ممبران صنعتی

شرکت های زیادی در دنیا تولید کننده ممبران های اسمز معکوس برای تصفیه آب های مختلف در سایزهای متنوع هستند. به طور معمول ممبران های تصفیه آب صنعتی وارداتی و رایج در بازار مصرف ایران از شرکت های فیلمتک آمریکا (FILMTEC)، هایدروناتیک آمریکا (HYDRANAUTICS)، تورای ژاپن (TORAY)، سی اس ام کره جنوبی (CSM)، ال جی کره جنوبی (LG)، لنکسس آلمان (LANXESS) و ونترون چین (VONTRON) می باشند. آب کالا با در اختیار داشتن امکان واردات ممبران های اصلی از برندهای معروف سازنده آمادگی خدمت رسانی به مشتریان عزیز با ارائه قیمت های مناسب را دارا می باشد. در ادامه برخی از اصطلاحات مهم و کلیدی در رابطه با ممبران های صنعتی و اصول استفاده از آنها در طراحی دستگاه های آب شیرین کن آورده شده است.

اسمز معکوس چیست؟
برای این که مفهوم اسمز معکوس را درک کنیم، ابتدا لازم است که با پدیده اسمز آشنا شویم؛ به طور خلاصه پدیده اسمز زمانی رخ می دهد که آب خالص موجود در یک محلول نمکی رقیق، از میان ممبران به داخل محلول نمکی دیگری با غلظت بالاتر جریان پیدا کند. برای درک بهتر پدیده اسمز و اسمز معکوس به شکل 1 توجه کنید. برای رخ دادن پدیده اسمز به یک ممبران با غشا نیمه تراوا و دو محلول با غلظت های متفاوت نیاز داریم. نیمه تراوا بدین معنی است که ممبران برای برخی ذرات تراوا است (یعنی می تواند بعضی ذرات را از خود عبور دهد) و برای برخی دیگر تراوا نیست. فرض کنید که ممبران برای آب خالص تراوا و برای نمک غیر تراوا باشد. بنابراین هنگامی که محلول آب نمک غلیظ در یک سمت ممبران و آب نمک رقیق در سمت دیگر ممبرین قرار می گیرد؛ ممبران تنها به آب خالص اجازه می دهد که از آن عبور کند و به سمت دیگر تراوش کند، درحالی که نمک نمی تواند از ممبران عبور کند. از سویی چون همواره سیستم تمایل دارد تا به تعادل برسد، در نتیجه باید غلظت های دو طرف ممبران یکسان شود و تنها راه رسیدن به تعادل این است که آب از بخش با غلظت کمتر به سمتی که آب نمک غلیظ قرار دارد حرکت کند تا غلظت دو سمت ممبران برابر شود. حال اگر نیرویی خارجی بر روی ستون آب با غلظت بیشتر اعمال شود، جهت جریان آب را می توان معکوس کرد، بدین معنی که آب از سمتی که غلظت بیشتری دارد به سمتی که غلظت کمتری دارد حرکت کند؛ به این پدیده اسمز معکوس می گویند.

شکل 1 – پدیده اسمز  و اسمز معکوس

طبقه بندی آب ورودی به ممبران اسمز معکوس
انواع مهم آب های قابل تصفیه با ممبران های اسمز معکوس را می توان با استفاده از مقدار کل جامدات محلول (TDS) و بار مواد آلی (کل کربن آلی، TOC) طبقه بندی کرد (به شکل 2 نگاه کنید).
• آب هایی با شوری بسیار کم و خلوص بالا (HPW) با حداکثر مقدار  TDS برابر با 50 میلی گرم بر لیتر
• آب شیر (Tap Water) با شوری کم با حداکثر مقدار  TDS برابر با 500 میلی گرم بر لیتر
• آب های زیر زمینی (groundwater) با شوری متوسط همراه با مقادیر زیاد آلی طبیعی (NOM) با حداکثر مقدار TDS برابر با 5000 میلی گرم بر لیتر
• آب های لب شور (Brackish Water) با شوری متوسط با حداکثر مقدار  TDS برابر با 5000 میلی گرم بر لیتر
• پساب خروجی تصفیه خانه با درجه شوری متوسط همراه با TOC و اکسیژن خواهی بیولوژیکی (BOD) زیاد با حداکثر مقدار  TDS برابر با 5000 میلی گرم بر لیتر
• آب لب شور با شوری زیاد دارای TDS در محدوده 5000 تا 15000 میلی گرم بر لیتر. آب دریا با TDS در محدوده 35000 میلی گرم بر لیتر

