شاخص تراکم سیلت(SDI) برای سنجش میزان ذرات معلق ریز و پتانسیل ایجاد فولینگ آب خام ورودی به ممبرانهای اسمز معکوس به کار می رود.

شاخص تراکم سیلت (SDI) پارامتری است که می تواند پتاسیل گرفتگی ذره ای یک منبع آب را نشان دهد. اگر یک فرایند اسمز معکوس با اختلاف فشار هیدرولیکی ثابت (اختلاف فشار هیدرولیکی آب خوراک نسبت به آب تصفیه شده: TMP) مورد بهره برداری قرار گیرد، پتانسیل گرفتگی ذره ای بر روی ممبران منجر به کاهش میزان تولید (شار عبوری از غشا) در طول زمان می گردد. SDI شاخصی است که میزان افت شار بر روی یک فیلتر با اندازه و قطر استاندارد (۰٫۴۵ میکرومتر) در شرایط بهره برداری در فشار ثابت (۲ بار معادل psi ۳۰) برای یک دوره زمانی مشخص را نشان می دهد.

آزمایش شاخص تراکم سیلت(SDI)

نحوه انجام آزمایش SDI در دستورالعمل ASTM با کد ۰۷-D41189 ارائه گردیده است. بر اساس این استاندارد این پارامتر نشان دهنده میزان ذرات معلق موجود در آب بوده و برای منابع آب از قبیل آب چاه، آب صاف فرایند فیلتراسیون یا نمونه آب زلال شده مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجاییکه اندازه، شکل و ماهیت ذرات معلق در آب متفاوت بوده، لذا این روش آزمایش اندازه گیری قطعی برای میزان ذرات معلق در آب نمی باشد. در ابتدا به مکانیزم این روش آزمایش می پردازیم. در این روش از صافی ۰٫۴۵ میکرومتر برای فیلتراسیون آب استفاده می گردد. در شکل زیر مشخصات و ابعاد یک فیلتر استاندارد ۰٫۴۵ میکرومتر نمایش داده شده است. معمولا فیلتر ۰٫۴۵ میکرومتر دارای قطر بیرونی ۴۷ میلی متر بوده و اندازه منافذ آن برای عبور جریان ۰٫۴۵ میکرومتر می باشد. در ادامه به طور مختصر به تئوری آزمایش SDI خواهیم پرداخت.

در این آزمایش جریان آب با فشار ثابت ۲ بار از صافی ۰٫۴۵ میکرومتر عبور می نماید. در ابتدای آزمایش با توجه به اینکه منافذ صافی کاملا باز می باشد، جریان آب با دبی حداکثر در فشار ثابت psi ۳۰(۲ بار) از منافذ صافی عبور می نماید. اما ذرات بزرگتر از ۰٫۴۵ میکرومتر امکان عبور از منافذ صافی را نداشته و تجمع این ذرات بر روی صافی آغاز می گردد.

با گذشت زمان و عبور جریان، به تدريج ذرات نامحلول و بزرگتر از ۰٫۴۵ میکرومتر در آب شروع به تجمع بر روی سطح صافی نموده و به تدریج منافذ صافی را مسدود می کند. در نتیجه افت عبور جریان را شاهد خواهیم بود. با توجه به اینکه فشار در پشت صافی ثابت می باشد(۲ بار) دبی عبور از صافی به تدریج کاهش می یابد (شکل روبرو). بدیهی است مقدار ذرات معلق موجود در آب رابطه مستقیمی با سرعت گرفتگی و افت جریان آب دارد. لذا از این اصل برای اندازه گیری پتانسیل آب برای گرفتگی در سیستم های تصفیه غشایی استفاده می گردد.

شکل روبرو شماتیک عبور جریان از صافی ۰٫۴۵ میکرون در آزمایش SDI ، الف: در ابتدای آزمایش منافذ صافی باز بوده و دبی جریان حداکثر می باشد ب: پس از مدتی منافذ مسدود شده و دبی جریان افت می نماید.

پس از آشنایی با تئوری آزمایش، به تشریح دستگاه اندازه گیری آزمایش SDI می پردازیم. در شکل ۳ اجزا این دستگاه به صورت شماتیک و واقعی نمایش داده شده است.

