تکنولوژی های پیش تصفیه برای سیستم های اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون

فناوری های غشایی مبتنی بر فشار جریان متقابل میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس به ابزارهای اصلی تصفیه در کاربردهای تصفیه آب، بازیابی یا تصفیه فاضلاب و پردازش های شیمیایی تبدیل شده اند. از آن جا که همه این روش ها برای جداسازی و تصفیه به عبور آب از یک غشای نیمه تراوا متکی هستند، سطح غشا در معرض تجمع آلاینده ها و جامدات معلق موجود در آب قرار می گیرد.

موادی که قرار است از جریان آب ورودی جدا شده و وارد پساب شوند. این پدیده باعث ایجاد فولینگ در فیلترهای ممبران می شود، که به چهار علت زیر مرتبط می باشد:

1- وصل کردن: این امر ناشی از تجمع ذرات آلاینده روی سطح غشا می باشد.

2- رسوب گذاری: از آن جا که برخی از ترکیبات معدنی در طول فرایند غلظت بیش تری پیدا می کنند (معمولا به نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس محدود می شوند)، این مواد از حد حلالیت خود فراتر می روند و روی سطح غشای ممبران رسوباتی شامل کلسیم کربنات، کلسیم سولفات و باریم سولفات را تشکیل می دهند.

3- رسوب غیر آلی: برخی از مولکول های آلی مانند روغن ها، اسیدهای فولویک و هیومیک و سورفکتانت ها اعم از مصنوعی و غیر مصنوعی، سطح غشا را می پوشانند و یا باعث انسداد منافذ آن می شوند. 

4- میکروارگانیسم ها و به طور خاص باکتری ها در مشکلات رسوب گذاری زیادی به عنوان عامل اصلی ظاهر می شوند. با رشد و تکثیر بسیاری از آنها باعث تشکیل بایوفیلم می شوند تا باکتری ها را بپوشانند و آنها را محافظت کنند، که می تواند سطح ممبران را پوشانده و باعث فولینگ آن شود.

آلاینده های شیمیایی آسیب زننده به فیلتر ممبران

علاوه بر فولینگ، فیلترهای ممبران توسط مواد شیمیایی خاص در آب ورودی نیز می توانند دچار آسیب شوند، که به مواد سازنده و ساختار ممبران بستگی دارد. ممبران های UF و MF می توانند از مواد غیر آلی یا پلیمری ساخته شوند، در حالی که ممبران های NF و RO تنها از پلیمرهای آلی تولید می شوند.

در جدول زیر لیستی از مواد سازنده ممبران های MF و UF آمده است. نیازمندی های دفع نمک ممبران های RO و NF به طور قابل توجهی انتخاب پلیمر برای سلولز استات، سلولز تری استات یا پلیمرهای پلی آمید لینک متقاطع پیچیده تولید شده در ساختار غشای نیمه تراوا کامپوزیت را محدود می کند.

این پلیمر دفع نمک بر روی یک لایه بستر پلی سولفون یا پلی اتر سولفون توسط یک واکنش پلی چگالش درون سطحی قرار می گیرد. گرچه این پلیمرها مخصوصا کامپوزیت های لایه نازک در برابر عوامل شیمیایی مقاوم هستند، نسبت به پلیمرهای UF و MF در برابر حمله مواد شیمیایی حساس تر می باشند.

آلاینده های موجود در آب

تصفیه غشایی آب معمولا شامل حذف یا غیر فعال کردن آلاینده هایی است، که برای استفاده مورد نظر از آب، نامطلوب یا غیر قابل قبول در نظر گرفته می شود. آلاینده ها می توانند در طبقات خاص طبق جدول زیر سازماندهی شوند.

ممبران های مارپیچ حلزونی

اکثر ممبران های اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، دارای پیکربندی مارپیچی هستند. محبوبیت این پیکربندی فیلترهای ممبران را می توان به موارد زیر نسبت داد:

1- مساحت سطح غشای هر ممبران
2- تجربه تولید و توسعه گسترده
3- دارای رقابتی ترین قیمت
4- شش تولید کننده بزرگ ممبران واقع در ایالات متحده

پیکربندی ممبران مارپیچ حلزونی مستعد رسوب گیری و فولینگ می باشد، که عمدتا به دلیل فاصله نزدیک لایه های غشا می باشد، زیرا این واقعیت وجود دارد که نمی توان آن را به راحتی شسشتو داد. در نتیجه در مواردی که آب ورودی ممکن است شامل غلظت قابل توجهی از مواد رسوب کننده باشد، نیاز به استفاده از پیش تصفیه گسترده در دستگاه تصفیه آب صنعتی است.

