كيفية منع التلوث والتحجيم في أنظمة التناضح العكسي؟ فهم تأثير استقطاب التركيز

استقطاب التركيز (CP)

ويشير استقطاب التركيز إلى الآثار الضارة الناجمة عن التراكم المستمر للمواد المذابة على سطح الغشاء، مما يضعف أداء الغشاء. عندما يتخلل الماء عبر الغشاء، يتم نقل محلول التغذية (الذي يحتوي على الماء والمواد المذابة) إلى سطح الغشاء. عندما يمر الماء النقي عبر الغشاء، تتراكم المواد المذابة بالقرب من سطح الغشاء. ① في الترشيح الغشائي، تتصل الجزيئات بالغشاء وتشكل طبقة كعكة الترشيح. ② نظرًا لآلية الإزالة المميزة للتناضح العكسي (RO)، تشكل المواد المذابة في المحلول طبقة حدودية عالية التركيز على سطح الغشاء. يؤدي هذا إلى استقطاب التركيز، مما يجعل تركيز المذاب على سطح الغشاء أعلى من تركيز المحلول السائب داخل قناة التغذية.

الآثار الضارة لاستقطاب التركيز على أداء RO
① يزيد تركيز المذاب العالي على سطح الغشاء من تدرج الضغط الأسموزي، مما يقلل من تدفق الماء.
② تعمل تدرجات التركيز المرتفعة وانخفاض تدفق الماء على تعزيز نقل الكتلة المذابة عبر الغشاء، مما يقلل معدلات الرفض.
③ قد يتم تجاوز حدود ذوبان المواد المذابة، مما يؤدي إلى هطول الأمطار والتحجيم.

القاذورات والتحجيم في التناضح العكسي

إن أغشية الترشيح النانوي (NF) وأغشية RO عرضة للتلوث من خلال آليات مختلفة. تشمل المصادر الأولية للتلوث والقشور المواد الجسيمية، وترسيب الأملاح غير العضوية غير القابلة للذوبان، وأكسدة المعادن القابلة للذوبان، والمواد البيولوجية.

1. قاذورات الجسيمات

لا تشتمل دورات تشغيل التناضح العكسي على الغسيل العكسي لإزالة الجسيمات المتراكمة (في الواقع، قد يتسبب الغسيل العكسي في فصل الطبقة النشطة من الطبقة الداعمة في الأغشية المركبة ذات الأغشية الرقيقة). يعد تلوث الجسيمات مصدر قلق كبير في أنظمة التناضح العكسي. تتطلب جميع أنظمة التناضح العكسي تقريبًا معالجة مسبقة لتقليل تلوث الجسيمات، حيث أن الجزيئات المتبقية تضعف كفاءة التنظيف.

يمكن أن تسبب المواد غير العضوية والعضوية، بما في ذلك المكونات الميكروبية والحطام البيولوجي، تلوثًا جسيميًا، مما يؤدي إلى الانسداد وتكوين كعكة الترشيح. يحدث الانسداد عندما تنحصر الجزيئات الكبيرة في محلول التغذية في قنوات التغذية والأنابيب. يمكن أن تؤدي المعالجة المسبقة لمحلول التغذية باستخدام الترشيح المسبق إلى تقليل الانسداد. يوصي مصنعو أغشية RO باستخدام مرشحات خرطوشة 5 ميكرومتر كخطوة معالجة مسبقة كحد أدنى لحماية وحدات الغشاء.

تشكل الجسيمات طبقة كعكة المرشح على سطح الغشاء، مما يزيد من المقاومة الهيدروليكية ويؤثر على أداء النظام. تتطلب مياه التغذية المعرضة للتلوث الجسيمي معالجة مسبقة متقدمة لتقليل تركيزات الجسيمات إلى مستويات مقبولة. يتم استخدام التخثر والترشيح (باستخدام الرمل أو الكربون أو الوسائط الأخرى)، وأحيانًا الترشيح الدقيق (MF) أو الترشيح الفائق (UF) كطرق للمعالجة المسبقة.

