تأثیر شوری آب ورودی بر سیستمهای اسمز معکوس
شوری آب ورودی، که معمولاً به صورت کل جامدات محلول (TDS) بیان میشود، مجموع غلظت تمام نمکهای معدنی (مانند سدیم، کلسیم، منیزیم، کلرید، سولفات و غیره) در آب است. این یکی از مهمترین پارامترها در طراحی، بهرهبرداری و بهرهوری اقتصادی یک سیستم تصفیه آب است. اسمز معکوس سیستم، و تأثیر آن جامع و به هم پیوسته است.
۱. تأثیر مستقیم بر فشار اسمزی و فشار عملیاتی
اساس فرآیند RO غلبه بر فشار اسمزی طبیعی آب است که در آن مولکولهای آب از یک غشای نیمهتراوا عبور داده میشوند، در حالی که نمکها باقی میمانند. طبق معادله ون در هوف، فشار اسمزی یک محلول با غلظت مولی آن (که مستقیماً با TDS مرتبط است) نسبت مستقیم دارد.
فشار اسمزی ≈ 0.8 بار / (1000 میلیگرم در لیتر TDS). این یک فرمول تجربی ساده شده است، اما بسیار شهودی است. اگر TDS آب خوراک 1000 میلیگرم در لیتر باشد، فشار اسمزی نظری آن تقریباً 0.8 بار است. اگر TDS آب خوراک به 5000 میلیگرم در لیتر افزایش یابد (مانند آب شور)، فشار اسمزی نظری آن تقریباً به 4 بار افزایش مییابد. برای آب دریا، TDS تقریباً 35000 میلیگرم در لیتر است و فشار اسمزی نظری آن تقریباً 28 بار است.
برای تولید نیروی محرکه مؤثر برای آب تصفیهشده (فشار محرکه خالص)، فشار عملیاتی ... سیستم رو باید بسیار بالاتر از فشار اسمزی باشد. بنابراین، برای هر مرتبه افزایش در شوری آب ورودی، فشار عملیاتی مورد نیاز تقریباً به صورت خطی افزایش مییابد. دستگاه اسمز معکوس (RO) برای نمکزدایی از آب دریا معمولاً در فشار ۵۵ تا ۸۰ بار کار میکند، در حالی که دستگاه اسمز معکوس معمولی برای آب لبشور تنها در فشار ۱۰ تا ۲۵ بار کار میکند. این امر به معنای مصرف برق بالاتر و نیاز بیشتر به تجهیزات و مواد است.
۲. تأثیر بر نرخ نمکزدایی سیستم
میزان دفع یونهای مختلف توسط غشاهای RO نسبتاً پایدار است. با این حال، تغییرات در شوری آب ورودی، عملکرد نمکزدایی سیستم را در دو سطح تحت تأثیر قرار میدهد.
کاهش ظاهری نرخ نمکزدایی: نرخ نمکزدایی به صورت (1 - شوری آب تصفیهشده / شوری آب تغذیه) * 100% محاسبه میشود. با فرض ثابت بودن نفوذپذیری مطلق نمک (مقدار نمک عبوری در واحد زمان)، هنگامی که شوری آب تغذیه به شدت افزایش مییابد، حتی اگر خواص فیزیکی غشا بدون تغییر باقی بماند، «نرخ نمکزدایی» محاسبهشده کاهش خواهد یافت.
مهمتر از آن، شوری بالا به معنای گرادیان غلظت نمک بیشتر در سراسر غشا است که نیروی محرکه برای انتشار نمک از سطح غشا به سمت تراوش را افزایش میدهد (قطبش غلظت را تشدید میکند) و در نتیجه منجر به افزایش شار واقعی نمک میشود. در شوری بسیار بالا، نرخ نمکزدایی غشا در واقع کاهش قابل توجهی را نشان میدهد.
۳. تأثیر بر آب تصفیهشده و بازیابی
در یک فشار عملیاتی ثابت، فشار محرک خالص = فشار عملیاتی - فشار اسمزی. همانطور که در بالا ذکر شد، شوری بالا منجر به فشار اسمزی بالا میشود و مستقیماً فشار محرک خالص را کاهش میدهد.
جریان آب تصفیهشده (Permeate) مستقیماً با فشار خالص رانش متناسب است. اگر فشار عملیاتی ثابت بماند، افزایش TDS خوراک از ۱۰۰۰ میلیگرم در لیتر به ۵۰۰۰ میلیگرم در لیتر ممکن است باعث کاهش ۳ تا ۴ بار در فشار خالص رانش شود و در نتیجه ۲۰ تا ۳۰ درصد یا بیشتر در جریان آب تصفیهشده کاهش یابد.
وقتی نرخ بازیابی سیستم (آب تصفیهشده/آب تغذیه) افزایش مییابد، شوری آب تغذیه در انتهای المان غشا به صورت تصاعدی متمرکز میشود. برای جلوگیری از افزایش ناگهانی فشار اسمزی و خطرات رسوبگذاری ناشی از TDS بیش از حد بالا در انتهای سیستم آب تغذیه، سیستمهای آب تغذیه با شوری بالا باید از نرخهای بازیابی محافظهکارانهتری استفاده کنند.
نرخ بازیابی RO آب شهری معمولی میتواند به ۷۵٪ برسد. نرخ بازیابی RO آب لبشور معمولاً بین ۶۰٪ تا ۷۰٪ طراحی میشود. نرخ بازیابی RO آب دریا به ۴۰٪ تا ۵۰٪ محدود میشود. نرخ بازیابی پایین به معنای تخلیه بیشتر کنسانتره و استفاده کمتر از آب است.
۴. افزایش رسوبگذاری و تمایل به پوستهریزی در غشا
شوری بالا به خودی خود مستقیماً باعث رسوب گذاری نمیشود، اما محیطی را ایجاد میکند که بیشتر مستعد رسوب گذاری و تشکیل رسوب است.
افزایش قطبش غلظت: هنگامی که آب با TDS بالا در سطح غشا غلیظ میشود، غلظت نمکها و سایر آلایندهها (مانند سیلیکاتها، سولفاتها و مواد آلی) بسیار بیشتر از جریان آب فله است. این امر به طور قابل توجهی خطر نمکهای کم محلول (مانند CaSO₄، CaCO₃، BaSO₄) را که از محصول حلالیتشان فراتر رفته و رسوب میکنند، افزایش میدهد و منجر به رسوبگذاری میشود.
تخریب پایداری کلوئیدی: قدرت یونی بالا، لایه دوگانه الکتریکی ذرات کلوئیدی را فشرده میکند، پایداری آنها را مختل میکند و آنها را مستعد رسوب روی سطح غشا میکند و رسوب کلوئیدی را تشکیل میدهد.
تمیز کردن دشوار: هنگامی که رسوب در یک محیط با نمک بالا رخ میدهد، لایه رسوب معمولاً متراکمتر و تمیز کردن آن دشوارتر است و طول عمر غشاء را کوتاه میکند.
۵. تأثیر تعیینکننده بر مصرف انرژی و اقتصاد
تأثیر کلی در نهایت در هزینههای عملیاتی منعکس میشود. در سیستمهای اسمز معکوس، انرژی الکتریکی در درجه اول توسط پمپ تغذیه مصرف میشود. فشار عملیاتی عموماً متناسب با مصرف انرژی است.
شیرینسازی ۱۰۰۰ میلیگرم در لیتر آب شور و رساندن آن به همان حجم آب تصفیهشده، ممکن است تنها ۰.۸ تا ۱.۲ کیلووات ساعت بر متر مکعب مصرف کند. با این حال، شیرینسازی ۳۵۰۰۰ میلیگرم در لیتر آب دریا معمولاً ۲.۵ تا ۴.۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب مصرف میکند، یعنی ۳ تا ۴ برابر بیشتر.
مصرف بالای انرژی دلیل اصلی هزینه بسیار بالاتر نمکزدایی از آب دریا نسبت به نمکزدایی از آب لبشور است. علاوه بر این، عملیات فشار بالا، نیاز به مواد بیشتری برای پمپها، خطوط لوله و محفظههای دیافراگم دارد که این امر نیز سرمایهگذاری اولیه را افزایش میدهد.