بررسی و شناسایی دلایل افت عملکرد یک سیستم تصفیه آب اسمز معکوس (RO)، گامی مهم برای رفع مشکل و بهبود عملکرد دستگاه است. در این مقاله، ضمن معرفی مهمترین مشکلات عملکردی این سیستم ها، دلایل ریشه ای هر کدام از آنها بررسی خواهد شد.
کاهش عملکرد دستگاه های تصفیه آب RO از جمله کاهش دبی آب تولیدی تصفیه شده، افزایش میزان عبور نمک و افزایش افت فشار، می تواند به دلایل مختلفی از جمله دما، فشار، میزان املاح آب خام، ته نشینی (Fouling) و رسوب گذاری (Scaling) روی ممبران و همچنین تخریب (Degradation) ممبران باشد.
پیش از بررسی این مشکلات، ابتدا لازم است تا یک مفهوم مهم به نام "نرمال سازی" داده ها توضیح داده شود.
نرمال سازی داده ها (Data Normalization)، یک روش برای تحلیل صحیح عملکرد ممبران در دستگاه تصفیه آب است. منظور از عملکرد ممبران، "دبی آب تولیدی"، "میزان حذف نمک" و "افت فشار" است. همانطور که در مقدمه اشاره شد، این پارامترها تابع شرایط کاری مانند دما، فشار، ته نشینی، رسوب گذاری و میزان تخریب ممبران هستند. اما با توجه به اینکه این شرایط کاری دائماُ در حال تغییرند، مقایسه عملکرد ممبران با وضعیت شرایط مرجع بسیار مشکل است.
در نرمال سازی داده های عملکردی ممبران (دبی آب تولیدی، میزان حذف نمک و افت فشار)، این داده ها به نحوی محاسبه می شوند که تأثیر تغییرات شرایط کاری (دما، فشار و غلظت) در آنها خنثی شده و تغییرات داده های عملکردی ممبران تنها با عوامل مربوط به ته نشینی، رسوب گذاری و تخریب ممبران قابل تحلیل باشند.
نرمال سازی داده ها در واقع یک شرایط مرجع دما، فشار و غلظت (که همان شرایط راه اندازی دستگاه بوده) را تعیین کرده و به این ترتیب می توان دلیل تغییرات عملکرد ممبران را بر اساس پدیده های ته نشینی، رسوب گذاری و تخریب ممبران به درستی بررسی نمود.
محاسبه دقیق داده های عملکردی نرمال شده ممبران، توسط فرمول و یا نرم افزارهای مربوطه انجام می شود که در محدوده این مقاله نیست و تیم مسئول بهره برداری سیستم می بایست به صورت منظم این اطلاعات را استخراج و پردازش کنند. بنابراین در ادامه این مقاله، به بررسی دلایل افت عملکردی ممبران در شرایط نرمال شده پرداخته می شود.
دبی آب تولیدی نرمال شده (Normalized Permeate Flow)، تابع فشار متوسط وارده بر ممبران، دما، فشار اسمزی آب خوراک و همچنین فشار اسمزی آب تصفیه شده می باشد. عواملی که باعث کاهش و یا افزایش دبی آب تولیدی می شوند، به شرح زیر می باشند.
سه عامل مهم می تواند باعت کاهش دبی آب تولیدی نرمال شده در دستگاه تصفیه آب RO شود:
- ته نشینی ذرات روی ممبران (Membrane Fouling)
- رسوب گذاری روی ممبران (Membrane Scaling)
- فشرده شدن ممبران (Membrane Compaction)
منظور از Fouling، ته نشینی ذرات معلق، مواد آلی و میکروارگانیسم ها بر روی سطح و یا داخل ممبران (مخصوصاً ممبران های ابتدایی) است. این مواد باعث ایجاد یک لایه بر روی سطح ممبران شده و به عنوان یک مانع اضافه در برابر عبور جریان آب از ممبران عمل می کند. یعنی اگر فشار آب ورودی ثابت باشد، ته نشینی ذرات بر روی ممبران، باعث کاهش دبی آب تصفیه شده تولیدی خواهد شد.
منظور از Scaling، رسوب نمک های اشباع بر روی سطح ممبران (مخصوصاُ در ممبران های انتهایی) است. مانند آنچه در مورد ته نشینی روی ممبران گفته شد، رسوب گذاری نیز باعث ایجاد یک لایه مقاوم در برابر عبور جریان بر روی سطح ممبران شده و دبی آب تولیدی خروجی را کاهش می دهد.
در برخی مواقع، اپراتورهای بهره برداری برای جبران افت دبی آب تولید شده بر اثر ته نشینی و رسوب روی ممبران، فشار پمپ RO را افزایش می دهند تا دبی آب خروجی ثابت بماند. این کار به دو دلیل نادرست است:
1- به مرور زمان و با تجمع و فشرده شدن ذرات و رسوبات نمک بر روی سطح ممبران، ممکن است این مواد حتی با انجام عملیات شستشو نیز از ممبران جدا نشده و احتمال برگشت ناپذیری عملکرد ممبران نیز وجود خواهد داشت.
2- با افزایش تدریجی فشار پمپ، علاوه بر اتلاف انرژی، ممکن است پمپ به نقطه حداکثر فشار کاری خود برسد. از این نقطه به بعد، مجدداً با افزایش میزان گرفتگی ممبران باز هم دبی تولید کاهش خواهد یافت.
بنابراین، تیم بهره برداری می بایست بجای اینکه روند تغییرات دبی آب تولیدی را مبنا قرار دهد، می بایست به تغییرات دبی آب تولیدی نرمال شده توجه داشته باشد.
راه حل: برای رفع گرفتگی ممبران ها، لازمست که عملیات شستشوی ممبران ها در زمانی که شرایط آن به وجود آمده باشد، انجام شود. یکی از شرایطی که انجام شستشوی ممبران در آن الزامی می شود، افت 10% - 15% دبی آب تصفیه تولیدی نرمال شده نسبت به زمان راه اندازی است.
فشرده شدن لایه های ممبران و متراکم شدن آنها در یکدیگر، باعث کاهش دبی آب تولیدی و همچنین کاهش میزان عبور نمک از ممبران می شود. فشرده شدن ممبران معمولاً به دلیل فشار بالای آب خام، دمای بالا و ضربه قوچ (Water Hammer) بوجود می آید. ضربه قوچ در دستگاه های تصفیه RO در زمان روشن شدن پمپ طبقاتی و وجود هوا در بخش ممبران و محفظه های آنها اتفاق می افتد.
اکثر ممبران های آب لب شور (Brackish Water) در صورت بهره برداری مناسب و به مروز زمان، یک میزان حداقلی از فشردگی را خواهند داشت. ممبران های آب دریا (Sea Water) و ممبران های با جنس سلولز استات (Cellulose Acetate) در فشار بالای 500 psig ممکن است دچار فشردگی قابل توجهی شوند.
بدترین شرایط برای ایجاد فشردگی در ممبران، بالا بودن همزمان دما و فشار آب است. بیشترین تأثیرات ناشی از فشردگی ممبران (از جمله کاهش دبی آب تولیدی نرمال شده)، در 200 ساعت کاری اولیه سیستم معمولاً نمایان می شود.
افزایش دبی آب تولیدی نرمال شده معمولاً دو دلیل اصلی دارد:
- تخریب ممبران (Membrane Degradation)
- مشکلات سخت افزاری در سیستم
یکی از دلایل رایج تخریب ممبران و ایجاد شکاف و نشتی در آن، به دلیل از بین رفتن ساختار یکپارچه پلیمر ممبران است. این اتفاق معمولاً به دلیل برخورد مواد اکسید کننده (از جمله کلر، ازن، دی اکسید کلر، آب اکسیژنه و ...) با ممبران اتفاق می افتد. ممبران های ابتدایی بیشتر در معرض این نوع تخریب قرار دارند. زیرا با حجم بیشتری از مواد اکسید کننده در تماس هستند. در بسیاری از موارد، میزان مواد اکسید کننده تا پیش از رسیدن به ممبران های انتهایی، کاهش می یابد.
یکی دیگر از عوامل اکسیداسیون و تخریب ممبران، وجود یون های فلزی مانند آهن و منگنز در آب است. این مواد به عنوان یک کاتالیزور، سرعت فرآیند اکسیداسیون را افزایش می دهند. تفاوت این نوع اکسیداسیون نسبت به نوع قبل این است که در این حالت، نه تنها ممبران های ابتدایی، بلکه کل ممبران ها در معرض این مشکل قرار می گیرند. تخریب ممبران ها در این حالت نیز باعث نشتی و عبور آب خام از ممبران و به دنبال آن، افزایش دبی و کاهش کیفیت آب تولیدی دستگاه می شود.
عامل دیگر تخریب ممبران، دمای بالای آب در pH های مرزی مجاز عملکرد ممبران است. در این شرایط، ممبران اصطلاحاً هیدرولیز شده و یکپارچگی ساختار آن از بین می رود. این نوع تخریب نیز باعث صدمه دیدگی کل ممبران های سیستم می شود.
تخریب فیزیکی ممبران توسط ذرات معلق تیز لبه دار محلول در آب (مانند دانه های سیلیس و یا کربن اکتیو گرانول) نیز عامل دیگر تخریب و صدمه دیدگی ممبران ها به شمار می رود. این ذرات باعث پاره شدن میکروسکوپی بر روی سطح ممبران می شود.
عامل دیگر تخریب ممبران، فشار معکوس (Back Pressure) بالای آب تصفیه شده است که می تواند منجر به پارگی خط چسب نگهدارنده لایه های ممبران روی یکدیگر شود.
پارگی خط چسب ممبران – محل مخلوط شدن آب خام و آب تصفیه شده
تخریب و ایجاد شکاف در ممبران به هر کدام از دلایل فوق، موجب عبور آب خام از ممبران و اختلاط آن با آب تصفیه شده و به تبع آن، افزایش دبی آب تولیدی و البته کاهش کیفیت آن می شود.
