گرفتگی ممبران

گرفتگی ممبران

گرفتگی ممبران پدیده‌ای مخرب در عملکرد ممبرین دستگاه تصفیه آب است. با وجود گرفتگی ایجاد شده در ممبران به نوعی یک مانع اضافی برای انتقال آب از میان غشاء ایجاد می‌شود. اهمیت بررسی وجود گرفتگی در ممبران به این دلیل است که تصمیم مناسبی برای سیستم پیش تصفیه اتخاذ شود.

گرفتگی ممبران

ممبران اسمز معکوس از لایه‌های نازک پلی‌مری ساخته شده است که در یک مجموعه‌ی استوانه‌ی شکل به نام هوزینگ ممبران قرار می گیرند. امروزه با پیشرفت تکنولوژی در حوزه‌ی آب، سیستم اسمز معکوس از مهم ترین فرآیند‌های تصفیه آب به شمار می رود که با استفاده از غشای نیمه تراوا نمک‌ها و املاح را از آب ناخالص حذف نموده و آب تصفیه شده تأمین می شود. طراحی سیستم اسمز معکوس با توجه به نوع ممبران متفاوت می باشد. در این مقاله درباره گرفتگی ممبران و روش‌های پاکسازی رسوب از سطح ممبران مطالبی بیان می شود.
گرفتگی ممبران یا فولینگ (Fouling)
تجمع مواد معدنی، نمک‌ها و ناخالصی‌های دیگر موجود در آب خام که روی سطح غشای نیمه تراوا قرار می‌گیرند را گرفتگی ممبران یا فولینگ می‌گویند. ممبران‌ها پس از یک دوره استفاده در سیستم تصفیه آب RO به دلیل وجود آلاینده‌ها در آب خام دچار گرفتگی می شوند. این رسوبات بیشتر شامل سولفات کلسیم، کربنات کلسیم، اکسیدهای فلزی و آهن، منگنز و مس، رسوبات سیلیس پلیمر شده و ذرات کلوئیدی می‌باشند. در صورتی که گرفتگی ممبران در زمان مناسب کنترل نشود رسوبات و آلاینده‌ها در ممبران افزایش یافته و آسیب‌های جدی به عملکرد ممبران و در نهایت به دستگاه تصفیه آب در مدت زمان کوتاهی خواهد داشت.

روش‌های کنترل گرفتگی ممبران‌ها:
اولین راه حل برای جلوگیری از گرفتگی ممبران انجام پیش تصفیه بر روی آب خام می باشد. فیلترهای شنی، کربنی، سختی گیر، میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون از مواردی هستند که کار پیش تصفیه را انجام می‌دهند. برای پیش تصفیه آب دریاها از اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون و برای تصفیه آب چاه یا آب‌های سطحی از فیلترهای شنی و کربنی به عنوان پیش تصفیه استفاده می شود. با انجام پیش تصفیه تا حد زیادی می توان از گرفتگی ممبران ها ممانعت نمود. روش دیگر برای کنترل گرفتگی ممبران خاموش نبودن دستگاه تصفیه RO به مدت طولانی می‌باشد. چرا که خاموش بودن دستگاه به مدت طولانی باعث می شود آب درون ممبران‌ها باقی مانده و مواد و آلودگی‌های آب بر روی سطح غشای ممبران رسوب می کند. یکی دیگر از روش‌های مهم و کاربردی کنترل گرفتگی ممبران شست و شوی ممبران‌ها می باشد. در صورتی که کیفیت و مزه‌ی آب تغییر محسوسی داشت. دوره‌های شست و شوی CIP به صورت بازه‌های زمانی چند ماهه بر روی ممبران اعمال می‌شود.
زمان مناسب برای شست و شوی ممبران:
به طور مشخص نمی توان دوره زمانی یکسانی برای تمام دستگاه‌های RO تعیین نمود. با توجه به عوامل متعدد مانند مدت زمان استفاده از غشای ممبران، تعداد دفعاتی که سیستم RO روشن و مشغول به کار بوده است، نوع مواد ناخالص، آلاینده‌ها و ذرات کلوئیدی موجود در آب خام می توان یک بازه‌ی زمانی مشخص برای شست و شوی ممبران در نظر داشت.
مواد شوینده ممبران:
آنتی اسکالانت (Anti Scalant): ضد رسوب‌ها از مواد بسیار پر کاربرد در صنعت تصفیه آب می باشند. آنتی اسکالانت‌ها از ایجاد رسوب بر روی ممبران دستگاه تصفیه آب جلوگیری می کند. مواد ضد رسوب را می توان در گروه های مختلف اسیدی، قلیایی و خنثی تقسیم بندی نمود که هر یک به طور اختصاصی از تجمع رسوبات مختلف جلوگیری می کنند. نکته ی قابل توجه در استفاده از آنتی اسکالانت ها، استاندارد بودن این مواد می باشد. مواد ضد رسوب نامرغوب و منقضی شده می تواند به سطح غشای ممبران آسیب جدی وارد نماید.

مواد شوینده ممبران CIP
با گذشت زمان رسوب آلاینده‌های مختلف در سطح غشای ممبران افزایش یافته و مواد آنتی اسکالانت قادر به حذف این رسوبات از سطح غشا نمی‌باشند که این مورد از مشکلات بزرگ در دستگاه‌های تصفیه آب به شمار می‌رود. به همین منظور از فرآیند شست و شو در محل Cleaning in Place (CIP) استفاده می‌شود. مواد شوینده ممبران CIP در دو گروه کلی اسیدی و قلیایی تقسیم بندی می‌شوند. استفاده بهینه و بازدهی بالا از این مواد بستگی به مواردی دارد از جمله می توان به تأثیر دما و غلظت محلول، مدت زمان ماندگاری املاح بر روی غشاها، میزان فشار پمپ در زمان شست و شو اشاره نمود. آلاینده‌هایی که بر سطح غشا باقی می‌مانند، متفاوت هستند و منشا این تفاوت در منطقه و نوع آب تصفیه شده می باشد. انواع نمک‌ها، روغن‌ها و میکروارگانیسم‌ها در سطح غشا باقی می‌مانند. به همین دلیل از مواد شوینده با ویژگی‌های متفاوت استفاده می‌شود تا رسوبات حذف و ممبران پاکسازی شود. همانطور که اشاره شد مواد CIP در دو گروه اسیدی و قلیایی تقسیم بندی می شوند.

مواد شوینده ممبران CIP از نوع اسیدی: این مواد خاصیت اسیدی و pH پایین زیر عدد ۷ را دارند. رسوباتی که حاصل تجمع نمک‌ها، اکسیدهای فلزی، تشکیل شده اند با مواد اسیدی از بین می روند. اسیدهای مانند اسید سیتریک با غلظت‌های متفاوت برای از بین بردن گرفتگی ممبران استفاده می شود.
مواد شوینده ممبران CIP از نوع قلیایی: اگر موادی مانند روغن‌ها و مواد آلی بر روی ممبران‌ها تجمع و رسوب نمایند از مواد قلیایی با pH بالا استفاده می‌شود مانند سود پرک که در بیشتر شوینده‌های قلیایی از آن استفاده می‌شود. در تصویر پایین ممبران با تجمع رسوبات و همچنین بعد از شست و شو با مواد CIP نشان داده شده است.

مکانیسم گرفتگی ممبران

مکانیسم گرفتگی ممبران به دو دسته کلی تقسیم می‌شود. دسته اول عبارت است از گرفتگی سطحی یا گرفتگی موقت و جبران پذیر و دسته دوم گرفتگی دائمی و جبران ناپذیر است.

1. گرفتگی سطحی یا گرفتگی موقت و جبران پذیر

گرفتگی سطحی (External Fouling ) نوعی از گرفتگی که بر سطح غشا صورت می‌گیرد.

