کاهش عملکرد ممبرنهای RO
عملکرد یک سیستم RO ،مخصوصاً نرخ شدت جریان آب تصفیه شده، مقدار دفع نمک و افت فشار، تابعی از لای گرفتگی، رسوب گرفتگی و تخریب ممبرین است. این مقاله شامل توضیح در مورد تأثیرات جزئی لای گرفتگی، رسوبگرفتگی و تخریب ممبرین بر روی شدت جریان عادی آب تولید شده، دفع نمک و افت فشار عادی میباشد
الف) میزان جریان پرمیت (Flow Permeate Normalized )
دبی پرمیت (NPF ) تابعی از فشار متوسط اعمال شده بر روی غشای تراوا، فشارھای اسمزی خوراک و آب تصفیه شده، و دما میباشد. عواملی که باعث افزایش و یا کاھش NPF میشوند، در متن زیر مورد بررسی قرار گرفته اند.
- کاهش میزان جریان پرمیت(Loss of Normalized Permeate Flow)
لای گرفتگی و رسوب گرفتگی ممبرین میتواند موجب کاھش میزان جریان پرمیت شود. علاوه بر این، فشرده شدن ممبرین نیز باعث کاھش شدت جریان آب تصفیه شده می شود. عوامل زیر باعث کاهش دبی پرمیت میشوند:
فولینگ ممبرن (Membrane Fouling): ته نشین شدن مواد جامد معلق، مانند باکتریها، بر روی ممبرین یا اجزای درون مدول غشائی، موجب لای گرفتگی ممبرین میشود. این رسوبات، لایه ای را بر روی سطح غشاء تشکیل می دهند که مانعی در برابر جاری شدن آب به قسمت مربوط به آب تصفیه در ممبرین میگردد. از اینرو، اگر فشار خوراک ثابت باشد، شدت جریان آب پرمیت کاهش پیدا میکند. معمولاً، اپراتورها بر روی شدت جریان آب تولیدی تمرکز میکنند و متغیرهای عملیاتی را تنظیم میکنند تا شدت جریان آب تصفیه شده لازم را تحویل دهند. بنابراین، اگر شدت جریان آب تصفیه شده به علت لای گرفتگی کاهش یابد، معمولاً فشار عملیاتی را زیاد میکنند تا بر این مانع اضافه شده در برابر انتقال و ثابت ماندن شدت جریان مشاهده شده آب تولیدی، غلبه کنند.
رسوب گرفتگی ممبرن(Membrane Scaling) : ته نشین شدن نمکھای اشباع شده بر روی سطح ممبرین، معمولاً در مراحل اتتهایی سیستم RO ، باعث رسوب گرفتگی ممبرین می شود. این رسوبات، لایه ای را بر روی سطح غشاء تشکیل میدهند که مانعی در برابر جاری شدن آب به قسمت مربوط به آب تصفیه در ممبرین هستند، مشابه با مطلبی که در متن فوق در مورد جرم و لای بیان گردید معمولاً، فشار عملیاتی زیاد میشود تا کاھش شدت جریان مشاهده شده آب تولیدی، به دلیل رسوب گرفتگی، تنظیم گردد. بنابراین نیاز به افزایش فشار عملیاتی به جهت ثابت نگه داشتن شدت جریان آب تولیدی، نشان دهنده رسوب گرفتگی ممبرینها میباشد.
فشرده شدن ممبرین (Membrane Compaction): فشرده شدن خود ممبرین، که در اصل، ممبرین را “متراکمتر” یا ضخیم تر میکند و شدت جریان و عبور نمک از میان آنرا کاهش میدهد، موجب فشردگی (compaction )ممبرین میگردد. فشردگی میتواند تحت فشار بالاتر خوراک، درجه حرارت بالا، و ضربه آب رخ دهد (ضربه آب زمانی رخ میدهد که پمپ فشار قوی خوراک شروع به کار کند و مقداری هوا در مدولھای غشائی بهدام افتاده باشد). بیشتر ممبرین های آب لب شور، هنگامی که به درستی مورد بهره برداری قرار میگیرند، درجه پایینی از فشردگی را تجربه میکنند. به هر حال، ممبرینھای آب دریا و ممبرین های استات سلولز در فشارهای بیشتر از تقریباً psi 500 ،میتوانند فشردگی قابل ملاحظه ای را تجربه کنند. فشردگی موجب کاھش NPF می شود.
ب) افزایش شدت جریان عادی آب تصفیه شده (Increase In Normalized Permeate Flow)
افزایش شدت جریان عادی آب تصفیه شده، معمولاً به دلیل وجود نشت، که ناشی از وجود ترک در خود ممبرین و یا مشکلات موجود در سخت افزار مدول غشائی میباشد، و یا قرار گرفتن در معرض اکسیدکنندهھایی ھمچون کلر، اتفاق می افتد.
- خراب شدن ممبرن (Membrane Degradation)
اافت سلامت پلیمر ممبرین، باعث خراب شدن غشاء میشود. این امر میتواند در اثر اکسیداسیون ممبرین، در جاییکه اکسیدکننده ها به غشاء حمله میکنند و باعث عوض شدن حلقه و تقسیم زنجیره آروماتیکی میشوند، رخ دهد. در این حالت، آب خوراک اجازه وارد شدن به آب تصفیه شده را پیدا میکند و در نتیجه شدت جریان آب تصفیه شده زیاد، و کیفیت محصول کم میشود. پدیده تخریب در اثر اکسیداسیون معمولاً در ممبرینھای جلویی اتفاق میافتد، چون این ممبرین ها زودتر در معرض اکسیدکننده قرار میگیرند و در بسیاری از موارد، قبل از آنکه اکسیدکننده بتواند به ممبرینھای بعدی برسد، مقدار آن کاھش می یابد. اکسیدکنندهھای متداول عبارتند از کلر آزاد (و دیگر ھالوژنھا)، دی اکسید کلر، ازن، پراکسید ھیدروژن، و غیره. ممبرین ها همچنین میتوانند در مواجه با آھن، منگنز و دیگر فلزات نیز اکسید شوند. این فلزات عمل اکسیداسیون ممبرینھای RO را سرعت میبخشند. این نوع از اکسیداسیون به جای تمرکز بر روی ممبرینھای جلویی، تمام مسیرRO را درگیر میکنند. بار دیگر، وقتی این نوع از اکسیداسیون اتفاق میافتد، آب خوراک وارد آب تصفیه شده میشود، در نتیجه شدت جریان آب تصفیه شده زیاد، و کیفیت تولید کم میشود. قرار گرفتن در معرض درجه حرارت بالا و pH زیاد میتواند موجب هیدرولیز شدن ممبرینها شود، در نتیجه سلامت ممبرین از بین میرود. هیدرولیز نیز به جای تمرکز بر روی فقط ممبرینھای جلویی، تمام مسیر RO را درگیر میکند. مانند حالت اکسیداسیون ممبرین، آب خوراک وارد آب تصفیه شده میشود، در نتیجه شدت جریان آب تصفیه شده زیاد، و کیفیت تولید کم میشود. تخریب ممبرین میتواند در اثر یک پدیده فیزیکی نیز رخ دهد. ذرات، مانند دانه های ریز کربن فعال، میتوانند سطح غشاء را دچار سائیدگی کرده و باعث پارگی های میکروسکوپی در سطح جنس غشاء شوند، که از طریق آنها آب خوراک میتواند در ممبرین رسوخ کرده و شدت جریان آب تصفیه شده را زیاد کند. ھمچنین، فشار معکوس بیش از حد آب تصفیه شده میتواند موجب پاره شدن خطوط چسبکاری، که ورقهھای غشاء را در کنار ھم نگه میدارند، شود و بار دیگر باعث پارگی و ورود آب خوراک به آب تصفیه شده، و نیز افزایش شدت جریان آب تولیدی گردد.
- مسائل مربوط به سخت افزار (Hardware Issues)
شکافھای موجود در سخت افزار به آب خوراک اجازه ورود به آب تصفیه شده را میدهند. مشکلات متعارف عبارتند از نشتی واشرها و نشت لوله های مربوط به آب تصفیه شده در مدول، که ھر کدام از آنھا میتوانند در حین عملیات نصب دچار آسیب شده باشند. لولهھای مربوط به آب تصفیه شده میتوانند تحت شرایط افت فشار زیاد به علت لای گرفتگی یا رسوب گرفتگی شدید نیز دچار خرابی شوند. ضربه آب نیز میتواند به لوله آب تصفیه شده صدمه بزند.
پ) مقدار دفع نمک (Normalized Salt Rejection)
مقدار دفع نمک، تابعی از نیروی محرکه ناشی از غلظت در میان ممبرین میباشد در زیر، عواملی که باعث کاھش یا افزایش مقدار دفع نمک میشوند، مورد بحث قرار گرفته اند.
- کاهش مقدار دفع نمک (Loss of Salt Rejection)
رسوب گرفتگی و تخریب ممبرین میتواند موجب کاھش مقدار دفع عادی نمک شود، چون میتواند شکافهایی در واشرها و لوله مربوط به آب تصفیه شده ایجاد نماید:
رسوب گرفتگی ممبرن (Membrane Scaling) : ته نشین شدن نمکهای اشباع بر روی سطح ممبرین یا اجزای داخل مدول غشائی، موجب رسوب گرفتگی ممبرین میشود. این رسوب، لایه ای بر روی سطح غشاء ایجاد میکند، محلی که در آن غلظت نمک های اشباع زیادتر از غلظت نمکها در توده محلول است. در نتیجه، غلظتی که ممبرین در معرض آن قرار میگیرد، بیشتر از مقدار ثبت شده آن در توده محلول میباشد. از آنجا که درصد واقعی دفع، که توسط ممبرین ارائه میشود، در زمان اجرای کاربردھای صنعتی و اسمی، نسبتاً ثابت میماند، مقدار عبور نمک نیز یکسان باقی میماند. با این حال، از آنجا که غلظت نمک (نمکھا) در سطح غشاء زیادتر است، مقدار واقعی نمکی (نمکھایی) که از طریق غشاء عبور میکند بیشتر از غلظت مورد انتظار در توده میشود. از این رو، عبور ظاھری نمک افزایش، و دفع ظاھری نمک کاھش مییابد. این پدیده بهعنوان کاھش دفع نمک به ثبت رسیده است.
تخریب ممبرن (Membrane Degradation) : افت سلامت غشاء، موجب تخریب ممبرین میشود. به دلیل افت سلامت، آب خوراک اجازه می یابد که وارد آب تصفیه شده گردد و در نتیجه غلظت آب تصفیه شده افزایش پیدا میکند. بنابراین، مقدار عبور نمک زیاد میشود، در حالیکه مقدار دفع نمک کاهش می یابد.
مسائل مربوط به سخت افزار (Hardware Issues) : شکافھای موجود در سخت افزار میتوانند به آب خوراک اجازه دهند که با آب تصفیه شده مخلوط گردد. ھمانطور که شدت آب زیاد میشود، شکاف های موجود در واشرها و لوله های مربوط به آب تصفیه شده، اجازه میدهند که آب خوراک با غلظت بالا، با آب تصفیه شده با غلظت پایین مخلوط گردد، بنابراین مقدار غلظت در آب تصفیه شده زیاد میشود. دفع کلی نمک کاھش، و عبور نمک افزایش پیدا میکند.
- افزایش مقدار دفع نمک (Increase In Salt Rejection)
افزایش مقدار دفع نمک معمولاً به علت فشرده شدن ممبرین اتفاق می افتد. چون ممبرین به دلیل فشرده شدن، متراکم تر میشود، عبور نمک از میان ممبرین کاھش مییابد، که این امر موجب کاھش مقدار عبور نمک و افزایش مقدار دفع نمک میشود. توجه داشته باشید که قرار گرفتن در معرض کلر در ابتدا و بهصورت کوتاه مدت، در شرایطی کاملاً کنترل شده، نیز میتواند در برخی از ممبریین ها باعث افزایش مقدار دفع نمک شود (در حالیکه قرار گرفتن در معرض کلر به مدت طولانی تر منجر به کاھش دفع نمک میشود). دلیل این امر مشخص نیست، اما میتواند بهعلت تغییر بار سطحی غشاء باشد که باعث دفع ترکیبات آنیونی، کاھش عبور آنھا و افزایش مقدار دفع میگردد.
ج) افت فشار (Pressure Drop)
افت فشار کاهش نیروی محرکه آب را، که باعث عبور آن از میان ممبرین میشود، اندازه میگیرد. در متن زیر، عواملی که موجب افزایش یا کاھش افت فشار میشوند، مورد بررسی قرار میگیرند.
- کاهش افت فشار (Loss in Pressure Drop)
کاهش یافتن افت فشار، تحت شرایط اسمی عملیاتی در اکثر کاربردھای صنعتی، امری غیر معمول است. اگر کاھش افت فشار ثبت شده باشد، معمولاً به دلیل خراب شدن ابزار اندازهگیری میباشد.
- افزایش افت فشار (Increase Pressure Drop)
تعدادی از عواملی که میتوانند باعث افت فشار زیاد شوند عبارتند از، رسوب گرفتگی ممبرین، لای گرفتگی ناشی از مواد کلوئیدی و لای گرفتگی ناشی از وجود میکروبھا. تمامی این سه عامل، در اثر ته نشین شدن مواد بر روی سطح غشاء و همچنین بر روی اجزای مدول غشائی، از جمله فضای مربوط به مجرای خوراک، به وجود می آیند. این امر باعث ایجاد اختلال در الگوی جریان از طریق مدول غشائی میشود، که به نوبه خود، منجر به افت فشار اصطکاکی و یا افزایش افت فشار میگردد. افت فشار زیاد باعث اختلال در هیدرولیک سیستم میشود. به علت افت فشار زیاد، ممبرینهای جلویی تمایل پیدا می کنند که با شدت نفوذهای بسیار بالا کار کنند، در حالیکه ممبرین های عقبی با شدت نفوذ پایین مورد بهره برداری قرار میگیرند. این امر باعث افزایش نرخ لای گرفتگی در ممبرینھای جلویی و عقبی میشود. ممبرینھای جلویی سریعتر دچار لای گرفتگی میشوند زیرا بخش بزرگی از آب، زودتر به این قسمت از مدول غشائی نیرو وارد میکند و نرخ تجمع آلایندهھا در لایه مرزی بر روی سطح ممبرین افزایش میی ابد. از سوی دیگر، ممبرینھای عقبی شدت جریانھای پایینی را تجربه میکنند، زیرا بیشتر آب از طریق ممبرینھای جلویی خارج شده است. در این حالت، ضخامت لایه مرزی افزایش می یابد و در نتیجه نرخ لای گرفتگی بیشتر میشود. افت فشار زیاد میتواند موجب صدمه دیدن ممبرینها و مدولهای غشائی مربوط به آنها نیز بشود.
اگر افت فشار بسیار زیاد باشد ( بیشتر از تقریباً psi 50 برای ھر مرحله با 6 المان) مدولھای غشائی ممکن است دچار آسیب تسکوپی شوند که این امر میتواند به صورت فیزیکی در ممبرینها شکاف و پارگی ایجاد کرده یا پوسته فایبرگلاس مدول را فشرده کند.