پیشگیری از فولینگ ممبران های تصفیه آب دریا

به دلیل وجود املاح، شوری و دیگر آلاینده های آب دریا که نسبت به آب های لب شور چندین برابر می باشد، در صورت نداشتن پیش تصفیه مناسب باعث فولینگ سریع و شدید و در نهایت خرابی زود هنگام ممبران های دریایی می شود. بنابر این برای جلوگیری از فولینگ ممبران های تصفیه آب دریا لازم است ابتدا عواملی که باعث فولینگ فیلترهای ممبران دریایی می شوند را شناسایی کنیم. در ادامه به بررسی عوامل مختلف فولینگ ممبران های دریایی می پردازیم. برای مشخص شدن این موضوع ابتدا باید مشخصات آب دریا را با هم بررسی می کنیم.

مشخصات آب دریا

آب دریا دارای آلاینده هایی می باشند، که بیش ترین تاثیر را بر روی فولینگ و رسوب گذاری بر روی لایه های ممبران دارد و هم چنین آلاینده های دیگری نیز هستند، که دارای غلظت کمتری در آب دریا هستند.

یون های اصلی آلاینده آب دریا

1- کل جامدات معلق (TSS): شامل کلیه جامدات معلق مانند گل و لای، سنگ ریزه، خاک و ... می باشد، که می تواند خیلی کوچک تر از میکرون و یا بزرگ تر از ذرات کلوئیدی باشد.

2- کدورت: کدورت مقدار ذرات ریز موجود در آب را مشخص می کند. کدورت به میزان پراکندگی نور توسط ذرات معلق در مایع تعریف می شود. با توجه به طول موج نور و زاویه برخورد چندین واحد مختلف برای کدورت آب وجود دارد، از جمله آین موارد می توان به کدورت نفلومتریک (NTU) بر اساس نور سفید با طول موج بیم 400-680 nm و زاویه برخوزد 90 درجه اشاره کرد.

3- شاخص تراکم گل و لای و لجن (SDI): SDI دارای پروتکل تحلیلی می باشد، که در سال 2002 تایید شده است. اصول این پروتکل، اندازه گیری زمان مورد نیاز برای فیلتراسیون 500 ml آب نمونه توسط یک ممبران نو با قطر منافذ 0.45 میکرومتر در فشار 207 کیلو پاسکال می باشد. بعد از گذشت 15 دقیقه از فیلتراسیون، اندازه گیری زمان مورد نیاز برای تصفیه 500 ml از آب نمونه تکرار می شود. 
مقدار SDI به میزان PH آب، ویژگی آب دوستی یا آب گریزی غشای ممبران و فصل نمونه گیری از آب بستگی دارد.

4- شاخص فولینگ اصلاح شده: شاخص فولینگ اصلاح شده (MFI) متناسب با غلظت ماده معلق می باشد و نسبت به SDI شاخص دقیق تری برای پیش بینی تمایل آب برای فولینگ ممبران های اسمز معکوس (RO) و نانوفیلتراسیون (NF) می باشد. روش اندازه گیری MFI اندازه گیری حجم آب تصفیه شده هر 30 دقیقه بعد از 15 دقیقه دوره زمانی فیلتراسیون می باشد.

5- کل جامدات محلول در آب (TDS): بیش ترین مواد جامد محلول به شکل یونی موجود در آب دریا شامل کلراید، سدیم، سولفات، منیزیم، کلسیم و پتاسیم می باشد. شوری آب دریا با کلر ارتباط مستقیم دارد و کلر را می توان از طریق تجزیه و تحلیل شیمیایی اندازه گیری کرد.

یون های کمیاب آلاینده در آب دریا

6- غلظت آهن و منگنز: آهن محلول مانند آهن به شکل جامد متغیر کلیدی برای کنترل رشد فیتوپلانکتون ها به عنوان یکی از اجزای مهم در فرایندهای بیو شیمیایی مانند انتقال الکترون فتوسنتز و تنفس، کاهش نیترات و نیتریت، سنتز کلروفیل و تعداد واکنش های دیگر یا واکنش تخریب کننده می باشد. غلظت آهن در آب دریا تا 3 میلی گرم در لیتر گزارش شده است، بسیاری از ارقام در محدوده بین 10 تا 100 میلی گرم در لیتر آهن می باشند. اما توصیه می شود غلظت آهن کمتر از 50 میکرو گرم در لیتر باشد، زیرا در حضور آهن اکسیداسیون غشای ممبران می تواند باعث خسارات جبران ناپذیری به ممبران شود.