مشخصات آب ورودی

اگر منبع آب ورودی آب تصفیه شده شهری از منابع زیر زمینی باشد، مقدار جامدات معلق، آلاینده های آلی و میکرو ارگانیسم های آن کم خواهد بود. با این حال، احتمالا حاوی غلظت نسبتا بالایی از نمک های کمی محلول مانند کربنات کلسیم می باشد.

این منابع آب هم چنین دارای آهن هستند که در آب های زیر زمینی معمولا به شکل آهن دو ظرفیتی می باشد، اما پس از قرار گرفتن در معرض هوا و فرایند ضد عفونی مثلا کلر زنی به فرم آهن نامحلول سه ظرفیتی تبدیل شود. 

در آبی که آهن دارد، معمولا حداقل مقدار کمی منگنز وجود دارد، که می تواند باعث ایجاد رسوب در سطح غشا شود. رسوب گذاری کربنات کلسیم باید به حداقل برسد و معمولا از یک یا هر دو روش زیر استفاده می شود:

•    نرم سازی: رزین های تبادل کاتیونی به عنوان یک فناوری پیش تصفیه برای تبادل یون کلسیم در آب با یون سدیم موجود در رزین تبادل یونی سختی گیر استفاده می شوند. زمانی که رزین به اندازه ظرفیتش کلسیم مبادله کرد، باید برای استفاده آن را با نمک کلرید سدیم یا پتاسیم احیا کرد. 

•    تنظیم PH: با کاهش PH آب ورودی به 6، 80% یون بی کربنات به کربن دی اکسید تبدیل در آب تبدیل می شود. کربن دی اکسید را می تواند توسط هوا زدوده شود و یا آن را با یک غشای گاز زدایی ویژه حذف کرد.

آهن و به مقدار کمتر منگنز را می توان با اکسیداسیون حذف کرد تا اطمینان حاصل کرد که همه آهن به فرم آهن نامحلول تبدیل شده و به دنبال آن فیلتراسیون انجام شود. تعدادی از گزینه های تکنولوژی برای انجام این کار در دسترس است. در صورتی که تامین آب شهری از منبعی سطحی مانند مخزن، اقیانوس، دریاچه یا رودخانه باشد، معمولا نمک های اشباع کمتر اما آلاینده های کلاس های دیگر آن بیش تر است.

برای محافظت از غشای مارپیچی RO یا NF، اغلب نیاز به فیلتراسیون مواد جامد معلق می باشد. با این حال به دلیل شیوع کربنات کلسیم در تقریبا تمام منابع آب شیرین، احتمالا به سختی گیری یا تنظیم PH نیز نیاز دارد. هم چنین کلر و دیگر عوامل اکساینده نیز باید از آب حذف شوند، زیرا این عوامل باعث اکسیداسیون پلیمر ممبران و آسیب غیر قابل بازگشت آن می شود. حذف کلر می تواند توسط فیلتر کربن فعال یا با اضافه کردن یک عامل کاهنده مانند سدیم بی سولفیت انجام شود. 

بدیهی است که آنالیز کامل آب به منظور تعیین مقدار و کلاس آلاینده های موجود در آب ضروری است. این آنالیز نیز لزوم استفاده از پیش تصفیه های مختلف را تایید می کند. هیچ دو منبع آبی از نظر تجزیه و تحلیل شیمیایی یکسان نیستند، بنابر این بدون آنالیز پیش بینی این که کدام آلاینده ها و چه مقدار در آب وجود دارند، غیر ممکن است. دیگر منابع آب ورودی مانند فاضلاب یا فراوری داخل یک عملیات تولیدی، چالش های تصفیه خاصی را ایجاد می کنند. 

توجه کنید که آب ورودی به سیستم یا فیلتر ممبران وارد می شود و با عبور جریان در امتداد و موازی سطح ممبران تحت فشار، درصدی از آب از طریق پلیمر ممبران که جریان آب تصفیه شده را تولید می کند، عبور می کند. بر اساس ویژگی های پلیمری از عبور آلاینده ها از غشا جلوگیری می شود. جریان مملو از آلاینده به عنوان پساب از سیستم خارج می شود.

