تآثیر بهبود طراحی ساختار داخلی ممبران بر روی کاهش هزینه های عملیاتی سیستم اسمز معکوس

تصفیه آب به روش اسمز معکوس، کمک شایانی به استفاده از آبهای غیرقابل استفاده و تبدیل آنها به آب با کیفیت نموده که البته این کار با صرف انرژی امکانپذیر است. با توجه به اهمیت بحث مصرف انرژی، اخیراً مطالعات و تحقیقات زیادی درخصوص بهبود طراحی ساختمان داخلی ممبرانها جهت کاهش مصرف انرژی و به دنبال آن کاهش هزینه های عملیاتی سیستمهای اسمز معکوس صورت گرفته است.

اسمز معکوس، نوعی فرآیند تصفیه آب است که در آن عمده املاح و نمکها از جمله کلرید سدیم (نمک طعام) از آب جدا می شود. برای عبور آب ناخالص از غشاء نیمه تراوای ممبران و غلبه به فشار اسمزی، نیازمند پمپ گاهی با فشار بالا خواهیم بود. ممبران های اسمز معکوس معمولاً دارای ساختار حاصل از پیچیده شدن چند لایه روی یکدیگر می باشند. ساختار داخلی ممبران ها از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

- ورقهای ممبران (Flat Sheet Membrane)

- لایه های جمع آوری آب تصفیه شده (Permeate Channel Spacer)

- لایه های ایجاد کننده فضا برای ورود آب تغذیه (Feed Channel Spacer)

در این مقاله، تمرکز ما روی نحوه و بهبود طراحی هندسه المان سوم، یعنی feed spacerها است.

  feed spacer ها، صفحات مشبکی هستند که بین لایه های ممبران قرار گرفته و با ایجاد فضا، اجازه می دهند تا آب ورودی ضمن عبور از سطح لایه های ممبران، به دو بخش آب تصفیه شده (Permeate) و آب با غلظت آلایندگی بالاتر (Concentrate Water) تقسیم شود. در شکل زیر، می توانید ساختار عمومی ممبران ها را مشاهده کنید:

معیارهای مهم در طراحی feed spacer، عباتند از:

- افت فشار: در طراحی feed spacer، می بایست تعادل بهینه ای بین ایجاد اغتشاش در جریان ورودی و افت فشار اصطکاکی وجود داشته باشد.

- صدمه دیدگی ممبران حین پیچیده شدن این صفحات به دور هم

- رسوب گرفتگی در حین کارکرد ممبران

- صافی سطح feed spacer

افت فشار، تأثیر مستقیمی روی میزان مصرف انرژی سیستم اسمز معکوس دارد. در نظر داشتن نقطه بهینه تعادل برای ایجاد اغتشاش در جریان ورودی و افت فشار اصطکاکی و تلاش برای حداقل کردن افت فشار، باعث پیشرفت هایی در ساخت شبکه بکار رفته در feed spacer ها شده است که در ادامه این مقاله، به بررسی این موارد خواهیم پرداخت.

feed spacerها از مواد پلیمری ساخته می شوند. ساختار شکل سطح مقطع feed spacer در ممبران را می توان مطابق شکل زیر در نظر گرفت:

فضای ایجاد شده توسط feed spacer بین هر دولایه ممبران، حدود 0.7 تا 0.86 میلیمتر است. البته با توجه به قطر الیاف feed spacer و نحوه قرارگیری آنها (مانند آنچه در شکل نشان داده شده است)، سطح مقطع واقعی برای ورود آب تغذیه بین ممبرانها، کمتر از این عدد خواهد بود.

feed spacer از مقدار زیادی الیاف  رشته های دووجهی تشکیل شده است. این نوع طراحی دو وجهی، باعث میشود تا آب ورودی به ممبران، از اطراف و بالاو پایین این رشته ها عبور کرده و اغتشاش (Turbulence)  لازم در جریان به وجود بیاید. ایجاد اغتشاش در جریان، موضوعی است که برای طراحی ممبران، مطلوب است. در ادامه به دلیل این موضوع خواهیم پرداخت.

نیاز به ایجاد اغتشاش در جریان، از وجود پدیده ای بنام قطبی شدن غلظتی (Concentration Polarization) نشأت می گیرد. در تصفیه آب به روش اسمز معکوس،  بخشی از آب ورودی ضمن عبور از سطح ممبران تصفیه شده و به سمت دیگر آن می رود  و نمک ها و املاح در سمت دیگر باقی می مانند. در نتیجه به مرور زمان، روی یکی از سطوح ممبران  غلظت آب دارای املاح  بالاتر رفته و اثربخشی ممبران کاهش می یابد. به این پدیده،  Concentration Polarization گفته می شود. برای جلوگیری از این موضوع، سعی می کنیم تا توسط feed spacer همواره مقداری اغتشاش در جریان بوجود بیاید تا آب با غلظت املاح بالا به سطح ممبران نچسبیده و ممبران عملکرد بهتری داشته باشد. اما باید تو جه داشت که ایجاد اغتشاش در جریان توسط feed spacer علیرغم تأثیر مثبت آن از جهت غلبه بر پدیده فوق، باعث افزایش افت فشار اصطکاکی در جریان آب می شود. لذا برای طراحی مناسب شبکه های feed spacer، می بایست نقطه تعادل بهینه ای بین ایجاد اغتشاش و افت فشار اصطکاکی بوجود بیاید.

