مفاهیم و تعاریف پایه آب شیرین کن صنعتی

در این مقاله به توضیح چند تعریف و مفهوم اساسی و بنیادین که در طراحی دستگاه های آب شیرین کن صنعتی اسمز معکوس (RO) مورد استفاده قرار می گیرند، پرداخته می شود. توجه به این مفاهیم و تعاریف و استفاده صحیح از آنها در طراحی یک دستگاه آب شیرین کن RO، تأثیر قابل توجهی بر روی عملکرد آن خواهد داشت.

ظرفیت آب شیرین کن

ظرفیت آبدهی آب شیرین کن بر اساس میزان تولید آب تصفیه شده خروجی دستگاه در یک بازه زمانی مشخص است. به عنوان مثال، منظور از دستگاه آب شیرین کن 5 متر مکعب در روز، دستگاهی است که آب تصفیه شده (Permeate) خروجی آن در شبانه روز، 5 متر مکعب است. میزان آب پساب و آب خام ورودی به دستگاه معمولاً به صورت پیش فرض در مشخصات ظرفیت دستگاه نیامده و در صورت نیاز و با دانستن مقدار بازیافت (Recovery) در مشخصات فنی و اسناد طراحی تکمیلی آب شیرین کن قابل ارائه خواهد بود.

در برخی موارد، مقدار آب خروجی آب شیرین کن در شبانه روز با مقدار ظرفیت نامی دستگاه تفاوت دارد. اختلاف ظرفیت واقعی و نامی آب شیرین کن می تواند به دلایل مختلفی از جمله افت کیفیت آب خام ورودی به دستگاه و یا کاهش دمای آب ورودی باشد.

بازیافت (Recovery)

مفهوم "بازیافت" در دستگاه آب شیرین کن به معنای نسبت دبی آب تصفیه شده خروجی به دبی آب ورودی بخش اسمز معکوس است. معمولاً بازیافت آب شیرین کن ها در بازه بین 50% تا 85% بوده و عمده آب شیرین کن ها با فرض بازیافت 75% طراحی می شوند. لازم به ذکر است که بازیافت هر ممبران مارپیچی حدوداً بین 10% تا 15% می باشد.

بازیافت 75% به این معناست که به ازای هر 100 متر مکعب در شبانه روز آب وروی به آب شیرین کن حدود 75 متر مکعب در شبانه روز تصفیه شده و 25 متر مکعب در شبانه روز بصورت پساب از سیستم خارج می شود.  

فرمول محاسبه بازیافت بصورت زیر است:

که در آن:

- Recovery: بازیافت

- Permeate Flow: دبی آب تصفیه شده خروجی

- Feed Flow: دبی آب خام ورودی به آب شیرین کن

در بازیافت 75% مقدار پساب حدود ¼ مقدار آب ورودی است. اگر فرض شود که ممبران قادر به جلوگیری از عبور تمامی املاح (TDS) کل موجود در آب باشد، این بدان معناست که در بازیافت 75% کل میزان TDS آب در ¼ حجم آب در پساب تجمع پیدا کرده و بدین ترتیب، غلظت املاح در پساب 4 برابر غلظت آن در آب ورودی خواهد بود. البته فرض عدم عبور مطلق املاح از ممبران، فرضی غیر دقیق است که تنها برای روشن شدن موضوع بیان شده است.

در اینجا مفهومی به نام "فاکتور تغلیظ" (Concentration Factor) تعریف می شود. فاکتور تغلیظ بر عکس بازیافت بوده و بیانگر نسبت املاح موجود در پساب به املاح آب خام ورودی است. در مثال ارائه شده با بازیافت 75%، فاکتور تغلیظ برابر 4 بود. به همین ترتیب، در بازیافت 50% میزان غلظت املاح در پساب یا همان فاکتور تغلیظ معادل 2 خواهد شد. آشنایی با مفهوم فاکتور تغلیظ از آنجایی مهم است که نشاندهنده احتمال رسوب گذاری و یا گرفتگی در بخش پساب ممبران را نشان می دهد.

جدول زیر نشاندهنده رابطه بازیافت (Recovery) و فاکتور تغلیظ (Concentration Factor) می باشد:

جدول شماره (1) – رابطه "بازیافت" و "فاکتور تغلیظ"

با توجه به مطالب و مثال فوق می توان به این نتیجه رسید که افزایش بازیافت آب شیرین کن باعث کاهش دبی پساب از یک سو و کاهش کیفیت و خلوص آب تصفیه شده خروجی از سوی دیگر می شود. برای فهم بهتر موضوع می توان از شکل زیر استفاده نمود:

شکل شماره (1) – تغییر غلظت املاح در آب تصفیه شده و پساب تابعی از بازیافت

در این مثال، فرض شده است که میزان TDS آب ورودی به آب شیرین کن معادل 100 ppm بوده و ممبران اجازه عبور 2% املاح را می دهد. در ابتدای ممبران که مقدار بازیافت صفر است، مقدار املاح در سمت آب ورودی ممبران 100 ppm و در سمت آب تصفیه شده 2 ppm می باشد. به تدریج و ضمن عبور آّب از ممبران و افزایش بازیافت تا 50% مقدار TDS در سمت آب ورودی به 200 ppm و در سمت آب تصفیه شده به 4 ppm می رسد. در انتهای ممبران که مقدار بازیافت به 75% می رسد، مقدار TDS در بخش آب ورودی به 400 ppm و در قسمت آب تصفیه شده به 8 ppm می رسد. بنابراین مشاهده می شود که افزایش بازیافت باعث کاهش خلوص آب تصفیه شده خروجی آب شیرین کن شده است.

مقدار بازیافت در دستگاه آب شیرین کن اسمر معکوس (RO) مقداری مشخص و از ویژگی های ممبران نیست. بلکه این طراح دستگاه آب شیرین کن است که می بایست با توجه به انتخاب بین کاهش مقدار دبی آب پساب از یک طرف و کاهش کیفیت آب تصفیه شده خروجی از طرف دیگر، مقدار بازیافت را تعیین نموده و نسبت به طراحی آب شیرین کن اقدام نماید.

مقدار بازیافت دستگاه در حین کارکرد آب شیرین کن توسط شیر کنترلی قرار گرفته روی خط پساب دستگاه قابل تنظیم است (شکل شماره 2). کم کردن جریان پساب توسط این شیر باعث ایجاد فشار روی بخش آب ورودی و پساب ممبران شده و به تبع آن میزان آب تصفیه شده و بازیافت دستگاه افزایش پیدا می کند.

شکل شماره (2) – شیر کنترلی قرار گرفته روی مسیر پساب دستگاه آب شیرین کن

همانطور که گفته شد، میزان بازیافت دستگاه آب شیرین کن توسط طراح دستگاه تعیین می شود. افزایش بازیافت دستگاه به بیش از مقدار تعیین شده، علاوه بر افت کیفیت آب تصفیه شده باعث افزایش احتمال رسوب و گرفتگی ممبران می شود. زیرا در این حالت حجم آب بخش پساب در ممبران کاهش پیدا کرده و توان شستشو و تمیز کردن سطح ممبران توسط جریان آب کاهش می یابد. از طرف دیگر، کاهش مقدار بازیافت از حد تعیین شده، تأثیر منفی بر روی رسوب و گرفتگی ممبران نداشته، اما باعث افزایش حجم پساب و هدررفت آب از دستگاه آب شیرین کن خواهد شد.   

ممانعت عبور نمک (Salt Rejection)

مفهوم ممانعت (Rejection) نشانگر میزان توانایی ممبران برای جلوگیری از عبور املاح است. به عبارتی بیان کننده درصد املاحی است که در یک طرف غشاء ممبران مانده و به سمت دیگر نفوذ نمی کنند. به عنوان مثال، ممانعت عبور سیلیس به مقدار 98% به این معنی است که ممبران قادر به حفظ 98% مجموع سیلیس موجود در آب ورودی بوده و تنها 2% سیلیس امکان عبور از غشای ممبران را دارد.

میزان ممانعت هر نوع  املاح بر اساس فرمول زیر تعریف می شود:

که در آن:

- Rejection: ممانعت عبور یون مد نظر

- Cf: غلظت یون مد نظر در آب ورودی

- Cp: غلظت یون مد نظر در آب تصفیه شده

البته نکته ظریفی که اینجا وجود دارد، این است که برای محاسبه دقیق فرمول فوق می بایست بجای غلظت یون در آب ورودی (Cf)، میانگین غلظت یون در آب ورودی و پساب که در یک سمت ممبران هستند محاسبه و در فرمول قرار داده شود.