اجزاء دستگاه اندازه گیری شاخص تراکم سیلت(SDI)

1. محفظه نگهدارنده صافی با قطر ۴۷ میلیمتر
2. صافی با اندازه منافذ ۰٫۴۵ میکرومتر و با قطر ۴۷ میلیمتر
3. فشار سنج psi 70-10 (1 الي ۵ بار)
4. شیر تنظیم فشار
5. شیر قطع و وصل جریان
6. اتصالات

مراحل انجام آزمایش SDI:

1. ابتدا اجزا دستگاه را مطابق با شکل بالا مونتاژ نموده، پس از اتصال ورودی دستگاه به منبع آب مورد آزمایش، شیر کنترل فشار را طوری تنظیم نمایید که فشار سنج عدد psi ۳۰ یا ۲ بار را نشان دهد. با توجه به ابعاد کوچک دستگاه و سادگی آن و همچنین نیاز به فشار آب در جریان آب ورودی برای انجام آزمایش، معمولا این آزمایش در محل سایت انجام می گیرد. برای انجام آزمایش بر روی نمونه هایی که از قبل نمونه برداری شده، برای مثال از یک منبع آب نمونه بردای شده و به آزمایشگاه آورده شده، استفاده از تجهیزات برای تامین فشار حداقل psi ۴۰، مانند بوستر پمپ، ضروری است.
2. قبل از قرار دادن صافی در محفظه فیلتر، اجازه دهید جریان برای مدتی عبور نموده تا آلودگی های احتمالی و یا ذرات ناشی از ماند آب در لوله خارج شوند.
3. دمای آب را اندازه گیری نمایید.
4. محفظه فیلتر را باز نموده و صافی ۰٫۴۵ میکرومتر را (با قطر ۴۷ میلیمتر) بر روی صفحه تکیه گاه قرار دهید. جهت جلوگیری از سوراخ یا آسیب به فیلتر، صرفا از گیره ای که تیز نمی باشد استفاده نمایید. از تماس دست با صافی خودداری نمایید.
5. اطمینان حاصل نمایید که رینگ آببند در محل مناسب و بطور صحیح قرار گرفته است. بخش فوقانی محفظه فیلتر را قرار داده و پیچ ها را تا حدی ببندید.(در این مرحله پیچ ها نبایستی محکم بسته شود).
6. به کمک شیر قطع و وصل هوای محبوس شده در مسیر جریان را خارج نمایید. سپس شیر قطع و وصل را بسته و پیچ های محفظه نگهدارنده فیلتر را محکم ببندید. شیر قطع و وصل را باز نموده و بطور همزمان با استفاده از کرنومتر مدت زمان مورد نیاز برای عبور جریان به اندازه ۵۰۰ میلی لیتر را اندازه گیری نمایید. این زمان را به عنوان (ti) ثبت نمایید. سپس اجازه دهید جریان آب ادامه پیدا کند (شكل زیر). لازم به ذکر است در تمام مدت آزمایش آب جریان داشته و فشار می بایست روی psi۳۰ نگهداشته شود.

* نکته: زمان ثبت شده (ti) برای عبور جریان ۵۰۰ میلی لیتر نمی بایست اختلافی بیشتر و یا کمتر از ۱۰ درصد مدت زمان عبور آب صاف (آب مقطر فیلتر شده) با حجم ۵۰۰ میلی لیتر در دمای یکسان داشته باشد. برای تهیه آب صاف می توان از آب مقطر فیلتر شده با صافی ۰٫۲ میکرومتر استفاده نمود. اگر (ti) کمتر از ۹۰ درصد زمان عبور جریان برای آب صاف باشد، احتمال پارگی صافی وجود داشته، لذا صافی می بایست جایگزین شود. اگر (ti) بیشتر از ۱۱۰ درصد زمان عبور آب صاف باشد، می بایست حجم نمونه برداری را به ۲۵۰ و یا ۱۰۰ میلی لیتر کاهش داد.