پس از تحقیقات و آزمایشات گسترده و مدلسازی هیدرولیکی، بهترین شکل رشته های feed spacer برای استفاده در ممبرانهای اسمز معکوس، بصورت شبکه های دوبعدی مربعی و یا متوازی الاضلاعی طراحی شد. این feed spacer  ها  طوری در ممبران قرار می گیرند که با جریان ورودی زوایه ای حدود 45 درجه تشکیل دهند.

این نوع طراحی، بهینه ترین حالتی است که هم باعث ایجاد اغتشاش لازم در جریان ورودی شده و هم حداقل افت فشار اصطکاکی را به همراه دارد. سه نوع شکل شبکه ای طراحی شده با مشخصات فوق را می توانید در شکل زیر مشاهده کنید:

برای افزایش طول عمر سیستمهای تصفیه آب اسمز معکوس و همینطور عملکرد مناسب آنها، لازمست تا آب ورودی به ممبران دارای کمترین میزان ذرات معلق باشد. اگر feed spacer اطراف لایه های ممبران تمیز بوده و دارای گرفتگی ناشی از ذرات معلق موجود در آب نباشد، به ازای هر واحد ممبران حدود 0.1 تا 0.2 بار افت فشار خواهیم داشت. در سیسمتهای تصفیه آب اسمز معکوس صنعتی، ممبرانهای اسمز معکوس در داخل محفظه های تحت فشار (Pressure Vessel) قرار دارند.  هر محفظه تحت فشار معمولاً دارای شش تا هشت المان ممبران اسمز معکوس است که بطور سری در حال کار کردن هستند. بنابراین، مجوع افت فشار در کل یک محفظه تحت فشار بین 0.6   تا 1.5 بار خواهد شد. اگر آب تغذیه سیستم اسمز معکوس، از نوع آب نمک Brackish  (بین 500 تا 30,000 ppm) باشد، معمولاً تصفیه در دو مرحله محفظه تحت فشار انجام شده و در این حالت، مجموع افت فشار حدوداً بین 1.5 تا 3 بار خواهد بود.

میزان افت فشار در یک سیستم اسمز معکوس، مستقیماً روی مصرف انرژی سیستم تأثیرگذار است. هر یک بار افت فشار، معادل مصرف 0.025 کیلوات ساعت انرژی بیشتر به ازای هر متر مکعب آب تصفیه شده تولیدی است.

برای اینکه از بین سه نوع طراحی feed spacer نشان داده شده، بهترین حالت آن انتخاب شود نیز آزمایشات زیاد و متنوعی انجام شده است. در قدم اول این تحقیقات، هر سه مدل ارائه شده، مورد بررسی، شبیه سازی و محاسبات دینامیک سیالات (CFD) دقیق قرار گرفتند تا میزان ایجاد اغتشاش جریان و نیز افت فشار هر کدام آنها دقیقاً مشخص شود. خلاصه این محاسبات در شکل زیر نشان داده شده است:

همانطور که در شکل فوق مشخص است، feed spacer های مدل   Alternating Strands Design (ASD)  بهینه ترین نوع طراحی در بین این سه مدل بوده و بهینه ترین حالت ایجاد اغتشاش در جریان و افت فشار را دارا می باشد.

در مرحله بعدی، آزمایشات واقعی روی نمونه های تولید شده از هر سه مدل صورت گرفت. feed spacer های تولید شده واقعی در شرایط مختلف دبی آب ورودی، زمان و حتی میزان رسوب مختلف مورد آزمایش قرار گرفته و نتیجه آزمایشات عملی هم، نتایج محاسبات انجام شده در مرحله قبل را تأیید کردند. به عنوان مثال، نتایج میزان افت فشار در دبی 20 لیتر بر ساعت آب ورودی برای انواع feed spacer ها در شکل زیر نشان داده شده است:

ممبران های با feed spacer های نسل جدید مدل Alternating Strands Design (ASD) ، کمترین افت فشار را نسبت به سایر انواع feed spacer ها از خود نشان داده اند. آزمایشات انجام شده، حاکی از آن است که این ممبران ها توانسته اند حدود 0.05 تا 0.15 بار افت فشار کمتری نسبت به سایر انواع ممبران ها ایجاد کنند. این میزان از کاهش افت فشار یعنی حدود 5% کاهش در مصرف انرژی. علاوه بر این، نسل جدید مدل Alternating Strands Design (ASD) ، الگوی جریان عبوری را نیز بهبود داده و فضای کمتری برای عبور آب از آن مورد نیاز است. این کاهش فضا، باعث کاهش امکان رسوب گذاری در ممبران شده و باعث افزایش طول عمر و کاهش نیاز به تمیز کردن و شستشوی ممبران ها نیز خواهد شد.

جمعبندی

ساختار هندسی feed spacerها تأثیر زیادی روی افت فشار و سایر پارامترهای مهم عملکردی ممبران دارد. ممبران های با feed spacer مدل ASD  نسبت به سایر انواع ممبران دارای افت فشار کمتری هستند. صرفه جویی ناشی از استفاده از این نوع ممبران، حدود 0.1 بار برای هر المان ممبران و معادل حدود 5% کاهش مصرف انرژی در کل سیستم تصفیه آب اسمز معکوس است. علاوه بر این، نسل جدید feed spacer های مدل ASD، امکان ایجاد برخی دیگر از بهبودهای فرآیندی از جمله کاهش سطح جریان و به تبع آن کاهش احتمال رسوبات بیولوژیکی را فراهم آورده است.