شکل 2- انواع مهم آب های قابل تصفیه با ممبران های اسمز معکوس

آب دریا (Sea Water)
آب دریا با TDS برابر با 35000 میلی گرم بر لیتر به عنوان "آب دریا استاندارد" در نظر گرفته می شود که بیشترین مقدار آب موجود در دنیا است و ترکیب آن در سراسر دنیا تقریبا مشابه است؛ البته مقدار TDS موجود در آب می تواند در رنج گسترده ای تغییر کند؛ برای مثال TDS دریای بالتیک 7000 میلی گرم بر لیتر است، در حالی که TDS خلیج فارس و دریای سرخ تا 45000 میلی گرم بر لیتر نیز می رسد. مقدار واقعی ترکیبات هر آبی را می توان از روی مقادیر آب دریا استاندارد و با تناسب گرفتن تخمین زد. ترکیب آب دریا استاندارد در جدول 1 نمایش داده شده است. آب تولیدی از چاه هایی که در حاشیه ساحل قرار دارند، بر حسب جنس خاک، مقدار نفوذ به زمین و ... می تواند شوری و ترکیبات متفاوتی نسبت به آبی که به طور مستقیم از دریا گرفته شده، داشته باشد.

جدول 1- ترکیب آب دریا استاندارد

در طراحی و راه اندازی سیستم های پیش تصفیه یا اسمز معکوس حتما باید به ویژگی های آب دریا توجه کرد. شوری بالای آب دریا منجر به فشار اسمزی زیاد می شود و نرخ بازیابی سیستم را به 40 تا 50 درصد محدود می کند تا فشار فیزیکی ممبران از حدود مجاز تجاوز نکند یا مصرف انرژی از طریق افزایش فشار اعمالی در نرخ های بازیابی بیشتر محدود شود و یا شوری و/یا غلظت بور (Boron) موجود در آب تولیدی در محدوده خاصی قرار گیرد.

آب لب شور  (Brackish Water)
ترکیب آب های لب شور بسیار گوناگون است و برای طراحی خوب یک سیستم کارآمد نیاز است که آنالیز آب انجام شود. نمونه هایی از آنالیز آب های لب شور در جدول 2 نمایش داده شده است. در تصفیه آب های لب شور، فاکتور محدود کننده ریکاوری (Recovery) اصولا جزو طبیعت شیمیایی آب است (همانند ته نشینی و تشکیل رسوب که به وسیله ترکیباتی مانند کلسیم کربنات یا کلسیم سولفات ایجاد می شود). پتانسیل رسوب بیولوژیکی (Biofouling) نیز یکی دیگر از عوامل محدود کننده در تصفیه آب های لب شور است. در تصفیه پساب صنعتی و شهری، ممکن است که مواد آلی و غیر آلی متنوعی در آب موجود باشند؛ بنابراین عوامل محدود کننده گاهی اوقات توسط خواص اضافی آب تغذیه تحت تاثیر قرار می گیرند برای مثال پتانسیل رسوب گذاری مواد آلی یا فسفات.

