสามารถย้อนกลับได้โดยการทำความสะอาดในช่วงเวลาสั้นๆ^{[ 17 ]}การทำความเข้าใจเกี่ยวกับขนาดไมครอนเป็นสิ่งสำคัญในการกรองทางอุตสาหกรรม เนื่องจากขนาดตัวกรองที่ไม่ถูกต้องอาจนำไปสู่ความเสียหายของอุปกรณ์ ประสิทธิภาพของกระบวนการลดลง และปัญหาด้านกฎระเบียบ^{[ 18 ] [ 19 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เยื่อกรองระดับไมโครสามารถทำงานได้ในสองรูปแบบหลักๆ

การกรองแบบไหลข้าม : โดยที่ของเหลวจะไหลผ่านในแนวสัมผัสเมื่อเทียบกับเมมเบรน^{[ 20 ]} ส่วนหนึ่งของกระแสป้อนที่มีของเหลวที่ผ่านการบำบัดแล้วจะถูกรวบรวมไว้ด้านล่างตัวกรอง ในขณะที่ส่วนหนึ่งของน้ำจะไหลผ่านเมมเบรนโดยไม่ได้รับการบำบัด การกรองแบบไหลข้ามนั้นเข้าใจได้ว่าเป็นหน่วยปฏิบัติการมากกว่ากระบวนการโปรดดูรูปที่ 2 สำหรับแผนผังทั่วไปของกระบวนการ

การกรองแบบปลายตัน ; ของเหลวในกระบวนการทั้งหมดไหลผ่าน และอนุภาคทั้งหมดที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดรูพรุนของเมมเบรนจะถูกหยุดไว้ที่พื้นผิวของเมมเบรน น้ำป้อนทั้งหมดจะได้รับการบำบัดในคราวเดียวโดยขึ้นอยู่กับการก่อตัวของเค้ก^{[ 21 ]} กระบวนการนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการกรองแบบแบทช์หรือกึ่งต่อเนื่องของสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำ^{[ 22 ]}โปรดดูรูปที่ 3 สำหรับแผนผังทั่วไปของกระบวนการนี้

ประเด็นสำคัญที่มีผลต่อการเลือกเมมเบรน ได้แก่^{[ 23 ]}

• ความจุและความต้องการของสถานที่
• เปอร์เซ็นต์การฟื้นตัวและการปฏิเสธ
• คุณลักษณะของของเหลว ( ความหนืดความขุ่นความหนาแน่น )
• คุณภาพของของเหลวที่จะได้รับการบำบัด
• กระบวนการเตรียมการก่อนการบำบัด

• ต้นทุนการจัดหาวัสดุและการผลิต
• อุณหภูมิในการทำงาน
• แรงดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์
• ฟลักซ์เมมเบรน
• การจัดการคุณสมบัติของของเหลว (ความหนืด ความขุ่น ความหนาแน่น)
• การตรวจสอบและบำรุงรักษาระบบ
• การทำความสะอาดและการบำบัด
• การกำจัดของเสียจากกระบวนการผลิต

• การดำเนินงานและการควบคุมกระบวนการทั้งหมดในระบบ
• วัสดุก่อสร้าง
• อุปกรณ์และเครื่องมือวัด ( ตัวควบคุมเซ็นเซอร์) และต้นทุนของอุปกรณ์เหล่านั้น

หลักการออกแบบที่สำคัญบางประการและการประเมินหลักการเหล่านั้นมีดังต่อไปนี้:

