مجله تصفیه آب آبین

بررسی اختلاف فشار در ممبران صنعتی و دلایل افزایش ناگهانی آن

اپراتورهای سیستم تصفیه آب صنعتی RO بعضی مواقع با صحنه هایی روبرو می شوند که درپوش پرشروسل به طور ناگهانی به بیرون پرتاب شده و ممبران ها را درحالتی می بینند که ترک خورده یا شکسته شده اند. یکی از اصلی ترین دلایل این مشکلات، افزایش ناگهانی اختلاف فشار (ΔP) دوسر ممبران است که زنگ هشداری برای سیستم به حساب می آید. اما سوال اینجاست که چرا فشار بین ورودی و خروجی ممبران صنعتی به طور ناگهانی بالا می ‌رود؟ و چگونه می توان از افزایش اختلاف فشار ممبران صنعتی جلوگیری کرد؟

اختلاف فشار (ΔP) در فیلتر ممبران صنعتی چیست و چرا اهمیت دارد؟

در سیستم ‌های تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس، پارامتر ΔP (دلتا پی) به معنی اختلاف فشار بین آب ورودی (فید) و آب خروجی کنسانتره ممبران بوده که نشان ‌دهنده‌ ی مقاومت جریان سیال در کانال ‌های ممبران و فضای بین لایه‌ ها است. مقاومت جریان سیال یا آب دراثر عوامل مختلفی ازجمله اصطکاک، رسوب، گرفتگی و تغییرات هیدرودینامیکی در ممبران ایجاد می شود.

زمانی که ΔP یا اختلاف فشار ممبران صنعتی افزایش یابد، به این معناست که جریان آب سخت‌ تر از ممبران عبور می‌ کند. این پارامتر یکی از شاخص‌های عملکرد سیستم RO است، زیرا افزایش ΔP فیلتر ممبران صنعتی منجر به مصرف انرژی بیشتر، راندمان تصفیه پایین ‌تر و ضرورت شستشو (CIP) یا تعویض زودهنگام ممبران خواهدشد.

مقدار استاندارد فشار تفاضلی (ΔP) در فیلتر ممبران‌

هیچ مقدار ΔP استاندارد جهانی وجود نداشته و محدوده قابل قبول اختلاف فشار در سیستم اسمز معکوس باید بر اساس طراحی ممبران، نوع آب خوراک و شرایط عملیاتی هر سیستم به طور اختصصاصی تعیین شود. با این حال، منابع معتبر صنعتی، مانند SpiroPure و مطالب درج شده در وب سایت دوپونت، ذکر کرده اند که در شرایط عادی، اختلاف فشار استاندارد ممبران RO هر المان ممبران حدود 0.3 بار (4–5 psi) بوده و حداکثر فشار تفاضلی مجاز برای هر المان حدود 1 بار (حدود 15 psi) و حدود 4 بار (60 psi) در چندین المان در یک پرشروسل است.

دلایل اصلی افزایش ناگهانی فشار تفاضلی

افزایش نرخ جریان، کاهش دمای آب ورودی و آسیب فیلتر ممبران ازجمله مهم ترین دلایل افزایش ناگهانی ΔP در سیستم تصفیه آب RO هستند. این عوامل باعث اختلال در پروفیل شار سیستم یا به زبان ساده تر، اختلال توزیع جریان آب در طول ممبران در المان‌ ها یا مراحل مختلف یک سیستم RO می شود. در این شرایط، المان ‌های ابتدایی مجبورند با شار بسیار بالا کار کنند در حالی که المان‌ های انتهایی شار پایینی دارند که باعث افزایش فشار خوراک و در نتیجه افزایش مصرف انرژی سیستم می‌ شود.

افزایش نرخ جریان

وقتی نرخ جریان (Flowrate) در سیستم ممبران افزایش پیدا می کند، آب با سرعت بیشتری از داخل کانال ‌های خوراک (feed channels) و فضای بین لایه ‌های ممبران عبور کرده که باعث افزایش اصطکاک و مقاومت جریان سیال می ‌شود. به بیان ساده تر، برای جابجایی آب باید فشار بیشتری اعمال شود تا سیال به ‌طور موثر حرکت کند، بنابراین، این پدیده باعث می ‌شود که فشار در ورودی و خروجی ممبران اختلاف بیشتری پیدا کند و ΔP فیلتر ممبران افزایش یابد.

کاهش دمای آب ورودی به سیستم

ویسکوزیته آب تحت تاثیر دمان آن است، بنابراین کاهش دمای آب ورودی باعث افزایش ویسکوزیته آن می‌ شود؛ یعنی جریان آب سرد در طول سیستم RO سنگین‌ تر و کند تر است. در این شرایط، وقتی آب سرد از ممبران عبور می کند، مقاومت جریان افزایش یافته و فشار بیشتری برای حفظ جریان لازم است. در نتیجه، حتی اگر فیلتر دچار گرفتگی یا آسیب نشده باشد، اختلاف فشار بین ورودی و خروجی ممبران (ΔP) افزایش پیدا می کند.

آسیب لایه ها و باریک شدن منافذ غشا ممبران

آسیب لایه ها و باریک شدن منافذ غشا ممبران یکی از اصلی ترین دلایل افزایش ناگهانی ΔP در RO است که می تواند در اثر عوامل مختلف ازجمله موارد زیر اتفاق بیفتد:

فولینگ (Fouling) و گرفتگی سطح ممبران: انواع فولینگ یا گرفتگی ممبران که دراثر تجمع ذرات ناخالصی معلق در بین منفذ غشا ممبران اتفاق می افتد.
رسوب ‌گذاری معدنی و تشکیل Scaling: رسوب گذاری زمانی اتفاق می افتد که ذرات معدنی به شکل کریستال های سخت روی سطح غشا ممبران ته نشین شده و فشار هیدرولیکی را افزایش می دهند.
افزایش SDI و ورود ذرات معلق: افزایش SDIآب ورودی به سیستم باعث افزایش احتمال آسیب به ممبران دراثر افزایش ناخالصی های معلق در آب می شود. جهت اطلاع از حداکثر تحمل ممبران‌ های FilmTec در SDI بالا این مطلب را مطالعه فرمایید.
رشد بیولوژیکی (Biofouling) در سیستم: شکیل لایه‌ های زیستی یا بیوفیلم از میکروارگانیسم ها روی سطح ممبران و در اطراف اسپیسرها باعث انسداد و کاهش مسیر عبور آب شده که نتیجه‌ آن افزایش اختلاف فشار ممبران صنعتی است‎.
خرابی یا انسداد Spacer ممبران: عوامل مختلفی که پیش از این نیز به آن ها اشاره شد ازجمله رسوب، گرفتگی و تشکیل بیوفیلم همگی باعث انسداد یا گرفتگی اسپیسرها و افزایش فشار تفاضلی ممبران می شود.
تلسکوپی شدن ممبران: عواملی مختلفی مانند اعمال فشار بالا به ممبران، تغییرات دما و ترکیبات شیمیایی و حتی وجود گل در آب باعث آسیب به لایه های ممبران و در نتیجه بازشدن لایه ها و تغییر ساختار آن ها می شود که به آن پدیده تلسکوپی شدن ممبران می گویند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این باره، مقاله تلسکوپی شدن فیلتر ممبران چیست؟ دلایل و روش‌ های پیشگیری را مطالعه فرمایید.

دلایل اصلی کاهش فشار تفاضلی

کاهش اختلاف فشار ممبران صنعتی به دلیل عوامل مختلف ازجمله کاهش دبی جریان اتفاق می افتد؛ زیرا در این شرایط حجم آب کمتری از غشای ممبران عبور می ‌کند و اصطکاک کاهش پیدا می کند. همچنین افزایش دمای آب خوراک با کاهش ویسکوزیته آب، عبور آن از غشا را آسان ‌تر کرده و در نتیجه ΔP کاهش پیدا می ‌کند.

با این حال، اگر کاهش ΔP به ‌صورت ناگهانی و غیرعادی اتفاق بیفتد، اغلب نشانه‌ ی یک مشکل فنی مانند نشتی یا بای ‌پس جریان، سوراخ شدن ممبران، خرابی مدیا یا خطای حسگر فشار است. با وجود این مشکلات، بخشی از آب بدون عبور موثر از غشا ممبران از سیستم فیلتراسیون عبور کرده و اختلاف فشار ثبت ‌شده به‌ طور غیرطبیعی پایین می ‌آید.

نقش پیش ‌تصفیه در کنترل اختلاف فشار ممبران

همان ‌طور که تا اینجا متوجه شدیم، یکی از اصلی ‌ترین دلایل افزایش اختلاف فشار در ممبران، ایجاد رسوب و انواع گرفتگی است و سیستم پیش ‌تصفیه نقش بسیار مهمی در جلوگیری از بروز این پدیده دارد. پیش ‌تصفیه با بهبود کیفیت آب خوراک، باعث افزایش شار عبوری، افزایش طول عمر ممبران ‌ها و کاهش هزینه‌ های سیستم RO می‌ شود. انتخاب نوع و تعداد مراحل پیش ‌تصفیه باید بر اساس ویژگی ‌های منبع آب خوراک، کیفیت آن، نوع کاربرد سیستم و ظرفیت تولید مورد نیاز انجام شود، زیرا هدف اصلی پیش ‌تصفیه، سازگار کردن آب خوراک با ماهیت حساس غشاها از طریق کاهش باکتری‌ ها، ذرات کلوئید معدنی، ترکیبات آلی، ذرات معلق و TDS است.

پیش ‌تصفیه شامل مراحل و اجزای مختلف مانند گندزدایی، انعقاد و لخته ‌سازی، فیلترهای رسوب گیر ازجمله الیافی و نخ تابیده، فیلتر کربنی، تزریق آنتی ‌اسکالانت و رزین سختی ‌گیری باشد. در برخی سیستم های تصفیه آب برحسب نیاز، از روش ‌های غشایی مانند میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF) و نانوفیلتراسیون (NF) نیز به عنوان مراحل اضافی استفاده می شود.

چگونه علت افزایش اختلاف فشار ممبران را تشخیص دهیم؟

تشخیص علت افزایش ΔP نیازمند تحلیل و پایش دقیق و مداوم شرایط سیستم RO هنگام بهره ‌برداری است. با این حال، افزایش تدریجی اختلاف فشار معمولا به فولینگ ذرات معلق، رسوب‌ گذاری معدنی یا تشکیل بیوفیلم در غشا ممبران و فیداسپیسر در ارتباط است.

اما زمانی که افزایش ناگهانی ΔP در سیستم اتفاق می افتد، اغلب دراثر سایر مشکلات مثل شوک فشار، ورود ذرات درشت تر دراثر اختلال در پیش ‌تصفیه است. در این شرایط معمولا میزان اختلاف فشار ممبران صنعتی بین مراحل مختلف تصفیه (در سیستم های دو یاچند مرحله ای) و المان ‌ها اهمیت زیادی پیدا دارد. دلیل این موضوع این بوده که در برخی سیستم های چندمرحله ای مشکل مربوط به اولین مرحله تصفیه آب و گرفتگی یا اختلال در عملکرد فیلترهای اولیه است که باعث افزایش فشار آب ورودی به مرحله دوم و طبیعتا اختلاف فشار بالاتر آب ورودی نسبت به آب خروجی می شود.

همچنین بررسی تغییرات دبی و کیفیت آب پرمیت و ارزیابی میزان برگشت ‌پذیری عملکرد ممبران ها پس از انجام شست ‌و شوی شیمیایی، به شناسایی دقیق نوع گرفتگی کمک می ‌کند. اگر پس از شستشو CIP، اختلاف فشار کاهش پیدا نکند، تاحد زیادی احتمال آسیب مکانیکی یا فشرده ‌شدن فیداسپیسر در هر مرحله وجود دارد.

راهکارهای کاهش و کنترل اختلاف فشار (ΔP) در فیلتر ممبران صنعتی

براساس راهنمای منتشر شده در وب سایت دوپونت، راهکارهای عملی کاهش و کنترل اختلاف فشار در ممبران شامل موارد زیر می شوند:

استفاده از پیش ‌تصفیه مناسب: استفاده از فیلترهای شنی، کربنی و فیلترهای کارتریجی با دقت مناسب در مرحله پیش تصفیه، مانع ورود ذرات معلق و کلوئیدی به ممبران می ‌شود.
کنترل رسوب با دوز دقیق آنتی ‌اسکالانت مناسب: آنتی‌ اسکالانت مورد استفاده در سیستم RO باید بر اساس آنالیز دقیق آب خوراک انجام شده و با دوز دقیق به آب تزریق شود.
شست ‌و شو(CIP) در زمان مناسب: انجامدر CIP زمانی که ΔP حدود 10 تا 15 درصد نسبت به مقدار استاندارد هر سیستم افزایش پیدا می کند، باعث جلوگیری از فولینگ و آسیب ‌های غیرقابل ‌برگشت به ممبران می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره CIP، مقاله دستور العمل شستشوی دوره ای (CIP) ممبران های تصفیه آب صنعتی را مطالعه فرمایید.
جلوگیری از شوک ‌های هیدرولیکی: اقداماتی مثل راه‌ اندازی اصولی پمپ ‌ها، استفاده از VFD یا اینورتر و جلوگیری از افزایش ناگهانی فشار، مانع فشرده ‌شدن فیداسپیسر و تلسکوپی شدن ممبران دراثر شوک هیدرولیکی خواهدشد.
پایش و ثبت مداوم داده‌ های بدست آمده از بررسی عملکرد سیستم: ثبت منظم اختلاف فشار، دبی و کیفیت آب خروجی، امکان تشخیص زودهنگام مشکلات اختلاف فشار ممبران و اقدام اصلاحی سریع را برای سیستم شما فراهم می ‌کند.

چه زمانی افزایش اختلاف فشار به ممبران آسیب دائمی می ‌زند؟

زمانی که اختلاف فشار باعث تلسکوپی شدن ممبران و برآمده شدن فیداسپیسرها شود، دیگر راه جبرانی بجز تعویض ممبران وجود ندارد. در این حالت سطح فعال ممبران به ‌صورت مکانیکی جابجا یا خراشیده شده و دیگر با شست‌ و شو یا استفاده از مواد شوینده قابل بازگشت نیست. درصورتی که فیلتر تعویض نشود، عملکرد ممبران دچار اختلال شده و حتی امکان آسیب به سایر تجهیزات و کاهش کیفیت آب خروجی هم وجود دارد.

چک ‌لیست پایش روزانه اختلاف فشار

چک لیستی که در ادامه برای شما آماده کرده ایم، شامل پارامترهایی است که لازم است به‌ طور روزانه بررسی و ثبت ‌شوند تا الگوهای عملکردی و هرگونه افزایش اختلاف فشار ممبران صنعتی یا مشکلات دیگری را به‌ سرعت تشخیص دهید: