گرفتگی ممبران (Fouling)

گرفتگی یا فولینگ(Fouling) ممبران ناشی از تجمع مواد معدنی، آلی یا بیولوژیکی به روی سطح ممبران است که منجر به کاهش کارایی و عملکرد ممبران می شود.

گرفتگی ممبران (Fouling) به معنای تجمع مواد معدنی، آلی یا بیولوژیکی بر روی سطح فعال غشاء است. ممبرانهای موجود در واحدهای آب شیرین کن سيستم اسمز معكوس، پس از یک دوره زمان كاركرد با توجه به شرايط عملياتي و كيفيت آب ورودي به دليل وجود انواع آلاينده ها در خوراك دچار گرفتگي یا فولینگ خواهند شد كه از جمله اين آلاينده ها ميتوان به موارد زیر اشاره كرد:

• رسوبات كربنات كلسيم
• رسوبات سولفات كلسيم، باريم و يا استرانسیوم
• اكسيدهاي فلزي و آهن، منگنر، مس، نيكل، آلومينيوم،…)
• رسوبات سليس پليمر شده
• ذرات كلوييدي آلی / معدنی
• آلاينده هاي بيولوژيكي
• ذرات آلي با منشاء

عوامل موثر گرفتگی ممبران (Fouling)

سرعت و ميزان گرفتگی ممبران (Fouling) همانگونه كه قبلا اشاره شد، به كيفیت، تعداد فاكتورهاي آلايندگي موجود در آب ورودي و طراحی دستگاه آب شیرین کن صنعتی بستگي دارد. اغلب گرفتگيها در ممبران در صورت عدم كنترل به موقع، به تدريج ازدياد يافته و باعث آسيبهاي جدي در عملكرد ممبران در مدت زمان كوتاه خواهد شد.

۱- قلیاییت (Alkalinity)

قلیایت معمولا از یون های منفی شامل بیکربنات ها، کربنات ها و هیدروکسید ها تشکیل شده است؛ بیشترین میزان خاصیت قلیایی، به شکل بیکربنات (-HCO3) با میزان PH کمتر از ۸٫۳ در منابع آب طبیعی وجود دارد؛ بیکربنات های قلیایی با غلظت مشخصی از دی اکسید کربن حل شده داخل آب واکنش داده و به تعادل می رسد؛ همچنین در مقدار PH بالاتر از ۸٫۳ بیکربنات ها به فرم کربنات خود تبدیل می شوند. همچنین منابع آب با میزان PH بالاتر از ۱۱٫۳ شامل هیدروکسید (-OH) است.

آب، گاز دی اکسید کربن هوا اطراف خود را حل کرده و کربنیک اسید (H2CO3) را تشکیل می دهد. آب اسیدی ایجاد شده توانایی حل کربنات کلسیم موجود داخل خود را دارد. اکثر منابع آبی که به صورت طبیعی وجود دارند بنا به میزان PH، مقدار بیکربنات کلسیم و کربنات کلسیم آن ها نزدیک به هم می باشند همچنین بیکربنات کلسیم نسبت به کربنات کلسیم حل پذیری بیشتری داخل آب دارد. این موارد و خصوصیت ها متمرکز بر روی مفاهیم تصفیه آب به روش اسمز معکوس می باشد که می توان دریافت نمک های های کربنات کلسیم و دیگر نمک های مشابه آن باعث ایجاد رسوب در سیستم اسمز معکوس خواهند شد؛ نتیجتا استفاده از یک عامل منعقد کننده شیمیایی مانند آنتی اسکالانت و یا تنظیم PH آب به میزان کمتر از ۸ با تزریق اسید در بیشتر سیستم های RO ضروری است.

۲- نیترات (Nitrates)

نیترات ها حل پذیری بالایی داخل آب دارند و همچنین داخل سیستم های RO رسوب نمی کنند. نیترات ها یک عامل نگران کننده سلامتی می باشند؛ زیرا که وقتی توسط پستانداران از جمله انسان ها مصرف می شود؛ به نیتریت های تبدیل می شوند که با هموگلوبین برای تبادل اکسیژن در خون اختلال ایجاد می کنند و باعث بروز بسیار از مشکلات پیاپی مخصوصا در گروه سنی کودکان می شود؛ به همین دلیل، مقدار غلضت نیترات موجود داخل آب آشامیدنی را کمتر از ۴۰ میلی گرم بر لیتر تنظیم می کنند. حذف میزان نیترات معمول با بهره گیری از سیستم RO در حدود ۹۰ الی ۹۶ درصد است.

۳- آلومینیوم (Aluminum)

معمولا آلومینیوم در منابع آب طبیعی به میزان قابل توجه وجود ندارد؛ آلومینیم با ظرفیت +۳ در فرم هیدروکسید خود Al (OH) 3، هنگامیکه میزان بازه PH، در فرایند اسمز معکوس بین ۵٫۳ الی ۸٫۵ باشد بسیار نامحلول است و منجر به گرفتگی ممبران (Fouling) می شود. به دلیل وجود این خصوصیت نامطلوب در فرایند RO با بهره گیری از alum [Al2(SO4)3 و سدیم آلومینات (NaAlO2) به عنوان منعقد کننده در مرحله پیش تصفیه جهت حذف آلومینیوم موجود داخل آب استفاده می شود. توجه به این مورد ضرورت دارد که از تزریق مواد شیمیایی منعقد کننده بیش از حد مجاز استفاده نشود زیرا که در صورت باقیماندن داخل آب باعث تخریب ممبران های اسمز معکوس می شود.

۴- مس و روی (Copper and Zinc)

معمولا مس و روی در منابع آب طبیعی به میزان قابل توجه وجود ندارد؛ هیدروکسید های مس و روی ( Cu(OH)2 , Zn(OH)2 ) در بازه PH بین ۵٫۳ الی ۸٫۵ از داخل محلول آبی حذف می شوند. به دلیل غلضت پایین مس و روی، عوامل رسوب دهنده آن ها تنها در صورتی رسوب ایجاد می کند که مقدار مس و روی برای مدت زیادی بدون عملیات تمیز کاری بر روی سیستم RO باقیمانده باشند؛ با این حال در شرایط حادتر هنگامیکه یک عامل اکسید کننده ماننده پراکسید هیدروژن در حضور مس و روی قرار بگیرد، تخریب ممبران های اسمز معکوس با سرعت بیشتری رخ خواهد داد.

۵- سولفید ها (Sulfides)

سولفید ها به عنوان گاز محلول ماننده (H2S) شناخته می شود. گاز سولفید هیدروژن را می توان با هدایت و عبور آب از degasifier و یا اکسید کردن آن ها به وسیله کلر یا هوا برای تبدیل سولفیدها به یک حالت حل ناپذیر (گوگرد) که در ادامه فرایند تصفیه، توسط فیلترهای مناسب این ذرات را از محلول آبی حذف می کنند.

۶- فسفات ها (Phosphates)

فسفات ها دارای ظرفیت بار منفی قدرتمند -۳ را دارا می باشند همچنین تمایل به واکنش با کاتیون های متفاوتی شامل Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+  برای ایجاد طیف گسترده ای از نمک های حل ناپذیر را دارند. کلسیم فسفات در PH خنثی حل پذیری بسیار محدود و در PH بالا حل پذیری پایینی را دارا می باشد. استفاده از آنتی اسکالانت مناسب و یا کاهش میزان PH آب ورودی به کمتر از ۷ اقدامی موثر برای کنترل و جلوگیری از ایجاد رسوب فسفات ها در سیستم RO می باشد.

۷- سیلیکا (Silica)

سیلیکا به صورت طبیعی در اکثر آب ها به میزان ۱ الی ۱۰۰ میلی گرم در لیتر بیشتر به فرم اسید سیلیسیک [Si(OH)4] در PH کمتر از ۹ وجود دارد؛ همچنین در PH پایین اسید سیلیسیک توانایی پلیمریزاسیون به حالت سیلیس کلوئیدی را دارد و در مقدار PH بالای ۹، آنیون سیلیکات (-SiO3,2) جدا شده و به عنوان نمک با کلسیم، منیزیم، آهن یا آلومینیوم رسوب می کند؛ قابل ذکر است که حل مجدد سیلیس و سیلیکات بسیار دشوار می باشد.

