تجزیه و تحلیل فرآیند غشاهای اولترافیلتراسیون در کاربردهای تصفیه آب (I)

نفوذپذیری غشاهای اولترافیلتراسیون با افزایش دما افزایش می‌یابد. به طور کلی، ویسکوزیته محلول‌های آبی با افزایش دما کاهش می‌یابد، بنابراین مقاومت در برابر جریان کاهش یافته و به تبع آن میزان نفوذپذیری افزایش می‌یابد. دمای واقعی محلول تأمین شده در محل کار باید در طراحی مهندسی در نظر گرفته شود. پیش از این، اولترافیلتراسیون در تصفیه آب و سایر فرآیندهای تصفیه، تغلیظ و جداسازی صنعتی به عنوان یک پیش تصفیه یا روش تصفیه پیشرفته استفاده می‌شد. در ... فرآیند تصفیه آببه همین دلیل، اغلب به عنوان وسیله‌ای برای تصفیه پیشرفته استفاده می‌شود. با توجه به ویژگی‌های غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی، الزامات پیش‌تصفیه خاصی برای منبع آب وجود دارد. جامدات معلق، کلوئیدها، میکروارگانیسم‌ها و سایر ناخالصی‌های موجود در آب می‌توانند به سطح غشا بچسبند و باعث رسوب شوند.

از آنجا که غشاهای اولترافیلتراسیون شار آب نسبتاً بالایی دارند، غلظت ناخالصی‌های به دام افتاده روی سطح غشا به سرعت افزایش می‌یابد و منجر به قطبش غلظت می‌شود. به طور جدی‌تر، برخی از ذرات بسیار ریز می‌توانند وارد منافذ غشا شده و کانال‌های آب را مسدود کنند. علاوه بر این، مواد چسبناک تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها و محصولات متابولیک آنها در آب نیز به سطح غشا می‌چسبند. همه این عوامل منجر به کاهش نفوذپذیری غشای اولترافیلتراسیون و تغییر در عملکرد جداسازی آن می‌شوند. همزمان، محدودیت‌های خاصی در دما، مقدار pH و غلظت اولترافیلتراسیون وجود دارد.تصفیه آب عرضه.

بنابراین، پیش‌تصفیه مناسب و تنظیم کیفیت آب برای تأمین آب اولترافیلتراسیون جهت برآورده کردن نیازهای تأمین، افزایش طول عمر غشای اولترافیلتراسیون و کاهش هزینه‌های تصفیه آب ضروری است.

حذف میکروبی (باکتری‌ها، جلبک‌ها)

وقتی آب حاوی میکروارگانیسم باشد، برخی از میکروارگانیسم‌های به دام افتاده ممکن است پس از ورود به سیستم پیش تصفیه، به سیستم پیش تصفیه، مانند سطح مدیای فیلترهای چندرسانه‌ای، بچسبند. هنگامی که این میکروارگانیسم‌ها به سطح غشای اولترافیلتراسیون می‌چسبند، رشد و تکثیر می‌شوند و به طور بالقوه میکروپورها و حتی لومن فیبر توخالی را به طور کامل مسدود می‌کنند.

وجود میکروارگانیسم‌ها برای غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی بسیار مضر است. حذف باکتری‌ها و جلبک‌ها از آب خام بسیار مهم است. در پروژه‌های تصفیه آب، اکسیدان‌هایی مانند NaClO و O3 معمولاً با غلظت‌های 1 تا 5 میلی‌گرم در لیتر اضافه می‌شوند. استریلیزاسیون با اشعه ماوراء بنفش نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در آزمایشگاه، ماژول‌های غشای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی را می‌توان با گردش محلول آبی پراکسید هیدروژن (H2O2) یا پرمنگنات پتاسیم به مدت 30 تا 60 دقیقه استریل کرد.

تصفیه میکروبی فقط می‌تواند میکروارگانیسم‌ها را از بین ببرد، اما نمی‌تواند آنها را از آب حذف کند؛ فقط از رشد آنها جلوگیری می‌کند.

کاهش کدورت ورودی

وقتی آب حاوی مواد جامد معلق، کلوئیدها، میکروارگانیسم‌ها و سایر ناخالصی‌ها باشد، درجه خاصی از کدورت ایجاد می‌کند. این کدورت مانع از انتقال نور می‌شود و این اثر نوری به مقدار، اندازه و شکل ناخالصی‌ها مربوط می‌شود. کدورت معمولاً با درجه اندازه‌گیری می‌شود، به طوری که 1 میلی‌گرم در لیتر SiO2، 1 درجه کدورت ایجاد می‌کند. درجه بالاتر نشان دهنده محتوای ناخالصی بالاتر است.

زمینه‌های مختلف، الزامات متفاوتی برای کدورت آب دارند. به عنوان مثال، برای آب خانگی عمومی، کدورت نباید از 5 درجه تجاوز کند. از آنجایی که اندازه‌گیری کدورت شامل عبور نور از آب خام و اندازه‌گیری مقدار، رنگ و شفافیت نور منعکس شده توسط ذرات موجود در آب است، اندازه، تعداد و شکل ذرات همگی بر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند. رابطه بین کدورت و مواد جامد معلق تصادفی است. کدورت نمی‌تواند ذرات کوچکتر از چند میکرومتر را منعکس کند.

در تصفیه غشایی، ریزساختار دقیق فیلترهای آب، ذرات را در سطوح مولکولی و حتی یونی به دام می‌اندازد و کدورت را به یک شاخص نادرست از کیفیت آب تبدیل می‌کند. برای پیش‌بینی تمایل آلودگی آب خام، آزمایش SDI (ورودی محلول خودحاوی) توسعه داده شد.

مقدار SDI در درجه اول برای تشخیص مقدار کلوئیدها و جامدات معلق در آب استفاده می‌شود و شاخص مهمی از کیفیت جریان ورودی سیستم است. مقدار SDI معمولاً با استفاده از یک غشای میکرومتخلخل 0.45 میکرومتری تحت فشار جریان آب ثابت 0.21 مگاپاسکال تعیین می‌شود. ابتدا، زمان t0 مورد نیاز برای فیلتر کردن 500 میلی‌لیتر نمونه آب ثبت می‌شود. سپس، تحت همان شرایط، آب به مدت 15 دقیقه دیگر جریان می‌یابد و زمان t15 مورد نیاز برای فیلتر کردن 500 میلی‌لیتر نمونه آب دیگر ثبت می‌شود. سپس مقدار با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود: SDI = (1 - t0/t15) × 100/15. مقدار SDI در آب تقریباً نشان دهنده میزان آلودگی کلوئیدی است. آب چاه SDI

فناوری اولترافیلتراسیون بیشترین تأثیر را در کاهش SDI (شاخص چگالی جامد) دارد. آب تصفیه شده توسط غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی به SDI برابر با 0 می‌رسد. با این حال، هنگامی که SDI خیلی بالا باشد، به خصوص هنگامی که ذرات بزرگتر به شدت غشای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی را آلوده می‌کنند، پیش‌تصفیه در فرآیند اولترافیلتراسیون ضروری است. این پیش‌تصفیه را می‌توان با استفاده از ماسه کوارتز، کربن فعال یا فیلترهای پر شده با چندین واسطه انجام داد. هیچ فرمول ثابتی برای روش پیش‌تصفیه خاص وجود ندارد، زیرا منابع آب مختلف به رویکردهای متفاوتی نیاز دارند.

برای مثال، برای آب لوله‌کشی یا آب‌های زیرزمینی با کدورت کم، استفاده از یک فیلتر دقیق ۵ تا ۱۰ میکرومتری (مانند فیلترهای لانه زنبوری، ملت بلون یا فیلترهای لوله‌ای متخلخل PE) عموماً می‌تواند کدورت را به حدود ۵ کاهش دهد. قبل از فیلتر دقیق، باید لخته‌سازها اضافه شوند و از فیلترهای واسطه‌ای دو یا چند لایه استفاده شود. به طور کلی، سرعت فیلتراسیون نباید از ۱۰ متر مکعب در ساعت تجاوز کند، و سرعت ایده‌آل ۷ تا ۸ متر مکعب در ساعت است. هرچه سرعت فیلتراسیون کمتر باشد، کیفیت آب فیلتر شده بهتر است.

