كيف تمنع تلوث وتوسيع نطاق أنظمة التناضح العكسي؟ فهم تأثير استقطاب التركيز

استقطاب التركيز (CP)

يشير استقطاب التركيز إلى الآثار الضارة الناجمة عن التراكم المستمر للمذاب على سطح الغشاء ، مما يضعف أداء الغشاء. عندما يتخلل الماء عبر الغشاء ، يتم نقل محلول التغذية (يحتوي على الماء والمذاب) إلى سطح الغشاء. عندما تمر المياه النقية عبر الغشاء ، تتراكم المذاب بالقرب من سطح الغشاء. ① في ترشيح الغشاء ، تتواصل الجسيمات مع الغشاء وتشكل طبقة كعكة المرشح. ② نظرًا لآلية الإزالة المتميزة للتناضح العكسي (RO) ، تشكل المذاب في المحلول طبقة حدود التركيز العالية على سطح الغشاء. ينتج عن هذا استقطاب التركيز ، مما يجعل تركيز المذاب على سطح الغشاء أعلى من تلك الموجودة في المحلول بالجملة داخل قناة التغذية.

الآثار الضارة لاستقطاب التركيز على أداء RO
① يزيد التركيز المذاب العالي على سطح الغشاء من التدرج في الضغط التناضحي ، مما يقلل من تدفق الماء.
② تدرجات التركيز المرتفعة وتقليل تدفق الماء يعزز نقل الكتلة المذاب عبر الغشاء ، مما يقلل من معدلات الرفض.
③ قد يتم تجاوز حدود الذوبان من المواد المذابة ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار والتوسيع.

القاذورات والتوسيع في التناضح العكسي

الترشيح النانوي (NF) وأغشية RO عرضة للتلوث من خلال آليات مختلفة. تشمل المصادر الأولية للتلوث والتوسيع الجسيمات ، وهطول الأملاح غير العضوية غير القابلة للذوبان ، وأكسدة المعادن القابلة للذوبان ، والمواد البيولوجية.

1. التغلب على القاذورات

لا تتضمن دورات تشغيل RO الغسيل العكسي لإزالة المادة الجسيمية المتراكمة (في الواقع ، قد يتسبب غسل العكس في إزالة الطبقة النشطة من طبقة الدعم في الأغشية المركبة الرقيقة من الأغشية). الجسيمات تلوث هو مصدر قلق كبير في أنظمة RO. تتطلب جميع أنظمة RO تقريبًا المعالجة لتقليل تلوث الجسيمات ، حيث تضعف الجزيئات المتبقية كفاءة التنظيف.

يمكن أن تسبب المواد غير العضوية والعضوية ، بما في ذلك المكونات الميكروبية والحطام البيولوجي ، تلوث الجسيمات ، مما يؤدي إلى تكوين كعكة الترشيح ومرشح. يحدث الانسداد عندما تكون جزيئات كبيرة في محلول التغذية محاصرين في قنوات التغذية والأنابيب. يمكن أن يقلل المعالجة المسبقة لمحلول التغذية باستخدام الترشيح المسبق. يوصي مصنعو غشاء RO باستخدام مرشحات خرطوشة 5μM كخطوة دنيا للمعالجة لحماية وحدات الغشاء.

تشكل المادة الجسيمية طبقة كعكة المرشح على سطح الغشاء ، مما يزيد من المقاومة الهيدروليكية وتؤثر على أداء النظام. يتطلب تغذية المياه المعرضة لتلوث الجسيمات المعالجة المتقدمة لتقليل تركيزات الجسيمات إلى مستويات مقبولة. يتم استخدام التخثر ، والترشيح (باستخدام الرمال ، أو الكربون ، أو غيرها من الوسائط) ، وأحيانًا الترشيح الدقيق (MF) أو الترشيح الفائق (UF) كطرق المعالجة.

2. إهانة وتوسع الأملاح غير العضوية
يحدث التحجيم غير العضوي عندما تتجاوز الأملاح في المحلول حدود قابلية الذوبان والترسب. يحدث هطول الأمطار عندما تتركز الأيونات التي تشكل هذه الأملاح خارج منتجات القابلية للذوبان ، وخاصة في مناطق التركيز العالية بالقرب من سطح الغشاء ، مما يؤدي إلى تفاقم استقطاب التركيز. يقلل التحجيم غير العضوي على سطح الغشاء من نفاذية الماء أو يسبب تلف الغشاء الذي لا رجعة فيه.

في غياب المعالجة ، يجب تجنب هطول الأمطار عن طريق تقليل استقطاب التركيز ، أو الحد من معدل رفض الملح ، أو معدل الاسترداد. يمكن تقليل استقطاب التركيز عن طريق 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 غير عملي بسبب الأهداف الهندسية المتضاربة ، لكن تقييد معدلات الاسترداد ضروري غالبًا لمنع هطول الأمطار. يتم تعريف الحد الأقصى لمعدل الاسترداد المسموح به قبل حدوث هطول الأمطار الملح على أنه معدل الاسترداد المسموح به ، حيث يطلق على هطول الأمطار الملح "الملح الحرج". تشمل المقاييس الشائعة في تطبيقات معالجة المياه كربونات الكالسيوم (CACO₃) وكبريتات الكالسيوم (Caso₄).

