تعاریف و عبارات سیستم اسمز معکوس

آب شیرین کن

تعاریف و عبارات سیستم اسمز معکوس

اسمز معکوس

در این مقاله عبارات اصلی استفاده شده در ارتباط با سیستم‌های اسمز معکوس تعریف می‌شوند.نرخ شدت جریان در سیستم اسمز معکوس:یک سیستم اسمز معکوس بر مبنای نرخ شدت جریان تولید شده ، سنجیده می‌شود. انتظار می‌رود که یک سیستم اسمز معکوس  800 gpm ، به اندازه‌ 800gpm  آب تصفیه شده تولید نماید.

معمولاً شدت جریان‌های ورودی و دفع شده ، برابر با مقادیر پیش‌بینی شده در جزئیات طراحی نیستند ( این مقادیر معمولاً با معلوم بودن نرخ شدت جریان آب تصفیه شده و درصد بازیافت محاسبه می‌شوند ).

در برخی موارد ، ممکن است نرخ شدت جریان واقعی و طراحی شده‌ آب تصفیه شده در سیستم اسمز معکوس با نرخ شدت جریان موجود در “پلاک دستگاه” متفاوت باشد. در بیشتر مواقع ، به‌دلیل وجود منابع نامرغوب آب ورودی یا به‌ علت درجه حرارت پایین آب خوراک ، سیستم RO از طریق محاسبات طراحی دوباره ارزیابی می‌شود .

بازیافت

بازیافت (که بعضی اوقات “تبدیل” نامیده می‌شود) عبارتی است که توضیح می‌دهد چه‌درصدی از حجم آب ورودی “بازیابی” یا تصفیه شده است. معمولاً ، مقدار بازیافت در سیستم اسمز معکوس تقریباً بین 50 تا 85 درصد است ، در بیشتر سیستم های طراحی شده مقدار بازیافت 75درصد درنظر گرفته می‌شود. ( مقدار بازیافت در مدول‌ ممبرین با بافت مارپیچی از 10 تا 15 درصد متغیر می‌باشد ). اگر مقدار بازیافت یک سیستم مساوی با 75 درصد باشد یعنی به‌ازای هر 100gpm جریان ورودی ، 75 gpm آب تصفیه شده و 25 gpm جریان غلیظ شده تولید خواهد شد. مقدار بازیافت از طریق معادله‌ زیر محاسبه می‌گردد :

100 ×(شدت جریان آب خوراک/شدت جریان آب تصفیه شده) = ٪بازیافت

در مقدار بازیافت برابر با 75% ، حجم جریان غلیظ شده مساوی با یک چهارم حجم جریان ورودی است. اگر فرض شود که ممبرین تمام جامدات حل‌شده را در خود نگه دارد ، کل آنها در یک چهارم از حجم آب ورودی قرار می‌گیرند. ازاینرو ، غلظت جامدات حل‌شده‌ و نگه‌داشته شده ، چهار برابر مقدار آن در جریان ورودی است. (تا وقتی ‌که کل جامدات حل‌شده توسط ممبرین نگه‌داشته نشده باشند ، این مقدار فقط یک تقریب محسوب می‌شود).

این مقدار “ضریب غلظت” نامیده می‌شود. در مقدار بازیافت برابر با 50 درصد ، حجم جریان غلیظ شده مساوی با نصف جریان آب ورودی است. در این حالت ، غلظت جامدات حل‌شده دو برابر می‌شود ، زیرا ضریب غلظت مساوی با 2 است. جدول 1 ضریب غلظت را به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت نشان می‌دهد. درک مفهوم غلظت جریان دفع شده نیز مهم است زیرا سطحی از ممبرین که با جریان غلیظ شده در تماس است ، سطحی است که بر روی آن لای و رسوب تشکیل می‌شود.

اسمز معکوس

جدول 1 ضریب غلظت به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت

بیشتر شدن بازیابی ، باعث می‌شود که مقدار آب دفع شده کاهش یابد. هر چند ، بیشتر شدن مقدار بازیابی باعث کمتر شدن خلوص آب تصفیه شده نیز می‌گردد . مثال نشان داده شده در شکل 1 را ببینید. در انتهای جریان ورودی بر روی ممبرین ، غلظت جریان ورودی مساوی با 100ppm است ، درصورتی‌که مقدار بازیافت برابر با 0 درصد می‌باشد ، و 2 درصد از کل جامدات حل شده (TDS) از ممبرین عبور می‌کنند.