بعد از ۵ دقیقه از شروع آزمایش مجددا با کمک بشر مدت زمان برای عبور ۵۰۰ میلی لیتر آب را به کمک کرنومتر اندازه گیری نموده و آن را به عنوان t₅ ثبت می نماییم. مجدد اشاره می شود در تمام مدت آزمایش آب جریان داشته و فشار می بایست روی psi ۳۰ نگهداشته شود.

بعد از ۱۰ دقیقه از شروع آزمایش مجددا با کمک بشر مدت زمان برای عبور ۵۰۰ میلی لیتر آب را به کمک کرنومتر اندازه گیری نموده و آن را به عنوان t₁₀ ثبت می نماییم. این عمل بعد از ۱۵ دقیقه نیز تکرار شده و مدت زمان اندازه گیری به عنوان t₁₅ ثبت می گردد (شکل ۵).

• فشار در تمام طول مدت انجام آزمایش می بایست ثابت بوده و بر روی psi۳۰ تنظیم شود ( psi۱۳۰ ±).
• تغییرات دما در طول مدت آزمایش می بایست کمتر از ۱ درجه سانتی گراد باشد.
• بعد از انجام آزمایش می توان فیلتر را برای بررسی احتمالی در آینده نگهداری کرد (شكل ۶).

محاسبات اندازه گیری شاخص تراکم سیلت(SDI):

SDI_T مطابق با رابطه روبرو محاسبه می گردد:

%P₃₀ = نرخ انسداد غشا در فشار آب ورودی psi ۳۰ (درصد)

T = كل زمان سپری شده، بر حسب دقیقه (معمولا ۱۵ دقیقه)

t_i = زمان سپری شده برای عبور ۵۰۰ میلی لیتر نمونه در ابتدای آزمایش، بر حسب ثانیه

t_f= زمان سپری شده برای عبور ۵۰۰ میلی لیتر نمونه بعد از گذشت زمان (معمولا ۱۵ دقیقه)، بر حسب ثانیه

توجه: در این روش آزمایش %P₃₀ نمی بایست از ۷۵ درصد تجاوز نماید. در شرایطی که %P₃₀ بیشتر از ۷۵ درصد شود، زمان کوتاهتر برای T می بایست در نظر گرفته شود، برای مثال ۵ یا ۱۰ دقیقه. اگر  %P₃₀برای T برابر ۵ دقیقه نیز از ۷۵ درصد بیشتر شود، دیگر روش های آزمایش برای آنالیز ذرات باید به کار گرفته شود. برای مثال مطابق با مثال ارائه شده در شکل بالا مقادیر به شرح ذیل برای SDI و  %P₃₀محاسبه می گردد:

در این مثال با توجه به اینکه %P₃₀ برای زمان ۱۵ دقیقه کمتر از ۷۵ درصد می باشد، لذا SDI₁₅ مورد قبول بوده که مقدار آن برابر ۳٫۷ می باشد.

گزارش اندازه گیری شاخص اندازه گیری سیلت(SDI)

در گزارش اطلاعات زیر می بایست ارائه گردد:

• SDI با ایندکس T که نشان دهنده مدت زمان آزمایش (به دقیقه) می باشد. برای مثال SDI₁₅ نشان دهنده مقدار SDI بعد از ۱۵ دقیقه زمان آزمایش می باشد.
• دمای آب قبل و بعد از آزمایش
• نام شرکت سازنده فیلتر ۰٫۴۵ میکرومتر به همراه مشخصات فیلتر که توسط شرکت سازنده ارائه می شود.

بررسی نتایج شاخص تراکم سیلت معمولا منبع آب با SDI کمتر از ۴ به عنوان منبع آب با پتانسیل گرفتگی ذرهای پایین در نظر گرفته می شود. در صورت استفاده از این منبع برای سیستم نمک زدایی انتظار می رود شار در طول دوره بهره برداری با سرعت کمی کاهش پیدا کند (۱۰ تا ۱۵ درصد کاهش تولید پس از ۳ تا ۴ ماه دوره بهره برداری). مقدار SDI₁₅ در محدوده ۲ تا ۴ نشان دهنده عملکرد مطلوب سیستم پیش تصفیه بوده و اگر سیستم پیش تصفیه آب را تا مقدار SDI₁₅ کمتر از ۳ تصفیه نماید، نشان دهنده راندمان عالی سیستم پیش تصفیه در حذف ذرات می باشد.

