اهمیت ساختار داخلی ممبران در کاهش هزینه های سیستم های تصفیه آب صنعتی

بسیاری از صنایع بزرگ و کوچک نیازمند آب تصفیه شده می باشند که نمک و املاح زیادی نداشته باشند. روش اسمز معکوس یکی از بهترین روش ها برای تصفیه آب می باشد. این روش برای تصفیه آب نیاز به انرژی دارد. در این مقاله به بررسی بهبود طراحی ساختمان داخلی ممبران ها جهت کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه های عملیاتی می پردازیم. 

روش اسمز معکوس می تواند نمک ها و املاح موجود در آب از جمله کلرید سدیم را حذف کند. در این روش فیلتر ممبران کار تصفیه را انجام می دهد. برای عبور آب از این فیلتر به فشار بالا نیاز می باشد. این فشار توسط پمپ سیستم تامین می شود. فیلترهای ممبران چندین لایه مجزا دارند. اجزای اصلی این فیلتر شامل ورق های ممبران (flat sheet membrane)، لایه های جمع آوری آب تصفیه شده (permeate channel spscer) و لایه های ایجاد کننده فضا برای ورود آب تغذیه (feed channel spacer) می باشد. در ادامه به بررسی بهبود لایه های ایجاد کنده فضا یا همان feed spacer ها می پردازیم. 

Feed spacer چیست؟ 

feed spacer ها بین لایه های فیلتر ممبران قرار گرفته اند و ساختار آن ها به صورت صفحات مشبک می باشد. این صفحات برای عبور آب ورودی از سطح لایه های ممبران فضا ایجاد می کنند. همچنین این صفحات آب را به دو بخش آب تصفیه شده (permeate) و آب با آلاینده بیشتر (concentrate water) تقسیم می کند. شکل زیر ساختار فیلترهای ممبران را نشان می دهد: 

طراحی بهینه feed spacer 

طراحی بهینه لایه های جدا کننده آب در عملکرد فیلتر ممبران تاثیر زیادی می گذارد. در ادامه به پارامترهای مهم در طراحی feed spacer فیلتر ممبران می پردازیم: 

•    سطح صاف feed spscer 
•    ایجاد رسوب در زمان کارکرد فیلتر ممبران 
•    صدمه دیدن ممبران در هنگام پیچیده شدن صفحات به دور هم
•    افت فشار: بین ایجاد اغتشاش در جریان ورودی و افت فشار اصطحکاکی باید تعادل بهینه ای باشد. 

افت فشار 

افت فشار بر روی میزان مصرف انرژی تاثیر زیادی می گذارد. در صورتی که افت فشار به حداقل برسد و نقطه بهینه تعادل برای ایجاد اغتشاش در جریان ورودی و افت فشار اصطکاکی پیدا شود، ساختار این صفحات بسیار بهینه تر شده و مصرف انرژی کمتر می شود. در ادامه تمامی این موارد را به طور کامل بررسی می کنیم.

صفحات مشبک feed spacer ها از مواد پلیمری درست می شوند. بین هر دو لایه ممبران توسط این صفحات حدود 0.7 تا 0.86 میلی متر فضا ایجاد می شود. البته به دلیل قرارگیری صفحات و قطر الیاف آن ها، سطح مقطع واقعی برای ورود آب تغذیه بین ممبران ها کمتر از این میزان می باشد. Feed spacer ها با استفاده از مقدار زیادی الیاف رشته های دو وجهی درست شده اند. دو وجهی بودن طراحی آن ها، موجب می شود که آب ورودی به ممبران، از تمام وجه های این رشته ها عبور کرده و در جریان اغتشاش (turbulence) لازم ایجاد شود. در طراحی ممبران ایجاد اغتشاش لازم می باشد. 

دلیل لزوم ایجاد اغتشاش در جریان

 قطبی شدن غلظتی (concentration polarization) دلیل نیاز به ایجاد اغتشاش در جریان می باشد. در روش اسمز معکوس آب بعد از عبور از فیلتر ممبران تصفیه می شود. آب تصفیه شده به یک سمت ممبران رفته و نمک ها و املاح در سمتی دیگر باقی می مانند. به همین دلیل بعد از مدتی در یکی از سطوح ممبران غلظت آب بالاتر رفته و دقت ممبران کاهش می یابد. به این پدیده قطبی شدن غلظتی می گویند. جهت جلوگیری از این مشکل به واسطه feed spscer ها کمی اغتشاش در جریان به وجود می آید. به این صورت آب با غلظت بالا تنها به یکی سمت ممبران نمی چسبد. عملکرد ممبران با استفاده از این اغتشاش بهتر می شود. 

ایجاد اغتشاش معایبی نیز دارد. زیرا این اغتشاش باعث افت فشار اصطکاکی در جریان آب می شود. به همین علت، جهت طراحی بهینه این صفحات باید نقطه تعادل بهینه ای بین ایجاد اغتشاش و افت فشار اصطکاکی ایجاد شود. طبق تحقیقات، بررسی های انجام شده و مدل سازی هیدرولیکی، بهترین طراحی برای رشته های feed spscer ها جهت استفاده در فیلترهای ممبران، شبکه های دو بعدی مربعی و متوازی الاضلاعی می باشد. این صفحات در ممبران به صورتی باید قرار گیرند تا با جریان آب ورودی زاویه ای 45 درجه ایجاد کنند. طراحی فوق، بهینه ترین حالت برای این صفحات می باشد. به این صورت اغتشاش لازم در جریان ورودی ایجاد شده و حداقل افت فشار اصطحکاکی به وجود می آید.

افزایش طول عمر سیستم های تصفیه آب اسمز معکوس 

جهت افزایش طول عمر فیلتر ممبران و همچنین عملکرد بهتر آن، باید آب ورودی به ممبران کمترین میزان ذرات معلق را داشته باشد. در غیر اینصورت feed spacer های اطراف لایه های ممبران دچار گرفتگی توسط ذرات معلق می شود و افت فشار افزایش می یابد. در صورت تمیز بودن آن ها به ازای هر واحد ممبران 0.1 تا 0.2 بار افت فشار اتفاق می افتد. ممبران های صنعتی در سیستم های تصفیه آب صنعتی در داخل محفظه های تحت فشار (pressure vessel) قرار می گیرند.

هر پرشروسل دارای 1 تا 7 ممبران اسمز معکوس می باشد و ممبران ها به صورت سری در حال کار کردن هستند. به همین دلیل افت فشار در یک وسل برابر با 0.1 تا 1.5 بار می باشد. ولی اگر آب ورودی به سیستم آب نمک با غلظت بین 500 تا 30,000 ppm  باشد، تصفیه در دو مرحله پرشروسل انجام می شود و افت فشار حدود 1 تا 3 بار خواهد بود. افت فشار در سیستم های اسمز معکوس بر روی مصرف انرژی تاثیر مستقیم دارد. هر بار افت فشار برابر با مصرف 0.025 کیلو وات ساعت انرژی بیشتر به ازای هر متر مکعب آب تصفیه شده می باشد. 

بهینه ترین طراحی برای Feed Spacer ممبران 

با استفاده از آزمایشات مختلف برای انتخاب بهترین حالت تلاش شده است. در ابتدا طراحی های مختلف با استفاده از شبیه سازی و محاسبات دینامیک سیالات (cfd) بررسی شده اند و میزان اغتشاش جریان و افت فشار هر کدام به طور دقیق اندازه گیری شده است. 

بر اساس اندازه گیری ها، مدل alternating strands design (ASD) بهینه ترین حالت می باشد و بهترین حالت تعادل بین افت فشار و ایجاد اغتشاش در جریان را دارد. طی آزمایشات واقعی انجام شده، نتایج محاسبات قبلی تایید شد. این آزمایشات در شرایط مختلف از جمله دبی آب ورودی، زمان و حتی میزان رسوب مختلف بررسی شده اند. 

ممبران های ASD کمترین میزان افت فشار را به نسبت مدل های قبلی داشته اند. افت فشار این مدل حدود 0.05 تا 0.15 بار کمتر از مدل های دیگر می باشد. همین میزان از کاهش افت فشار حدود 5 درصد باعث صرفه جویی در انرژی می شود. در طراحی جدید مدل Alternating Strands design (ASD) الگوی جریان عبوری بهبود یافته و برای عبور آب فشار کمتری نیاز می باشد. به این صورت رسوب گذاری در ممبران کمتر می شود. رسوب گذاری کمتر موجب افزایش طول عمر، کاهش شستشو و تمیز کردن ممبران می شود. 

در صورت تمایل به دریافت مشاوره و راهنمایی در مورد خرید انواع فیلتر ممبران تصفیه آب صنعتی با متخصصان وبسایت تصفیه آب آبین به صورت رایگان در ارتباط باشید.