• เมื่อทำการบำบัดของเหลวที่ปนเปื้อนดิบ วัสดุแข็งและคมอาจทำให้โพรงพรุนในไมโครฟิลเตอร์สึกหรอและฉีกขาด ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ของเหลวจะต้องได้รับการบำบัดเบื้องต้นก่อนที่จะผ่านไมโครฟิลเตอร์^{[ 24 ]} ซึ่งอาจทำได้โดยการปรับเปลี่ยนกระบวนการแยกขนาดใหญ่ เช่นการกรองหรือการกรองด้วยตัวกลางแบบเม็ด
• เมื่อดำเนินการตามขั้นตอนการทำความสะอาด เมมเบรนต้องไม่แห้งหลังจากสัมผัสกับกระแสกระบวนการ^{[ 25 ]} ควรล้างโมดูลเมมเบรน ท่อ ปั๊ม และการเชื่อมต่อหน่วยอื่นๆ ด้วยน้ำอย่างทั่วถึงจนกว่าน้ำที่ไหลออกมาจะดูสะอาด
• โดยทั่วไปโมดูลไมโครฟิลเทรชันจะถูกตั้งค่าให้ทำงานที่ความดัน 100 ถึง 400 kPa ^{[ 26 ]}ความดันดังกล่าวช่วยให้สามารถกำจัดวัสดุต่างๆ เช่น ทราย เศษหิน และดินเหนียว รวมถึงแบคทีเรียและโปรโตซัวได้
• เมื่อมีการใช้งานโมดูลเมมเบรนเป็นครั้งแรก เช่น ในระหว่างการเริ่มเดินเครื่องโรงงาน จำเป็นต้องวางแผนเงื่อนไขให้ดี โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องเริ่มอย่างช้าๆ เมื่อมีการป้อนสารป้อนเข้าสู่โมดูล เนื่องจากแม้แต่การรบกวนเพียงเล็กน้อยเหนืออัตราการไหลวิกฤตก็จะส่งผลให้เกิดการอุดตันที่ไม่สามารถย้อนกลับได้^{[ 27 ]}

เช่นเดียวกับเมมเบรนชนิดอื่นๆ เมมเบรนไมโครฟิลtration ก็มีโอกาสเกิดการอุดตันได้(ดูรูปที่ 4 ด้านล่าง)ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอเพื่อยืดอายุการใช้งานของโมดูลเมมเบรน

• การ " ล้างย้อนกลับ " ตามปกติจะใช้เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะของเมมเบรน การล้างย้อนกลับจะดำเนินการในช่วงเวลาสั้นๆ (โดยทั่วไป 3 ถึง 180 วินาที) และในช่วงเวลาที่ค่อนข้างถี่ (5 นาทีถึงหลายชั่วโมง) ควรใช้สภาวะการไหลแบบปั่นป่วนที่มีเลขเรย์โนลด์มากกว่า 2100 โดยในอุดมคติคือระหว่าง 3000 - 5000 ^{[ 28 ]} อย่างไรก็ตาม ไม่ควรสับสนกับ "การชะล้างย้อนกลับ" ซึ่งเป็นเทคนิคการทำความสะอาดที่เข้มงวดและละเอียดถี่ถ้วนกว่า ซึ่งมักใช้ในกรณีที่มีการอุดตันจากอนุภาคและคอลลอยด์
• เมื่อจำเป็นต้องทำความสะอาดครั้งใหญ่เพื่อกำจัด อนุภาค ที่ติดอยู่จะใช้เทคนิค CIP (Clean In Place) ^{[ 29 ]} โดยทั่วไปจะใช้ สารทำความสะอาด/ ผงซักฟอกเช่นโซเดียมไฮโปคลอไรต์กรดซิตริกโซดาไฟหรือแม้แต่เอนไซม์พิเศษเพื่อจุดประสงค์นี้ ความเข้มข้นของสารเคมีเหล่านี้ขึ้นอยู่กับชนิดของเมมเบรน (ความไวต่อสารเคมีที่รุนแรง) และชนิดของสาร (เช่น คราบตะกรันเนื่องจากการมีอยู่ของไอออนแคลเซียม) ที่ต้องกำจัดออก
• อีกวิธีหนึ่งที่อาจเพิ่มอายุการใช้งานของเมมเบรนได้คือการออกแบบเมมเบรนไมโครฟิลเทรชันสองอันเรียงกันตัวกรองอันแรกจะใช้สำหรับการบำบัดเบื้องต้นของของเหลวที่ผ่านเมมเบรน โดยที่อนุภาคขนาดใหญ่และตะกอนจะถูกดักจับไว้ในตลับ ตัวกรองอันที่สองจะทำหน้าที่เป็น "การตรวจสอบ" เพิ่มเติมสำหรับอนุภาคที่สามารถผ่านเมมเบรนอันแรกได้ รวมถึงการคัดกรองอนุภาคในช่วงสเปกตรัมที่ต่ำกว่าด้วย^{[ 30 ]}