عوامل گرفتگی سطحی

گرفتگی سطحی عوامل مختلفی دارد:

الف) تشکیل رسوبات معدنی (Scales)

ب)تشکیل کیکی از جامدات حذف شده، ذرات، کلوییدها و سایر مواد آلی/ غیر آلی

ج)تشکیل بیوفیلم (Biofouling) – که متداول‌ترین نوع گرفتگی سطحی است. (مانند: رشد و تجمع میکروارگانیسم‌ها بر سطح غشا)

2. گرفتگی دائمی و جبران ناپذیر

گرفتگی دائمی (Internal Fouling )ناشی از تغییرات ساختمان پلیمری غشا است. گرفتگی دائمی در اثر تغییرات فیزیکی و شیمیایی ایجاد می‌شود.

الف) تغییرات فیزیکی در ساختمان غشا ناشی از به کارگیری طولانی مدت آب خوراک در فشار و دمای بالاتر از مقدار حداکثری طراحی (فشار طراحی برای غشاهای SW  (آب دریا) ۸۲ بار و BW  (آب لب شور) ۶۹ بار و دمای طراحی عموما ۴۵ درجه سلیسیوس است).

ب) تغییرات شیمیایی در ساختمان غشا ناشی از در معرض قرارگرفتن در برابر مواد شیمیایی (مانند اکسیدانت‌های قوی و اسیدها و بازهای قوی).

انواع گرفتگی ممبران

برای رفع گرفتگی ایجاد شده در ممبران‎ها عموماً باید از آنتی‌اسکالانت و سیستم‌ پیش تصفیه مناسب استفاده کرد. لازمه‌ی تدارک پیش تصفیه مناسب و تعیین مقدار مناسب آنتی‌اسکالانت جهت تزریق در مرحله نخست شناخت عامل گرفتگی است. پنج گروه کلیدی از مواد که عامل گرفتگی ممبران شامل موارد زیر هستند:

1. ذرات (Particulate Foulants) که عمدتاً شامل گل‌ولای و ذرات معلق است.
2. کلوییدها (Colloidal Foulants)
3. رسوب زاهای معدنی (Mineral-Scaling Foulants)
4. مواد آلی طبیعی (Natural Organic Foulants)
5. مواد میکروبی (Microbial Foulants)

پدیده‌ی پلاریزاسیون

پلاریزاسیون (Polarization) از فاکتورهای موثر و مهم بر مقدار و نوع گرفتگی ممبران محسوب می‌شود. چگونگی ایجاد این پدیده به این صورت است که با عبور آب از غشا املاحی را در  همان طرف غشا جای می‌گذارد که لایه‌ی مرزی از محلول با غلظت بالا ایجاد می‌کند. در نتیجه‌ی آن ریکاوری سیستم در اثر افزایش موضعی مقدار املاح در یک طرف غشا کاهش می‌یابد.

ضریب پلاریزاسیون(β) توسط ۲ پارامتر C_s و C_b تعریف می‌شود:

پیامدهای پلاریزاسیون

این پدیده در مجموع ۴ مشکل بسیار بزرگ ایجاد می‌کند:

• فشار اسمزی در سطح غشا را افزایش می‌دهد.
• فلاکس جریان آب عبوری را کاهش می‌دهد.
• نمک عبوری از غشا را افزایش می‌دهد.
• احتمال تشکیل رسوبات و گرفتگی ممبران را افزایش می‌دهد.

از این رو برای محدودسازی مشکل این پدیده تا حد قابل قبول، سازندگان غشا پیشنهاد می‌کنند حداکثر ریکاوری در هر المان بین ۱۰ تا ۲۰ درصد باقی بماند.

نکته قابل توجه در خصوص تاثیرات پلاریزاسیون، در طول وسل غشا، به دلیل افزایش غلظت خوراک، پدیده‌ی پلاریزاسیون تشدید پیدا می‌کند. در نهایت فلاکس آب تولیدی از ابتدای وسل تا انتهای آن طبق رویه‌ی نمودار زیر کاهش می یابد.

تاثیر گرفتگی غشا بر فلاکس آب تولیدی به صورت تابعی از طول وسل

البته گفتن این نکته خالی از لطف نیست که با این که با وجود پلاریزاسیون در المان‌های انتهایی وسل غشا رسوب گذاری‌های معدنی به حداکثر می‌رسد ولی گرفتگی‌های ناشی از ذرات، مواد آلی و بیوفیلم‌ها معمولا در المان‌های ابتدایی وسل غشا شکل می‌گیرد.