وضعیت و روند فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب: تجزیه و تحلیل ثبت اختراع

دسترسی جهانی به آب تمیز و فاضلاب به طور گسترده ای در زمینه اهداف توسعه پایدار اتخاذ شده توسط سازمان ملل مورد بحث قرار گرفته است. در این زمینه ، فناوری غشای به طور فزاینده ای با موفقیت بسیار خوبی در تصفیه فاضلاب استفاده شده است. با توجه به ارتباط اطلاعات ثبت اختراع برای درک وضعیت فعلی و روندهای آینده فناوری ها ، پرونده های ثبت اختراع در مورد فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب در دوره سال 2011 تا 2019 مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه شامل یک تجزیه و تحلیل جهانی ، با هدف تعیین عمومی ترین جنبه ها و یک تحلیل کیفی ، که شامل خواندن دقیق اسناد برای ارزیابی وضعیت ها و روندهای فناوری بود. از مجموع 7303 اسناد ثبت اختراع موجود در این موضوع ، 488 سند برای تجزیه و تحلیل کیفی انتخاب شدند. چین ، ژاپن و ایالات متحده نقش اصلی در توسعه این فناوری ها دارند. شرکت ها اکثریت قریب به اتفاق متقاضیان را تشکیل می دهند. تمرکز اختراعات معلوم شد: تجهیزات ، غشاها ، تجهیزات/فرآیندهای سفارشی برای فاضلاب های خاص ، کنترل و تمیز کردن رسوب ، ترکیبی از فناوری ها و پایداری. سرانجام ، پیشرفت در عملکرد عملیاتی تجهیزات جداسازی غشای و توسعه مواد غشایی با افزایش جریان آب و مقاومت در برابر رسوب ، عوامل اصلی برای گسترش کاربرد فناوری جداسازی غشای در تصفیه فاضلاب است.

کلید واژه ها:

1. معرفی

اهداف توسعه پایدار (SDGS) ، که به عنوان اهداف جهانی نیز شناخته می شود ، در سال 2015 توسط سازمان ملل متحد به عنوان یک فراخوان جهانی برای اقدام برای پایان دادن به فقر ، محافظت از سیاره و اطمینان از اینكه تا سال 2030 همه مردم از صلح و سعادت لذت می برند ، تصویب شد.]. هدف جهانی شماره ششم "آب تمیز و فاضلاب" است ، زیرا جوامع در سراسر جهان به دلیل افزایش تقاضا ، خشکسالی ، کاهش و آلودگی آبهای زیرزمینی و وابستگی به منابع واحد عرضه با چالش های آبرسانی روبرو شده اند. استفاده مجدد از فاضلاب صنعتی و شهرداری و بازیابی آلاینده های بالقوه مورد استفاده در فرآیندهای صنعتی برای رفع این چالش ها به ویژه در مناطق خشک یا نیمه خشک ، جایی که آب آشامیدنی و آبیاری باید با هزینه های بالا وارد شود ، به طور فزاینده ای بسیار مهم شده است [3]. پتانسیل آینده فاضلاب تصفیه شده پس از آن بسیار زیاد است ، و همچنین می توان با توجه به نگرانی روزافزون در مورد آلودگی منابع آب با ترکیبات سمی توجیه کرد [4]. نشان داده شده است که فن آوری های پیشرفته درمان قادر به حذف بسیاری از ترکیبات مضر بالقوه که به طور مؤثر توسط فرآیندهای درمانی معمولی حذف نشده اند [5].

فن آوری های مختلف درمانی پیشرفته برای برآورده کردن نیازهای فعلی و روندهای آینده در تصفیه فاضلاب توسعه یافته ، مورد آزمایش و استفاده قرار گرفته است. در این زمینه ، فناوری فیلتراسیون غشایی به طور فزاینده ای با موفقیت بزرگ استفاده شده است [6]. غشای موجود ، موجود ، امکان جداسازی ذرات بزرگتر مانند مواد جامد معلق به قسمتهای کوچکتر مانند عناصر یونی را فراهم می کند [7]. خواص غشایی ، از جمله اندازه منافذ ، خیس شدن ، بار سطح ، نفوذپذیری ، ضخامت و استحکام مکانیکی ، ممکن است با توجه به نوع و کاربرد غشایی متفاوت باشد [8]. استفاده از فناوری غشای در تصفیه فاضلاب در دو دهه گذشته به دلیل مزایای بسیاری که در مورد سایر فن آوری های تصفیه فاضلاب ارائه می دهد ، به میزان قابل توجهی افزایش یافته است [9]. برخی از مزایا عبارتند از: کاهش ردپای ، امکان استفاده از مواد شیمیایی کم یا بدون محیط زیست [10]. فرآیندهای جداسازی غشای می توانند به تنهایی یا در ارتباط با سایر فرآیندهای درمانی ، مانند پس از درمان ، بسته به ویژگی های فاضلاب تصفیه شده ، سرعت جریان و کیفیت نهایی مورد نظر استفاده شوند [11]. میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، نانوالتریاسیون و اسموز معکوس فرآیندهای غشایی هستند که بیشتر در تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرند و می توانند به عنوان پسوند فرآیندهای فیلتراسیون کلاسیک که در این دنباله استفاده می کنند ، با منافذ فزاینده کوچکتر درک شود [12]. غشاهای نزدیکتر مقاومت بیشتری در برابر انتقال انبوه ارائه می دهند و نیاز به کار در فشارهای بالاتر دارند [13]. علاوه بر این ، فرآیندهای دیگر با غشاها در تصفیه فاضلاب ، مانند بیوراکتورهای غشایی ، الکترودیالیز ، اسمز رو به جلو و تقطیر غشایی به دست آمده و به دنبال بهبود انتخاب ، مصرف انرژی ، مقاومت در برابر رسوب و هزینه سرمایه هستند [14].