غلظت منگنز در آب دریا در محدوده 0.4 تا 10 میکرو گرم در لیتر می باشد. جریان های خنثی با افزایش سطح آهن و منگنز می توانند باعث شکوفایی و رشد باکتری های رسوب دهنده فرومنگنز با مناطق رسوب اکسید شوند. مقدار توصیه شده توسط سازندگان فیلتر ممبران دریایی برای مقدار منگنز 20 میکرو گرم در لیتر می باشد.

7- مواد ارگانیک آب دریا: مواد آلی حل شده در آب دریا بزرگ ترین مجموعه مواد آلی کربنی قابل تبدیل در بین مواد آلی می باشد، که نسبت به مواد آلی و دیگر ساختارهای کربنی موجوددر سطح زمین دارای ساختار پیچیده تری می باشند و به سرعت به اشکال مختلف تغییر پیدا می کنند. مواد آلی در آب دریا می تواند باعث تولید بو، جلوگیری از عدم ته نشینی کربنات کلسیم و کاهش میزان نفوذ نور در آب شود.

8- جلبک ها: جلبک ها از گروه های بزرگ و متنوع ارگانیسم های فتوسنتزی می باشند، که در اقیانوس یافت می شوند. اکثر جلبک ها گونه های تک سلولی هستند که به صورت آزادانه در آب شناور هستند. این موجودات با چشم غیر مسلح دیده نمی شوند و مجموعه ای را تشکیل می دهند که به عنوان فیتوپلانکتون ها شناخته می شوند.

9- روغن و مواد شیمیایی: غلظت روغن و مواد شیمیایی در آب دریا ممکن است به 10 ppm برسد.

حال که با عوامل آلاینده آب دریا آشنا شدیم، باید روش های از بین بردن این عوامل را نیز بشناسیم. برای از بین بردن این عوامل آلاینده باید از پیش تصفیه مناسب در سیستم آب شیرین کن دریایی استفاده شود.

پیش تصفیه آب دریا

هدف واحد پیش تصفیه آب دریا، کاهش غلظت برخی از ترکیبات در آب دریا جهت کاهش تاثیرات منفی آنها بر روی عملکرد فیلتر ممبران جهت جلوگیری از فولینگ ممبران می باشد. به این دلیل، توصیه می شود عناصر اصلی آلاینده موجود در آب دریا را به زیر سطوح مشخص شده در جدول زیر برسانید.

ترکیبات آب دریا

محدوده پیشنهادی

آهن

کمتر از 50 ppb

منگنز

کمتر از 20 ppb

کدورت

0.5 NTU

جامدات معلق

کمتر از 1 ppm

SDI

کمتر از 4 (95% اوقات)

جلبک

کمتر از 100 میکرون در لیتر

کلروفیل

کمتر از 2 ppb

مواد آلی

کمتر از 2 ppm

هیدروکربن ها

کمتر از 0.1 ppm

اهداف پیش تصفیه آب دریا شامل موارد زیر می باشد:

1- حذف آهن، منگنز، جامدات معلق و کاهش کدورت و SDI 
2- مدیریت آلاینده های ناشی از فعالیت های انسانی مانند نشتی روغن در آب دریا
3- مدیریت بلای طبیعی مانند رشد سریع جلبک ها

مناسب ترین روش های پیش تصفیه آب دریا

روش های زیر مناسب ترین روش ها برای پیش تصفیه آب دریا در سیستم های آب شیرین کن صنعتی می باشند.

•    کلر زنی در بخش پیش تصفیه: با استفاده از اکسید کننده های شیمیایی مانند کلر، برم و ازن و تزریق مداوم آنها می توان ضد عفونی بیولوژیکی آب دریا را فراهم کرد. این مواد برای جلوگیری از بیوفولینگ ممبران های اسمز معکوس دارای اهمیت زیادی می باشند. در زمان استفاده از کلر در بخش پیش تصفیه سیستم های تصفیه آب دریا، باید غلظت آن به طور مداوم کنترل شود تا از وارد آمدن خسارت به فیلترهای ممبران جلوگیری شود.

حذف کلر با اضافه کردن ترکیبات سولفیت و متا بی سولفیت به آب انجام می شود. وقتی مواد آلی کلر زنی می شوند، ترکیبات کربن هالوژنه مانند تری هالو متان ها و ... تولید می شوند، که اثرات خطرناکی بر سلامیت انسان دارند. در روش کلر زنی مداوم، با کنترل دقیق غلظت کلر باقی مانده د حدود 0.5 ppm، کلر به طور پیوسته به آب دریا تزریق می شود. زمان واکنش نسبتا طولانی 20 تا 30 دقیقه برای کلر به عناون مقدار مجاز در نظر گرفته می شود.