2.ترسيب وتحجيم الأملاح غير العضوية
يحدث التحجيم غير العضوي عندما تتجاوز الأملاح الموجودة في المحلول حدود ذوبانها وتترسب. ويحدث هطول الأمطار عندما تتركز الأيونات المكونة لهذه الأملاح خارج نطاق نواتج ذوبانها، خاصة في المناطق عالية التركيز بالقرب من سطح الغشاء، مما يؤدي إلى تفاقم استقطاب التركيز. يؤدي التحجيم غير العضوي على سطح الغشاء إلى تقليل نفاذية الماء أو يسبب تلفًا لا رجعة فيه للغشاء.

في غياب المعالجة المسبقة، يجب تجنب هطول الأمطار عن طريق تقليل استقطاب التركيز، أو الحد من معدل رفض الملح، أو معدل الاسترداد. يمكن تقليل استقطاب التركيز من خلال تعزيز التدفق المضطرب في قنوات التغذية والحفاظ على الحد الأدنى من سرعات التدفق المحددة من قبل الشركات المصنعة للمعدات. يعد الحد من معدلات رفض الملح أمرًا غير عملي بسبب الأهداف الهندسية المتضاربة، ولكن تقييد معدلات الاسترداد غالبًا ما يكون ضروريًا لمنع هطول الأمطار. يتم تعريف الحد الأقصى لمعدل الاسترداد المسموح به قبل حدوث ترسيب الملح على أنه معدل الاسترداد المسموح به، حيث يطلق على الملح الذي يبدأ بالترسيب اسم "الملح الحرج". تشمل المقاييس الشائعة في تطبيقات معالجة المياه كربونات الكالسيوم (CaCO₃) وكبريتات الكالسيوم (CaSO₄).

تعد المعالجة المسبقة ضرورية لجميع أنظمة RO العملية لمنع التقشر الناتج عن الأملاح قليلة الذوبان. ينتشر ترسيب كربونات الكالسيوم، لذا تتطلب معظم الأنظمة معالجة مسبقة لهذا المركب. يؤدي تحمض محلول التغذية لضبط الرقم الهيدروجيني إلى تحويل أيونات الكربونات إلى بيكربونات وثاني أكسيد الكربون، مما يمنع ترسيب CaCO₃. يشيع استخدام أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك، على الرغم من أن حمض الكبريتيك قد يزيد من تركيزات الكبريتات، مما يؤدي إلى تقشر الكبريتات. يتم تعديل معظم محاليل التغذية RO إلى درجة الحموضة 5.5-6.0، حيث توجد معظم الكربونات على شكل ثاني أكسيد الكربون وتتخلل عبر الغشاء.

عادةً ما يتم منع تقشر الأملاح الحرجة الأخرى باستخدام مثبطات التقشر. تمنع هذه المثبطات تكوين البلورات ونموها، مما يمنع هطول الأمطار حتى في ظل الظروف المفرطة التشبع. تعتمد درجة التشبع الفائق المسموح بها على خصائص المثبط، وغالبًا ما تكون مملوكة ومحددة لتكوينات المعدات. يجب أن يتبع اختيار المثبطات المناسبة توصيات الشركة المصنعة للمعدات والمثبطات، مع تحليل مياه التغذية الخاصة بالموقع وتصميم معدل الاسترداد.

وبعيداً عن التحمض والمثبطات، تشتمل المنشآت الحديثة على تدابير لتقليل كميات مياه الصرف الصحي المركزة وتعزيز عملية استخلاص المياه، مما يزيد من تخفيف حجمها.