اسناد ثبت اختراع ، اگرچه لزوماً مطابق با نوآوری های معرفی شده در بازار نیست ، اما در فرایند نوآوری نقش مهمی ایفا می کند ، و این امکان را برای شناسایی حوزه های فناوری که می تواند توسط اختراعات جدید و فن آوری های مربوطه پوشانده شود ، جستجو می کند ، اما در جستجوی شرکای بالقوه برای توسعه جدید استفناوری ها و نوآوری ها و حرکات سایر بازیگران علمی ، فناوری و بازار [15،16،17]. ارتباط اطلاعات فن آوری از تجزیه و تحلیل ثبت اختراعات به عنوان رشد سالانه در اسناد ثبت اختراع در جهان مشاهده می شود. این حق ثبت اختراعات تمام زمینه های فناوری را پوشش می دهد و می توان در دفاتر ملی یا بین المللی با رسانه های الکترونیکی دسترسی پیدا کرد ، که سیستم سازی آنها معیارهای عینی را برای انجام جستجو و جمع آوری داده ها ارائه می دهد [18]. تنها در سال 2020 ، 3. 3 میلیون حق ثبت اختراع در سراسر جهان ثبت شد. روند بلند مدت در برنامه های ثبت اختراع در سراسر جهان به سمت بالا است ، برنامه هایی که از حدود 1 میلیون در سال 1995 به حدود 2 میلیون در سال 2010 افزایش یافته و به 3 میلیون امتیاز در سال 2016 رسیده است [19]. اسناد ثبت اختراع نگاهی اجمالی به آینده ارائه می دهند ، زیرا آنها فن آوری های آینده را توصیف می کنند که هنوز ممکن است در بازار قرار بگیرند. برای نشان دادن ، می توان توجه داشت كه این شركت در حال حاضر مجموعه TM700D از غشاهای اسمز معكوس آب برك را تجاری می كند [20]: غشاهای کامپوزیت حاوی یک ماده پشتیبانی ، یک لایه پشتیبانی متخلخل که بر روی مواد پایه و یک لایه جداکننده عملکردی حاوی پلی آمید تشکیل شده است. با انجام یک جستجوی حق ثبت اختراع ، می توان دریافت که ویژگی های این غشای و روش تولید از نزدیک با برنامه ثبت اختراع JP2014233652 [21] ثبت شده توسط Toray در سال 2013 مطابقت دارد.

بسیاری از مقالات اطلاعات ارائه شده توسط اسناد ثبت اختراع را برای تأیید توسعه فن آوری های جدید تجزیه و تحلیل می کنند. مائو و همکاران.[22] تجزیه و تحلیل ثبت اختراع همراه با استخراج متن برای تجزیه و تحلیل کمی 11840 ثبت اختراع مربوط به تصفیه فاضلاب صنعتی در پایگاه داده شاخص نوآوری Derwent. این مطالعه نتیجه گرفت که جهت های امیدوارکننده تحقیق در آینده قابل پیش بینی شامل دستگاه هایی برای درمان های فیزیکی ، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته و سیستم های درمانی خودکار و صرفه جویی در انرژی است. سان و همکاران.[23] 35838 اختراع ثبت شده در مورد تصفیه شیمیایی فاضلاب را تجزیه و تحلیل کرد. در این مقاله مشاهده شده است که مسیر تکاملی این فناوری به طور کلی انتقال از درمان های شیمیایی همراه با فرآیند بیولوژیکی به درمان های الکتروشیمیایی و در نهایت به درمان های شیمیایی با فرآیند فیزیکی را نشان می دهد. حتی اگر این آثار مربوط به تصفیه فاضلاب باشد ، آنها روی فناوری غشایی تمرکز نمی کنند. علاوه بر این ، روشهای خودکار ، مانند استخراج متن ، فاقد بررسی های مهم در مورد هر سند هستند که به طور همیشگی منجر به تفسیر کم عمق تر از محتوای آنها می شود.

در زمینه فناوری غشایی برای تصفیه فاضلاب ، مقالات علمی بیشماری منتشر شده است. Ezugbe و Rathilal [9] مفاهیم کلی در مورد فن آوری های غشای گرایش در تصفیه فاضلاب ، از جمله میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، نانوالتر شدن ، اسمز معکوس ، الکترودیالیز ، اسمز رو به جلو و تقطیر غشاء را ارائه می دهند. به گفته نویسندگان ، رسوب و تقاضای انرژی زیاد همچنان موضوعات اساسی است که باید برطرف شوند. ژانگ و همکاران.[24] روشهای اصلاح غشاهای پلیمری را برای بهبود آبگریز ، ضد فولینگ و ضد محرک توصیف می کند. همانطور که در مقاله بیان شده است ، روش اصلاح غشاها با نانوذرات معدنی به دلیل عملکرد آسان و فرآیندهای تولید ، توجه زیادی را به خود جلب کرده است ، اما اشکالاتی را ارائه می دهد که باید برای گسترش کاربرد تجاری آن ، مانند از دست دادن چشمگیر شار نفوذ پذیر ، غلبه کند. و ماهیت غیر قابل بازیافت مواد غشایی. ژنگ و همکاران.[25] یک بررسی ملی از گیاهان غشایی و تولید کنندگان غشای را برای بررسی ویژگی های کاربردهای فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب صنعتی برای افزایش آبرسانی در چین انجام دهید. نتایج نشان داد که 6. 7 میلیون متر 3 از فاضلاب در روز با استفاده از فناوری غشایی تصفیه می شود. با توجه به استانداردهای انتشار فزاینده ای که با صنایع و کمبود منابع آب روبرو است ، انتظار می رود که بازار فناوری غشای در دهه های آینده برای مقابله با مشکلات آب در چین رشد کند. علیرغم تعداد زیادی از مطالعات که به مباحث مربوط به فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب می پردازند ، بررسی کاملی از فعالیت ثبت اختراع در این زمینه وجود ندارد. بنابراین هدف این مطالعه پر کردن این شکاف است. بنابراین ، با توجه به اهمیت روزافزون حفاظت از محیط زیست و ارتباط اطلاعات ثبت اختراع برای درک وضعیت فعلی و روندهای آینده فناوری ها ، این کار با هدف ارائه تحولات اصلی در مورد کاربرد فناوری غشای در تصفیه فاضلاب ، بر اساس اطلاعات موجود دراسناد ثبت اختراعاین اطلاعات تحت دو جنبه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت: یک تحلیل جهانی ، با هدف تعیین عمومی ترین جنبه ها و یک تحلیل کیفی ، که شامل خواندن دقیق اسناد بود. این مقاله برای ذینفعان مختلف (دانشگاهیان ، دولت ها ، مشاغل و جامعه) برای پیگیری توسعه فناوری در این زمینه مفید است.

2. روش شناسی برای جستجو و تجزیه و تحلیل اسناد ثبت اختراع

2. 1جستجوی اسناد ثبت اختراع

شاخص Derwent Innovations یک بانک اطلاعاتی تجاری است که بیش از 39 میلیون سند ثبت اختراع از 40 مقام صادر کننده ثبت اختراع در سراسر جهان در زمینه شیمی ، برق ، الکترونیک و مهندسی را در بر می گیرد. بنابراین ، از این پایگاه داده برای جستجوی حق ثبت اختراع استفاده شد. پس از انجام آزمایش های بازیابی متعدد و تحقیقات قبل از لیتر ، استراتژی های جستجوی سفارشی برای هر فرآیند جداسازی غشایی قابل استفاده برای تصفیه فاضلاب تهیه شده است: میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، اسموز معکوس ، بیوراکتور غشایی ، الکترودیالیز ، اسموز رو به جلو و تقطیر غشایی. جستجوی پیشرفته در وب سایت شاخص نوآوری Derwent با استفاده از کلمات کلیدی و طبقه بندی بین المللی ثبت اختراع (IPC) انجام شد (بازیابی بولی خاص در پیوست A نشان داده شده است). IPC سیستم طبقه بندی بین المللی است که توسط توافق نامه استراسبورگ (1971) ایجاد شده است که مناطق فناوری را در کلاس ها از A تا H تقسیم می کند. در هر کلاس ، زیر کلاس ها ، گروه ها و گروه های اصلی در یک سیستم سلسله مراتبی وجود دارد که دارای طبقه بندی برای محتویات فناوری استثبت اختراعاتجستجوی حق ثبت اختراع شامل اسنادی است که در دوره از سال 2011 تا 2019 در پایگاه داده فهرست بندی شده است. در مجموع 7303 برنامه ثبت اختراع یافت شد و به یک صفحه گسترده اکسل وارد شد. از آنجا که درخواست های ثبت اختراع اغلب در بیش از یک کشور ثبت می شود ، یک خانواده ثبت اختراع که دارای همان اولویت هستند ، تشکیل می شود ، لازم به ذکر است که در این کار ، حق ثبت اختراعات با همان اولویت فقط یک بار شمارش می شد.

2. 2تجزیه و تحلیل اسناد ثبت اختراع

اطلاعات بازیابی شده از اسناد ثبت اختراع موجود در جستجو تحت دو جنبه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت: یک تحلیل جهانی و یک تحلیل کیفی. تجزیه و تحلیل جهانی با هدف تعیین عمومی ترین جنبه ها ، مانند کشورهای مبدا و پروفایل متقاضیان انجام شد. از طرف دیگر ، تجزیه و تحلیل کیفی شامل خواندن دقیق اسناد بود. با توجه به تعداد زیادی از اسناد موجود در جستجو ، فقط برخی از آنها برای تجزیه و تحلیل کیفی انتخاب شدند. انتخاب اسناد برای تجزیه و تحلیل کیفی در نظر گرفته شده است که کشورهایی با بیشترین تعداد برنامه های اولویت دار و همچنین تعداد اسناد برای هر متقاضی برای هر یک از فرآیندهای جداسازی غشایی که برای تصفیه فاضلاب اعمال می شود ، مورد توجه قرار گرفت. علاوه بر این ، معیارهای انتخاب در نظر گرفته شده در صورت محافظت از اسناد در بیش از یک کشور. اگرچه چین حجم زیادی از پرونده های ثبت اختراع دارد ، اما بیشتر پرونده ها به طور انحصاری در چین ساخته می شوند. یک استثناء فرآیند تقطیر غشایی بود که برای آن همه اسناد خوانده می شد ، زیرا این یکی از کمترین اسناد ناشی از جستجو بود. مجموعه اسناد انتخاب شده برای تجزیه و تحلیل کیفی خوانده شده و طبقه بندی شده و اهداف و ویژگی های اصلی اختراعات را شناسایی کرده و آنها را به دسته های مختلف جدا می کند. بنابراین ، می توان وضعیت و روند تحولات فناوری را شناسایی کرد.