جدول 2- نمونه هایی از آنالیز آب های لب شور 

عوامل موثر بر عملکرد ممبران اسمز معکوس
شدت جریان آب تصفیه شده و مقدار دفع نمک، پارامترهای کلیدی در عملکرد فرایند اسمز معکوس هستند. این دو خاصیت عموما تحت تاثیر عوامل مختلفی نظیر موارد زیر هستند:
• فشار
• دما
• بازیابی
• غلظت نمک در آب تغذیه 

فشار (Pressure)
فشار اعمالی بر ممبران هم بر نرخ جریان تصفیه شده و هم مقدار دفع نمک ممبران تاثیر می گذارد. همان طور که می دانید در فرایند اسمز معکوس از یک فشار خارجی استفاده می شود تا بر فشار اسمزی طبیعی غلبه شود و جریان تصفیه شده ایجاد شود. با افزایش فشار خارجی اعمالی همان طور که در نمودار زیر نشان داده شده است، نرخ جریان تصفیه شده به صورت خطی افزایش می یابد؛ مقدار دفع نمک نیز افزایش می یابد اما به صورت غیر خطی در نتیجه مقدار TDS در آب خروجی تصفیه شده کاهش می یابد.

دما (Temperature)
دما نیز یکی دیگر از پارامترهای مهم و تاثیرگذار بر عملکرد و بهره وری ممبران اسمز معکوس است. همان طور که در نمودار زیر نشان داده شده است با افزایش دما و ثابت ماندن سایر عوامل موثر، نرخ جریان آب تصفیه شده تقریبا به صورت خطی افزایش می یابد. این در حالی است که افزایش دما کاهش میزان دفع نمک را به همراه دارد.

بازیابی (Recovery)
بازیابی عبارت است از نسبت جریان تصفیه شده به جریان تغذیه. اگر درصد بازیابی افزایش یابد و سایر پارامترهای موثر بر عملکرد ممبران ثابت باقی بماند؛ مقدار نمک موجود در آب تغذیه باقی مانده به تدریج افزایش می یابد و در نتیجه فشار اسمزی طبیعی محلول افزایش می یابد تا زمانی که این فشار با افشار اعمالی خارجی برابر شود. بدین ترتیب افزایش درصد بازیابی بر عملکرد ممبران اثر منفی می گذارد و باعث می شود که نرخ جریان تصفیه شده و میزان دفع نمک به تدریج کاهش یابد و حتی قطع شود. این اثر در نمودار زیر نشان داده شده است.

غلظت نمک در آب تغذیه (Feedwater Salt Concentration)
همان طور که می دانید فشار اسمزی تابعی است از نوع و غلظت نمک ها و مواد آلی موجود در آب تغذیه؛ بنابراین هرچه غلظت نمک افزایش پیدا کند، فشار اسمزی نیز زیاد می شود و این بدین معنا است که به فشار خارجی بیشتری برای معکوس کردن فشار اسمزی نیاز داریم. حال در صورتی که غلظت نمک آب تغذیه افزایش یابد و سایر پارامترهای موثر بر عملکرد ممبران نظیر فشار ثابت باقی بماند، نرخ جریان آب تصفیه شده توسط ممبران و میزان دفع نمک آن کاهش می یابد. نمودار زیر این اثر را نشان می دهد. 

ممبران های خشک و تر (Wet and Dry Membranes)
ممبران های خشک و تر هر دو در یک پوشش پلی پروپیلنی (پلاستیکی) بسته بندی می شوند. تفاوت آن ها در این است که ممبران های تر علاوه بر پوشش پلی پروپیلنی باید در یک محلول نگهدارنده دارای 1 درصد وزنی متابی سولفیت سدیم (SMBS) در کلاس غذایی نیز قرار داده شوند. در سال های اخیر استفاده از ممبران های خشک توجهات زیادی را به خود جلب کرده است زیرا این ممبران ها محاسن زیادی دارند از جمله:
• المان های خشک تاریخ انقضا ندارند و درنتیجه نگهداری آنها در انبارها و برنامه ریزی برای فهرست موجودی آنها در انبار آسان تر است.
• المان های خشک نیازی به محلول نگهداری ندارند؛ این در حالی است که المان های تر علاوه بر این که نیاز به محلول نگهداری دارند، در هنگام ذخیره و انبارداری محصول، این محلول نگهدارنده باید هر 12 ماه یکبار چک و تعویض شود، این امر خود باعث افزایش هزینه ها می شود.
• المان های خشک در حدود چند کیلو سبک تر هستند و به دلیل عدم داشتن محلول نگهدارنده بارگیری و نصب ساده تر و ایمن تری دارند.
• به دلیل وزن کمتر و مصرف انرژی و آب کمتر در هنگام تست، المان های خشک در مقایسه با المان های تر سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند، خصوصا این که تولید و انتشار CO2 در المان های خشک 20 درصد کمتر از المان های تر است.
البته نکته قابل ذکر این است که ممبران های خشک پس از خیس شدن برای اولین بار، همواره باید مرطوب نگه داشته شوند. همچنین همانطور که در شکل ذیل نشان داده شده است ممبران های تر نسبت به ممبران های خشک در بازه زمانی کوتاه تری به مقدار دفع نمک یکسانی می رسند.

شاخص چگالی گل و لای (SDI: Silt Density Index)
شاخص چگالی گل و لای می تواند به عنوان شاخص مفید و کاربردی از مقادیر ذرات معلق موجود در آب و تمایل سیستم اسمز معکوس به رسوب گذاری باشد. SDI از طریق سرعت گرفتگی و انسداد فیلتر ممبران 0.45 میکرومتری زمانی که آب در فشار اندازه گیری ثابت (gauge) از آن عبور می کند، محاسبه می شود. برای اندازه گیری شاخص SDI به لوازم زیر نیاز داریم (شکل 3):
• نگه دارنده فیلتر ممبران با قطر 47 میلی متر
• فیلتر ممبران 47 میلی متری (اندازه حفرات 45/0 میکرومتر)
• فشارسنج 10 تا 70 psi (1 الی 5 بار)
• شیر سوزنی جهت تنظیم فشار

شکل 3- لوازم اندازه گیری شاخص SDI

برای اندازه گیری شاخص SDI باید به صورت زیر عمل کنید:
1. ابتدا باید دستگاه را مطابق شکل 3 مونتاژ کنید، سپس شیر فشار را بر روی KPa 207  تنظیم کنید.
2. فیلتر ممبران را به دقت بر روی تکیه گاه خود قرار دهید.
3.  مطمئن شوید که o-ring در شرایط خوبی است و به درستی قرار گرفته است. نیمه بالایی نگه دارنده فیلتر را در جای خود قرار دهید و به طور آزادانه آن را ببندید.
4. هوای حبس شده را خارج کنید، سپس شیر را بسته و نگه دارنده فیلتر را محکم کنید.
5. شیر خروجی را باز کنید و همزمان با استفاده از یک کرنومتر زمان لازم برای جریان یافتن 500 میلی لیتر را اندازه گیری کنید. زمان t را ثبت کنید. سپس برای ادامه یافتن جریان، اجازه دهید که شیر باز بماند.
6. زمان جمع آوری 500 میلی لیتر دیگر از نمونه را اندازه گیری و یادداشت کنید. توجه کنید که نمونه گیری را 5، 10 و 15 دقیقه پس از کل جریان سپری شده شروع کنید. دمای آب را اندازه گیری کنید و فشار را در زمان گرفتن هر نمونه کنترل کنید.
7. پس از اتمام تست، ممکن است که فیلتر ممبران به عنوان مرجع برای آینده نگه داری شود یا ممکن است که از ممبران بهره برداری شود تا زمانی که با جمع شدن مواد معلق مسدود شود و برای آنالیز با روش های تحلیلی از آن استفاده گردد.
8. با استفاده از فرمول زیر شاخص SDI را محاسبه کنید:

T = کل زمان جریان سپری شده بر حسب دقیقه (معمولا 15 دقیقه)
ti= زمان اولیه لازم برای جمع شدن 500 میلی لیتر نمونه بر حسب ثانیه
tf = زمان لازم برای جمع آوری 500 میلی لیتر نمونه پس از زمان آزمایش T، بر حسب ثانیه 
تذکر: در این روش آزمایش، مقدار عبارت داخل پرانتز نباید از 0.75 بیشتر شود، اگر مقدار این عبارت بیش از عدد 0.75 شد، از زمان کوتاه تری برای T استفاده کنید (مثلا 5 یا 10 دقیقه)

برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید
برای اطلاع از قیمت تماس بگیرید