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

کیفیت تامین آب تنظیم

【تنظیم دمای آب ورودی】

نفوذپذیری غشای اولترافیلتراسیونs مستقیماً با دما مرتبط است. میزان نفوذ ماژول‌های غشایی اولترافیلتراسیون معمولاً با آب خالص در دمای 25 درجه سانتیگراد آزمایش می‌شود. میزان نفوذ غشاهای اولترافیلتراسیون مستقیماً با دما متناسب است و ضریب دمایی آن تقریباً 0.02/1 درجه سانتیگراد است. یعنی به ازای هر 1 درجه سانتیگراد افزایش دما، میزان نفوذ تقریباً 2.0٪ افزایش می‌یابد. بنابراین، هنگامی که دمای آب ورودی پایین است (مثلاً کمتر از 5 درجه سانتیگراد)، می‌توان از اقدامات گرمایشی برای عملکرد در دمای بالاتر و بهبود راندمان استفاده کرد. با این حال، دمای بیش از حد بالا نیز برای غشا مضر است و منجر به تغییر در عملکرد غشا می‌شود. در این حالت، می‌توان از اقدامات خنک‌کننده برای کاهش دمای آب ورودی استفاده کرد.

【تنظیم pH آب】

غشاهای اولترافیلتراسیون ساخته شده از مواد مختلف، محدوده pH متفاوتی دارند. به عنوان مثال، غشاهای استات سلولز برای pH = 4-6 مناسب هستند، در حالی که غشاهای PAN و PVDF را می‌توان در محدوده pH 2-12 استفاده کرد. اگر ورودی از این محدوده فراتر رود، تنظیم pH ضروری است. تنظیم‌کننده‌های pH که معمولاً استفاده می‌شوند شامل اسیدها (HCl و H₂SO₄) و قلیاها (NaOH) هستند. از آنجایی که نمک‌های معدنی موجود در محلول می‌توانند از طریق غشای اولترافیلتراسیون نفوذ کنند، هیچ مشکلی در مورد قطبش غلظت یا رسوب‌گذاری ناشی از نمک‌های معدنی وجود ندارد. بنابراین، تأثیر آنها بر غشا معمولاً در طول فرآیند تنظیم کیفیت آب پیش تصفیه در نظر گرفته نمی‌شود. تمرکز بر جلوگیری از تشکیل لایه کلوئیدی، گرفتگی غشا و گرفتگی است.

تسلط و اجرای صحیح پارامترهای عملیاتی پارامترهای عملیاتی برای عملکرد طولانی مدت و پایدار دستگاه فوق دقیق بسیار مهم هستند.سیستم تصفیهاین پارامترها عموماً شامل موارد زیر هستند: دبی، فشار، افت فشار، نرخ تخلیه کنسانتره، نسبت بازیابی و دما.

الف.

نرخ جریان: نرخ جریان به سرعت خطی محلول خوراک (آب تغذیه) که بر روی سطح غشا جریان می‌یابد، اشاره دارد. این یک پارامتر عملیاتی حیاتی در سیستم‌های اولترافیلتراسیون است. نرخ جریان بالا نه تنها انرژی را هدر می‌دهد و افت فشار بیش از حد ایجاد می‌کند، بلکه تخریب عملکرد شکست غشای اولترافیلتراسیون را نیز تسریع می‌کند. برعکس، نرخ جریان پایین، ضخامت لایه مرزی تشکیل شده روی سطح غشا را افزایش می‌دهد و باعث قطبش غلظت می‌شود که هم بر نرخ تراوه و هم بر کیفیت تراوه تأثیر می‌گذارد. نرخ جریان بهینه به صورت تجربی تعیین می‌شود.

غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی، هنگامی که فشار آب ورودی زیر 0.2 مگاپاسکال حفظ می‌شود، سرعت جریان تنها 0.1 متر بر ثانیه را در فشار داخلی نشان می‌دهند که نشان دهنده الگوی جریان کاملاً لایه‌ای است. غشاهای فشار خارجی می‌توانند به سرعت‌های جریان بالاتری دست یابند. برای غشاهای اولترافیلتراسیون مویرگی، هنگامی که قطر مویرگی به 3 میلی‌متر می‌رسد، سرعت جریان می‌تواند به طور مناسب افزایش یابد که برای کاهش لایه مرزی غلظت مفید است.