محلول آمونیوم بیوفلوراید (F2H5N) برای حذف و پاک سازی سیلیکا موثر می باشد؛ با این حال آمونیوم بیوفلوراید به عنوان یک ماده شیمیایی خطرناک همراه با ایجاد مشکل هنگام دفع شناخته می شود. اگر غلضت سیلیکا موجود در جریان ورودی به فرایند اسمز معکوس بیشتر از ۲۰ میلی گرم بر لیتر باشد، باعث به وجود آمدن گرفتگی و کاهش میزان بازدهی سیستم RO شود.

۸- آهن و منگنز (Iron and manganese)

آهن و منگنز داخل آب به فرم های دوظرفیتی و یا سه ظرفیتی +Fe2 و +Fe3 محلول می باشند؛ و باحضور این عوامل هیدروکسید های نامحلول (Fe(OH)2 و Fe(OH)3) را تشکیل می دهند. منشاء آهن دو ظرفیتی محلول، از آب چاه و یا زنگ زدگی پمپ، لوله کشی و مخازن ایجاد می شود؛ به ویژه اگر فرایند تزریق مواد اسیدی در سیستم های بالادستی تصفیه آب موجود باشد احتمال حضور این عامل بیشتر به چشم می خورد.

اگر مقدار غلظت آهن و منگنز بیشتر از ۰٫۰۵ میلی گرم بر لیتر در جریان ورودی سیستم تصفیه آب به روش اسمز معکوس (RO) باشد؛ توسط عوامل اکسید کننده و یا هوا به فرم سه ظرفیتی در خواهند آمد و در ادامه با شکل گیری حالت هیدروکسیدی نامحلول در شرایط PH بالا و یا خنثی باعث ایجاد رسوب در سیستم RO خواهد شد. به همین علت باید در مرحله پیش تصفیه این عوامل را با روش های مختلف حذف کرد، تا از ایجاد آسیب بر روی ممبران های فرایند اسمز معکوس و کاهش راندمان فرایند جلوگیری کرد.

۹- آلودگی بیولوژیکی (Biological Fouling) – گرفتگی ممبران (Fouling)

تمام منابع آبی، از میکروارگانیسم های متفاوتی، شامل باکتری ، جلبک، قارج، ویروس و بسیاری از ارگانیسم ها تشکیل شده است. میکروارگانیسم ها را می توان به عنوان ذرات کلوئیدی در نظر گرفت و با بهرگیری از یک سیستم پیش تصفیه مناسب آن ها را حذف کرد؛ با این حال حذف تمامی میکروارگانیسم ها کار بسیار دشواری می باشد و مقدار کمی از آن ها از مرحله پیش تصفیه عبور می کند و باعث ایجاد بیوفیلم و گرفتگی ممبران (Fouling) در مراحل بعدی تصفیه آب می شود.

ممبران های سیستم میکروفیلتراسیون از عبور بسیاری از میکروارگانیسم ها جلوگیری می کند با این حال بعضی از آن ها از طریق منافذ ممبران عبور کرده و هنگامیکه با ممبران های فرایند اسمز معکوس در تماس قرار می گیرد باعث تخریب، گرفتگی، افزایش میزان اختلاف فشار و کاهش میزان شار عبوری فرایند می شوند. پتانسیل میزان آلودگی های بیولوژیکی موجود در آب های سطحی بیشتر از آب چاه می باشد؛ و میزان تجمع باکتری های موجود داخل آب به صورت مستقیم مرتبط با میزان پتانسیل آلودگی بیولوژیکی آن می باشد.

۱۰- آلودگی ترکیبات آلی (Organic Fouling) – گرفتگی ممبران (Fouling)

جذب مواد آلی بر روی سطح ممبران باعث کاهش میزان شار عبوری می شود؛ در بعضی مواقع هنگامیکه مواد آلی، پلیمرهای آبگریز و یا دارای بار مثبت با وزن مولکولی بالا می باشند؛ فرایند جذب به صورت غیر قابل برگشت ایجاد می شود. در نتیجه الزامیست این نوع مواد آلی که به صورت امولسیون داخل آب موجود می باشند را در سیستم های پیش تصفیه مناسب حذف کرد.

مواد آلی موجود داخل آب های طبیعی ناشی از عوامل انسانی، روغن، خاک و گیاهان می باشد و میزان غلضت آن در بازه ۰٫۵ الی ۲۰ میلی گرم بر لیتر (TOC) می باشد؛ اگر میزان TOC از ۳ میلی گرم بر لیتر افزایش پیدا کند استفاده از سیستم پیش تصفیه توصیه می شود. اگر روغن ها ( هیدروکربن یا سیلیکون) و ترکیبات آلی آلوده کننده جریان ورودی به فرایند اسمز معکوس بیشتر از ۰٫۱ میلی گرم بر لیتر باشد با استفاده از سیستم های ته نشینی و فیلتر کربن فعال قبل از ورود به RO حذف می شوند. هنگامیکه ممبران ها آلوده به روغن و گریس شوند و مقدار شار عبوری بیشتر از ۱۵% کاهش نیافته باشد با بهرگیری از عوامل شست و شو دهنده قلیایی جهت رفع این آلودگی اقدام می کنند.

زمان شستشوی شیمیایی ممبران های فرایند اسمز معکوس

• کاهش دبی جریان آب تولیدی (۱۰ تا ۱۵ درصد)
• افزایش TDS جریان آب تولیدی (۱۰ تا ۱۵ درصد کاهش کیفیت)
• افزایش افت فشار بین ورودی و خروجی

ممبران های اسمز معکوس پس از گذشت مدت زمانی از بهره برداری با توجه به شرایط بهره برداری دچار گرفتگی(fouling) می شوند که بر راندمان کارکرد ممبران ها تأثیر منفی دارد. شدت و نوع گرفتگی با توجه به شرایط کارکرد و مدت زمان گذشته از آخرین CIP متفاوت می باشد. شناسایی نوع گرفتگی جهت انتخاب محلول مناسب برای عملیات CIP از اهمیت بالایی برخوردار است. شرکت مهندسی فران با تکیه بر متخصصین زبده در زمینه بهره برداری از واحدهای اسمز معکوس و ارتباط نزدیک با صاحبان فناوری، در زمینه شستشوی شیمیایی مناسب، شناسایی نوع گرفتگی ممبرانها و راهکارهای جبرانی به صنایع مختلف خدمات مشاوره ارائه می نماید.

اثرات مخرب آلاینده ها بر عملکرد ممبران ها

همچنين شايان ذكر است، در صورت عدم بهره برداري سيستم در شرايط عملياتي نرمال و پایدار، مقادير اساسي نظير شدت جريان توليدي، فشار برگشتي جريان توليدي (Permeate back- pressure)، بازدهي سيستم، دما و TDS ورودي دچار نوسان خواهد شد بنابراين به منظور امكان تشخيص به موقع و صحيح وقوع گرفتگي در ممبرانها بايستي فاكتورهاي عنوان شده ثابت نگه داشته شوند. در غير اين صورت امكان بررسي علل تغيير در اين مقادير وجود نخواهد داشت.

جدول زير خلاصه اي از اثرات مخرب برخي از آلاينده هاي معمول و عوامل ناخواسته را بر عملكرد ممبرانها نشان مي دهد:

مطلب مهم قابل توجه در سيستمهاي اسمز معكوس ملاحظات مربوط به محلول شستشو میباشد. ممبران های پلی آمیدی نبايستي در هيچ شرايطي در تماس با آب حاوي كلر قرار گيرند در غير اين صورت دچار آسيبهاي غير قابل برگشت خواهند شد. بنابراين ضرورتی است که در زمان گندزدايي خطوط لوله، مخازن و ساير تجهيزات مراقبتهاي لازم جهت جلوگيري از رسيدن كلر به ممبرانها انجام شود. و در صورت وجود هر گونه ذرات كلر در آب ورودي به ممبرانها عمليات خنثي سازي صورت گيرد كه اين كار توسط محلول متا بيسولفات سديم SMBS در مدت زمان كافي و اختلاط كامل انجام پذير است.

Prepared by: Seyed Ahmad Mohamadi