المعالجة ضرورية لجميع أنظمة RO العملية لمنع التحجيم من الأملاح القابلة للذوبان. هطول كربونات الكالسيوم هو سائد ، لذلك تتطلب معظم الأنظمة معالجة لهذا المركب. تحمض محلول التغذية لضبط أيونات الكربونات يحول درجة الحموضة إلى بيكربونات وثاني أكسيد الكربون ، مما يمنع هطول الأمطار. يتم استخدام أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك بشكل شائع ، على الرغم من أن حمض الكبريتيك قد يزيد من تركيزات الكبريتات ، مما يؤدي إلى تحجيم الكبريتات. يتم ضبط معظم حلول تغذية RO على الرقم الهيدروجيني 5.5–6.0 ، حيث توجد معظم الكربونات كـ CO₂ وتتخلل عبر الغشاء.

عادة ما يتم منع تحجيم الأملاح الحرجة الأخرى باستخدام مثبطات المقياس. هذه المثبطات تمنع تكوين البلورة والنمو ، وقمع هطول الأمطار حتى في ظل الظروف غير المشبعة. تعتمد درجة التشبع المسموح بها على خصائص المانع ، وغالبًا ما تكون ملكية خاصة وخصوصية تكوينات المعدات. يجب أن يتبع اختيار المثبطات المناسبة المعدات وتوصيات الشركة المصنعة للمثبط ، مع تحليل مياه التغذية الخاصة بالموقع وتصميم معدل الاسترداد.

إلى جانب التحمض والمثبطات ، تتضمن المنشآت الحديثة مقاييس لتقليل أحجام مياه الصرف الصحي المركز وتعزيز استرداد المياه ، مما يزيد من التخفيف من التحجيم.

3. قاذفة أكسيد المعادن
المياه الجوفية ، مصدر تغذية RO/NF شائع ، غالبًا ما يكون اللاهوائي. تتأكسد مركبات الحديد والمنغنيز المذاب وترسب عندما تدخل المواد المؤكسدة محلول التغذية ، والأغشية التي تلوث. تلوث الحديد أكثر تواترا ويحدث بسرعة عند دخول الهواء. أكسدة أو إزالة الحديد/المنغنيز المؤكسد يمكن أن تمنع تلوث. لتركيزات الحديد المنخفضة ، منع دخول الهواء كافي ؛ غالبًا ما تشمل مثبطات المقياس إضافات لتخفيف قاذورات الحديد منخفض التركيز. يتضمن المعالجة الحديدية الأكسدة مع الأكسجين أو الكلور ، تليها الخلط ، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي الكافي ، وترشيح الأكسدة في وسائل الإعلام الحبيبية أو مرشحات الغشاء. عند استخدام المواد المؤكسدة ، يجب تجنب الاتصال بالأغشية-وخاصة المواد البولي أميد أو المواد الحساسة للأكسدة. يمكن أن يزيل المنظفات التجارية وبروتوكولات التنظيف رواسب الحديد من أغشية RO.

مكون آخر في المياه الجوفية اللاهوائية هو كبريتيد الهيدروجين (H₂s). يدعي الهواء يتأكسد من H₂s إلى الكبريت الغروي ، والأغشية الملوثات. كما هو الحال مع أكسدة الحديد ، فإن منع دخول الهواء أمر بالغ الأهمية لتجنب تلوث الكبريت. غالبًا ما تكون رواسب الكبريت على الأغشية لا رجعة فيها.

4. القاذورات البيولوجية
يشير القاذورات البيولوجية إلى ارتباط أو نمو الكائنات الحية الدقيقة أو المواد القابلة للذوبان خارج الخلية على سطح الغشاء أو داخل قنوات التغذية. شائع في أنظمة RO ، فإنه يحط من الأداء عن طريق تقليل التدفق ، وخفض معدلات الرفض ، وزيادة انخفاض الضغط عبر الوحدات النمطية ، والتلوث بالمواد الغشائية المهينة ، وتقصير عمر الغشاء.

يمكن الوقاية من القاذورات البيولوجية عن طريق الحفاظ على ظروف التشغيل المثلى ، وتطبيق المبيدات الحيوية ، ووحدات الغشاء الخاملة بشكل دوري. العديد من حلول التغذية RO/NF (عادة المياه الجوفية) لها أحمال ميكروبية منخفضة. العملية السليمة تضمن قوى القص في قنوات الأعلاف تمنع التراكم البكتيري المفرط. ومع ذلك ، تتكاثر الميكروبات بسرعة خلال فترات الخمول. للتخفيف من هذا ، من الضروري التنظيف الدوري مع التخلل أو إضافة المبيدات الحيوية أثناء الإغلاق. تعمل حلول الكلور ضمن الحدود الموصى بها كجمعات حيوية لأغشية خلات السليلوز ، ولكن أغشية البولي أميد - معهد لتدهور الكلور - تتسرب من بدائل مثل بيسلفيت الصوديوم.

بالنسبة لأغشية خلات السليلوز ، قد تكون الكلورة المستمرة بتركيزات محكومة. بالنسبة لأغشية البولي أميد ، قد يتم استخدام تشعيع الأشعة فوق البنفسجية ، أو الكلور ، أو إزالة الكلور بعد كلور.

خاتمة
المعالجة أمر بالغ الأهمية لمنع التحجيم والتلوث. تشمل الطرق الشائعة مثبطات التحمض والمقياس لمنع هطول الأمطار والترشيح لمنع الجسيمات. قد تتطلب مصادر مياه التغذية النظيفة (على سبيل المثال ، المياه الجوفية) ترشيح خرطوشة قبل وحدات الغشاء ، في حين أن مآخذ المياه السطحية تتطلب طرق ترشيح متقدمة ، بما في ذلك التخثر ، التلبد ، الترسيب ، وترشيح الحبيبات أو الغشاء. نظرًا لأن أداء الغشاء يعتمد على فعالية المعالجة ، فإن الاختيار الصحيح وتصميم قطارات المعالجة أمر ضروري .