ممبران اسمز معکوس چیست

ممبران اسمز معکوس چیست

ممبران اسمز معکوس استوانه ای متشکل از لایه های نازک پلیمری است که جهت انتقال جرم میان دو محلول با غلظت های مختلف  استفاده می شود. امروزه ممبران ها به صورت تجاری و عمده توسط تولید کنندگان مختلف در ابعاد متفاوت در کاربرد های خانگی و صنعتی ساخته می شوند.

 

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های صنعتی و تأمین کننده انواع غشاء یا ممبران اسمز معکوس آب لب شور و دریایی با برند Filmtec است. 


تأمین مقرون به صرفه و پایدار آب آشامیدنی سالم، یکی از معضلات پیش روی دنیای امروزی است. تکنولوژی جداسازی غشایی یکی از به صرفه­ ترین و کاربردی ­ترین تکنولوژی­ های به کار گرفته شده در تصفیه ­ی آب است. اسمز معکوس (Reverse Osmosis) در حال حاضر مهمترین تکنولوژی نمک ­زدایی و تصفیه آب است؛ که روزانه رشد چشمگیری را در آن شاهد هستیم. در این فرایند جداسازی، یک محلول (معمولا شورآبه) با کمک فشار هیدرواستاتیکی از ممبران اسمز معکوس می­ گذرد. اسمز معکوس یک روش کارآمد برای تهیه آب آشامیدنی سالم از منابع آب شور مانند آب دریا یا آب لب شور (Brackish Water) می ­باشد. طراحی سیستم­ های اسمزمعکوس بسته به نوع ممبران به کار رفته تغییر می­ کند و به همین دلیل از اصلی ­ترین اجزای سیستم ممبران های اسمزمعکوس می­ باشند.

جنس ممبران اسمز معکوس

  1. ممبران سرامیکی/معدنی: ممبران­ های سرامیکی/معدنی به دلیل پایداری­ های دمایی و شیمیایی طولانی مدت و قدرت مکانیکی زیاد، روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می­ گیرند. از این دسته ممبران­ ها می­توان ممبران­ های اکسید فلز و ممبران­ ها بر پایه­ کربن را نام برد. آلومینا، زیرکونیا، تیتانیا و مخلوط آن­ها تجاری ­ترین ممبران ­های اکسید فلز موجود در بازار هستند. در صنعت معمولا از ممبران­ های سرامیکی در شرایطی که ممبران ­های آلی دچار مشکل می ­شوند (دمای خیلی بالا، جریان خورنده و …) استفاده می­ گردد. ممبران ­های معدنی تولید شده از مواد متخلخل پیشرفته همچون نانوتیوب­ های کربنی و گرافیت اکسید بیش­ترین بازده را در تکنولوژی فیلم نازک (Thin Film) داشته ­اند؛ زیرا این ممبران­ ها نفوذپذیری و انتخاب ­پذیری بسیار فوق­ العاده ­ای داشته و ساختار آن­ها در فرایند­های تصفیه­ آب و نمک ­زدایی، نمایشی تاثیرگذار و بسیار سودمند از خود به اجرا گذاشته اند.
  2. ممبران­های Mixed Matrix: ممبران ­های MMM، موضوعی پرطرفدار برای محققان می­ باشد. این ممبران از جا دادن پرکننده­ های معدنی در ماتریس (بدنه) آلی بدست می ­آید. اصلی ­­ترین مزیت این ممبران­ ها ترکیب هزینه ­ی ساخت کم، انتخاب ­پذیری خارق­ العاده و چگالی پَکینگ بالای مواد پلیمری با پایداری بلند مدت، قدرت مکانیکی زیاد و توانایی احیای مواد معدنی می­­ باشد. ممبران کامپوزیتی یکی از زیر شاخه های ممبران mixed matrix می باشد.
  3. ممبران­های آلی: ممبران­ های آلی در حال حاضر پرکاربردترین ممبران­ ها در صنعت و بازار می ­باشند. این نوع ممبران­ ها به دو دسته­ ی اصلی ممبران­ های سلولز استات و ممبران­ های غشای فیلم نازک تقسیم شده ­اند.

انواع ممبران های آلی

  • ممبران سلولز استات: ممبران­ های بر پایه ­ی سلولز بیش از شصت سال است که تولید و تجاری شده ­اند. در سال 1955 ممبران­ های سلولز استات توسط Reid آماده و معرفی شدند در سال 1963 Loeb اولین ممبران RO کارامد را اختراع کرد. این ممبران که سلولز دی­استات نام داشت، فلاکس بیشتری در مقایسه با ممبران سلولز استات را از خود عبور می­ دهد اما در برابر حملات بیولوژیکی آسیب ­پذیر می باشد. ممبران­ های سلولز استات در pH بین 4 الی 6 پایدار بوده و در محیط­ های بازی و اسیدی از میزان انتخاب پذیری این ممبران ­ها کاسته می­ شود.
  • ممبران­ غشا فیلم نازک (Thin Film Composite): ممبران­ TFC در دهه­ 1970 توسط Cadotte اختراع شد، اما تا انتهای دهه­ 1980 به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت. ممبران­­های TFC به دلیل خواص مکانیکی عالی و نسبت درصد حذف(Rejection Ratio) خارق ­العاده در بسیاری از فرایند­های خالص ­سازی همچون نمک ­زدایی استفاده می­ گردند. اصلی­ ترین مشکل این ممبران­ ها کاهش فلاکس و خاصیت نمک ­زدایی آن­ها در طول زمان به دلیل گرفتگی (Fouling)، به خصوص در تصفیه آب و پسابی که حاوی باکتری­ ها و مواد مغذی باشند، می­ باشد. همچنین مقاومت بسیار پایین آن­ها در برابر کلر باعث افت عملکردشان شده است. پس از توسعه و پیشرفت ممبران­های TFC، مشخص شد که نوع پلی­ آمیدی این ممبران­ ها عملکرد جداسازی فوق­ العاده ­ای دارند.

در جدول زیر برخی از شرکت ­های سازنده­ ممبران در جهان و جنس ممبرانی که تولید می ­کنند ذکر گردیده است.

ممبرانسازندهلایه موثرحداکثر دما (درجه سانتی گراد)بازه pHدرصد حذف نمک (%)
SW30HRLE-400Dow Filmtec, USAپلی¬آمید TFC4511-299.8
SWC4Hydranautics, USAپلی¬آمید TFC4511-2بیشتر از 99.7
TM820C-370Toray, USAپلی¬آمید TFC4511-2بیشتر از 99.5
4040-HRKoch, USAپلی¬آمید TFC اختصاصی4511-2بیشتر از 99.2

ساختار ممبران اسمز معکوس

ممبران­ پلی آمید TFC عموما متشکل از یک شبکه­ ی پلی­ استری  به عنوان پشتیبان (با ضخامت 100-150 میکرون)، یک لایه ی­ داخلی میکرو متخلخل که اغلب از پلیمر پلی­سولفون تشکیل شده است (40-50 میکرون) و یک لایه­ ی پلی آمیدی که جداسازی اصلی در آن رخ می­دهد (0.01-0.2 میکرون)، می ­باشد.

ساختار ممبران اسمز معکوساجزای تشکیل دهنده ممبران اسمز معکوس چیست

المان هالوفیبر (Hollow Fiber)

المان­ های هالوفیبر در دهه 1960 برای مصارف اسمزمعکوس تولید شدند و در حال حاضر حضور پر رنگی در جداسازی­ های مایعات و گاز­ها دارند. روش ­های تولید این المان­ ها بسته به نوع و وزن مولکولی پلیمری که در آن استفاده می­گردد، متغیر است. اغلب روش نخ ریسی (Spinning) برای تولید این المان به کار می­ رود. در نهایت هالوفیبر­های تولید شده، در یک محفظه­ ی PVC گنجانده شده و برای مصارف گوناگون روانه ­ی بازار می­ شوند.

المان تنیده در هم (Spiral Wound)

ممبران­های TFC به شکل صفحات تخت تولید شده و سپس به صورت المان تنیده در هم سوار می­ شوند. در المان تنیده در هم، دو ممبران صفحه تخت مستطیلی، پشت به پشت یکدیگر قرار گرفته و از سه ضلع به یکدیگر توسط چسب مخصوص متصل می­گردند تا در نهایت شکلی همچون یک پاکت نامه به خود بگیرند. یک یا چند عدد از این پاکت­ ها از طرف ضلع چهارم که همچنان باز است، به دور یک لوله­ی جمع کننده پیچیده می­ شوند.

آب خوراک به صورت مماس وارد این المان شده و جریان آب شیرین (Permeate) از درون ممبران­ها عبور کرده و عمودی به سمت لوله­ جمع کننده حرکت می­ کند؛ در حالی که جریان شورابه (Concentrate) المان را از جهت مخالف خارج می شود. بسته به میزان خلوص آب تصفیه شده، ریکاوری و دیگر عوامل، تعدادی از این المان­ها در یک محفظه تحت فشار(Pressure Vessel) قرار داده شده و سپس در صنعت به کار گرفته می­ شوند. در فرایند ساخت المان تنیده در هم، اجزایی به جز ممبران نیز شرکت دارند.

ممبران اسمز معکوس تنیده در هم (Spiral Wound)

اجزای المان های در هم تنیده

جداکننده آب خوراک (Feed Spacer)

این تجهیز با برقرار کردن فاصله­ بین ورق­ های­ ممبران­ها شبکه­ ای باز به منظور جریان یافتن آب خوراک فراهم می­ کند. همچنین با ایجاد اختلاط در کانال خوراک، نمک و دیگر اجزای رد نشده را از سطح ممبران ­ها دور می­کند. جنس اغلب این جداکننده­ ها پلی پروپیلن می­ باشد. علت استفاده از این ماده قیمت کم و واکنش ناپذیری شیمیایی می باشد. ضخامت این ورق بین 0.6 تا 0.9 میلی­متر است.

جداکننده جریان آب شیرین (Permeate Spacer)

این تجهیز مجرایی برای جمع ­آوری و انتقال جریان تصفیه شده از ممبران به لوله­ ی جمع کننده آب شیرین را ایجاد می­ کند. پارچه پلی استری بافته شده بیشترین مصرف را در صنعت دارد. این تجهیز نیز مانند جداکننده آب خوراک مابین دو ورق ممبران قرار گرفته و از سه جهت توسط چسب به یکدیگر متصل می­گردند.

لوله جمع کننده آب شیرین (Permeate Tube)

از این لوله جهت جمع­ آوری جریان تصفیه شده از جدا کننده­ ها در داخل المان استفاده می­ گردد. در محفظه­­ های تحت فشار چند المانه این لوله­ ها به صورت سری به یکدیگر متصل شده و به عنوان انتقال دهنده ی جریان تصفیه شده به یک تقسیم کننده جریان خارجی به کار می­ روند. همچنین در حین فرایند اسمزمعکوس، در صورت بروز مشکل در ممبران ­ها، امکان جای دادن سنسورهای رسانایی الکتریکی و پروب­ های نمونه برداری در این لوله وجود دارد.

Endcap

این تجهیز پلاستیکی چندین نقش مهم در المان را ایفا می­کند. اول، نگهداری از ورق­ های ممبران با جلوگیری از فرایند تلسکوپی شدن. دوم، انتقال بار محوری از المانی به المان دیگر و به بدنه ­ی سخت پوسته­ ی فایبرگلاسی المان. سوم، جلوگیری از ورود خوراک به فضای خالی مابین المان و داخل دیواره­ ی محفظه­ی تحت فشار(Bypass)؛ اتصال پوسته­ی فایبرگلاسی و endcap از این رخداد جلوگیری می­ کند.چهارم، در برخی موارد این تجهیز به صورتی طراحی شده است که بتواند المان­ها را به یکدیگر متصل کرده(فناوری iLEC شرکت دوپونت) و جریان­های تصفیه شده هر المان را یه یکدیگر وصل کند.

endcap

اندکپ

انواع ممبران اسمز معکوس

ممبران­ های فرایند اسمزمعکوس براساس آبی که تصفیه می­کنند به چندین گروه تقسیم می­گردند.اما مهمترین نوع این ممبران­ها، ممبران­های آب لب­شور و ممبران­های آب دریا می­باشند. در جدول زیر دو ممبران پرکاربرد شرکت فیلمتک به طور خاص مقایسه شده ­اند.

ممبران­­ های HR(High Rejection) برند فیلمتک میزان درصد جداسازی بیشتری نسبت به ممبران ­های معمول مانند ممبران BW30-400 دارند. همچنین اگر ممبرانی LE(Low Energy) باشد، به این معناست که با مصرف انرژی کمتر (برای ممبران BW مصرف حدودا 33 درصد فشار کمتر) می­توان به درصد جداسازی و تصفیه مناسب دست یافت. اما اگر HR و LE با یکدیگر همراه شوند، به دلیل مصرف انرژی (فشار) کمتر، میزان جداسازی و تصفیه ممبران نسبت به المانی که فقط HR باشد، کمتر است. می ­بایست خاطر نشان کرد که با افزایش سطح فعال یک ممبران، میزان جریان تصفیه شده خروجی از آن نیز افزایش می ی­ابد.

خواصممبران BW30HRLE-440ممبران SW30HRLE-400
محدوده کل مواد جامد محلول (TDS) تحت پوشش (میلی گرم بر لیتر)50-12,0008,000-50,000
مساحت سطح فعال (فوت مربع)440400
درصد حذف نمک (%)99.399.8
فلاکس جریان تصفیه شده (مترمکعب در روز)4828
حداکثر میزان فشار عملیاتی (بار)4183
حداکثر میزان دما عملیاتی (درجه سانتی گراد)4545
حداکثر میزان جریان خوراک (مترمکعب بر ساعت)1716
حداقل میزان جریان شورابه (مترمکعب بر ساعت)33
حداکثر میزان بازیابی (Recovery) المان (%)1519
ضخامت جداکننده جریان خوراک (میلی متر)2828
حداکثر افت فشار المان (بار)11

عوامل تاثیرگذار بر عملکرد ممبران و فرایند اسمزمعکوس

فلاکس جریان تصفیه شده (نرخ جریان تصفیه شده ­ی انتقال یافته بر واحد مساحت ممبران) و میزان عدم پذیرش نمک، پارامترهای کلیدی در عملکرد فرایند اسمزمعکوس می­ باشند. فلاکس و میزان عدم پذیرش یک سیستم غشایی عمدتا تحت تاثیر شرایط ذیل هستند:

فشار

با افزایش فشار موثر خوراک، میزان مواد جامد محلول در جریان تصفیه شده کاهش می­ یابد. این در حالی است که فلاکس جریان آب شیرین روندی افزایشی در پیش خواهد داشت.

تاثیر گذاری فشار بر عملکرد ممبران

دما

اگر دما افزایش یابد و دیگر عوامل ثابت نگاه داشته شوند، فلاکس جریان آب شیرین و میزان عبور نمک افزایش می ­یابند.

تاثیر گذاری دما بر عملکرد ممبران

درصد بازیافت یا ریکاوری

درصد آب خوراکی که به صورت تصفیه شده از یک ممبران یا سیستم غشایی خارج می­ گردد را ریکاوری یا بازیابی گویند. در صورت افزایش ریکاوری، فلاکس جریان آب شیرین کاهش یافته و در صورت رسیدن غلظت نمک به حدی که فشار اسمزی جریان شورابه با میزان فشار خوراک برابر شود، جریان آب شیرین متوقف خواهد شد.

تاثیر گذاری ریکاوری بر عملکرد ممبران

غلظت نمک در آب خوراک

در شکل زیر تاثیر غلظت نمک جریان خوراک بر فلاکس جریان آب شیرین و عدم پذیرش ممبران مشخص شده است. با افزایش شوری خوراک، فلاکس و درصد حذف نمک کاهش می یابد. 

تاثیر گذاری نمک جریان خوراک بر عملکرد ممبران

برخی عوامل دیگر نیز بر روی عملکرد ممبران تاثیر می­ گذارند، اما به صورت مستقیم دیده و حس نمی ­شوند، مانند نگهداری و بهره­ برداری دستگاه و طراحی فرایندهای پیش تصفیه مناسب. جدول زیر خلاصه­ ای از تاثیرگذاری عوامل عملیاتی بر روی عملکرد ممبران نشان داده شده است:

افزایشجریان آب شیرینعبور نمک (Salt Passage)
فشار موثرافزایشکاهش
دماافزایشافزایش
ریکاوریکاهشافزایش
غلظت نمک جریان خوراککاهشافزایش

 

گرفتگی و احیا ممبران اسمز معکوس

گرفتگی و احیا ممبران اسمز معکوس

حضور برخی مواد در خوراک ورودی به ممبران و شرایط نامساعد بهره ­برداری منجر به گرفتگی ممبران می­شود. کاهش جریان تصفیه شده، افزایش اختلاف فشار و آسیب دیدن ممبران­ ها از نتایج این رخداد می ­باشد. گرفتگی در ممبران­ ها بسیار متنوع بوده و به طور کلی به چهار دسته­ ی رسوب­ گرفتگی (Scaling) (در اثر حضور کلسیم کربنات، کلسیم سولفات، سیلیکا، کلسیم فلوراید، باریم سولفات، استارنسیم سولفات و کلسیم فسفات)، گرفتگی در اثر مواد کلوییدی، گرفتگی بیولوژیکی و در نهایت گرفتگی در اثر حضور آهن، منگنز یا آلومینیوم در آب خوراک تقسیم می ­گردند.

در هنگام طراحی فرایند اسمزمعکوس، برای جلوگیری از رخ دادن گرفتگی، می ­بایست از سیستم­ های پیش تصفیه مانند فیلتر­های کربنی و شنی، اشعه ماوراء بنفش، اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون، لخته ­سازی، منعقدسازی، فیلترهای کارتریج، کلرزنی یا مواد بازدارنده­ی رسوب ­گرفتگی(Antiscalants) استفاده نمود. طبق دستورالعمل فنی شرکت فیلمتک، برای افزایش طول عمر ممبران و جلوگیری از گرفتگی آن، مشخصات آب ورودی به آن­ها به شرح ذیل است. طبق دستورالعمل فنی شرکت فیلمتک، برای افزایش طول عمر ممبران و جلوگیری از گرفتگی آن، مشخصات آب ورودی به آن­ها به شرح ذیل است:

ترکیبواحدحداکثر میزان
SDI (Silt Density Index)15
MFI0.45 (Modified Fouling Index)14
روغن و گریسمیلی گرم بر لیتر0.1
مجموع کربن آلی (TOC)میلی گرم بر لیتر3
اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD)میلی گرم بر لیتر10
AOC (Assimilable Organic Carbon)
µg/l Ac-C10
سرعت شکل گیری فیلم بیولوژیکی (BFR)ρg/cm2 ATP5
کلر آزاد میلی گرم بر لیتر0.1
آهن (II)میلی گرم بر لیتر4
آهن (III)میلی گرم بر لیتر0.05
منگنزمیلی گرم بر لیتر0.05
آلومینیوممیلی گرم بر لیتر0.05

 

افت فشار زیاد

کاهش فشار مابین جریان ورودی و جریان خروجی یک سیستم ممبرانی، محفظه تحت فشار یا المان را افت فشار گویند. اختلاف فشار زیاد (p∆ یا افت فشار از خوراک تا جریان شورابه)، یک مشکل در حین عملیات سیستم است؛ زیرا پروفیل فلاکس به گونه ­ای در سطح سیستم پخش شده است که المان ­های ابتدایی فلاکس بسیار زیادی را تحمل کرده و المان­ های انتهایی، فلاکس بسیار پایینی را از خود عبور می ­دهند. افزایش فشار جریان خوراک به معنای مصرف انرژی بیشتر می ­باشد. اختلاف فشار زیاد در جهت جریان قسمت گذرنده­ی خوراک انرژی بسیار زیادی تولید می­ کند؛ این انرژی می­ بایست توسط لوله­ ی جمع کننده جریان آب شیرین و پوسته­ ی فایبرگلاسی تحمل شود. بیشترین فشار وارد بر آخرین المان هر محفظه می ­گردد، زیرا می ­بایست مجموع نیروهایی که به دلیل افت فشار در المان های پیشین تولید شده را تحمل کند.

بالاترین حد افت فشار در یک محفظه­ ی چند المانه 3.5 بار و در یک المان فایبرگلاسی 1 بار می­باشد. اگر شرایط عملیاتی به گونه شود که حتی برای مدت کوتاهی فشار از مقادیر مذکور بیشتر گردد، به ممبران­ ها آسیب­ هایی چون تلسکوپی شدن یا آسیب­ های مکانیکی وارد می­گردد. در نتیجه ­ی افت فشار شدید المان­ های هشت اینچی پوسته­ فایبرگلاسی دچار شکستگی می شود، endcap از جایگاه خود خارج شده یا اسپوک­های (Spokes) این تجهیز خواهد شکست. ممکن است جداکننده آب خوراک از طریق کانال جریان شورابه به بیرون رانده شود. این رخداد­ها به آسانی قابل رویت هستند، اما معمولا به طور مستقیم عملکرد ممبران را تحت تاثیر قرار نمی دهند. هرچند، آن­ها نشانگر افزایش بیش از حد اختلاف فشار در سیستم می­ باشند. ترک­ های ایجاد شده بر روی endcap موجب بای ­پاس آب خوراک شده و منجربه گرفتگی و رسوب گرفتگی ممبران­ ها می­ گردد.

علل افزایش و افت فشار

افزایش افت فشار در جریان ثابت عمدتا به دلیل حضور مواد جامد ریز، فولینگ یا رسوب گرفتگی در سطح المان­ ها یا در درون لوله­ ی جمع کننده آب شیرین می ­باشد. این رویداد اغلب همراه با کاهش جریان آب شیرین است. همچنین گذر از محدوده ­ی تعیین شده توسط شرکت سازنده ممبران برای میزان جریان خوراک، ورود پر فشار خوراک به ممبران ­ها و در نتیجه وارد آمدن ضربه قوچ به آن­ها نیز باعث ایجاد افت فشار شدید در یک سیستم اسمزمعکوس می ­گردند. آثار این عوامل در صورت حضور فولینگ، به خصوص فولینگ بیولوژیکی، تشدید شده و موجب افت فشارهای بسیار زیادی می­گردند. کوبش آب (Water Hammer)، شوک هیدرولیکی وارده به یک المان ممبران است و زمانی رخ می­دهد که هوای حاضر در سیستم، پیش از راه اندازی از آن خارج نشده باشد.

افت فشار از جریان خوراک تا جریان شورابه نشان­ دهنده میزان مقاومت در برابر جریان هیدرولیکی آب در سطح سیستم است. این فاکتور متکی بر مقدار جریان­ های موجود در کانال­ های جریانی المان و دمای آب می ­باشد. به همین دلیل، شرکت­های سازنده ممبران­ ها توصیه کرده­ اند که مقدار جریان شورابه و آب شیرین در هنگام طراحی و راه­ اندازی ثابت نگه­ داشته شود تا شناسایی و کنترل هرگونه گرفتگی ممبران که موجب افت فشار شده است، آسان گردد. این شرکت­ ها همچنین کنترل افت فشار در طول هر المان و از جریان خوراک تا جریان شورابه را واجب دانسته­ اند.

تاثیر افت فشار بر روی فرایند اسمز معکوس

به طور کلی برخی عوامل به طور عام موجب افزایش اختلاف فشار (افت فشار) در سطح یک المان یا یک سیستم اسمزمعکوس می­ گردند. بای­پاس (Bypass) در کارتریج فیلتر­ها، ورود ذرات فیلتر­های پیش تصفیه (کربنی و شنی) به سیستم اسمزمعکوس، ورود ذرات پلاستیکی از داخل پمپ در نتیجه­ ی فرسایش پره­ های آن، آسیب دیدن واشر­های نصب شده در دو طرف المان­ ها، گرفتگی بیولوژیکی، ته­ نشینی مواد بازدارنده­ی رسوب من جمله این عوامل می­ باشند. معمولا افت فشار در طول یک مدول از ورودی خوراک تا خروجی شورابه مابین 0.3 الی 2 بار متغیر است که این امر بسته به تعداد ممبران­ های به کار رفته، سرعت جریان خوراک و دما دارد.

 

Prepared By: Negin Shahinejad

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.