مقدار صحیح نفوذ در این نقطه مساوی با تقریباً 2ppm است. هنگامی‌که جریان آب ورودی از روی سطح ممبرین‌های بیشتر و بیشتری عبور نماید ، آب بیشتری نیز بازیابی می‌شود. در مقدار بازیافت برابر با 50 درصد ، ضریب غلظت مساوی با 2 است ، بنابراین اکنون غلظت آب ورودی تقریباً برابر با 200 ppm می‌باشد. اکنون غلظت آب تصفیه شده در این نقطه مساوی با 4 ppm است. در مقدار بازیافت برابر با 75 درصد ، ضریب غلظت برابر با 4 است ، بنابراین اکنون غلظت جریان آب ورودی تقریباً مساوی با 400 ppm می‌باشد . غلظت آب تصفیه شده در این نقطه برابر با 8 ppm خواهد بود. ازاین‌رو بازیابی بیشتر باعث کم شدن خلوص محصول می‌شود .

طراح سیستم اسمز معکوس ، مقدار بازیابی را برای سیستم انتخاب می‌کند ؛ این مقدار مربوط به خاصیت ممبرین نمی‌باشد. طراح باید بین بازیابی بیشتر و در نتیجه کاهش مقدار آب غلیظ و خارج شده و نیز کاهش مقدار خلوص آب تصفیه شده توازن ایجاد کند.

اسمز معکوس

شکل 1 غلظت جریان آب نمک و جریان لحظه‌ای آب تصفیه شده به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت

عملاً ، مقدار بازیافت در سیستم اسمز معکوس با استفاده از شیر کنترل جریان نصب شده بر روی مسیر جریان غلیظ شده در RO ، تنظیم می‌شود. بسته شدن این شیر باعث زیادتر شدن فشار عملیاتی می‌شود ، در نتیجه نیروی وارده به آب موجود در ممبرین ، در جهت بخشی از ممبرین که مربوط به آب خوراک/محلول غلیظ شده می‌باشد ، بیشتر شده و در نتیجه مقدار بازیافت زیادتر می‌گردد .

مقدار بازیافت در یک سیستم اسمز معکوس توسط طراح ، ثابت در نظر گرفته می‌شود . زیاد کردن مقدار بازیافت طراحی شده ، می‌تواند باعث سریع‌تر شدن لای‌گرفتگی و رسوب گرفتگی ممبرین شود ، زیرا برای شستشوی ممبرین در قسمتی که مربوط به آب نمک است ، آب کمی وجود خواهد داشت. کم کردن مقدار بازیافت طراحی شده نیز مخالف با روند تراکم رسوب‌گذاری و لای گرفتگی بر روی ممبرین نخواهد بود ، اما باعث می‌شود که حجم پساب در سیستم RO زیادتر شود .

مقدار دفع

مقدار دفع عبارتی است که بیان می‌کند یک ممبرین چند درصد از ذرات ورودی را در خود نگه‌ می‌دارد. برای مثال ، مقدار 98% دفع برای سیلیکا یعنی این ‌که ممبرین 98 درصد از سیلیکای ورودی را در خود نگه می‌دارد و یا این ‌که 2 درصد از سیلیکای ورودی قادر خواهند بود از میان ممبرین عبور کنند و وارد جریان آب تصفیه شده شوند (این مقدار را “عبور نمک” می‌نامند ).

مقدار دفع یک ذره‌ی مشخص با استفاده از معادله‌ی زیر محاسبه می‌شود :
[(Cf – CP)/ Cf] × 100 = % مقدار دفع

که :

Cf = غلظت یک جزء خاص در جریان ورودی
CP = غلظت یک جزء خاص در آب تصفیه شده

توجه کنید که برای انجام محاسبه‌ دقیق ، برای تخمین غلظت خوراک و غلظت آب نمک به‌جای استفاده از غلظت لحظه‌ای خوراک ، باید از غلظت متوسط خوراک استفاده شود .

ضرورتاً مقدار عبور نمک ، بر خلاف مقدار دفع می‌باشد :
% مقدار دفع – 100 = % مقدار عبور نمک
(CP – Cf) × 100 = % مقدار عبور نمک

مقدار دفع مربوط به خاصیت یک جزء مشخص در آب خوراک و غشای مورد نظر می‌باشد. جدول 2 فهرستی از قابلیت عمومی دفع را برای بیشتر غشاءهای معمولی RO که از جنس کامپوزیت پلی‌آمید هستند ، نشان می‌دهد. توجه کنید که ظرفیت یونی مربوط به هر ترکیب نقش مهمی در مقدار دفع آن توسط غشاء RO بازی می‌کند. مقدار دفع یون‌های چند ظرفیتی معمولاً بیشتر از یون‌های چند ظرفیتی است .

مقدار دفع یک ذره‌ خاص ، علاوه بر ظرفیت یونی به خواص زیر نیز بستگی دارد :

• درجه تفکیک : به‌طورکلی ، مقدار تفکیک بیشتر ، مقدار دفع بیشتر . برای مثال ، اسیدهای ضعیف در pH بالاتر بهتر دفع می‌شوند .
• وزن مولکولی : به‌طورکلی ، وزن مولکولی بیشتر ، مقدار دفع بیشتر . برای مثال ، مقدار دفع کلسیم در حاشیه بهتر از مقدار دفع منیزیم می‌باشد .
• قطبیت : به‌طورکلی ، قطبیت بیشتر ، مقدار دفع کمتر . برای مثال ، مواد آلی بهتر از آب دفع می‌شوند .
• درجه‌ هیدروتاسیون ( آب‌دار شدن) : به‌طورکلی ، درجه‌ هیدروتاسیون بیشتر ، مقدار دفع بیشتر . برای مثال ، کلراید بهتر از نیترات دفع می‌شود .
• مقدار شاخه‌های مولکولی : به‌طورکلی ، شاخه‌های مولکولی زیادتر ، مقدار دفع بیشتر . برای مثال ، ایزوپروپانول بهتر از نرمال پروپانول دفع می‌شود .

مقدار دفع در گازها برابر با 0 درصد است ، یعنی غلظت گازها در جریان آب تصفیه شده و جریان ورودی و آب نمک یکسان می‌باشد. گازهایی که دفع نمی‌شوند عبارتند از کلر که برای ضدعفونی کردن آب ورودی به RO در سیستم پیش ‌تصفیه مورد استفاده قرار می‌گیرد و دی‌اکسید کربن .

rosys2

تصفیه آبجدول 2 ظرفیت‌های عمومی مقدار دفع برای بیشتر ممبرین‌های کامپوزیت پلی‌آمید در درجه حرارت اتاق

در بهره‌برداری از سیستم اسمز معکوس در pH نزدیک به خنثی ، مقداری دی‌اکسید کربن در آب خوراک وجود خواهد داشت. چون گازها به‌وسیله‌ ممبرین‌های اسمز معکوس دفع نمی‌شوند ، جریان‌های آب تصفیه شده و آب نمک نیز حاوی دی اکسید کربن خواهند بود. اگر آب تصفیه شده پس از اسمز معکوس به مبدل یونی دمین یا الکترویونیزاسیون فرستاده شود ، کربن دی اکسید بر روی رزین‌های آنیونی قرار می‌گیرد آنچنان ‌که سایر آنیون‌ها نتوانند به‌خوبی حذف شوند.

در این شرایط ، در برخی مواقع سود سوزآور (NaOH) به آب ورودی به سیستم اسمز معکوس افزوده می‌شود. این کار باعث افزایش pH و تبدیل دی اکسید کربن به بی‌کربنات می‌گردد. با این روش ماده‌ای که توسط ممبرین RO دفع نمی‌شد، به ماده‌ای قابل دفع تبدیل می‌شود. افزودن سودسوزآور پس از حذف سختی ( کلسیم ، منیزیم ، باریوم ، و استرنسیوم ) با استفاده از سدیم توصیه می‌گردد. بدون انجام سختی‌گیری ، سختی موجود در آب خوراک در pH بالاتر ، پس از افزودن سودسوزآور به‌حالت اشباع می‌رسد و بر روی ممبرین رسوب می‌کند. در برخی مواقع ، در سیستم‌های RO دو مرحله‌ای ، سودسوزآور را در بین مراحل اضافه می‌کنند. در اولین مرحله‌ سیستم اسمز معکوس ، سختی حذف می‌شود ، حال آنکه جریان خروجی از مرحله‌ی دوم نسبتاً عاری از دی اکسید کربن می‌باشد .