دو نکته باید مورد توجه قرار گیرد: اول، سرعت جریان را نمی‌توان به طور دلخواه تعیین کرد، زیرا به فشار ورودی و نرخ جریان مایع ورودی مربوط می‌شود. دوم، برای غشاهای الیاف توخالی یا مویرگی، سرعت جریان در انتهای ورودی ثابت نیست. هنگامی که نرخ جریان غلیظ 10٪ نرخ جریان مایع ورودی است، سرعت خروجی تقریباً 10٪ سرعت ورودی است. علاوه بر این، افزایش فشار، نرخ جریان نفوذی را افزایش می‌دهد اما سهم بسیار کمی در افزایش سرعت جریان دارد. بنابراین، افزایش قطر مویرگی و افزایش مناسب نرخ تخلیه غلیظ (نرخ جریان گردش مجدد) می‌تواند سرعت جریان را بهبود بخشد، به خصوص در فرآیندهای تغلیظ اولترافیلتراسیون، مانند بازیابی رنگ الکتروفورتیک، که می‌تواند به طور مؤثر نرخ اولترافیلتراسیون را افزایش دهد.

در محدوده فشار مجاز، افزایش میزان آب ورودی و انتخاب بالاترین نرخ جریان برای اطمینان از عملکرد غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی مفید است.

ب.

فشار و افت فشار: محدوده فشار عملیاتی غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی 0.1 تا 0.6 مگاپاسکال است که عموماً به فشار عملیاتی مورد استفاده برای تصفیه محلول‌ها در محدوده تعریف شده اولترافیلتراسیون اشاره دارد. جداسازی مواد با وزن مولکولی مختلف نیاز به انتخاب غشاهای اولترافیلتراسیون با حد مجاز وزن مولکولی مربوطه دارد، بنابراین فشار عملیاتی نیز متفاوت خواهد بود. به طور کلی، برای غشاهای فشار داخلی الیاف توخالی با پوسته‌های پلاستیکی، مقاومت فشار پوسته کمتر از 0.3 مگاپاسکال است و مقاومت فشار الیاف توخالی نیز عموماً کمتر از 0.3 مگاپاسکال است. بنابراین، فشار عملیاتی باید کمتر از 0.2 مگاپاسکال باشد و اختلاف فشار در سراسر غشا نباید از 0.1 مگاپاسکال بیشتر شود. غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی با فشار خارجی می‌توانند فشارهایی تا 0.6 مگاپاسکال را تحمل کنند، اما برای ماژول‌های غشایی فشار خارجی با پوسته پلاستیکی، فشار عملیاتی نیز 0.2 مگاپاسکال است. باید اشاره کرد که از آنجا که غشای فشار داخلی قطر بزرگتری دارد، هنگامی که به عنوان غشای فشار خارجی استفاده می‌شود، به راحتی در نقطه اتصال صاف و بریده می‌شود و باعث آسیب می‌شود. بنابراین، غشاهای فشار داخلی و خارجی قابل تعویض نیستند.

هنگامی که برای استفاده از محلول فوق تصفیه شده در فرآیند بعدی، فشار خاصی مورد نیاز باشد، باید از یک ماژول غشایی فوق تصفیه با پوشش استیل ضد زنگ استفاده شود. این ماژول غشایی فوق تصفیه الیاف توخالی می‌تواند با فشار 0.6 مگاپاسکال کار کند، در حالی که محلول فوق تصفیه شده را با فشار 30 متر ستون آب یا 0.3 مگاپاسکال تأمین می‌کند. با این حال، اختلاف فشار بین داخل و خارج غشای فوق تصفیه الیاف توخالی نباید بیشتر از 0.3 مگاپاسکال باشد.

هنگام انتخاب فشار عملیاتی، علاوه بر در نظر گرفتن مقاومت فشاری غشاء و پوشش، باید تراکم‌پذیری و مقاومت غشاء در برابر رسوب‌گذاری نیز در نظر گرفته شود. فشار بالاتر منجر به جریان بیشتر آب تصفیه‌شده می‌شود، اما همچنین تجمع بیشتر مواد به دام افتاده روی سطح غشاء را به دنبال دارد که منجر به افزایش مقاومت و کاهش سرعت آب تصفیه‌شده می‌شود. علاوه بر این، ذراتی که وارد ریزمنافذ غشاء می‌شوند، احتمال بیشتری دارد که کانال‌ها را مسدود کنند. به طور خلاصه، انتخاب فشار عملیاتی پایین‌تر در هر زمان ممکن برای استفاده کامل از عملکرد غشاء مفید است.

افت فشار یک ماژول غشایی اولترافیلتراسیون الیاف توخالی به اختلاف بین فشار در ورودی خوراک و فشار در خروجی محلول غلیظ اشاره دارد. افت فشار ارتباط نزدیکی با نرخ تأمین آب، نرخ جریان و نرخ تخلیه محلول غلیظ دارد. به خصوص برای غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی یا مویرگی با فشار داخلی، سرعت جریان و فشار روی سطح غشا به تدریج در امتداد جهت جریان آب تغییر می‌کند. هرچه حجم آب ورودی، سرعت جریان و تخلیه محلول غلیظ بیشتر باشد، افت فشار بیشتر می‌شود و در نتیجه فشار سطح غشای پایین‌دست به فشار عملیاتی مورد نیاز نمی‌رسد. این امر بر کل تولید آب ماژول غشایی تأثیر می‌گذارد. در کاربردهای عملی، افت فشار باید کنترل شود تا از سطوح بیش از حد جلوگیری شود. با افزایش زمان بهره‌برداری، رسوب، مقاومت جریان را افزایش می‌دهد و منجر به افت فشار بیشتر می‌شود. هنگامی که افت فشار از مقدار اولیه 0.05 مگاپاسکال بیشتر شود، تمیز کردن و رفع انسداد مسیر آب ضروری است.

سی.

نسبت بازیابی و تخلیه آب غلیظ: در یک سیستم اولترافیلتراسیون، نسبت بازیابی و تخلیه آب غلیظ عوامل محدودکننده متقابل هستند. نسبت بازیابی به نسبت آب تصفیه شده به آب ورودی اشاره دارد، در حالی که تخلیه آب غلیظ به مقدار آب تخلیه شده قبل از نفوذ اشاره دارد. از آنجا که حجم آب ورودی برابر با مجموع حجم آب غلیظ و آب تصفیه شده است، تخلیه زیاد آب غلیظ منجر به نسبت بازیابی کمی می‌شود. برای اطمینان از عملکرد طبیعی سیستم اولترافیلتراسیون، حداقل تخلیه آب غلیظ و حداکثر نسبت بازیابی ماژول باید مشخص شود.

در پروژه‌های عمومی تصفیه آب، نسبت بازیابی ماژول‌های غشایی اولترافیلتراسیون الیاف توخالی تقریباً 50 تا 90 درصد است. انتخاب این نسبت به عوامل مختلفی از جمله ترکیب و حالت محلول خوراک، مقدار موادی که می‌توانند حفظ شوند، ضخامت لایه رسوب تشکیل شده روی سطح غشا و تأثیر آن بر سرعت جریان آب تصفیه شده بستگی دارد. در بسیاری از موارد، می‌توان از نسبت بازیابی پایین‌تری استفاده کرد و محلول غلیظ شده را دوباره به سیستم خوراک تخلیه کرد. این امر حجم گردش را افزایش می‌دهد، ضخامت لایه رسوب را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت آب تصفیه شده را بهبود می‌بخشد، گاهی اوقات بدون افزایش مصرف انرژی به ازای هر واحد تولید آب تصفیه شده.

دی.

دمای عملیاتی: 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 طور متناظر سرعت نفوذ افزایش می‌یابد. دمای واقعی محلول ورودی در محل کار باید در طراحی مهندسی در نظر گرفته شود.

به خصوص با تغییرات فصلی، تنظیم دما باید در زمانی که دما خیلی پایین است، در نظر گرفته شود. در غیر این صورت، میزان نفوذ ممکن است با تغییرات دما حدود 50٪ تغییر کند. علاوه بر این، دمای بیش از حد بالا نیز بر عملکرد غشا تأثیر می‌گذارد. در شرایط عادی، دمای کار غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی باید 25±5 درجه سانتیگراد باشد. در صورت نیاز به شرایط دمایی بالاتر، می‌توان مواد غشایی و مواد پوسته مقاوم در برابر دمای بالا را انتخاب کرد.