3. نتایج و بحث

3. 1تحلیل جهانی

جدول 1 تعداد اسناد ثبت اختراع موجود در جستجوی هر یک از فرآیندها ، تعداد کل اسناد بازیابی شده و کل پس از حذف اسناد مکرر را نشان می دهد. در مجموع 7303 سند مربوط به جداسازی غشایی برای تصفیه فاضلاب پس از حذف موارد مکرر انجام شد.

شکل 1 تکامل اسناد ثبت اختراع منتشر شده در این موضوع را در دوره 2011-2019 نشان می دهد. تعداد برنامه های ثبت اختراع منتشر شده هر سال از حداقل 436 (در سال 2011) تا حداکثر 1295 (در سال 2018) متغیر بود. ذکر این نکته حائز اهمیت است که تعداد اسناد منتشر شده در سال 2018 و 2019 دست کم گرفته شده است زیرا برنامه های ثبت اختراع دارای یک دوره محرمانه هستند ، که به طور کلی حدود 18 ماه از تاریخ تشکیل پرونده است و نمایه سازی آنها در پایگاه داده پس از انتشار آنها رخ می دهد. تعداد فزاینده ای از اسناد ثبت اختراع منتشر شده در چند سال گذشته نشان می دهد که تحقیقات و توسعه به صورت سیستماتیک انجام شده است و اهمیت جدایی غشای را برای تصفیه فاضلاب اثبات می کند.

براساس کشور یا سازمان اولویت ، چین با 5843 پرونده (حدود 80 ٪ از کل پرونده ها) متمایز است و پس از آن ژاپن با 458 پرونده ، همانطور که در شکل 2 ارائه شده است ، به ترتیب در مقام سوم و چهارم به ترتیب ،ایالات متحده با 376 پرونده و کره جنوبی با 270 پرونده. اسناد اولویت از این چهار کشور (چین ، ژاپن ، ایالات متحده و کره جنوبی) حدود 95 ٪ از کل را نشان می دهد. دفتر ثبت اختراعات اروپا با 74 پرونده در مکان پنجم قرار دارد. از طرف دیگر ، براساس گزارش WIPO از فعالیت ثبت اختراعات در سراسر جهان در سال 2020 [19] ، دفتر IP چین در مجموع 1. 5 میلیون درخواست ثبت اختراع و به دنبال آن ایالات متحده (USPTO ؛ 597،172) ، ژاپن (JPO ؛ 288،472) ، جمهوری کره (KIPO ؛ 226،759) و دفتر ثبت اختراع اروپا (EPO ؛ 180،346). با هم ، این پنج دفتر 85. 1 ٪ از کل جهان را به خود اختصاص داده اند. بنابراین ، در زمینه فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب ، به نظر می رسد که پرونده های ثبت اختراع در مقایسه با آمار جهانی ثبت اختراع ثبت اختراع از نظر جغرافیایی بیشتر در این کشورهای اصلی متمرکز شده اند.

با این حال ، مشخصات توزیع پرونده های ثبت اختراع توسط کشور مبدا به طور قابل توجهی تغییر می کند که تنها برنامه های ثبت اختراع که در چندین کشور یا سازمان ها مورد حمایت قرار گرفته اند ، در نظر گرفته می شود. در این حالت ، چین اهمیت خود را از دست می دهد ، زیرا اکثریت قریب به اتفاق برنامه های ثبت اختراع چینی به طور انحصاری در چین ارائه می شود. ارزیابی برنامه های ثبت اختراع ثبت شده در چندین کشور یا سازمان به عنوان یک شاخص بالقوه در مورد ارتباط و پوشش بین المللی موضوع در حال محافظت است.

منطقی است که فرض کنیم فناوری هایی که علاقه تجاری دارند در چندین کشور محافظت می شوند تا از کپی کردن اختراعات توسط رقبا جلوگیری کنند. بنابراین ، تجزیه و تحلیل این سپرده ها به ویژه جالب است ، زیرا از نظر توسعه فناوری جذاب تر هستند. شکل 3 توزیع پرونده های ثبت اختراع توسط کشور مبدا را با توجه به برنامه های ثبت اختراع ثبت شده در چندین کشور نشان می دهد. در مجموع 708 برنامه کاربردی تنها ، که مطابق با 9. 7 ٪ از برنامه های ثبت اختراع موجود در جستجو است ، در چندین کشور ثبت شد. با استفاده از این رویکرد ، پرونده های منشأ ایالات متحده حاکم است (228 سند ، 32 ٪ از کل) و پس از آن ژاپن (165 سند ، 23 ٪ از کل). چین در رده سوم قرار دارد ، زیرا 75 درخواست ثبت اختراع چینی در چندین دفتر ثبت اختراع ملی ثبت شد. بنابراین ، شایان ذکر است که ، از کل 5843 اسناد ثبت اختراع با منشأ چینی که در شکل 2 نشان داده شده است ، تنها 1. 3 ٪ از آنها در چندین کشور ثبت شده اند. شکل 3 همچنین نشان می دهد که تعداد قابل توجهی از درخواست های ثبت اختراع در ابتدا در دفتر ثبت اختراعات اروپا و در برخی از کشورهای اروپایی ، به ویژه در آلمان ، فرانسه و انگلستان ثبت شده است. علاوه بر این ، تقریباً 3 ٪ از برنامه های ثبت اختراع از استرالیا سرچشمه گرفته است.