شدت نفوذ

شدت نفوذ عبارت است از نرخ شدت جریان حجمی یک سیال که از سطح معینی عبور می‌کند. در سیستم اسمز معکوس ، سیال آب بوده و سطح ، همان ممبرین می‌باشد. در زبان RO ، شدت نفوذ عبارت است از تعداد گالن‌های آب در فوت مربع از سطح ممبرین در یک روز ، (gpd) . شدت نفوذ آب از میان یک غشای RO متناسب با نیروی محرکه‌ خالص ناشی از فشار اعمال شده بر روی آب می‌باشد :

(5) J = K ( ΔP – ΔΠ )

که :

J = شدت نفوذ آب
K = ضریب انتقال آب = مقدار قابلیت نفوذ / ضخامت لایه‌ی فعال در ممبرین
ΔP = اختلاف فشار در سرتاسر ممبرین
ΔΠ = اختلاف فشار اسمزی در سرتاسر ممبرین

توجه داشته باشید که ضریب انتقال آب برای هر ممبرین منحصر به فرد بوده و مقدار ثابتی نمی‌باشد ؛ به‌طور مستقیم با درجه حرارت تغییر می‌کند. این ضریب در برخی از ممبرین‌های پلی‌آمیدی جدیدتر با مقدار pH نیز عوض می‌شود .
طراح سیستم اسمز معکوس ، نرخ شدت نفوذ را انتخاب می‌کند ؛ این مقدار جزو خواص ممبرین نمی‌باشد. به‌طورکلی ، شدت نفوذ در یک سیستم اسمز معکوس طراحی شده ، تابع کیفیت آب ورودی است .

زیرا شدت نفوذ بیشتر باعث تسریع رسوب‌گذاری در ممبرین می‌شود. پس ، کیفیت پایین‌تر آب ورودی موجب کاهش شدت نفوذ عملیاتی در سیستم اسمز معکوس می‌گردد. جدول 3 شدت نفوذهای توصیه شده را به‌عنوان تابعی از منبع آب ورودی نشان می‌دهد ( که از این روش می‌توان به‌طور غیر مستقیم ، کیفیت آب را ارزیابی نمود) و شاخص چگالی لجن (SDI) ، که توسط آن می‌شود تمایل آب به رسوب‌گذاری بر روی ممبرین را سنجید. در موارد مشکوک ، معمولاً توصیه می‌شود که به‌طور قراردادی از شدت نفوذ مساوی با 14 gfd استفاده شود.

اسمز معکوس

جدول 3 شدت نفوذ توصیه شده به‌عنوان تابعی از منبع آب ورودی

٭ برای قطر 8 اینچ ، مدول‌های ممبرین جهت آب لب‌شور
٭٭ اندازه‌ی منافذ میکروفیلتراسیون کمتر از 0.5 میکرون

در برخی مواقع جهت مقایسه‌ عملکرد یک نوع از ممبرین با انواع دیگر ، از شدت نفوذ ویژه استفاده می‌شود. شدت نفوذ ویژه با تقسیم کردن شدت نفوذ کلی در سیستم بر نیروی فشاری اعمال شده ، تخمین زده می‌شود :

(6) فشار اعمال شده / شدت نفوذ = شدت نفوذ ویژه

در مقایسه‌ بین ممبرین‌ها ، جهت بهره‌برداری از سیستم اسمز معکوس ، لازم است که شدت نفوذ ویژه‌ بیشتر و نیروی فشاری اعمال شده کمتر باشد. همچنین می‌توان شدت نفوذ ویژه را به‌عنوان قابلیت نفوذ ممبرین تعریف نمود .

