เมมเบรนกรองนาโนทำได้ง่าย: วิธีการทำงาน ใช้งานที่ไหน และวิธีการเลือกเมมเบรนที่เหมาะสม

เมมเบรนกรองนาโนคืออะไร และเหมาะสมกับสเปกตรัมการกรองอย่างไร

เมมเบรนกรองนาโนมีตำแหน่งที่แม่นยำในลำดับชั้นการกรองเมมเบรนที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดัน ซึ่งอยู่ระหว่างการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน (UF) และรีเวิร์สออสโมซิส (RO) ในแง่ของขนาดรูพรุน ความดันในการทำงาน และปริมาณที่เก็บไว้กับการไหลผ่าน ขนาดรูพรุนที่ระบุอยู่ในช่วงประมาณ 0.5 ถึง 2 นาโนเมตร และทำงานที่ความดันทรานส์เมมเบรนที่ 3–20 บาร์ (45–300 psi) ซึ่งต่ำกว่าค่า 15–80 บาร์โดยทั่วไปที่จำเป็นสำหรับระบบ RO อย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้ทำให้การกรองนาโนเป็นทางเลือกที่ประหยัดพลังงานสูงแทน RO ในการใช้งานที่ไม่จำเป็นต้องแยกเกลือออกอย่างสมบูรณ์ แต่เป็นการคัดแยกไอออนและโมเลกุล

คุณลักษณะที่กำหนดของเมมเบรนนาโนฟิลเตรชันคือความสามารถในการแยกความแตกต่างระหว่างตัวถูกละลายตามทั้งขนาดและประจุ ต่างจากเมมเบรน RO ซึ่งปฏิเสธไอออนที่ละลายเกือบทั้งหมด เมมเบรน NF แสดงความสามารถในการเลือกไอออนไดวาเลนต์และไอออนหลายวาเลนต์ (แคลเซียม แมกนีเซียม ซัลเฟต โลหะหนัก) อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ปล่อยให้ไอออนโมโนวาเลนต์ส่วนสำคัญ (โซเดียม คลอไรด์ โพแทสเซียม) ทะลุผ่านได้ ความสามารถในการซึมผ่านแบบเลือกสรรนี้ไม่ได้เป็นเพียงฟังก์ชันของโครงสร้างรูพรุนขนาดนาโนเมตรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงประจุที่พื้นผิวของวัสดุเมมเบรนด้วย เมมเบรน NF ส่วนใหญ่มีประจุลบสุทธิที่ pH เป็นกลาง ซึ่งจะขับไล่ไอออนหลายวาเลนท์ที่มีประจุลบด้วยไฟฟ้าสถิต เช่น ซัลเฟต (SO₄²⁻) และฟอสเฟต (PO₄³⁻)

การรวมกันของการแยกขนาดและการยกเว้นของ Donnan (การปฏิเสธตามประจุ) ทำให้เมมเบรนนาโนฟิลเตรชันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น การทำให้น้ำอ่อนลง การกำจัดสี การกำจัดมลพิษระดับไมโคร ความเข้มข้นของกระแสนม และการนำสารประกอบที่มีคุณค่ากลับมาใช้ใหม่ในการผลิตยา ทั้งหมดนี้ใช้พลังงานที่ป้อนน้อยกว่ารีเวิร์สออสโมซิสอย่างมาก

อย่างไร เมมเบรนกรองนาโน งาน: อธิบายกลไกการแยก

การทำความเข้าใจกลไกการขนส่งผ่านเมมเบรน NF ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำนายประสิทธิภาพ การแก้ไขปัญหาการปฏิเสธ และการออกแบบระบบที่ทำให้บรรลุการแยกเป้าหมาย กลไกหลักสามประการควบคุมการเคลื่อนย้ายตัวถูกละลายผ่านเมมเบรนกรองนาโน

การยกเว้นขนาด (อุปสรรค Steric)

ขนาดรูพรุนทางกายภาพของเมมเบรน NF จำกัดการผ่านของโมเลกุลและไอออนไฮเดรตที่มีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนที่มีประสิทธิภาพ โมเลกุลอินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่าจุดตัดน้ำหนักโมเลกุล (กศน) ของเมมเบรน — โดยทั่วไปคือ 200–1,000 ดาลตันสำหรับเมมเบรน NF — จะถูกแยกออกจากการซึมผ่านของเมมเบรน นี่คือเหตุผลที่เมมเบรน NF มีประสิทธิภาพในการกำจัดอินทรียวัตถุธรรมชาติ (NOM) กรดฮิวมิก ยาฆ่าแมลง สารประกอบออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (PhAC) และสีย้อม ซึ่งทั้งหมดนี้มีน้ำหนักโมเลกุลในช่วง 200–2,000 Da ไอออนไฮเดรตที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น Na⁺ ​​และ Cl⁻ ซึ่งมีรัศมีไฮเดรตที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าขนาดรูพรุน จะทะลุผ่านได้อย่างอิสระ

Donnan Exclusion (แรงผลักไฟฟ้าสถิต)

เมมเบรน NF เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ผลิตจากวัสดุโพลีเอไมด์ฟิล์มบางคอมโพสิต (TFC) และมีประจุพื้นผิวสุทธิเป็นลบในช่วง pH ที่เป็นกลางถึงเป็นด่าง ประจุลบนี้สร้างศักย์ไฟฟ้าสถิตที่พื้นผิวเมมเบรน - ศักย์ดอนแนน - ซึ่งขับไล่ประจุลบหลายวาเลนต์อย่างรุนแรง เช่น ซัลเฟต (SO₄²⁻), ฟอสเฟต (PO₄³⁻) และสารหนู (AsO₄³⁻) การปฏิเสธแคตไอออนไดเวเลนต์ เช่น Ca²⁺ และ Mg²⁺ ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เนื่องจากความเป็นนิวตรอนของอิเล็กตรอนต้องการให้การผ่านเมมเบรนของพวกมันไปควบคู่กับแอนไอออนที่ถูกปฏิเสธ นี่คือกลไกหลักเบื้องหลังความสามารถในการทำให้น้ำอ่อนตัวของเมมเบรน NF: ไอออนความกระด้าง (Ca²⁺, Mg²⁺) จะถูกคัดแยกแบบเลือกที่ 85–98% ในขณะที่โซเดียมและคลอไรด์ไหลผ่านที่อัตราการปฏิเสธที่ต่ำกว่า 20–50% ซึ่งลดแรงดันออสโมติกและการใช้พลังงานเมื่อเทียบกับ RO