وجود برخی از مشکلات در سایر بخش های دستگاه RO نیز می تواند باعث نشتی آب خام به سمت آب تصفیه شده و افزایش دبی آب تولیدی شود. به عنوان مثال، آسیب دیدگی اورینگ ها و همچنین لوله مرکزی ممبران در زمان مونتاژ و نصب دستگاه یا به دلیل ضربه قوچ (Water Hammer)، می تواند باعث ایجاد نشتی از این محل ها شود. افت فشار زیاد در ممبران بر اثر ته نشینی ذرات و یا رسوب گذاری، می تواند دلیل دیگری برای آسیب لوله مرکزی ممبران شود.
میزان حذف نمک نرمال شده (Normalized Salt Rejection)، تابع فشار وارده به ممبران است. عوامل تغییرات میزان حذف نمک نرمال شده در ادامه توضیح داده شده اند:
کاهش حذف نمک نرمال شده معمولاً به دلایل زیر است:
- رسوب گذاری روی ممبران (Membrane Scaling)
- تخریب ممبران (Membrane Degradation)
- مشکلات سخت افزاری در سیستم
با رسوب نمک های اشباع، لایه ای از نمک بر روی سطح ممبران ایجاد می شود که غلظت نمک در آن بیشتر از غلظت نمک در آب است. بنابراین در این وضعیت، ممبران با غلظت نمک بالاتری نسبت به غلظت اسمی آب خام مواجه است. لذا با فرض ثابت بودن درصد حذف نمک ممبران، مقدار نمک (املاح) بیشتری از آن عبور کرده و به سمت آب خروجی می رود.
زمانی که یکپارچگی ساختار ممبران آسیب ببیند، آب خام به آسانی از آن عبور می کند. لذا در این حالت، غلظت نمک در آب خروجی افزایش پیدا کرده و میزان حذف نمک نرمال شده، کاهش پیدا می کند.
وجود نشتی در سیستم می تواند منجر به مخلوط شدن آب خام با آب تصفیه شده تولیدی شود. آسیب دیدگی اورینگ و لوله مرکزی ممبران از مهمترین موارد این مشکلات به شمار می روند. با وجود نشتی در این قطعات، آب خام که غلظت نمک بالاتری دارد، با آب تصفیه شده با غلظت نمک کم مخلوط شده و طبعاً غلظت نمک در آب تولید افزایش پیدا می کند.
اصلی ترین دلیل افزایش حذف نمک، فشرده شدن ممبران است. ممبران وقتی فشرده شده و تراکم آن افزایش پیدا کند، میزان عبور نمک از آن کاهش پیدا می کند.
معمولاً در دستگاه های تصفیه آب RO مشکل کاهش افت فشار وجود ندارد. اگر تیم بهره برداری، متوجه ثبت افت فشار در سیستم شود، معمولاً مشکل به خطا در تجهیزات ابزار دقیق سیستم بر می گردد.
افزایش افت فشار معمولاً به دلایل زیر در سیستم RO اتفاق می افتد:
- رسوب گذاری روی ممبران (Scaling)
- ته نشینی ذرات کلوئیدی روی ممبران (Colloidal Fouling)
- ته نشینی میکروارگانیسم ها روی ممبران (Microbial Fouling)
افت فشار، نتیجه ته نشینی و رسوب گذاری روی سطح و یا لایه های داخلی ممبران (مانند Feed Channel Spacer) است. این رسوبات باعث ایجاد اغتشاش در جریان عبوری از ممبران و به تبع آن افت فشار جریان می شود.
افت فشار باعث ایجاد مشکل در تمامی مبران های سیستم (هم ممبران های ابتدایی و هم ممبران های انتهایی) می شود. افت فشار باعث می شود که حجم آب عبوری بر واحد سطح ممبران (Flux) در ممبران های ابتدایی بیشتر و در ممبران های انتهایی کاهش یابد. با بالا بودن Flux و حجم آب عبوری در ممبران های ابتدایی، میزان ته نشینی و رسوب گذاری افزایش پیدا می کند. از طرفی، در ممبران های انتهایی نیز به واسطه کاهش حجم و سرعت آب عبوری، رسوب گذاری و نه نشینی در لایه مرزی تشکیل شده روی ممبران افزایش پیدا می کند.
مشکل دیگری که افت فشار بالا در سیستم ایجاد می کند، وارد شدن آسیب به ممبران ها است. افت فشار بالا باعث ایجاد تنش و نیروی محوری به ممبران ها می شود. زمانی که افت فشار خیلی زیاد شود (به اندازه بیش از 50 psig در یک پرشر وسل 6 المانه)، امکان تلسکوپی شدن و به دنبال آن ترک و پارگی ممبران ها وجود خواهد داشت.
آسیب دیدگی ممبران بر اثر افت فشار بالا
مرجع:
Kucera, Reverse Osmosis: Design, Processes and Applications for Engineers, 2nd Edition
نظرات