قطبش غلظتی

با استفاده از ساده‌ترین عبارات می‌توان بیان نمود که شدت جریان آب عبور کننده از یک ممبرین RO شبیه به شدت جریان آبی است که از یک لوله عبور می‌کند ، شکل 2 . جریان در توده‌ محلول به‌شکل هدایتی است ، درصورتیکه جریان در لایه مرزی به‌صورت نفوذی بوده و عمود بر جریان هدایتی در حجم محلول می‌باشد. در لایه‌ مرزی ، جریان هدایتی وجود ندارد .

اسمز معکوس

شکل 2 لایه‌ی مرزی هیدرولیکی ایجاد شده به‌وسیله‌ جریان سیال در یک لوله

اسمز معکوس

شکل 3 قطبش غلظتی ، که Cb غلظت در حجم سیال و Cs غلظت در سطح ممبرین می‌باشد .

پایین‌تر بودن سرعت آب درون لوله ، باعث ضخیم‌تر شدن لایه‌ی مرزی می‌شود .

اکنون جریان موازی با سطح یک ممبرین را درنظر بگیرید. در این حالت لایه مرزی همانند لایه‌ مرزی در جریان درون لوله می‌باشد. به‌هرحال ، در یک سیستم غشائی ، چون در خارج از ممبرین ، شدت جریان خالصی وجود دارد ، جریان ورودی به ممبرین به‌شکل هدایتی است ، اما فقط جریان خروجی از ممبرین به‌صورت نفوذی است. چون جریان نفوذی آهسته‌تر از جریان هدایتی است ، مواد محلول که توسط ممبرین دفع شده‌اند ، تمایل دارند که بر روی سطح و در لایه‌ی مرزی جمع شوند. بنابراین ، غلظت مواد حل شده در سطح ممبرین بیشتر از توده‌ محلول می‌باشد. این لایه‌ مرزی را ” قطبش غلظتی” می‌نامند. این پدیده در شکل 3 نشان داده شده است .

قطبش غلظتی تأثیر منفی بر روی عملکرد یک غشای RO دارد. این پدیده توان عملیاتی ممبرین را با سه شیوه‌ مهم کاهش می‌دهد. در روش اول ، به‌عنوان یک مقاومت هیدرولیکی در برابر جاری شدن آب در میان ممبرین عمل می‌کند. در روش دوم ، تجمع مواد حل‌شده باعث افزایش فشار اسمزی در لایه مرزی شده ، و به‌طور مؤثری نیروی محرکه جهت عبور آب از میان ممبرین را کم می‌کند. در روش سوم ، زیادتر بودن غلظت مواد حل شده بر روی سطح ممبرین نسبت به توده‌ی محلول ، سبب زیادتر شدن عبور مواد حل شده نسبت به مقدار پیش‌بینی شده آن توسط غلظت آب خوراک می‌شود.

زیرا یک غشای RO مواد حل شده را براساس غلظت نمکی که “می‌بیند” دفع می‌کند. اگر غلظت یک ذره در سطح ممبرین زیادتر باشد ، مانند حالت قطبش غلظتی ، مقدار عبور ماده‌ محلول به‌درون آب تصفیه شده بیشتر از مقدار مورد انتظار بر مبنای غلظت آن ماده در درون توده می‌باشد . مقدار دفع و عبور نمک واقعی که توسط ممبرین نمایش داده می‌شود تغییر نمی‌کند. به‌هرحال ، مقدار دفع / عبور قابل مشاهده است.

برای مثال ، فرض کنید که غلظت سیلیکا در توده‌ سیال مساوی با 10 ppm باشد ، درصورتی‌که غلظت آن بر روی سطح غشاء برابر با 11.5 ppm است. اگر مقدار دفع 98% باشد ، انتظار می‌رود که برمبنای غلظت در توده‌ سیال ، غلظت سیلیکا در آب تصفیه شده برابر با 0.20 ppm باشد. به‌هرحال ، ممبرین 11.5 ppm را “می‌بیند ” ، بنابراین مقدار واقعی عبور نمک 2% از 11.5 ppm ، یا 0.23 ppm است. مقدار واقعی دفع فقط 98% است. مقدار دفع مشاهده شده مساوی با 97.7% می‌باشد.

به اشتراک گذاری این مطلب