حذف جامدات معلق و مواد کلوئیدی

برای ناخالصی‌هایی با اندازه ذرات بزرگتر از ۵ میکرومتر، می‌توان از فیلترهایی با دقت فیلتراسیون ۵ میکرومتر برای حذف استفاده کرد. با این حال، برای ذرات ریز و کلوئیدها بین ۰.۳ تا ۵ میکرومتر، استفاده از تکنیک‌های فیلتراسیون مرسوم دشوار است. اگرچه اولترافیلتراسیون اثر حذف مطلقی بر روی این ذرات و کلوئیدها دارد، اما برای غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی بسیار مضر است. به طور خاص، ذرات کلوئیدی دارای بار الکتریکی هستند و تجمعی از مولکول‌ها و یون‌ها هستند. پایداری کلوئیدها در آب عمدتاً به دلیل دافعه متقابل بین ذرات کلوئیدی با بار یکسان است.

افزودن یک ماده باردار (لخته‌ساز) با بار مخالف ذرات کلوئیدی به آب خام، پایداری ذرات کلوئیدی را می‌شکند، آنها را خنثی می‌کند و باعث می‌شود ذرات کلوئیدی پراکنده به توده‌های بزرگی تبدیل شوند که سپس می‌توان آنها را به راحتی با فیلتراسیون یا رسوب‌گذاری حذف کرد. لخته‌سازهای رایج مورد استفاده شامل الکترولیت‌های معدنی مانند سولفات آلومینیوم، پلی آلومینیوم کلرید، سولفات آهن و کلرید فریک هستند. لخته‌سازهای آلی شامل پلی آکریل آمید، پلی آکریلات سدیم و پلی ایمید هستند. از آنجا که این پلیمرهای با وزن مولکولی بالا می‌توانند بار سطحی ذرات کلوئیدی را خنثی کنند و پیوندهای هیدروژنی و "پل زدن" تشکیل دهند، انعقاد و رسوب‌گذاری به سرعت انجام می‌شود و در نتیجه بهبود قابل توجه کیفیت آب را به همراه دارد. بنابراین، در سال‌های اخیر، لخته‌سازهای پلیمری روند جایگزینی لخته‌سازهای معدنی را نشان داده‌اند.

هنگام افزودن لخته‌سازها، می‌توان از کمک منعقدکننده‌ها مانند تنظیم‌کننده‌های pH (آهک و کربنات سدیم)، اکسیدان‌ها (کلر و پودر سفیدکننده)، عوامل تثبیت‌کننده (فیبر محلول در آب) و جاذب‌ها (پلی‌آکریل‌آمید) برای افزایش اثر انعقاد استفاده کرد.

فلوکولانت‌ها اغلب به صورت محلول‌های آبی تهیه شده و با استفاده از پمپ‌های اندازه‌گیری اضافه می‌شوند، یا می‌توانند مستقیماً با استفاده از انژکتورهای نصب شده روی خط لوله آبرسانی وارد سیستم تصفیه آب شوند.

حذف مواد آلی محلول

مواد آلی محلول را نمی‌توان به طور کامل با روش‌های لخته‌سازی، رسوب‌گذاری، فیلتراسیون چندرسانه‌ای یا اولترافیلتراسیون حذف کرد. در حال حاضر، معمولاً از روش‌های اکسیداسیون یا جذب سطحی استفاده می‌شود.

(1) روش اکسیداسیون: اکسیداسیون با استفاده از کلر یا هیپوکلریت سدیم (NaClO) در حذف مواد آلی محلول مؤثر است. ازن (O3) و پرمنگنات پتاسیم (KMnO4) نیز اکسیدان‌های خوبی هستند، اما هزینه آنها کمی بیشتر است.

(2) روش جذب: کربن فعال یا رزین‌های جذب ماکرومتخلخل می‌توانند به طور مؤثر مواد آلی محلول را حذف کنند. با این حال، برای الکل‌ها و فنول‌هایی که جذب آنها دشوار است، اکسیداسیون هنوز ضروری است.