การยกเว้นอิเล็กทริก

กลไกประการที่สามที่ใช้งานง่ายน้อยกว่าคือการแยกอิเล็กทริก ซึ่งเกิดขึ้นจากความแตกต่างของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกระหว่างน้ำที่ถูกจำกัดอยู่ภายในรูพรุนขนาดนาโนเมตรและน้ำปริมาณมาก ไอออนจะต้องลอกเปลือกไฮเดรชั่นออกไปบางส่วนเพื่อเข้าไปในนาโนพอร์ ซึ่งไม่เอื้ออำนวยต่อพลังงาน ผลกระทบนี้เด่นชัดกว่าสำหรับไอออนหลายวาเลนท์ (ซึ่งมีเปลือกไฮเดรชั่นมากกว่า) และมีส่วนทำให้มีการปฏิเสธสปีชีส์ที่มีวาเลนต์ในระดับสูงเกินกว่าที่การแยกขนาดและผลกระทบของดอนแนนเพียงอย่างเดียวจะทำนายได้ ในทางปฏิบัติ การแยกออกของอิเล็กทริกมีความสำคัญที่เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนต่ำกว่าประมาณ 1 นาโนเมตร และเกี่ยวข้องมากที่สุดสำหรับเมมเบรน NF ที่แน่นซึ่งทำงานในน้ำป้อนที่มีไอออนิกต่ำ

NF กับ RO กับ UF: การเปรียบเทียบเชิงปฏิบัติสำหรับนักออกแบบระบบ

การเลือกระหว่างการกรองระดับนาโน การรีเวิร์สออสโมซิส และการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันจำเป็นต้องมีความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับสิ่งที่เทคโนโลยีเมมเบรนแต่ละชนิดสามารถบรรลุและไม่สามารถทำได้ นี่คือการเปรียบเทียบประสิทธิภาพหลักและพารามิเตอร์การทำงานแบบเคียงข้างกัน:

ในทางปฏิบัติ การตัดสินใจมักขึ้นอยู่กับเป้าหมายปริมาณของแข็งที่ละลายได้ทั้งหมด (TDS) และงบประมาณด้านพลังงาน หากเป้าหมายคือการลดความกระด้างและกำจัดสารอินทรีย์ปริมาณเล็กน้อยออกจากแหล่งน้ำในเขตเทศบาลหรือน้ำใต้ดินด้วย TDS 500–2,000 มก./ลิตร เมมเบรน NF จะให้ประสิทธิภาพที่ต้องการที่พลังงานต่ำกว่า RO 30–50% หากการใช้งานต้องการน้ำดื่มจากน้ำทะเล (TDS 35,000 มก./ลิตร) หรือการผลิตน้ำบริสุทธิ์พิเศษสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ RO เป็นเพียงตัวเลือกเมมเบรนเท่านั้น

วัสดุเมมเบรนและการกำหนดค่าโมดูลสำหรับระบบ NF

ประสิทธิภาพและความทนทานของระบบเมมเบรนกรองนาโนถูกกำหนดโดยพื้นฐานโดยวัสดุเมมเบรนและวิธีการบรรจุลงในโมดูล การตัดสินใจทั้งสองมีนัยสำคัญต่อความทนทานต่อการทำความสะอาด ความทนทานต่อสารเคมี ความคงตัวของฟลักซ์ และต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

โพลีเอไมด์คอมโพสิตฟิล์มบาง (TFC-PA)

โพลีเอไมด์ TFC เป็นวัสดุหลักสำหรับเมมเบรน NF เชิงพาณิชย์ ซึ่งใช้ในผลิตภัณฑ์จาก Dow Filmtec (ปัจจุบันคือ DuPont Water Solutions), Toray, Hydranautics และ Nitto เมมเบรนประกอบด้วยสามชั้น: ผ้ารองรับโพลีเอสเตอร์ (สำหรับความแข็งแรงเชิงกล), ชั้นโพลีซัลโฟนที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (สำหรับความเสถียรของมิติ) และฟิล์มบางโพลีเอไมด์อะโรมาติกเชื่อมขวาง (ความหนา 40–200 นาโนเมตร) ที่เกิดขึ้นจากโพลีเมอไรเซชันระหว่างผิว ชั้นโพลีเอไมด์แอคทีฟมีหน้าที่รับผิดชอบในการเลือกสรรและลักษณะฟลักซ์ เมมเบรน TFC-PA NF มอบประสิทธิภาพการคัดแยกที่ดีเยี่ยมและมีฟลักซ์สูง แต่มีความไวต่อคลอรีน แม้แต่คลอรีนอิสระ 0.1 ppm ก็สามารถย่อยสลายชั้นโพลีเอไมด์เมื่อเวลาผ่านไป โดยต้องกำจัดคลอรีนของน้ำป้อนด้วยโซเดียมไบซัลไฟต์ก่อนถึงระบบเมมเบรน

เซลลูโลสอะซิเตต (CA)