شرکت ها مهمترین نوع متقاضی در دوره جستجو هستند که 6671 برنامه ثبت اختراع را تشکیل می دهند ، که 91. 3 ٪ از کل را نشان می دهد. در مجموع 632 درخواست حق ثبت اختراع توسط افراد ثبت شده است ، بدون ذکر نام یک شرکت. این نشان می دهد که علاقه تجاری زیادی به فناوری جداسازی غشای برای تصفیه فاضلاب وجود دارد.

شرکت های بزرگ به عنوان اصلی ترین توسعه دهندگان فناوری متمایز هستند ، همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود. نمودار در شکل 4 به طور انحصاری متقاضیانی را که برنامه های ثبت اختراع آنها در چندین کشور محافظت می شود ، در نظر می گیرد تا تحولات فناوری که دارای اهمیت بیشتری هستند و دامنه بین المللی استبشراین نمودار شامل متقاضیانی است که حداقل 10 درخواست ثبت اختراع در چندین کشور ارائه می دهند. همانطور که توسط پاویت [26] بیان شده است ، آمار ثبت اختراع در سطح بنگاه های انفرادی منعکس کننده حجم کل فعالیت های نوآورانه در این بنگاه ها است. بنابراین ، شناسایی متقاضیان اصلی در این بخش برای تعیین اینکه کدام شرکت ها تحقیق و توسعه را انجام می دهند مفید است و به دنبال محافظت از اختراعات خود هستند.

برخی از اطلاعات کلی در مورد هفت متقاضی اصلی به شرح زیر ارائه شده است. Kurita یک تأمین کننده چند ملیتی ژاپنی از مواد شیمیایی و تجهیزات برای تصفیه آب است.

Toray یک صنعت شیمیایی چند ملیتی است که مقر آن در ژاپن است و دارای چندین زمینه فعالیت از جمله تولید غشاهای اسمز معکوس است.

جنرال الکتریک (GE) یک شرکت مستقر در ایالات متحده است که در چندین زمینه فعالیت می کند ، مانند: فناوری های پزشکی ، انرژی ، هوانوردی و انرژی تجدید پذیر. GE دارای یک شرکت تابعه به نام GE Water and Proces Technologies بود که یک رهبر جهانی در زمینه سیستم ها و خدمات برای صنایع بود و راه حل های پیشرفته در آب و فاضلاب را ارائه می داد. این شرکت توسط شرکت فرانسوی Suez در سال 2017 به دست آمد. طبق تحلیل متقاضیان ثبت اختراع ، مالکیت حق ثبت اختراعات موجود با GE باقی مانده و به سوئز تغییر نکرده است.

BASF یک شرکت شیمیایی جهانی آلمان و یک رهبر جهانی در زمینه شیمیایی است. این شرکت در شش بخش سازماندهی شده است: شیمی ، مواد ، راه حل های صنعتی ، فن آوری های سطح ، تغذیه و راه حل های کشاورزی.

Veolia یک شرکت خدمات مدیریت آب ، زباله و انرژی فرانسه است. خدمات ارائه شده توسط این شرکت شامل تصفیه و استفاده مجدد از فاضلاب صنعتی است.

Nitto Denko یک شرکت ژاپنی است که به تولید محصولات مختلف مانند چسب ها برای بازارهای خودرو ، صنعتی ، ساخت و ساز ، مراقبت های بهداشتی ، متالورژی ، برقی و الکترونیکی اختصاص داده شده است. نمونه کارها این شرکت همچنین شامل تهیه غشاهای پلیمری برای اسمز معکوس ، نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون ، برای استفاده هایی از قبیل تصفیه آب و استفاده مجدد از فاضلاب است.

فن آوری های آب زیمنس در سال 2013 به دست آمد و نام خود را به فن آوری های آب Evoqua تغییر داد. این شرکت مستقر در ایالات متحده یک رهبر در محصولات تصفیه آب و فاضلاب ، سیستم ها و خدمات برای مشتریان صنعتی و شهرداری است.

3. 2روندهای فناوری

همانطور که در بخش 2 توضیح داده شد ، اسناد خوانده شده برای تجزیه و تحلیل کیفی انتخاب شدند زیرا آنها از متقاضیان اصلی هر یک از فرآیندهای جداسازی غشای اعمال شده برای تصفیه فاضلاب بودند. در کل ، 488 سند برای تولید پانورامای جهانی فناوری خوانده شده است. مشخص شد که ، اگرچه برای هر یک از فرآیندهای غشایی جستجو انجام شده است ، اما بخش مهمی از اسناد مربوط به بیش از یک فرآیند جداسازی غشای بود. به عنوان مثال ، اگر یک سند ثبت اختراع یک غشای را توصیف کند ، مخترعین اغلب ادعا می کنند که می تواند هم در نانوالتراسیون و هم برای معکوس اسمز استفاده شود ، فقط با تغییر اندازه منافذ آن. علاوه بر این ، برخی از اختراعات نیاز به ترکیبی از فرآیندهای جداسازی غشای متعدد ، مانند اسمز رو به جلو همراه با تقطیر غشایی دارند. بنابراین ، ارائه تجزیه و تحلیل کیفی از نظر نوع راه حل ارائه شده توسط اسناد مناسب تر و نه از نظر فرآیند جداسازی غشایی که به آن اشاره می شود ، مناسب تر در نظر گرفته شد. در طول خواندن اسناد ، دسته های زیر بسته به اهداف اصلی آنها به اختراعات اختصاص داده شده است:

تجهیزات؛ غشاء؛ تجهیزات سفارشی یا فرآیند برای فاضلاب های خاص ؛ کنترل و تمیز کردن رسوب ؛ ترکیبی از فناوری ها ؛ پایداری

در مباحث زیر ، تجزیه و تحلیل اسناد متعلق به هر یک از دسته ها ارائه شده است.