نرخ آب تصفیه شده یک ممبران را نمی توان بدون تغییر فشار یا دمای اعمال شده تغییر داد. با این حال، بازیابی را می توان به راحتی و با تغییر نرخ جریان آب ورودی به ممبران تغییر داد و این از متغیرهایی است که توسط طراح سیستم کنترل می شود. تاثیر نرخ بازیابی بر عملکرد سیستم بسیار مهم است.

با افزایش بازیابی، دبی جریان پساب کاهش می یابد. همه آلاینده هایی که توسط غشا دفع می شوند و در جریان پساب باقی می مانند، بسیار غلیظ تر می شوند. برای تصفیه فاضلاب و بسیاری از کاربردهای تولیدی، حداقل بازیافت معمولا بالاتر از 80% می باشد.

یکی از راه های درک فاکتور غلظت این است که بر حسب فرایند تبخیر یا تقطیر فکر کنید. اگر نیمی از حجم معین آب تقطیر شود و میعانات به صورت خالص بازیافت شوند، همان مفهومی است که یک سیستم غشایی با بازیابی 50% کار می کند.

تبخیر ¾ آب درصد بازیافت 75% را نشان می دهد و به همین ترتیب. مزیت سیستم هایی با بازیابی بالا این است که حجم پساب در آنها کم و دبی پمپ تغذیه در آنها کمتر است. معایب بالقوه این سیستم ها نیز بسیار زیاد می باشد:

•    غلظت بالای آلاینده ها می تواند منجر به تمایل بیش تر به رسوب گذاری شود.
•    در کاربردهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس، نمک های غلیظ منجر به فشار اسمزی بالاتری می شوند که به پمپ فشار بالاتر و سیستم مقاوم تر در برابر فشار نیاز دارد.
•    در سیستم های RO و NF با افزایش بازیابی خلوص یونی آب تصفیه شده کاهش می یابد.
•    از آن جایی که بازیافت بالاتر باعث کاهش مقدار پساب می شود، غلظت بیش تر این جریان می تواند باعث ایجاد مشکلات تخلیه شود.

اکثر برنامه های تصفیه آب، عموما با بازیابی نسبتا کم کار می کنند که بیش از 85% نیست. به طور کلی بیش تر کاربردهای تصفیه آب درگیر TDS آب هستند که مقدار آن کم است و تنها نمک زدایی از آب دریا یک استثناست.
معمولا هر چه سیستم بزرگ تر باشد، بازیابی آن بیش تر است. بازیبای سیستم های تصفیه فاضلاب به ندرت به زیر 80% می رسد و اکثر آنها با درصد بازیافت بالای 90% عمل می کنند.

تکنولوژی های پیش تصفیه 

فناوری های موثری برای کاهش غلظت آلاینده هایی که می توانند در ممبران های غشایی مارپیچ رسوب کنند، وجود دارد. تعداد کمی از آنها برای سال های متمادی مورد استفاده قرار گرفته اند، که از جمله آنها می توان به فیلترهای شنی و کربنی، فیلترهای کارتریجی، فرایندهای انعقاد و رسوب، جدا کننده های روغن و آب، رزین های تبادل یونی و بسیاری دیگر از روش های اشاره کرد.

دو فناوری نسبتا جدید در تکنولوژی های پیش تصفیه، روش های UF و MF می باشند. MF فناوری غشایی برای حذف جامدات معلق می باشد، در حالی که UF برای حذف ماکروسلول های محلول (آلاینده های آلی) طراحی شده اند. این تکنولوژی ها در طیف گسترده ای از اندازه های منافذ (معمولا زیر میکرون) و مواد اولیه موجود می باشند.

متداول ترین پیکربندی عناصر غشایی نوع فیبر توخالی و لوله ای می باشند. علاوه بر پیکربندی بازتر برای کاهش فولینگ، این عناصر معمولا می توانند با عملیات شستشوی معکوس شوند. در برخی کاربردها، ممبران ها در حالت انتهای بسته (مانند فیلترهای کارتریجی) اجرا می شوند و از پس زدن مکرر برای حذف آلاینده های جذب شده استفاده می کنند. این فناوری ها به دلیل مشخصات فیلتراسیون ظریف تر و سهولت اتوماسیون به طور فزاینده برای کاربردهای مختلف تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند.

در آخر و به عنوان نتیجه گیری جدول زیر نیازمندی های پیش تصفیه معمول برای ممبران های NF و RO مارپیچ حلزونی را نشان می دهد. 

در صورتی که در رابطه با پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس و دیگر عناصر غشایی نیاز به مشاوره دارید، می توانید از طریق شماره های سایت تجهیزات آبی آبین با کارشناسان ما در ارتباط باشید.