เมมเบรนเซลลูโลสอะซิเตต NF มีมาก่อนเทคโนโลยี TFC-PA และพบได้น้อยกว่าในการติดตั้งใหม่ มีประสิทธิภาพในการปฏิเสธปานกลาง และทนทานต่อคลอรีนได้มากกว่า (สูงถึง 1 ppm ต่อเนื่อง) ซึ่งช่วยให้การจัดการการฆ่าเชื้อในน้ำป้อนง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม เมมเบรน CA ไวต่อการไฮโดรไลซิสที่ pH สุดขีด (ทำงานได้ดีที่สุดระหว่าง pH 4-8) และการโจมตีของแบคทีเรียในระบบน้ำอุ่น ซึ่งจำกัดขอบเขตการใช้งานเมื่อเทียบกับ TFC-PA ยังคงใช้อยู่ในอุตสาหกรรมการทำให้น้ำอ่อนตัวลงและน้ำตาลใต้ดินบางประเภท โดยมีค่าความทนทานต่อคลอรีน

เมมเบรน NF เซรามิก

เมมเบรนกรองนาโนเซรามิกที่ใช้วัสดุ เช่น อลูมินา (Al₂O₃), ไททาเนีย (TiO₂) หรือเซอร์โคเนีย (ZrO₂) เป็นตัวแทนของตลาด NF ที่กำลังเติบโตสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่รุนแรง มีความทนทานต่อสารเคมีที่โดดเด่น (ทน pH 0–14 สารออกซิไดซ์แรง ตัวทำละลาย และอุณหภูมิสูงถึง 400°C) ความทนทานทางกล และอายุการใช้งานยาวนานมาก 10–20 ปี ข้อเสียเปรียบหลักคือต้นทุนเงินทุนที่สูงขึ้นอย่างมาก (5–10 เท่าของเมมเบรนโพลีเมอร์) และความหนาแน่นของการบรรจุต่อหน่วยปริมาตรลดลง เมมเบรน NF แบบเซรามิกได้รับความนิยมในการใช้งาน เช่น การทำตัวทำละลายให้แห้ง การบำบัดน้ำเสียจากสิ่งทอที่อุณหภูมิสูง และกระบวนการแปรรูปอาหารที่รุนแรงซึ่งเกี่ยวข้องกับวงจร CIP ที่เป็นกรด/กัดกร่อนซ้ำๆ

แผลเป็นเกลียวกับการกำหนดค่าโมดูลไฟเบอร์กลวง

เมมเบรน NF โพลีเมอร์ส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในโมดูลแผลเกลียว ซึ่งเป็นรูปแบบเดียวกับที่ใช้สำหรับ RO องค์ประกอบ NF ที่เป็นเกลียวประกอบด้วยแผ่นเมมเบรนที่พันรอบท่อรวบรวมเพอร์มิเอตตรงกลาง โดยมีตัวเว้นระยะป้อนและตัวเว้นระยะเพอมิเอตแยกชั้นต่างๆ ขนาดมาตรฐานคือเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5", 4" และ 8" x ยาว 40" โดยมีองค์ประกอบ 8" × 40" เป็นรูปแบบมาตรฐานสำหรับระบบ NF ของเทศบาลและอุตสาหกรรม โมดูลพันเกลียวมีความหนาแน่นในการอัดแน่นสูงมาก (โดยทั่วไปคือพื้นที่เมมเบรน 800–1,000 ตร.ม. ต่อปริมาตรโมดูล m³) และคุ้มค่าสำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่ โมดูล NF เส้นใยกลวงใช้ในการใช้งานเฉพาะที่ต้องการการไหลจากภายในสู่ภายนอกหรือความสามารถในการล้างย้อนกลับ เช่น ระบบบำบัดน้ำเบื้องต้นและระบบความเข้มข้นของนม แต่จะแพร่หลายน้อยกว่าแผลเกลียวสำหรับ NF หลัก

การใช้งานที่สำคัญของเมมเบรนกรองนาโนในอุตสาหกรรมต่างๆ

ความสามารถในการแยกแบบเลือกสรรของเมมเบรน NF ทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ต่อไปนี้เป็นขอบเขตการใช้งานที่สำคัญที่สุด พร้อมด้วยรายละเอียดเฉพาะเกี่ยวกับสิ่งที่ถูกแยกออกและประสิทธิภาพที่คาดหวัง

น้ำดื่มอ่อนตัวและกำจัดความกระด้าง

เมมเบรน NF เป็นเทคโนโลยีที่ประหยัดพลังงานมากที่สุดสำหรับการผลิตน้ำดื่มอ่อนตัวจากน้ำบาดาลหรือน้ำผิวดิน ระบบการทำให้อ่อนตัวของ NF ทั่วไปของเทศบาลสามารถปฏิเสธแคลเซียมและแมกนีเซียมได้ 85–98% ในขณะที่นำน้ำป้อนกลับคืนมา 75–85% ในรูปแบบเพอร์มีเอต (ส่วนที่เหลือจะถูกระบายความเข้มข้นออกหรือบำบัดเพิ่มเติม) โดยทั่วไป TDS ของเพอร์มิเอตจะลดลงจาก 500–800 มก./ลิตร เป็น 150–300 มก./ลิตร โดยมีความแข็งต่ำกว่า 2°dH ซึ่งอ่อนพอที่จะกำจัดตะกรันในระบบจำหน่ายและเครื่องใช้ในครัวเรือน โดยไม่มีเกลือและของเสียจากการฟื้นฟูที่เกี่ยวข้องกับการทำให้การแลกเปลี่ยนไอออนอ่อนลง โรงงานในฟลอริดา เนเธอร์แลนด์ และบางส่วนของจีนได้ดำเนินการระบบการทำให้อ่อนตัวของ NF ในระดับเทศบาลมานานกว่า 20 ปีพร้อมบันทึกความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยม

การกำจัดมลพิษขนาดเล็กและยาฆ่าแมลง

สารปนเปื้อนที่เกิดขึ้นใหม่ — รวมถึงยาฆ่าแมลง, สารกำจัดวัชพืช, สารประกอบออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (PhAC), สารขัดขวางต่อมไร้ท่อ และสารต่อและโพลีฟลูออโรอัลคิล (PFAS) — ถูกตรวจพบมากขึ้นในน้ำผิวดินและแหล่งน้ำใต้ดินที่ความเข้มข้นที่กระบวนการบำบัดแบบเดิมไม่สามารถลดให้ถึงขีดจำกัดด้านกฎระเบียบได้อย่างน่าเชื่อถือ เมมเบรน NF สามารถปฏิเสธสารมลพิษระดับไมโครส่วนใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่า 200 Da ได้มากกว่า 90% ทำให้เป็นหนึ่งในอุปสรรคที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับการปนเปื้อนเหล่านี้ สำหรับ PFAS โดยเฉพาะ เมมเบรน NF ที่มี MWCO ที่แน่นหนา (200–300 Da) ได้รับการปฏิเสธ PFOA และ PFOS ที่สูงกว่า 95% ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากข้อจำกัดด้านกฎระเบียบในสหภาพยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้ถูกเข้มงวดขึ้นถึงระดับต่ำกว่า 10 ppt

การกำจัดสีและ NOM ออกจากน้ำผิวดิน

กรดฮิวมิกและกรดฟุลวิค — องค์ประกอบหลักของอินทรียวัตถุธรรมชาติ (NOM) ที่ทำให้น้ำผิวดินมีสีน้ำตาลเหลือง — มีน้ำหนักโมเลกุลส่วนใหญ่ในช่วง 500–5,000 ดาต้า และถูกกักเก็บอย่างมีประสิทธิภาพโดยเยื่อหุ้ม NF สามารถปฏิเสธสีได้ 95–99% เป็นประจำ โดยให้สารเพอร์มิเอตที่มีการดูดกลืนแสง UV254 ต่ำกว่า 0.02 ซม.⁻¹ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับระบบสาธารณูปโภคด้านน้ำในสแกนดิเนเวีย แคนาดา และสหราชอาณาจักร ซึ่งน้ำผิวดินที่มีค่า NOM สูง และความขุ่นต่ำทำให้เกิดความท้าทายสำหรับการบำบัดด้วยการแข็งตัวแบบดั้งเดิม การกำจัด NOM ยังช่วยลดศักยภาพในการก่อตัวของผลพลอยได้จากการฆ่าเชื้อ (DBP) เนื่องจากสารฮิวมิกเป็นสารตั้งต้นสำหรับไตรฮาโลมีเทน (THM) และกรดฮาโลอะซิติก (HAA) ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำคลอรีน

อุตสาหกรรมนม: ความเข้มข้นของเวย์และนม

ในการแปรรูปผลิตภัณฑ์จากนม แผ่นกรองนาโนฟิลเตรชันถูกนำมาใช้เพื่อทำให้หางนมเข้มข้นและกำจัดแร่ธาตุไปพร้อมๆ กัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการแยกแร่ธาตุบางส่วนหรือ "นาโน" ในอุตสาหกรรม เวย์หวานจากการผลิตชีสประกอบด้วยแลคโตส เวย์โปรตีน และแร่ธาตุ เยื่อ NF ปฏิเสธแลคโตส (น้ำหนักโมเลกุล 342 ดา) และเวย์โปรตีนในอัตราที่สูงมาก ในขณะที่ส่งแร่ธาตุโมโนวาเลนต์ (NaCl) ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ส่งผลให้ปริมาณเถ้าของเวย์เข้มข้นลดลง 25–35% เมื่อเทียบกับการระเหยเพียงอย่างเดียว เวย์ที่มีความเข้มข้นของ NF นี้ใช้ในนมผงสำหรับทารก ผลิตภัณฑ์โภชนาการสำหรับการกีฬา และการประยุกต์ใช้อาหารเพื่อสุขภาพที่ต้องการปริมาณแร่ธาตุที่ได้รับการควบคุม NF ยังช่วยลดปริมาตรของเวย์ที่จะนำไปพ่นแห้ง ซึ่งประหยัดพลังงานได้มากเมื่อเทียบกับการระเหยของเวย์เจือจาง

การบำบัดน้ำเสียสิ่งทอและการนำสีย้อมกลับมาใช้ใหม่

น้ำเสียจากสิ่งทอเป็นหนึ่งในน้ำเสียทางอุตสาหกรรมที่ท้าทายที่สุด ซึ่งประกอบด้วยสีย้อมปฏิกิริยาที่มีน้ำหนักโมเลกุล 300–1,500 Da, เกลือ (NaCl, Na₂SO₄) ที่ความเข้มข้นสูง (50–200 กรัม/ลิตร) และสารประกอบสีย้อมไฮโดรไลซ์ เมมเบรน NF มีประสิทธิภาพสูงในการคัดแยกสีย้อม (โดยทั่วไป >98%) ในขณะที่ส่งเกลือโซเดียมคลอไรด์ส่วนสำคัญผ่าน ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า "การแยกเกลือ/สีย้อม" ซึ่งช่วยให้ทั้งน้ำและเกลือสามารถนำกลับมาใช้ใหม่เข้าสู่กระบวนการย้อมได้ วิธีนี้จะปิดวงจรน้ำและเกลือในโรงย้อม ช่วยลดการใช้น้ำจืดลง 50–80% และต้นทุนในการจัดหาเกลืออย่างมีนัยสำคัญ เมมเบรน NF ที่แน่นหนาซึ่งมี MWCO ประมาณ 300 Da เป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานสีย้อมปฏิกิริยา