3. 2. 1. تجهیزات

اختراعاتی که روی تجهیزات متمرکز هستند ، معمولاً در بهبود عملکرد عملیاتی سیستم جدایی غشای انجام می شوند. برخی از متداول ترین اهداف اختراعات با افزایش شار نفوذ در غشاء مرتبط است [27] ، تسهیل شستشو و نگهداری تجهیزات [28] ، جلوگیری از نشت در سیستم آب بندی غشای [29] ، جلوگیری از رسوب [30]و افزایش دوام تجهیزات [31]. در حقیقت ، این نقاط نشان دهنده تنگناها در فرآیندهای جداسازی غشای است و برای گسترش کاربرد آنها در آب و تصفیه فاضلاب باید برطرف شود.

برای مثال، یکی از اختراعات، مهر و موم حلقه شعاعی را برای استفاده در سیستم های اسمز معکوس مارپیچی نشان می دهد [29]. مهر و موم دارای یک محیط داخلی/قطر است که برای قرار گرفتن در یک شیار در سطح بیرونی صفحه مهر و موم انتخاب شده است. دور/قطر بیرونی بزرگتر از قطر سطح داخلی یک محفظه استوانه ای که صفحه مهر و موم را دریافت می کند، انتخاب می شود. یک شکاف در امتداد شعاع یک حلقۀ یک سیستم فیلتراسیون قرار دارد. قطر داخلی و خارجی حلقه و عرض شکاف برای به دست آوردن تناسب محکم بین محیط بیرونی حلقه و سطح داخلی محفظه انتخاب می شوند. این ویژگی های سازنده باعث آب بندی موثر عنصر غشای مارپیچی، کاهش نشت و ایجاد پایداری مکانیکی می شود.

3. 2. 2. غشاء

تعداد زیادی از اسناد مورد مطالعه به غشاهای ساخته شده از مواد پلیمری اختصاص داده شده است که می توان به هزینه ارزان تر آنها نسبت به مواد معدنی نسبت داد. این مطابق با کارهای دیگری است که ذکر می کنند غشاهای مورد استفاده برای تصفیه فاضلاب معمولاً پلیمری هستند [8،13]. مواد پلیمری جدید در اسناد ثبت اختراع تجزیه و تحلیل شده توسعه یافته اند، مانند: یک غشای اولترافیلتراسیون ساخته شده از یک کوپلیمر که شامل یک بلوک پلی آریلن اتر و یک بلوک آبدوست-آب گریز حاوی یک بلوک پلی ایزوبوتن است [32]. و یک غشای میکروفیلتراسیون شامل یک لایه کاربردی از پلی آمید و یک پوشش که حاوی پلیمر ساخته شده از یک واحد تکرارکننده آمونیوم چهارتایی است که لایه عملکردی را می پوشاند [33].

علاوه بر این، تعداد قابل توجهی از اختراعات مربوط به غشاهای کامپوزیتی است که نشان دهنده علاقه به این نوع غشاها در بهینه سازی شار نفوذی است. اهمیت غشاهای کامپوزیت نیز توسط شواهدی در ادبیات تایید شده است [34،35].

از مطالعه اطلاعات ارائه شده توسط اسناد ثبت اختراع، اشاره می شود که برخی از خواصی که اغلب در مواد غشایی به دنبال آن هستند، پایداری شیمیایی و مکانیکی، افزایش جریان آب، مقاومت در برابر رسوب و انتخاب پذیری است. در واقع، بهبود این خواص برای گسترش کاربرد فرآیندهای جداسازی غشایی در تصفیه فاضلاب ضروری است.

غشاها ، همانطور که در اسناد ثبت اختراع توضیح داده شده است ، ممکن است برای بیش از یک فرآیند جدایی کاربرد داشته باشد. در حقیقت ، مهمترین تفاوت بین میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، اسمز معکوس و اسمز رو به جلو اندازه منافذ غشای است ، به طوری که می توان از همان ماده غشایی برای بیش از یک فرآیند استفاده کرد. با این حال ، تقطیر غشایی و الکترودیالیز ، به دلیل اصول کاری متفاوت ، به غشاهای مختلف با ویژگی های مختلف از سایر فرآیندها نیاز دارند. در مورد الکترودیالیز ، غشاهای مورد استفاده غشای تبادل یونی هستند. در تقطیر غشایی ، ماهیت آبگریز ماده از اهمیت بالایی برخوردار است به گونه ای که مایع وارد منافذ نشود.

3. 2. 3. تجهیزات یا فرآیند سفارشی

اسناد متعلق به این گروه ، تجهیزات سفارشی یا مراحل تصفیه را برای فاضلاب های خاص پیشنهاد می کند. بیشتر اسناد به طور خاص به تصفیه فاضلاب صنعتی هدایت می شوند. در چند اسناد ذکر شده است که فاضلاب تصفیه شده می تواند داخلی یا صنعتی باشد. با توجه به بخش هایی که فاضلاب صنعتی در آن تولید می شود ، می توان با تأکید بر نفت و گاز ، پالایشگاه ، پتروشیمی ، مواد شیمیایی ، الکترونیک ، مواد غذایی و آشامیدنی ، معدن و صنایع تنباکو ، انواع زیادی از صنایع را شناسایی کرد. به نظر می رسد که انتخاب مراحل تصفیه بستگی زیادی به ویژگی های فاضلاب برای تصفیه و همچنین سطح خلوص نهایی مورد نظر دارد. بسیاری از اسناد مورد تجزیه و تحلیل ، پیش درمانی را که باید قبل از مرحله جداسازی غشایی انجام شود ، فراهم می کند. برخی از متداول ترین پیش درمانی پیشنهادی عبارتند از: تنظیم pH [36] ، تبادل یونی [37] ، تصفیه و بارش [38]. مراحل حذف آلاینده خاص نیز می تواند نشان داده شود ، مانند حذف نیتروژن توسط بارش [38] و حذف گوگرد توسط جداسازی [39].

3. 2. 4. کنترل و تمیز کردن

وجود رسوب در غشای نامطلوب است ، زیرا باعث افت شار در نفوذ می شود و این به معنای کاهش عملکرد فرآیند است. بنابراین ، توسعه روش های عملیاتی و تمیز کردن که باعث کاهش رسوب غشایی می شود ، از اهمیت اساسی برای افزایش رقابت فناوری جداسازی غشایی برخوردار است. رسوب غشای یکی از اصلی ترین موضوعاتی است که در فرآیندهای جداسازی غشای حل می شود ، همانطور که قبلاً توسط نویسندگان دیگر نیز ذکر شد [40،41،42].

یکی از راهکارهای پیشنهادی در اختراعات برای کنترل رسوب ، استفاده از عوامل شیمیایی مانند انعقاد دهنده ها و پلیمرها برای مهار تشکیل سپرده ها بر روی غشای و/یا به عنوان ماده تمیز کننده است. نمونه هایی از عوامل تمیز کننده جدید که در حق ثبت اختراعات مورد بررسی قرار گرفته اند عبارتند از: ترکیبی از اسید تاننیک و یک ترکیب آلی با وزن مولکولی 60-500 حاوی یک گروه آمینه [43]. و یک تانن اصلاح شده به عنوان محصول واکنش مانیک از یک آمین ، یک آلدهید و تانن به دست آمده است [44].

استراتژی دیگر بهبود روشهای عملکرد فرآیندها است. با این منظور ، اختراعات ، توسعه یک پیکربندی خاص برای سیستم شستشوی غشای غشایی را فاش می کند [45] ، عملیاتی با کاهش شار نفوذ [46] و نصب دستگاه با حرکت نوسان کننده برای جابجایی ناپسند از غشای غوطه ور برایفرآیند بیوراکتور غشایی [47].

3. 2. 5. ترکیبی از فناوری ها

از ترکیبی از فناوری ها به منظور به دست آوردن راندمان بیشتر در حذف بارهای آلی برای بهینه سازی ردپای مورد نیاز کارخانه تصفیه خانه و کاهش هزینه های عملیاتی استفاده می شود. سایر انگیزه های مهم برای ترکیب فن آوری ها ، استانداردهای کیفیت فزاینده ای برای فاضلاب تصفیه شده و علاقه روزافزون به استفاده مجدد از آن است.

بسیاری از اختراعات درمان های بیولوژیکی را با فیلتراسیون غشایی مرتبط می کنند. به عنوان مثال ، یک راه حل برای تصفیه فاضلاب الکترونیکی صنعتی با از بین بردن مواد جامد معلق ، و به دنبال آن اسمز معکوس و یک درمان بیولوژیکی با کربن فعال ارائه شده است [48]. این فرایند علاوه بر کاهش کل کربن آلی آب بازیافت شده با استفاده از تجهیزات با نیازهای کم ردپای ، از بین بردن کارآمد مواد آلی با وزن کم مولکولی نیز برخوردار است. نمونه دیگر اختراع شامل ترکیبی از فناوری ها ، بیوراکتور غشایی است که برای تصفیه پساب از یک واحد شناور هوا حل شده پیکربندی شده است [49]. استفاده از سیستم شناور هوای محلول ، نیاز به هوادهی در بیوراکتور غشایی را که برای اکسیداسیون فاضلاب استفاده می شود ، و همچنین میزان مواد شیمیایی مورد استفاده در طول چرخه تمیز کردن غشای را کاهش می دهد و در نتیجه کاهش هزینه های عملیاتی را کاهش می دهد. علاوه بر این ، کاهش بار آلی منجر به رسوب غشایی کمتر می شود و به واحد تصفیه غشاء اجازه می دهد تا با سطح سطح پایین تر و سرعت جریان بالاتر کار کند.

3. 2. 6. پایداری

با توجه به اهمیت جستجوی تعادل بین در دسترس بودن منابع طبیعی و بهره برداری از آنها ، پایداری به جنبه ای فزاینده در طراحی سیستم های تصفیه فاضلاب تبدیل شده است. پتانسیل استفاده مجدد از آب تصفیه شده ، علاوه بر استفاده از انرژی های تجدید پذیر و استفاده مجدد از انرژی ، معیارهای مهمی است که باید در توسعه فن آوری های جدید مورد توجه قرار گیرد.

بسیاری از اختراعات ، بازیافت آب تصفیه شده را فراهم می کنند. به عنوان مثال ، یکی از آنها یک سیستم تصفیه فاضلاب را شامل می شود که شامل یک راکتور لیموترش ، یک میکروفیلتر و یک واحد غشای نانوفیلتراسیون است [50]. کنسانتره از واحد غشای نانوفیلتراسیون از طریق راکتور و میکروفیلتر به واحد نانوفیلتراسیون بازیافت می شود. این سیستم به عنوان یک کارخانه استفاده مجدد برای فاضلاب صنعتی ، مانند فاضلاب کک ، آبشارهای دفن زباله ، فاضلاب کارخانه نساجی یا آب نمک خدمت می کند. یکی دیگر از احتمال بازیافت آب در یک سیستم شامل یک واحد فیلتراسیون سریع ، اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس ارائه شده است ، که در آن کنسانتره از اسمز معکوس برای شستشوی مجدد واحد تصفیه سریع استفاده می شود [51].

به حداقل رساندن مصرف انرژی نیز یک مسئله مهم است ، به خصوص در فرآیندهای تقطیر غشایی که در آن باید فاضلاب گرم شود. استفاده از انرژی خورشیدی و بازیافت گرما متمرکز مهم تحقیق و نوآوری برای رسیدگی به این موضوع است [52،53].

در جدول 2 خلاصه ای از جمله متقاضیان اصلی و برخی از نمونه های اختراعات ارائه شده است.

4. نتیجه گیری

این مقاله به منظور کمک به درک وضعیت فعلی و شناسایی روندهای آینده برای این فناوری ، تجزیه و تحلیل ثبت اختراع از جداسازی غشای برای تصفیه فاضلاب را ارائه داده است. برخی از یافته های مهم عبارتند از:

تعداد فزاینده ای از اسناد ثبت اختراع طی یک دهه گذشته منتشر شده است ، که نشان می دهد تحقیقات به طور سیستماتیک انجام شده است و نشان دهنده ارتباط فناوری غشای در زمینه تصفیه فاضلاب است.

بیشتر برنامه های ثبت اختراع از چین سرچشمه گرفته است ، که حدود 80 ٪ از کل پرونده ها را در دوره 2011 تا 2019 به خود اختصاص می دهد. با این حال ، هنگامی که فقط درخواست های ثبت اختراع در چندین کشور در نظر گرفته می شود ، کشورهای با اولویت بالا متحد هستندایالات (32 ٪) و ژاپن (23 ٪) ؛

شرکت هایی مانند Kurita ، Toray ، General Electric ، Basf ، Veolia ، Nitto Denko و Evoqua ، اکثریت قریب به اتفاق متقاضیان ثبت اختراع در جداسازی غشایی را که برای تصفیه فاضلاب اعمال می شود ، تشکیل می دهند. این نشان می دهد که علاقه تجاری قابل توجهی در توسعه فن آوری های مرتبط وجود دارد.

خواندن دقیق اسناد ثبت اختراع منتخب منجر به طبقه بندی زیر تمرکز اختراعات شد: تجهیزات ، غشای ، تجهیزات/فرآیندهای سفارشی برای فاضلاب های خاص ، کنترل و تمیز کردن رسوب ، ترکیبی از فناوری ها و پایداری. پس از ارجاع متقابل تجزیه و تحلیل های فردی این دسته ها ، نتیجه گیری زیر را می توان برجسته کرد:

بهبود عملکرد عملیاتی سیستم جداسازی غشای یک عامل اصلی در استفاده از فناوری غشای برای تصفیه فاضلاب است.

توسعه مواد غشایی با افزایش جریان آب و مقاومت در برابر رسوب یک خط تحقیقاتی اساسی برای گسترش استفاده از فناوری غشای است.

راه حل هایی که بازیافت آب ، انرژی های تجدید پذیر و بازیابی گرما را هدف قرار می دهند ، امروزه از اهمیت بالایی برخوردار هستند و احتمالاً در آینده نزدیک گسترش می یابند. این به دلیل استانداردهای فزاینده انتشار دقیق و همچنین کمبود منابع جهانی آب و انرژی است.

آثار آینده ممکن است شامل مطالعات در مورد هوش رقابتی باشد: فناوری آینده نگر که می تواند محصولات تجاری فعلی را با حق ثبت اختراع قبلی که قبلاً اعطا شده بودند مطابقت دهد ، بنابراین ارزیابی می کند که شرکت ها فناوری های خود را تولید یا مجوز داده اند.

کمک های نویسنده

مفهوم سازی ، G. S. C. و A. M. D. S. A. ؛روش شناسی ، G. S. C. ، J. L. D. M. و A. M. D. S. A. ؛نرم افزار ، G. S. C. ؛اعتبار سنجی ، J. L. D. M. و A. M. D. S. A. ؛تجزیه و تحلیل رسمی ، G. S. C. ؛تحقیقات ، G. S. C. و A. M. D. S. A. ؛نوشتن - پیش نویس آماده سازی ، G. S. C. ؛نوشتن - بررسی و ویرایش ، J. L. D. M. و A. M. D. S. A. ؛تجسم ، G. S. C. ؛نظارت ، J. L. D. M. و A. M. D. S. A. ؛مدیریت پروژه ، G. S. C. همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و موافقت کرده اند.