ต้นทุนในการออกแบบและผลิตเมมเบรนต่อหน่วยพื้นที่ลดลงประมาณ 20% เมื่อเทียบกับช่วงต้นทศวรรษ 1990 และโดยทั่วไปแล้วลดลงอย่างต่อเนื่อง^{[ 31 ]} เมมเบรนไมโครฟิลเทรชันมีข้อได้เปรียบมากกว่าระบบทั่วไป ระบบไมโครฟิลเทรชันไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมราคาแพง เช่น สารตกตะกอน การเติมสารเคมี เครื่องผสมแบบแฟลช อ่างตกตะกอน และอ่างกรอง^{[ 32 ]} อย่างไรก็ตาม ต้นทุนในการเปลี่ยนอุปกรณ์ทุน (เช่น ไส้กรองเมมเบรน) อาจยังคงค่อนข้างสูง เนื่องจากอุปกรณ์อาจผลิตขึ้นเฉพาะสำหรับการใช้งานนั้นๆ การใช้หลักการออกแบบและหลักการออกแบบโรงงานทั่วไป (ที่กล่าวไว้ข้างต้น) สามารถเพิ่มอายุการใช้งานของเมมเบรนเพื่อลดต้นทุนเหล่านี้ได้

ผ่านการออกแบบระบบควบคุมกระบวนการอัจฉริยะมากขึ้นและการออกแบบโรงงานที่มีประสิทธิภาพ เคล็ดลับทั่วไปบางประการในการลดต้นทุนการดำเนินงานมีดังต่อไปนี้^{[ 33 ]}

• การเดินเครื่องโรงไฟฟ้าด้วยอัตราการไหลหรือแรงดันที่ลดลงในช่วงที่มีภาระงานต่ำ (ฤดูหนาว)
• การปิดระบบการทำงานของโรงงานชั่วคราวในช่วงสั้นๆ เมื่อสภาวะการป้อนวัตถุดิบมีความรุนแรง
• การปิดระบบชั่วคราวเป็นระยะเวลาสั้นๆ (ประมาณ 1 ชั่วโมง) ในช่วงน้ำหลากรอบแรกหลังฝนตก (ในงานบำบัดน้ำ) เพื่อลดต้นทุนการทำความสะอาดในระยะเริ่มต้น
• การใช้สารเคมีทำความสะอาดที่มีประสิทธิภาพคุ้มค่ากว่าในกรณีที่เหมาะสม (เช่น กรดซัลฟิวริกแทนกรดซิตริก/กรดฟอสฟอริก)
• การใช้ระบบควบคุมที่มีความยืดหยุ่น ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับเปลี่ยนตัวแปรและค่าที่ตั้งไว้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ด้านการประหยัดต้นทุนสูงสุด

ตารางที่ 1 (ด้านล่าง) แสดงแนวทางโดยประมาณของต้นทุนการลงทุนและต้นทุนการดำเนินงานของการกรองด้วยเมมเบรนต่อหน่วยการไหล

ตารางที่ 1 ต้นทุนโดยประมาณของการกรองเมมเบรนต่อหน่วยการไหล^{[ 34 ]}

บันทึก:

• ต้นทุนการลงทุนคำนวณจากดอลลาร์ต่อแกลลอนของกำลังการผลิตของโรงบำบัดน้ำเสีย
• อัตราการไหลตามการออกแบบวัดเป็นล้านแกลลอนต่อวัน
• เฉพาะค่าใช้จ่ายของเมมเบรนเท่านั้น (ไม่รวมอุปกรณ์ก่อนหรือหลังการบำบัดในตารางนี้)
• ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและค่าใช้จ่ายรายปี คำนวณจากจำนวนเงินดอลลาร์ต่อแกลลอนที่ผ่านการบำบัด 1,000 แกลลอน
• ราคาทั้งหมดเป็นสกุลเงินดอลลาร์สหรัฐฯ ณ ปี 2009 และไม่ได้ปรับตามอัตราเงินเฟ้อ

วัสดุที่ใช้ทำเยื่อกรองในระบบไมโครฟิลtration อาจเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ก็ได้ ขึ้นอยู่กับสารปนเปื้อนที่ต้องการกำจัด หรือลักษณะของการใช้งาน

• เมมเบรนอินทรีย์ทำขึ้นโดยใช้พอลิเมอร์หลากหลายชนิด ได้แก่เซลลูโลสอะซิเตต (CA) พอลิซัลโฟน พอลิไวนิลิดีนฟลูออไร ด์ พอลิอีเทอร์ซัลโฟนและพอลิอะไมด์ซึ่งมักใช้กันทั่วไปเนื่องจากมีความยืดหยุ่นและคุณสมบัติทางเคมี^{[ 4 ]}
• เมมเบรนอนินทรีย์มักประกอบด้วย โลหะ เผาผนึกหรืออลูมินา พรุน สามารถออกแบบเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ โดยมีขนาดรูพรุนเฉลี่ยและความสามารถในการซึมผ่านที่หลากหลาย^{[ 4 ​​]}

โครงสร้างเมมเบรนทั่วไปสำหรับการกรองระดับไมโคร ได้แก่

• ตัวกรองตะแกรง (อนุภาคและสารที่มีขนาดเท่ากันหรือใหญ่กว่ารูตะแกรงจะถูกกักไว้และสะสมอยู่บนพื้นผิวของตะแกรง)
• ตัวกรองแบบลึก (สสารและอนุภาคจะฝังตัวอยู่ภายในส่วนที่แคบและลึกของวัสดุกรอง พื้นผิวของตัวกรองจะกักเก็บอนุภาคขนาดใหญ่ ส่วนอนุภาคขนาดเล็กจะถูกดักจับไว้ในส่วนที่แคบและลึกกว่าของวัสดุกรอง)

แผ่นและกรอบ (แผ่นเรียบ)

โมดูลเมมเบรนสำหรับการกรองไมโครฟิลเทรชันแบบไหลปลายปิดส่วนใหญ่เป็นแบบแผ่นและเฟรม โดยมีแผ่นคอมโพสิตแบบแบนและบางซึ่งแผ่นนั้นไม่สมมาตร ผิวเลือกบางๆ จะอยู่บนชั้นที่หนากว่าซึ่งมีรูพรุนขนาดใหญ่กว่า ระบบเหล่านี้มีขนาดกะทัดรัดและมีโครงสร้างที่แข็งแรง เมื่อเทียบกับการกรองแบบไหลข้ามแล้ว แบบแผ่นและเฟรมมีค่าใช้จ่ายในการลงทุนที่ลดลง อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานจะสูงกว่า การใช้งานโมดูลแบบแผ่นและเฟรมเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานขนาดเล็กและเรียบง่าย (ห้องปฏิบัติการ) ซึ่งกรองสารละลายเจือจาง^{[ 35 ]}

ม้วนเกลียว

การออกแบบเฉพาะนี้ใช้สำหรับการกรองแบบไหลข้าม การออกแบบนี้เกี่ยวข้องกับ เมมเบรน แบบจีบซึ่งพับรอบ แกนเพอร์มีเอ ตที่มีรูพรุนคล้ายกับเกลียว ซึ่งมักจะวางไว้ภายในภาชนะรับแรงดัน การออกแบบเฉพาะนี้เป็นที่นิยมเมื่อสารละลายที่จัดการมีความเข้มข้นสูง และในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและค่า pH สุดขั้ว การกำหนดค่าเฉพาะนี้โดยทั่วไปใช้ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ของการกรองระดับไมโคร^{[ 35 ]}

เส้นใยกลวง

การออกแบบนี้เกี่ยวข้องกับการรวม เมมเบรนใยกลวงหลายร้อยถึงหลายพันชิ้นไว้ในตัวกรองแบบท่อ น้ำป้อนจะถูกส่งเข้าไปในโมดูลเมมเบรน น้ำจะไหลผ่านจากพื้นผิวด้านนอกของใยกลวง และน้ำที่ผ่านการกรองจะไหลออกทางตรงกลางของใย ด้วยอัตราการไหลที่มากกว่า 75 แกลลอนต่อตารางฟุตต่อวัน การออกแบบนี้สามารถนำไปใช้กับโรงงานขนาดใหญ่ได้^{[ 36 ]}

เนื่องจากการแยกเกิดขึ้นโดยการร่อน กลไกหลักของการถ่ายโอนสำหรับการกรองระดับไมโครผ่านเยื่อพรุนขนาดเล็กคือการไหลแบบกลุ่ม^{[ 37 ]}

โดยทั่วไป เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนมีขนาดเล็ก การไหลภายในกระบวนการจึงเป็นแบบราบเรียบ ( เลขเรย์โนลด์ < 2100) ดังนั้นจึงสามารถกำหนดความเร็วการไหลของของเหลวที่เคลื่อนที่ผ่านรูพรุนได้ (โดยใช้ สมการของ Hagen-Poiseuille ) ซึ่งสมการที่ง่ายที่สุดนั้นสมมติว่าโปรไฟล์ความเร็วเป็น รูปพาราโบลา

${\displaystyle v={\frac {D^{2}*\เดลต้า P}{32*\mu *L}}}$

ความดันข้ามเยื่อ (TMP) ^{[ 38 ]}

ความดันข้ามเยื่อ (TMP) ถูกกำหนดให้เป็นค่าเฉลี่ยของความดันที่ใช้จากด้านป้อนไปยังด้านเข้มข้นของเยื่อกรอง ลบด้วยความดันของสารที่ผ่านเยื่อกรอง ค่านี้ใช้เป็นหลักในการกรองแบบปิดปลาย และเป็นตัวบ่งชี้ว่าระบบมีการอุดตันมากพอที่จะต้องเปลี่ยนเยื่อกรองหรือไม่

${\displaystyle v={\frac {P_{F}+P_{C}}{2}}-P_{P}}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle P_{f}}$แรงดันด้านป้อนคือแรงดันด้านป้อน
• ${\displaystyle P_{c}}$คือความดันของสารเข้มข้น
• ${\displaystyle P_{p}}$คือความดันของสารที่ซึมผ่าน

ฟลักซ์การซึมผ่าน^{[ 39 ]}

อัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อกรองระดับไมโครฟิลเทรชันนั้น คำนวณได้จากความสัมพันธ์ต่อไปนี้ โดยอิงตามกฎของดาร์ซี

${\displaystyle J_{v}={\frac {1}{A_{M}}}*{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu *(R_{u}+R_{c})}}}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle R_{u}}$= ความต้านทานการไหลของเยื่อซึมผ่าน ( )${\displaystyle m-1}$
• ${\displaystyle R_{c}}$= ความต้านทานของเค้กซึมผ่าน ( )${\displaystyle m-1}$
• μ = ความหนืดของสารที่ซึมผ่าน (กก. ม.⁻¹ วินาที⁻¹)
• ∆P = ความแตกต่างของความดันระหว่างเค้กและเมมเบรน

ค่าความต้านทานของเค้กคำนวณได้จากสูตร:

${\displaystyle R_{c}=r*{\frac {V_{S}}{A_{m}}}}$

ที่ไหน

• r = ความต้านทานจำเพาะของเค้ก (m-2)
• Vs = ปริมาตรของเค้ก (m³)
• AM = พื้นที่ของเยื่อหุ้มเซลล์ (ตร.ม.)

สำหรับอนุภาคขนาดไมครอน ความต้านทานเค้กจำเพาะโดยประมาณคือ^{[ 40 ]}

${\displaystyle r={\frac {180*(1-\epsilon )}{\epsilon ^{3}*d_{s}^{2}}}}$

ที่ไหน

• ε = ความพรุนของเค้ก (ไม่มีหน่วย)
• d_s = เส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคเฉลี่ย (เมตร)

สมการการออกแบบที่เข้มงวด^{[ 41 ]}

เพื่อให้ได้ข้อมูลที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการกำหนดขอบเขตของการก่อตัวของเค้ก จึงได้มีการสร้างแบบจำลองเชิงปริมาณแบบหนึ่งมิติขึ้นเพื่อกำหนดปัจจัยต่างๆ เช่น

• การอุดตันสมบูรณ์ (รูพรุนที่มีรัศมีเริ่มต้นน้อยกว่ารัศมีของรูพรุน)
• การบล็อกมาตรฐาน
• การก่อตัวของชั้นย่อย
• การขึ้นรูปเค้ก

ดูลิงก์ภายนอกสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม

แม้ว่าผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของกระบวนการกรองด้วยเยื่อเมมเบรนจะแตกต่างกันไปตามการใช้งาน แต่โดยทั่วไปแล้ววิธีการประเมินที่ใช้กันคือการประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) ซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์ภาระด้านสิ่งแวดล้อมของกระบวนการกรองด้วยเยื่อเมมเบรนในทุกขั้นตอน และคำนึงถึงผลกระทบทุกประเภทต่อสิ่งแวดล้อม รวมถึงการปล่อยมลพิษสู่ดิน น้ำ และอากาศ

ในส่วนของกระบวนการไมโครฟิลเทรชัน มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมหลายประการที่ต้องพิจารณา ได้แก่ศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนศักยภาพในการก่อตัวของสาร ออก ซิแดนต์จากแสง ศักยภาพ ในการเกิด ภาวะยูโทรฟิเคชัน ศักยภาพในการเป็นพิษต่อมนุษย์ ศักยภาพในการเป็นพิษต่อระบบนิเวศน้ำจืดศักยภาพใน การเป็นพิษต่อระบบนิเวศ ทางทะเลและ ศักยภาพในการเป็นพิษต่อระบบนิเวศบน บกโดยทั่วไป ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นจากกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและแรงดันข้ามเยื่อสูงสุดเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์การทำงานอื่นๆ ยังคงเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณา ไม่สามารถให้ความเห็นเฉพาะเจาะจงเกี่ยวกับเงื่อนไขการทำงานใดที่จะก่อให้เกิดภาระต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุดได้ เนื่องจากแต่ละการใช้งานจะต้องมีการปรับให้เหมาะสมที่แตกต่างกัน^{[ 42 ]}

โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการกรองด้วยเมมเบรนถือเป็นกระบวนการที่มีความเสี่ยงค่อนข้างต่ำ กล่าวคือ โอกาสที่จะเกิดอันตรายร้ายแรงมีน้อย อย่างไรก็ตาม มีหลายแง่มุมที่ต้องคำนึงถึง กระบวนการกรองที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันทั้งหมด รวมถึงการกรองระดับไมโคร จำเป็นต้องใช้แรงดันในระดับหนึ่งกับกระแสของเหลวที่ป้อนเข้า รวมถึงข้อกังวลด้านไฟฟ้าด้วย ปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อความปลอดภัยนั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของกระบวนการ ตัวอย่างเช่น การแปรรูปผลิตภัณฑ์นมจะนำไปสู่การก่อตัวของแบคทีเรีย ซึ่งต้องควบคุมเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยและข้อบังคับ^{[ 43 ]}

การกรองระดับไมโครด้วยเมมเบรนนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับเทคนิคการกรองอื่นๆ ที่ใช้การกระจายขนาดรูพรุนเพื่อแยกอนุภาคออกจากกันทางกายภาพ มันคล้ายคลึงกับเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น การกรองระดับอัลตรา/นาโน และรีเวิร์สออสโมซิส อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวอยู่ที่ขนาดของอนุภาคที่ถูกกักไว้ และความดันออสโมติก ซึ่งหลักๆ แล้วได้อธิบายไว้โดยทั่วไปด้านล่างนี้:

เยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันมีขนาดรูพรุนตั้งแต่ 0.1 ไมโครเมตรถึง 0.01 ไมโครเมตร และสามารถดักจับโปรตีน เอนโดท็อกซิน ไวรัส และซิลิกาได้ การกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันมีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การบำบัดน้ำเสียไปจนถึงการใช้งานในอุตสาหกรรมยา

เยื่อกรองระดับนาโนมีรูพรุนขนาดตั้งแต่ 0.001 ไมโครเมตรถึง 0.01 ไมโครเมตร และสามารถกรองไอออนหลายประจุ สีย้อมสังเคราะห์ น้ำตาล และเกลือเฉพาะบางชนิดได้ เมื่อขนาดรูพรุนลดลงจากระดับไมโครฟิลเทรชัน (MF) ไปสู่ระดับนาโนฟิลเทรชัน (NF) ความต้องการแรงดันออสโมติกก็จะเพิ่มขึ้น