การแปรรูปยาและเทคโนโลยีชีวภาพ

ในการผลิตยา เมมเบรนนาโนฟิลเตรชันใช้สำหรับความเข้มข้นและการกรองของ API (ส่วนผสมทางเภสัชกรรมที่ออกฤทธิ์) เปปไทด์ ยาปฏิชีวนะ และวิตามินในช่วงน้ำหนักโมเลกุล 200–2,000 Da ข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือความเข้มข้นของการระเหย ได้แก่ การประมวลผลอุณหภูมิแวดล้อม (ป้องกันการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนของ API ที่ไวต่อความร้อน) ไม่มีการเปลี่ยนเฟส (รักษาความสมบูรณ์ของสารละลายที่เป็นน้ำ) และความสามารถในการปรับขนาดที่ยอดเยี่ยม NF ยังใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนตัวทำละลาย (แทนที่ตัวทำละลายตัวหนึ่งด้วยตัวทำละลายตัวอื่นผ่านการกรองแบบไดฟิลเตรชัน) การกำจัดสิ่งเจือปน และกระบวนการบำบัดน้ำให้บริสุทธิ์ ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบสำหรับระบบเมมเบรนทางเภสัชกรรมประกอบด้วยการปฏิบัติตาม FDA 21 CFR ส่วนที่ 11 ในด้านความสมบูรณ์ของข้อมูล การรับรองวัสดุ USP Class VI สำหรับพื้นผิวสัมผัสผลิตภัณฑ์ และโปรโตคอลการทดสอบการทำความสะอาดและความสมบูรณ์ที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว

ข้อมูลจำเพาะหลักในการประเมินเมื่อเลือกเมมเบรนกรองนาโน

เมื่อระบุเมมเบรน NF สำหรับระบบใหม่หรือการเปลี่ยนเมมเบรนในการติดตั้งที่มีอยู่ พารามิเตอร์เหล่านี้เป็นพารามิเตอร์ทางเทคนิคที่กำหนดว่าเมมเบรนจะบรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพและมีอายุการใช้งานที่ยอมรับได้หรือไม่

• MWCO (การตัดน้ำหนักโมเลกุล): โดยทั่วไปจะกำหนดเป็นน้ำหนักโมเลกุลที่สามารถปฏิเสธ 90% ได้โดยใช้ตัวถูกละลายอ้างอิงที่เป็นกลาง สำหรับเมมเบรน NF จะมีค่าตั้งแต่ 200 ถึง 1,000 Da เลือก MWCO ที่เข้มงวดมากขึ้น (200–300 Da) สำหรับการกำจัดโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก (ยาฆ่าแมลง, PhACs, PFAS) MWCO ที่หลวมกว่า (500–1,000 Da) สำหรับการใช้งานที่ต้องการฟลักซ์ที่สูงขึ้นและความดันต่ำกว่า โดยที่โมเลกุลขนาดใหญ่เท่านั้นที่ต้องการการปฏิเสธ
• การปฏิเสธ MgSO₄: การทดสอบมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการจำแนกประเภทเมมเบรน NF ใช้ 2,000 ppm MgSO₄ ที่แรงดันทดสอบเฉพาะ (ปกติคือ 4.8 บาร์/70 psi) ค่าการปฏิเสธ 85–98% แสดงถึงลักษณะเมมเบรน NF ที่หลวมถึงแน่น ตัวเลขเดี่ยวนี้เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพ NF ที่อ้างอิงกันมากที่สุดในเอกสารข้อมูลซัพพลายเออร์ และช่วยให้สามารถเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์กับผลิตภัณฑ์ได้โดยตรง
• ฟลักซ์ซึมผ่าน (ลิตร/ตร.ม./ชม., LMH): ค่าฟลักซ์เมมเบรน NF โดยทั่วไปในสภาวะการทดสอบมาตรฐานอยู่ในช่วง 10 ถึง 30 LMH ฟลักซ์ที่สูงขึ้นหมายถึงพื้นที่เมมเบรนขนาดเล็กที่จำเป็นสำหรับเอาต์พุตที่กำหนด ซึ่งช่วยลดต้นทุนด้านเงินทุน อย่างไรก็ตาม ควรตั้งค่าฟลักซ์การทำงานอย่างระมัดระวัง (มักจะต่ำกว่าฟลักซ์พิกัดสูงสุด 20–40%) เพื่อจำกัดโพลาไรเซชันของความเข้มข้นและอัตราการเปรอะเปื้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับน้ำป้อนที่มีค่า NOM สูงหรือน้ำป้อนที่มีความแข็งสูง
• ช่วง pH ในการทำงาน: เมมเบรน NF โพลีเอไมด์ TFC ส่วนใหญ่มีค่า pH 2–11 ระหว่างการทำงาน และค่า pH 1–13 สำหรับรอบการทำความสะอาดระยะสั้น ยืนยันว่าค่า pH ของน้ำป้อนและการปรับ pH ใดๆ ในระหว่างการบำบัดล่วงหน้าอยู่ภายในช่วงการทำงานที่ระบุของผู้ผลิต และตรวจสอบความเข้ากันได้ของ pH ในการทำความสะอาดก่อนที่จะเลือกโปรโตคอลการทำความสะอาดกรดหรือด่างที่มีฤทธิ์รุนแรง
• ความทนทานต่อคลอรีนสูงสุด: เมมเบรน NF โพลีเอไมด์ TFC มีความทนทานต่อคลอรีนอิสระเป็นศูนย์ — คลอรีนอิสระใดๆ ในอาหารสัตว์จะต้องดับด้วยโซเดียมเมตาไบซัลไฟต์ (SMBS) ให้ต่ำกว่า 0.1 ppm หากไม่ทำเช่นนั้นจะส่งผลให้เกิดการเสื่อมสภาพออกซิเดชันของชั้นโพลีเอไมด์ที่ใช้งานอยู่อย่างถาวร ซึ่งแสดงให้เห็นเป็นการเพิ่มขึ้นอย่างมากของเส้นทางผ่านของเกลือและสูญเสียประสิทธิภาพการคัดแยก โพลีเอไมด์รุ่นใหม่ที่ทนทานต่อคลอรีนและเมมเบรนโพลีเมอร์ทางเลือก (PES, PVDF) บางชนิดมีความต้านทานที่ดีขึ้น แต่ต้องแลกกับประสิทธิภาพฟลักซ์หรือการปฏิเสธบางส่วน
• ช่วงอุณหภูมิและการแก้ไขฟลักซ์: ฟลักซ์เมมเบรน NF เพิ่มขึ้นประมาณ 3% ต่อ°C ที่เพิ่มขึ้นในอุณหภูมิป้อนเนื่องจากความหนืดของน้ำลดลง สภาวะการทดสอบมาตรฐานคือ 25°C และผู้ผลิตจะจัดเตรียมปัจจัยการแก้ไขอุณหภูมิ (TCF) ไว้สำหรับการปรับการวัดฟลักซ์ให้เป็นมาตรฐานในสภาวะมาตรฐาน การทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 15°C (โดยทั่วไปในการใช้งานน้ำบาดาลเย็น) ช่วยลดฟลักซ์ได้อย่างมาก และอาจต้องใช้องค์ประกอบเมมเบรนเพิ่มเติมหรือแรงดันการทำงานที่สูงขึ้นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการไหลของเพอมิเอต

การเปรอะเปื้อนในเมมเบรน NF: ประเภท สาเหตุ และการป้องกัน

การเปรอะเปื้อน — การสะสมและการสะสมของวัสดุบนหรือภายในเมมเบรน NF — เป็นความท้าทายหลักในการปฏิบัติงานในระบบกรองนาโน การเปรอะเปื้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้จะทำให้ฟลักซ์ลดลง ความดันของทรานส์เมมเบรนเพิ่มขึ้น การปฏิเสธลดลง และอายุการใช้งานของเมมเบรนสั้นลง การทำความเข้าใจกลไกการเปรอะเปื้อนถือเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกแนวทางการบำบัดเบื้องต้นและการทำความสะอาดที่เหมาะสม

การปรับขนาด (การเปรอะเปื้อนอนินทรีย์)

เนื่องจากน้ำมีความเข้มข้นในระบบ NF เกลือที่ละลายได้น้อย โดยเฉพาะแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) แคลเซียมซัลเฟต (CaSO₄) แบเรียมซัลเฟต (BaSO₄) และซิลิกา (SiO₂) อาจเกินขีดจำกัดความสามารถในการละลายและตกตะกอนบนพื้นผิวเมมเบรนตามขนาด การปรับขนาดแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นรูปแบบที่พบบ่อยที่สุด และควบคุมโดยการลด pH ของน้ำป้อนลงเหลือ 6.0–6.5 (การแปลง HCO₃⁻ เป็น CO₂) หรือโดยการจ่ายสารเคมีต้านตะกรัน (โพลีคาร์บอกซิเลทหรือสารยับยั้งที่ใช้ฟอสโฟเนตที่ 2–5 ppm) ซึ่งรบกวนการเกิดนิวเคลียสของผลึกและการเจริญเติบโต การคำนวณดัชนีความอิ่มตัวของ Langelier (LSI) และดัชนีความอิ่มตัวของ Stiff-Davis ควรทำสำหรับการออกแบบระบบ NF ทุกระบบเพื่อหาปริมาณความเสี่ยงในการขยายขนาดในสตรีมที่มีสมาธิ

การเปรอะเปื้อนแบบอินทรีย์

สารอินทรีย์ธรรมชาติ โปรตีน น้ำมัน และสารลดแรงตึงผิวสามารถดูดซับบนพื้นผิวเมมเบรนโพลีเอไมด์และสร้างชั้นเจลที่เพิ่มความต้านทานไฮดรอลิก การเปรอะเปื้อนแบบอินทรีย์เป็นปัญหาอย่างยิ่งในการใช้งาน NF ของน้ำผิวดินที่มีความเข้มข้นของ NOM สูง และในระบบ NF ของผลิตภัณฑ์นม การบำบัดเบื้องต้นด้วยการแข็งตัว/การจับตะกอน การดูดซับถ่านกัมมันต์แบบเม็ด (GAC) หรือการกรองล่วงหน้า UF ช่วยลดภาระการเปรอะเปื้อนอินทรีย์บนเมมเบรน NF ได้อย่างมาก การทำความสะอาดสารกัดกร่อนด้วย NaOH ที่ pH 11–12 (บวกสารลดแรงตึงผิวสำหรับการเปรอะเปื้อนในน้ำมัน) เป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานสำหรับการกำจัดคราบอินทรีย์ระหว่าง CIP

การปนเปื้อนทางชีวภาพ

การก่อตัวของไบโอฟิล์มบนเมมเบรน NF ซึ่งเกิดจากการยึดเกาะของแบคทีเรีย การเจริญเติบโต และการผลิตสารโพลีเมอร์นอกเซลล์ (EPS) เป็นหนึ่งในโหมดการเปรอะเปื้อนที่ยากที่สุดในการควบคุม เนื่องจากฟิล์มชีวะมีความทนทานต่อการทำความสะอาดด้วยสารเคมีโดยธรรมชาติ การปนเปื้อนทางชีวภาพจะช่วยลดฟลักซ์ เพิ่มแรงดันที่แตกต่างกันทั่วทั้งองค์ประกอบของเมมเบรน และในกรณีที่รุนแรงอาจทำให้เมมเบรนและวัสดุตัวเว้นระยะเสียหายได้ กลยุทธ์การควบคุมรวมถึงการรักษาคลอรีนอิสระในตัวป้อนจนถึงจุดกำจัดคลอรีน (เพื่อจำกัดการก่อตัวของฟิล์มชีวะในท่อบำบัดก่อน) การให้สารไบโอไซด์ที่ไม่ออกซิไดซ์แบบไม่เกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์ที่เข้ากันได้กับเมมเบรนเป็นระยะๆ (เช่น DBNPA, ไอโซไทอาโซโลน) และ CIP ปกติที่มีสารไบโอซิดัล การดูแลตัวกั้นฟีดให้สะอาดด้วยความเร็วการไหลข้ามที่เพียงพอและรอบการชะล้างไปข้างหน้าเป็นระยะๆ ยังช่วยลดอัตราการสะสมของคราบจุลินทรีย์อีกด้วย