3. تلوث بأكسيد المعدن
غالبًا ما تكون المياه الجوفية، وهي مصدر تغذية RO/NF شائع، لاهوائية. تتأكسد مركبات الحديد والمنغنيز المذابة وتترسب عندما تدخل المواد المؤكسدة إلى محلول التغذية، مما يؤدي إلى تلوث الأغشية. يكون تلوث الحديد أكثر شيوعًا ويحدث بسرعة عند دخول الهواء. أكسدة أو إزالة الحديد/المنغنيز المؤكسد يمكن أن تمنع التلوث. بالنسبة لتركيزات الحديد المنخفضة، يكفي منع دخول الهواء؛ غالبًا ما تشتمل مثبطات الحجم على مواد مضافة للتخفيف من قاذورات الحديد منخفضة التركيز. تتضمن المعالجة المسبقة للحديد الأكسدة بالأكسجين أو الكلور، يليها الخلط، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي المناسب، وترشيح الأكسدة في الوسائط الحبيبية أو المرشحات الغشائية. عند استخدام المواد المؤكسدة، يجب تجنب ملامسة الأغشية - خاصة مادة البولي أميد أو المواد الحساسة للأكسدة. يمكن للمنظفات التجارية وبروتوكولات التنظيف إزالة رواسب الحديد من أغشية RO.

عنصر آخر في المياه الجوفية اللاهوائية هو كبريتيد الهيدروجين (H₂S). يؤدي دخول الهواء إلى أكسدة H₂S إلى الكبريت الغروي، مما يؤدي إلى تلوث الأغشية. كما هو الحال مع أكسدة الحديد، فإن منع دخول الهواء أمر بالغ الأهمية لتجنب تلوث الكبريت. غالبًا ما تكون رواسب الكبريت على الأغشية غير قابلة للإصلاح.

4. التلوث البيولوجي
يشير التلوث البيولوجي إلى التصاق أو نمو الكائنات الحية الدقيقة أو المواد القابلة للذوبان خارج الخلية على سطح الغشاء أو داخل قنوات التغذية. من الشائع في أنظمة التناضح العكسي، أنه يؤدي إلى تدهور الأداء عن طريق تقليل التدفق، وخفض معدلات الرفض، وزيادة انخفاض الضغط عبر الوحدات، وتلويث النفاذية، وتدهور مواد الغشاء، وتقصير عمر الغشاء.

يمكن منع التلوث البيولوجي من خلال الحفاظ على ظروف التشغيل المثلى، واستخدام المبيدات الحيوية، وتنظيف وحدات الأغشية الخاملة بشكل دوري. تحتوي العديد من محاليل التغذية RO/NF (المياه الجوفية عادةً) على أحمال ميكروبية منخفضة. يضمن التشغيل السليم أن قوى القص في قنوات التغذية تمنع تراكم البكتيريا المفرط. ومع ذلك، تتكاثر الميكروبات بسرعة خلال فترات الخمول. وللتخفيف من ذلك، يعد التنظيف الدوري بالمبيدات الحيوية المتخللة أو إضافة المبيدات الحيوية أمرًا ضروريًا أثناء عمليات إيقاف التشغيل. تعمل محاليل الكلور ضمن الحدود الموصى بها كمبيدات حيوية لأغشية خلات السليلوز، ولكن أغشية البولياميد - المعرضة لتحلل الكلور - تتطلب بدائل مثل ثنائي كبريتيت الصوديوم.

بالنسبة لأغشية خلات السليولوز، قد تتم إضافة الكلورة بشكل مستمر بتركيزات محكومة. بالنسبة لأغشية البولي أميد، يمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية، أو المعالجة بالكلور، أو إزالة الكلور بعد الكلورة.

الاستنتاج
المعالجة المسبقة أمر بالغ الأهمية لمنع التحجيم والقاذورات. تشمل الطرق الشائعة التحمض ومثبطات الحجم لمنع ترسب الملح والترشيح لمنع الجسيمات. قد تتطلب مصادر مياه التغذية النظيفة (مثل المياه الجوفية) فقط ترشيح الخرطوشة قبل الوحدات الغشائية، بينما تتطلب مآخذ المياه السطحية طرق ترشيح متقدمة، بما في ذلك التخثر والتلبد والترسيب والترشيح الحبيبي أو الغشائي. وبما أن أداء الغشاء يعتمد على فعالية المعالجة المسبقة، فإن الاختيار والتصميم المناسبين لقطارات المعالجة المسبقة أمر ضروري.