مفهوم میزان عبور نمک (Salt Passage) دقیقاً متضاد ممانعت (Rejection) بوده و با یکی از دو فرمول زیر محاسبه می شود:

برای تحلیل میزان عبور و یا ممانعت املاح از ممبران هم می توان از فرمول "ممانعت" و هم "عبور نمک" استفاده نمود. میزان ممانعت ممبران از عبور یک یون خاص، به ویژگی های آن یون و نوع ممبران بستگی دارد.

جدول زیر نشاندهنده میزان ممانعت عبور ممبران برای انواع مختلف یونها برای عموم ممبرانهای اسمز معکوس کامپوزیتی پلی آمیدی است که در دستگاه های آب شیرین کن مورد استفاده قرار می گیرند:

جدول شماره (2) – میزان ممانعت عبور ممبران برای انواع مختلف یونها

میزان بار الکتریکی یون موجود در آب نقش مهمی در ممانعت ممبران از عبور آن ایفا می کند. میزان ممانعت ممبران از عبور یونهای با بار الکتریکی چند ظرفیتی (multivalent) نسبت به یونهای تک ظرفیتی (mono-valent) بیشتر است.

علاوه بر بار الکتریکی، ویژگی های دیگری نیز مربوط به نوع یون است که در ممانعت ممبران از عبور آنها تأثیرگذار است که مهمترین آنها به این شرح می باشند:

- درجه تجزیه (Degree of Dissociation): بصورت کلی، هر چه تجزیه یونها بیشتر باشد، ممانعت عبور آنها از ممبران بیشتر می شود. به عنوان مثال، ممانعت ممبران در برابر عبور اسید ضعیف در مقادیر بالاتر pH بهتر و مؤثرتر است.

- وزن مولکولی (Molecular Weight): بصورت کلی، هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد، ممانعت عبور یون توسط ممبران بهتر انجام می گیرد. به عنوان مثال ممانعت عبور کلسیم کمی بهتر از منیزیم در ممبران است.

-  قطبیت (Polarity): قطبیت یکی از ویژگی های ملکول است که تابع شکل هندسی اتمها و بار پیوند اتمهای آن است. به صورت کلی، هر چه قطبیت یک مولکول بیشتر باشد، ممانعت ممبران از عبور آن کمتر خواهد بود. به عنوان مثال، ممانعت ممبران از عبور مواد آلی بیشتر از مولکول آب است.  

- تمایل ترکیب با آب (Degree of Hydration): عموماً هرچه میزان تمایل ترکیب با آب یک ماده بیشتری باشد، ممانعت ممبران از عبور آن بیشتر خواهد بود. به عنوان مثال، ممانعت ممبران از عبور یون کلراید بیشتر از یون نیترات است. 

نکته دیگری که در این خصوص وجود دارد، رفتار ممبران در عبور گازها است. ممانعت عبور گاز توسط ممبران 0% است. این بدان معناست که گازها بصورت کامل می توانند از ممبران عبور کرده و غلطت آنها در دو سمت ممبران یعنی آب تصفیه شده در یک سمت و آب ورودی و پساب در سمت دیگر یکسان است.

گازهای اصلی که معمولاً در آب شیرین کن ها وجود داشته و از ممبران کامل عبور می کنند، عبارتند از گاز "دی اکسید کربن" و "کلر آزاد" که ممکن است برای ضدعفونی آب وروی استفاده شده باشد.

در آب خام ورودی دستگاه های آب شیرین کنی که در بازه pH نزدیک به خنثی کار می کنند، معمولاً مقداری گاز دی اکسید کربن وجود دارد. از آنجائیکه ممبران مانع عبور گازها نمی شود، گاز دی اکسید کربن در آب تصفیه شده و پساب نیز وجود خواهد داشت.

اگر آب تصفیه شده خروجی ممبران در مرحله بعدی وارد ستون رزین جهت فرآیند دیونیزاسیون شود، گازی دی اکسید کربن محلول روی سطح رزین های آنیونی قرار گرفته و جلوی تبادل یون کافی بین رزین و سایر آنیونها گرفته می شود. برای جلوگیری از این اتفاق، در این موارد در آب ورودی مقداری هیدروکسید سدیم (NaOH) تزریق می شود تا با افزایش pH موجب تبدیل دی اکسید کربن به یون "بی کربنات" شود. یون بی کربنات بر خلاف دی اکسید کربن که کاملاً از ممبران عبور می کند، نمی تواند از غشاء ممبران عبور نماید. البته تزریق هیدروکسید سدیم در این سیستم ها می بایست پس از عبور آب از سختی گیر رزینی انجام گیرد. سختی گیر رزینی باعث حذف یونهای کلسیم و منیزیوم و باریم از آب می شود. در صورت عدم حذف این یونها و تزریق هیدروکسید سدیم و تشکیل یون بی کربنات،  رسوب گذاری شدیدی روی ممبران ها اتفاق خواهد افتاد.  

یکی دیگر از موارد مناسب برای تزریق هیدروکسید سدیم، بین مراحل یک و دو دستگاه های آب شیرین کن دو مرحله ای است. سختی آب پس از عبور از مرحله اول کاهش پیدا کرده و پس از تزریق هیدروکسید سدیم پیش از ورود به مرحله دوم و تبدیل دی اکسید کربن به بی کربنات، عملاً دیگر اثری از گاز دی اکسید کربن در آب تصفیه شده خروجی مرحله دوم نخواهد بود.

با توجه به عبور گاز دی اکسید کربن از ممبران، مقدار Ph آب تصفیه شده از مقدار Ph آب ورودی کمتر است (در صورتیکه Ph آب ورودی کمتر از 9 باشد). دلیل این موضوع به عدم یکسان بودن نسبت گاز دی اکسید کربن و بی کربنات در دو سمت غشاء ممبران برمی گردد.

گرفتگی (Scaling)

گرفتگی ممبران در نتیجه ته نشینی ذرات معلق، مواد آلی و یا میکروارگانیسم ها روی سطح ممبران که آب ورودی و پساب در آن جریان دارند، اتفاق می افتد.

گرفتگی ممبران معمولاً ناشی از مواد زیر است:

- ذرات معلق (Suspended Materials) مانند رس و ماسه و ذرات کربن

بیشترین گرفتگی ناشی از ذرات معلق در ممبران نخستین آرایه آب شیرین کن ایجاد می شود.

- کلوئیدها (Colloids) مانند سیلیکات آلومینیوم و سیلیکات آهن. سیلیس (SiO2) معمولاً در حضور یونهای فلزی مانند کلسیم، آلومینیوم و آهن در غلظت های کمتر از حد اشباع هم رسوب می کند و تشکیل مواد کلوئیدی می کند.  

- مواد آلی (Organics) مانند روغن، هیدروکربن ها و مواد حاصل از فساد گیاهان که مواد مغذی را برای میکروارگانیسم ها فراهم می آورند.

گرفتگی ناشی از مواد آلی به دلیل آب گریز بودن و تمایل ذاتی به سطح غشاء، بدترین نوع گرفتگی را ایجاد می کند.

- میکرو ارگانیسم ها (Microbes) مانند باکتری، جلبک، قارچ و مواد حاصل از متابولیسم آنها

میکروارگانیسم ها در جایی که غذا برای آنها وجود داشته باشد، شروع به رشد کرده و با ایجاد بیوفیلم موجب ایجاد گرفتگی در سطح ممبران می شوند.

- رنگ (Color) که با چسبیدن به سطح پلیمری ممبران باعث افت دائمی جریان آب تصفیه شده می شود.

- فلزات (Metals) مانند اکسید آهن و منگنز، آلومینیوم ناشی از تزریق بیش از حد سولفات آلومینیوم به آب های تصفیه شده شهری و سطحی، سولفید هیدروژن ناشی از ترکیبات آهن و گوگرد و اکسیداسیون آنها و سایر مواد فلزی چسبنده به سطح ممبران که جدا کردن آنها با دشواری همراه است.

شکل شماره (3) – انواع گرفتگی ممبران

جدول زیر نشاندهنده مقادیر مجاز کیفیت آب جهت به حداقل رساندن گرفتگی در ممبران می باشد:

جدول شماره (3) – مقادیر مجاز کیفیت آب جهت به حداقل رساندن گرفتگی در ممبران

گرفتگی ممبران باعث ایجاد دو مشکل عملکردی مهم در آب شیرین کن می شود:

- افزایش فشار کاری (برای جبران افت تولید آب ناشی از گرفتگی ممبران)

- افزایش افت فشار

با تجمع تدریجی مواد  بر روی سطح ممبران، لایه ای تشکیل می شود که باعث مقاومت بیشتر در برابر عبور آب از آن می شود (شکل زیر). وجود این لایه موجب میشود تا برای عبور آب از ممبران به فشار بالاتری نیاز بوده و همچنین افت فشار بیشتری هم ضمن عبور آب از ممبران به وجود بیاید.   

شکل شماره (4) – تشکیل لایه سطحی در گرفتگی ممبران و ایجاد مانع برای عبور آب از ممبران

افزایش افت فشار در ممبران به دلیل گرفتگی به تدریج باعث ایجاد نیروی محوری بر سطح ممبران شده و امکان تخریب ممبران را افزایش می دهد. این فشار می تواند باعث ایجاد ترک روی سطح ممبران و یا تلسکوپی شدن ممبران شود. (شکل زیر)

شکل شماره (5) – ایجاد ترک روی پوسته ممبران و تلسکوپی شدن ممبران در اثر نیروی وارده ناشی از گرفتگی

گرفتگی، بیشتر در ممبران های ابتدایی آب شرین کن که زودتر از بقیه در معرض آب ورودی قرار می گیرند، اتفاق می افتد. البته گرفتگی میکروبی از این موضوع استثنا است. تشکیل، تجمع و رشد میکروب ها و به تبع آن تشکیل میکروفیلم بیولوژیکی در هر نقطه ای از ممبران ها که شرایط آن مناسب باشد، ممکن است اتفاق بیفتد.

موضوع گرفتگی ممبران می بایست بسیار و به دقت مورد توجه قرار داشته باشد. بروز گرفتگی در ممبران ممکن است باعث مشکلات عدیده و حتی دائمی روی ممبران شود.

رسوب گذاری (Scaling)

رسوب گذاری در نتیجه ته نشینی نمک های اشباع شده روی سطح ممبران اتفاق می افتد. رسوب گذاری معمولاً شامل علل زیر است:

- رسوبات ترکیبات کلسیمی از جمله کربنات، سولفات، فلوراید و فسفات

- سیلیس

- ترکیبات فلزی سولفات از جمله باریم و استرانسیوم

برای جلوگیری و به حداقل رساندن رسوب گذاری روی ممبران، مقادیر مجازی برای برخی پارامترهای شیمیایی آب توصیه شده است که در جدول زیر می توان آنها را مشاهده نمود.

جدول شماره (4) – مقادیر مجاز کیفیت آب جهت به حداقل رساندن رسوب گذاری در ممبران

تشکیل رسوب بر روی ممبران، سه مشکل عملکردی مهم در آب شیرین کن به وجود می آورد:

- افزایش فشار کاری (برای جبران افت تولید آب ناشی از گرفتگی ممبران)

- افزایش افت فشار

- کاهش میزان ممانعت عبور نمک

رسوب مانند گرفتگی ممبران باعث تشکیل یک لایه مقاوم بر روی سطح ممبران می شود. لذا برای ثابت ماندن بازده کاری آب شیرین کن لازمست تا فشار بیشتری برای عبور آب از ممبران اعمال شود. افت فشار بیشتر هم به دلیل مقاومت این لایه در برابر جریان محوری است.

کاهش میزان ممانعت عبور نمک (Rejection) به دلیل لایه نمک رسوب کرده بر روی سطح ممبران است. از آنجائیکه میزان عبور نمک از غشاء ممبران تابع تفاوت غلظت نمک در دو سمت غشاء بوده و رسوب نمک بر روی غشاء باعث افزایش شدید غلطت در این لایه مرزی می شود، لذا در این حالت، عبور نمک از ممبران بیش از حالت عادی (بدون رسوب) خواهد بود.

از آنجائیکه رسوب گذاری ممبران پدیده ای از نوع ته نشینی است، این موضوع در ممبران های انتهایی بیشتر مشاهده می شود. زیرا غلظت نمک در ممبران های انتهایی به بیشترین مقدار خود می رسد.

برای بررسی احتمال و میزان رسوب گذاری از شاخص هایی کمی استفاده می شود که در مقالات آینده به آنها پرداخته خواهد شد.