การเปรอะเปื้อนคอลลอยด์และอนุภาค

อนุภาคคอลลอยด์ (แร่ธาตุจากดิน เหล็กไฮดรอกไซด์ ซิลิกาคอลลอยด์) และสารแขวนลอยในน้ำป้อนสามารถปิดกั้นช่องป้อนตัวเว้นระยะและสะสมบนพื้นผิวเมมเบรน ดัชนีความหนาแน่นของตะกอน (SDI) เป็นพารามิเตอร์คุณภาพน้ำป้อนมาตรฐานที่ใช้ในการทำนายความเสี่ยงต่อการเปรอะเปื้อนคอลลอยด์สำหรับระบบ NF ที่เป็นแผลเป็นก้นหอย โดยทั่วไปต้องใช้ SDI ที่ต่ำกว่า 3 โดยที่ต่ำกว่า 1 ควรใช้สำหรับระบบที่มีฟลักซ์สูง การบำบัดล่วงหน้าเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย SDI นั้นเกี่ยวข้องกับการกรองมัลติมีเดีย การกรองแบบคาร์ทริดจ์ (5–20 µm สัมบูรณ์) และในกรณีที่ท้าทาย การกรองล่วงหน้า UF เพื่อลด SDI ให้ต่ำกว่า 0.5 อย่างน่าเชื่อถือ

การออกแบบระบบ NF: การบำบัดเบื้องต้น การฟื้นฟู และการจัดการความเข้มข้น

เมมเบรนนาโนฟิลเตรชันเป็นเพียงองค์ประกอบเดียวของระบบ NF ที่สมบูรณ์ การเตรียมการบำบัดต้นน้ำและกลยุทธ์การจัดการแบบเข้มข้นปลายน้ำเป็นปัจจัยสำคัญที่เท่าเทียมกันในการกำหนดประสิทธิภาพของระบบ อายุการใช้งานของเมมเบรน และต้นทุนการดำเนินงานทั้งหมด

ข้อกำหนดก่อนการรักษา

อย่างน้อยที่สุด น้ำป้อน NF ควรผ่านการกรองแบบคาร์ทริดจ์ขนาด 5 µm ทันทีก่อนถึงปั๊มแรงดันสูง เพื่อปกป้องส่วนประกอบเมมเบรนและส่วนประกอบของปั๊มจากความเสียหายของอนุภาค สำหรับการป้อนน้ำผิวดิน การแข็งตัว การตกตะกอน และการกรองมัลติมีเดียเป็นขั้นตอนการบำบัดล่วงหน้ามาตรฐานเพื่อลดความขุ่นและการโหลด NOM สำหรับน้ำใต้ดินที่มีเหล็กหรือแมงกานีสสูง การออกซิเดชันและการกรองต้นน้ำของระบบ NF จะป้องกันไม่ให้โลหะเหล่านี้เปรอะเปื้อนพื้นผิวเมมเบรนในขณะที่ไฮดรอกไซด์ตกตะกอน การปรับ pH และการให้สารป้องกันตะกรันจะถูกใช้ก่อนเมมเบรน NF ตามผลการวิเคราะห์การปรับมาตราส่วน การขจัดคลอรีนด้วย SMBS เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเยื่อโพลีเอไมด์ TFC ที่ได้รับน้ำจากชุมชนที่มีคลอรีน

อัตราการกู้คืนระบบและผลกระทบ

การกู้คืนระบบ — สัดส่วนของน้ำป้อนที่ซึมผ่าน — เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญสำหรับระบบ NF การนำกลับมาใช้ใหม่ที่สูงขึ้นหมายถึงการสิ้นเปลืองน้ำน้อยลงในฐานะที่เป็นสมาธิ และลดการใช้พลังงานจำเพาะต่อลูกบาศก์เมตรของน้ำผลิตภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม การคืนสภาพที่สูงขึ้นยังหมายถึงปัจจัยที่มีความเข้มข้นสูงขึ้นในกระแสน้ำที่มีความเข้มข้น การเพิ่มขนาดและความเสี่ยงในการเปรอะเปื้อน การกู้คืนระบบ NF โดยทั่วไปคือ 75–85% สำหรับการใช้น้ำในชุมชน และ 50–70% สำหรับฟีดอุตสาหกรรมที่มีความท้าทายมากขึ้น การกำหนดค่าสเตจ (ช่องถังความดันสองหรือสามช่องต่ออนุกรมกันพร้อมการหมุนเวียน) ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มการฟื้นตัวสูงสุดในขณะที่จัดการโพลาไรเซชันของความเข้มข้นในองค์ประกอบเมมเบรนแต่ละตัว ควรใช้ซอฟต์แวร์การออกแบบระบบ (เช่น DuPont WAVE, Toray DS2 หรือ LG Chem RODESIGN) เพื่อสร้างแบบจำลองการกู้คืนและตรวจสอบการออกแบบเทียบกับดัชนีมาตราส่วนและขีดจำกัดฟลักซ์องค์ประกอบแต่ละรายการ

การกำจัดแบบเข้มข้นและการลดขนาดให้เหลือน้อยที่สุด

กระแสเข้มข้น (ปฏิเสธ) จากระบบ NF ประกอบด้วยสายพันธุ์ที่ถูกปฏิเสธทั้งหมดที่มีความเข้มข้นสูง — โดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 4–7 เท่าของความเข้มข้นของฟีดสำหรับระบบที่ทำงานที่การฟื้นตัว 75–85% การกำจัดสารเข้มข้นนี้เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโรงงาน NF ขนาดใหญ่ในเขตเทศบาล ตัวเลือกต่างๆ ได้แก่ การปล่อยลงสู่น้ำผิวดิน (ขึ้นอยู่กับใบอนุญาตตามกฎระเบียบสำหรับขีดจำกัดความกระด้าง ซัลเฟต และค่าการนำไฟฟ้า) ผสมกับระบบบำบัดน้ำเสียที่มีอิทธิพล การฉีดบ่อลึก บ่อระเหยในพื้นที่แห้งแล้ง หรือการบำบัดด้วยอุปกรณ์ปล่อยของเหลวเป็นศูนย์ (ZLD) เช่น เครื่องสร้างความเข้มข้นของน้ำเกลือและตัวตกผลึก สำหรับระบบ NF ทางอุตสาหกรรมที่ประมวลผลกระแสที่มีมูลค่าสูง สารเข้มข้นนั้นอาจเป็นผลิตภัณฑ์ — ตัวอย่างเช่น ในผลิตภัณฑ์นม NF โดยที่กระแสเวย์เข้มข้นเป็นผลลัพธ์ที่ต้องการ และเพอร์มีเอต (ที่มีเกลือเจือจาง) จะถูกระบายออกหรือนำกลับมาใช้ใหม่

แนวโน้มใหม่ในเทคโนโลยีเมมเบรนกรองนาโน

วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเมมเบรนกรองนาโนเป็นสาขาการวิจัยและการพาณิชย์เชิงรุก การพัฒนาหลายอย่างกำลังย้ายจากห้องปฏิบัติการไปสู่เชิงพาณิชย์ และจะกำหนดความสามารถของระบบ NF ในทศวรรษหน้า

• เยื่อ Aquaporin แบบชีวเลียนแบบ: โปรตีน Aquaporin ซึ่งเป็นช่องทางน้ำธรรมชาติที่พบในเยื่อหุ้มเซลล์ชีวภาพ ได้รับการรวมเข้ากับเมมเบรน NF และ RO แบบฟิล์มบางที่ประกอบขึ้นได้สำเร็จ เมมเบรน Aquaporin NF มีความสามารถในการซึมผ่านของน้ำได้สูงมาก (สูงกว่าโพลีเอไมด์ TFC ทั่วไป 2–5 เท่า) บวกกับการคัดแยกโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กได้ดีเยี่ยม อาจทำให้การทำงานของ NF ได้ที่แรงดันต่ำกว่ามาก (1–5 บาร์) และลดการใช้พลังงานลงอย่างมาก ขณะนี้เมมเบรน aquaporin NF เชิงพาณิชย์มีจำหน่ายแล้วที่ Aquaporin A/S และอยู่ในการทดลองนำร่องที่หน่วยงานสาธารณูปโภคหลายแห่ง
• กราฟีนออกไซด์ (GO) และเมมเบรนวัสดุ 2D: แผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ที่ประกอบเป็นโครงสร้างเมมเบรนแบบลามิเนตมีช่องระหว่างชั้นย่อยนาโนเมตรพร้อมความสามารถในการเลือกเฉพาะสำหรับการแยกไอออน เมมเบรน GO ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแยกแยะระหว่างไอออนที่มีประจุคล้ายกันโดยพิจารณาจากความแตกต่างของรัศมีไฮเดรต ซึ่งเป็นการเลือกปฏิบัติที่ไม่สามารถทำได้ด้วยโพลีเอไมด์ NF ทั่วไป ความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำยังคงเป็นความท้าทายสำหรับการค้า แต่ได้รับการแก้ไขผ่านวิธีการเชื่อมโยงข้ามทางเคมีและคอมโพสิตแบบผสม
• เมมเบรน NF โพลีเอไมด์ที่ทนต่อคลอรีน: การปรับเปลี่ยนเคมีโพลีเอไมด์ผ่านการรวมกลุ่มด้านข้างขนาดใหญ่ อนุพันธ์ของเอ็ม-ฟีนิลีนไดเอมีน หรือการปลูกถ่ายพื้นผิวของชั้นป้องกันกำลังสร้างเมมเบรน NF ที่มีประสิทธิภาพที่ยั่งยืนโดยมีคลอรีนอิสระ 0.5–2 ppm สิ่งนี้จะขจัดความจำเป็นในการบำบัดกำจัดคลอรีนล่วงหน้าในบางการใช้งาน ทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้นและลดต้นทุนสารเคมี
• การกรองนาโนช่วยด้วยไฟฟ้า (EANF): การใช้สนามไฟฟ้าขนาดเล็กผ่านเมมเบรน NF (การกรองด้วยไฟฟ้านาโน) ช่วยเพิ่มการปฏิเสธไอออนผ่านเอฟเฟกต์การย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้าเพิ่มเติม ช่วยให้สามารถเลือกไอออนแบบโมโนวาเลนต์/ไดวาเลนต์ที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มความดัน สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษสำหรับการใช้งาน เช่น การนำลิเธียมกลับมาใช้ใหม่จากน้ำเกลือ (โดยที่ Li⁺ เป็นที่ต้องการการซึมผ่านในขณะที่ Mg²⁺ ถูกปฏิเสธ) และการนำสารอาหารกลับคืนมาแบบเลือกสรรจากกระแสน้ำเสีย
• NF ที่ทนต่อตัวทำละลาย (SRNF / นาโนฟิลเทรชันของตัวทำละลายอินทรีย์, OSN): พื้นที่การใช้งานที่เติบโตอย่างรวดเร็วคือ NF ในระบบที่ไม่ใช่น้ำ (ตัวทำละลายอินทรีย์) สำหรับการสังเคราะห์ทางเภสัชกรรม การนำตัวเร่งปฏิกิริยากลับมาใช้ใหม่ และการประมวลผลปิโตรเคมี เมมเบรน NF ที่ทนต่อตัวทำละลายที่ใช้ PDMS เชื่อมขวาง โพลีอิไมด์ และวัสดุเซรามิกสามารถทำงานในคีโตน เอสเทอร์ แอลกอฮอล์ และอัลเคน ทำให้สามารถแยกสารโดยใช้เมมเบรนแทนการกลั่นที่ใช้พลังงานสูงในกระบวนการเคมีสีเขียว การยอมรับของตลาดกำลังเร่งตัวขึ้นเนื่องจากผู้ผลิตยาพยายามลดการสิ้นเปลืองตัวทำละลายและปฏิบัติตามตัวชี้วัดเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม