رابطه بین حجم آب تصفیه شده و دمای آب در عملیات اسمز معکوس (RO)

دمای آب ورودی یکی از مهمترین و مستقیم ترین پارامترهای عملیاتی است که بر حجم آب تصفیه شده تأثیر می گذارد. سیستم روبا فشار آب ورودی ثابت، هرچه دمای آب ورودی بالاتر باشد، حجم آب تصفیه‌شده سیستم RO بیشتر است؛ برعکس، هرچه دمای آب ورودی پایین‌تر باشد، حجم آب تصفیه‌شده به‌طور قابل‌توجهی کمتر است. این یک افزایش خطی ساده نیست، اما تأثیر آن بسیار قابل توجه است. اصول علمی اساسی عمدتاً شامل دو نکته زیر است:

۱. تغییرات در ویسکوزیته آب

دلیل اصلی این است. مولکول‌های آب در دماهای پایین محکم‌تر به هم متصل هستند که منجر به جریان‌پذیری ضعیف و افزایش ویسکوزیته می‌شود. آب سرد با ویسکوزیته بالا هنگام عبور از منافذ بسیار کوچک (تقریباً 0.0001 میکرومتر) باید بر مقاومت بیشتری غلبه کند. غشای رو، به طور طبیعی سرعت جریان را کاهش داده و حجم آب تصفیه شده در واحد زمان را کاهش می‌دهد.

برعکس، با افزایش دما، مولکول‌های آب فعال‌تر می‌شوند، ویسکوزیته آنها کاهش می‌یابد و "لغزنده‌تر" می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهد تا راحت‌تر و سریع‌تر از منافذ غشاء عبور کنند و در نتیجه حجم تراوش افزایش می‌یابد.

۲. تغییرات در خواص مواد غشایی

خود غشای RO (معمولاً یک ماده کامپوزیت پلی‌آمید) درجه خاصی از حساسیت به دما دارد. افزایش دما باعث انبساط جزئی ساختار منافذ غشای پلیمری می‌شود و منافذ را کمی باز می‌کند. این امر تا حدی مقاومت آب را کاهش می‌دهد و سرعت جریان آب تصفیه شده را بیشتر افزایش می‌دهد.

در طراحی و بهره‌برداری از سیستم RO، یک مفهوم حیاتی، ضریب تصحیح دما (TCF) است.

نرخ جریان آب تصفیه‌شده‌ی نامی یک سیستم RO معمولاً بر اساس دمای استاندارد آب ورودی، که معمولاً 25 درجه سانتیگراد است، تعیین می‌شود. رابطه‌ی بین نرخ جریان واقعی آب تصفیه‌شده و نرخ جریان استاندارد آب تصفیه‌شده را می‌توان با استفاده از یک فرمول تجربی محاسبه کرد:

دبی واقعی آب تصفیه شده = دبی استاندارد آب تصفیه شده × TCF

TCF معمولاً با استفاده از یک فرمول نمایی، معمولاً به شکل زیر محاسبه می‌شود:

TCF = exp[K × (1/(273+T) - 1/298)]

که در آن T دمای واقعی آب خوراک (°C)، K یک ثابت مربوط به جنس غشاء (معمولاً بین 2000 تا 3000) و 298 دمای کلوین (273+25) مربوط به دمای استاندارد 25°C است.

به طور کلی، با استفاده از دمای پایه ۲۵ درجه سانتیگراد، به ازای هر ۱ درجه سانتیگراد کاهش دما، سرعت جریان آب تصفیه شده تقریباً ۲ تا ۳ درصد کاهش می‌یابد. برعکس، به ازای هر ۱ درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت جریان آب تصفیه شده تقریباً ۲ تا ۳ درصد افزایش می‌یابد.

تأثیر دمای آب بر عملکرد سیستم و اقدامات متقابل

نرخ جریان پایین آب در زمستان: این رایج‌ترین مشکل است. دمای پایین آب در زمستان منجر به جریان آب تصفیه‌شده بسیار ناکافی می‌شود که به طور بالقوه نمی‌تواند تقاضای آب را برآورده کند. راه‌حل‌ها عبارتند از:

نصب پیش‌گرمکن آب تغذیه: گرم کردن آب تغذیه تا دمای بالاتر از ۱۵-۲۰ درجه سانتیگراد با استفاده از برق یا بخار می‌تواند این مشکل را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

افزایش تعداد المان‌های غشایی: طراحی تعداد غشاها بر اساس حداقل دمای آب مورد انتظار در طول مرحله اولیه طراحی سیستم، اما این امر سرمایه‌گذاری اولیه را افزایش می‌دهد.

افزایش فشار عملیاتی: افزایش موقت فشار پمپ فشار قوی برای "فشار دادن" آب سرد با ویسکوزیته بالا از طریق غشاء، اما این کار باعث افزایش مصرف انرژی و تشدید رسوب غشاء می‌شود.

مشکلات جریان زیاد آب در تابستان: اگرچه دمای بالای آب و تولید زیاد آب چیز خوبی به نظر می‌رسد، اما خطرات بالقوه‌ای را نیز به همراه دارد:

نرخ بازیابی بیش از حد: نرخ بازیابی بیش از حد بالای سیستم (آب محصول/آب خوراک) می‌تواند منجر به افزایش شدید غلظت نمک در سمت محلول غلیظ شده شود که به راحتی باعث رسوب‌گذاری و گرفتگی غشا می‌شود.

کاهش جزئی نرخ نمک‌زدایی غشایی: در دمای بیش از حد بالای آب، مولکول‌های آب با شدت زیادی حرکت می‌کنند و به طور بالقوه یون‌های نمک بیشتری را از طریق غشا عبور می‌دهند که منجر به کاهش جزئی کیفیت آب تولیدی (رسانایی) می‌شود. غشاهای RO معمولاً دارای حداکثر دما (عموماً ۴۵ درجه سانتیگراد) هستند.