منبع آب با SDI₁₅ کمتر از ۲ عموما دارای حداقل پتاسیل گرفتگی ذره ای بوده و معمولا هر شش ماه یکبار نیازمند به شستشوی ممبران می باشد.(در استاندارد های صنعتی شستشو می بایست هر ۳ تا ۴ ماه یکبار انجام گردد). پتانسیل رسوب گذاری ذره ای در منبع آب با SDI₁₅ کمتر از او متعاقبا افزایش فشار بر روی ممبران بسیار آهسته بوده و بازه‌های شستشو ممبران در این شرایط معمولا ۱۲ ماه و یا بیشتر می باشد. به منظور ضمانت عملکرد، شرکت های سازنده ممبران ها معمولا SDI₁₅ کمتر از ۵ را برای منبع آب خوراک در تمامی شرایط الزام نموده و در ۹۵ درصد زمان های بهره برداری این مقدار می بایست کمتر از ۴ باشد. SDI₁₅ بیش از ۵ برای یک منبع آب نشان دهنده حضور میزان زیادی از ذرات بوده که می توانند عامل رسوب گذاری بر روی ممبران باشند. لذا استفاده از این منبع آب به طور مستقیم بعنوان آب خوراک برای سیستم RO، به دلیل اینکه سرعت رسوب گذاری بر روی ممبران را بشدت افزایش می دهد، مناسب نمی باشد. برای منبع آب با SDI₁₅ بیش از ۵ پیشنهاد می گردد انجام آزمایش در بازه های ۵ و ۱۰ دقیقه انجام گردیده و در نتیجه، نتایج معنی‌دارتری را ارائه خواهد نمود.

رنگ و ظاهر فیلتر مورد آزمایش در آزمایش SDI می تواند شاخص مناسبی برای تشخیص عوامل رسوب گذار بر روی ممبران و همچنین راندمان فرایند پیش تصفیه باشد.

محدودیت های شاخص تراکم سیلت(SDI)

ذکر این نکته ضروریست که اگرچه آزمایش SDI امروزه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، اما دارای محدودیت های برای اندازه گیری پتاسیل رسوب گذاری ذره ای در آب دریا می باشد. آزمایش SDI بر مبنای فیلتراسیون آب دریا از طریق ممبران های میکروفیلتر (MF) با قطر چشمه ۰٫۴۵میکرون می باشد. بنابراین آزمایش SDI به طور کلی نشان دهنده بخشی از ذرات و کلوئید های موجود در آب دریا می باشد که بر روی این فیلتر باقی مانده و نمی توانند عبور نمایند. این در حالیست که ذرات با قطر کمتر از ۰٫۴۵ میکرومتر از صافی در آزمایش SDI عبور کرده و در اندازه گیری شاخص SDI نقشی ایفا نمی کنند اما در گرفتگی ممبران ها نقش موثری دارند.

مکانیزم رسوب گذاری ممبران تراوا MF و ممبران نیمه تراوا RO با توجه به نوع و اندازه ذرات در منابع آب می تواند بطور اساسی متفاوت باشد. معمولا رسوب گذاری در MF و UF در نتیجه ترکیبی از گرفتگی می باشد، گرفتگی مجموعه ای از منافذ بسیار ریز و تشکیل یک کیک لجن بر روی سطح ممبران. در حالیکه رسوب گذاری در ممبران RO به دلیل تشکیل کیکی از باقیمانده ها بر روی سطح ممبران می باشد (بدون گرفتگی منافذ). لذا ذرات ریز نقش موثرتری در ایجاد افت در کیک ایجاد شده نسبت به ذرات بزرگتر دارند. در نتیجه نقش این ذرات (ذرات با قطر کمتر از ۰٫۴۵ میکرومتر) در گرفتگی ممبران های RO بسیار بیشتر از ذرات درشت تری می باشد که در آزمایش SDI در فیلتر حذف شده و در اندازه گیری شاخص SDI اثرگذار می باشند.

منبع: دستورالعمل طراحی و اجرای سامانه های نمک زدایی و آب شیرین کن های صنعتی-شرکت مهندسی آب و فاضلاب کشور