รีเวิร์สออสโมซิส (RO) เป็นกระบวนการแยกด้วยเยื่อกรองที่มีความละเอียดสูงที่สุด โดยมีขนาดรูพรุนตั้งแต่ 0.0001 ไมโครเมตร ถึง 0.001 ไมโครเมตร รีเวิร์สออสโมซิสสามารถกักเก็บโมเลกุลได้เกือบทั้งหมด ยกเว้นน้ำ และเนื่องจากขนาดของรูพรุน ความดันออสโมติกที่ต้องการจึงสูงกว่าการกรองระดับไมโครอย่างมาก ทั้งรีเวิร์สออสโมซิสและนาโนฟิลเทรชันนั้นแตกต่างจากไมโครฟิลเทรชันโดยพื้นฐาน เนื่องจากกระแสการไหลสวนทางกับความเข้มข้น เพราะระบบเหล่านั้นใช้ความดันเป็นตัวบังคับให้น้ำไหลจากความดันออสโมติกต่ำไปยังความดันออสโมติกสูง

ความก้าวหน้าล่าสุดในด้าน MF มุ่งเน้นไปที่กระบวนการผลิตสำหรับการสร้างเมมเบรนและสารเติมแต่งเพื่อส่งเสริมการจับตัวเป็นก้อนและลดการอุดตันของเมมเบรน เนื่องจาก MF, UF, NF และ RO มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด ความก้าวหน้าเหล่านี้จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับหลายกระบวนการ ไม่ใช่เฉพาะ MF เท่านั้น

การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการออกซิเดชันล่วงหน้าของ KMnO4 ที่เจือจางร่วมกับ FeCl3 _{สามารถส่งเสริม}การตกตะกอน ส่งผลให้การอุดตันลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการออกซิเดชันล่วงหน้าของ KMnO4 _แสดงให้เห็นผลที่ลดการอุดตันของเมมเบรนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้^{[ 44 ]}

งานวิจัยที่คล้ายกันได้ดำเนินการเกี่ยวกับการสร้างเมมเบรนนาโนไฟเบอร์โพลี(ไตรเมทิลีนเทเรฟทาเลต) (PTT) ที่มีอัตราการไหลสูง โดยมุ่งเน้นที่การเพิ่มปริมาณการไหล การบำบัดด้วยความร้อนและกระบวนการผลิตโครงสร้างภายในของเมมเบรนแบบพิเศษแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่บ่งชี้อัตราการปฏิเสธอนุภาค TiO2 99.6% _ภายใต้การไหลสูง ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าเทคโนโลยีนี้อาจนำไปใช้กับแอปพลิเคชันที่มีอยู่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพผ่านเมมเบรนที่มีอัตราการไหลสูง^{[ 45 ]}

• เทคโนโลยีเมมเบรน  – การขนส่งสารระหว่างสองส่วนโดยอาศัยเมมเบรนที่ยอมให้สารผ่านได้
• อัลตราฟิลเทรชัน  – การกรองโดยใช้แรงดันผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้
• นาโนฟิลเทรชัน  – วิธีการกรองที่ใช้รูพรุนขนาดนาโนเมตรในเยื่อชีวภาพ
• ระบบ รีเวิร์สออสโมซิส  – กระบวนการทำน้ำให้บริสุทธิ์
• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเมมเบรน  – เทคโนโลยีผสมผสานสำหรับการบำบัดน้ำเสีย

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับการกรองระดับไมโคร (Microfiltration )

• Polyakov, Yu, Maksimov, D, & Polyakov, V, 1998 'เกี่ยวกับการออกแบบไมโครฟิลเตอร์' พื้นฐานทางทฤษฎีของวิศวกรรมเคมี เล่มที่ 33 ฉบับที่ 1 ปี 1999 < http://web.njit.edu/~polyakov/docs/Microfiltration_TFCE_English.pdf >
• Layson A, 2003, Microfiltration – Current Know-how and Future Directions, IMSTEC, เข้าถึงเมื่อ 1 ตุลาคม 2013 https://web.archive.org/web/20131015111520/http://www.ceic.unsw.edu.au/centers/membrane/imstec03/content/papers/MFUF/imstec152.pdf > เว็บไซต์ภาควิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์