کلر زنی این روزها از روش های شناخته شده برای ضد عفونی آب دریا ی باشد. در این فرایند، کلر در ساعاتی از روز با غلظت مشخص 5 تا 10 ppm به آب اضافه می شود. کلر باقی مانده بعد از کلر زنی باید حدود 0.1 ppm باشد.

•    تنظیم PH: با افزودن اسید سولفوریک یا هیدروکلریک به آب می توان PH را تنظیم کرد. پس از اضافه کردن مواد منعقد کننده به آب دریا، PH نیز به میزان قابل توجهی تغییر می کند، بنابر این لازم است با اسید PH را به حد خنثی یا کمی اسیدی برسانیم. بعد از کلر زنی و تنظیم PH، آب دریا می تواند به مرحله فیلتراسیون وارد شود. در صورتی که آب دریا دارای مقادیر زیادی مواد جامد معلق، جلبک و روغن باشد، باید سیستم تعلیق جامد- مایع برای حذف این موارد به دستگاه تصفیه آب دریا اضافه شود.

•    لخته سازی و انعقاد (مدیریت آب و بهداشت پایدار): انعقاد فرایندی است که برای خنثی سازی بارها و تشکیل توده ژلاتینی برای به دام انداختن ذرات آلاینده در آب می باشد. این فرایند باعث تشکیل توده سنگینی می شود، که به اندازه کافی بزرگ و سنگین می باشد و به راحتی ته نشین می شود.

لخته سازی تحریک ملایم یا آشفتگی برای ذرات برای تشکیل توده ای به اندازه کافی بزرگ برای ته نشینی یا فیلتراسیون می باشد. از منعقد کننده های غیر آلی، کلروفریک و پلی الکترولیت به ترتیب به عنوان منعقد کننده و لخته ساز استفاده می شود. منعقد کننده های غیر آلی با دوز 5 تا 30 ppm در سیستم های آب شیرین کن دریایی مورد استفاده قرار می گیرند، اما منعقد کننده های پلیمری با دوز کمتر حدود 0.2 تا 1 ppm مورد نیاز می باشند.

در انعقاد، منعقد کننده ها و معمولا کلروفریک به آب اضافه می شود. به این دلیل که بارهای انعقادی مواد منعقد کننده در برابر بارهای منفی مواد جامد معلق قرار می گیرد، بارهای ذرات کوچک پراکنده خنثی می شوند. زمانی که بارها خثی شد، ذرات معلق کوچک با یکدیگر چسبیده و باعث تشکیل ذرات بزرگ تری می شوند. بعد از انعقاد، اندازه ذرات هنوز در محدوده زیر میکرون می باشد، که قابل مشاهده نیست و به آنها میکرو فلاک گفته می شود.

به دنبال فرایند انعقاد، فرایند لخته سازی طی یک اختلاط ملایم، اندازه ذرات را از میکرون های ریز به ذرات معلق قابل مشاهده افزایش می دهد. در این فرایند، برخورد ذرات میکرو فلاک ها باعث پیوند آنها برای تولید توده های قابل مشاهده بزرگ تر می شود. سایز توده همزمان با اضافه شدن ذرات با لخت ها در حال رشد می باشد. هر زمان اندازه فلاک ها به اندازه کافی بزرگ شود، آب برای فرایندهای جداسازی شامل رسوب گذاری، شناور سازی و فیلتراسیون آماده می باشد.

•    رسوب گذاری: رسوب گذاری بر روی غشای فیلتر ممبران در اثر وجود ذراتی مانند کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات کلسیم و دیگر سولفات های کاتیون های قلیایی در آب ورودی می باشد. اغلب آب های طبیعی دارای غلظت های بالایی از یون های کلسیم، سولفات و بی کربنات می باشند. زمانی که مقدار زیادی آب توسط واحد RO تصفیه و بازیابی شد، غلظت کلسیم سولفات دهیدراته و کلسیم کربنات بیش از حد مجاز قابل حل در آب شده و باعث رسوب گذاری بر روی سطح غشای ممبران می گردد. بسته شدن و انسداد منافذ فیلتر ممبران باعث کاهش فلاکس و هم چنین باریک شدن مسیر عبور آب در ممبران می شود.

برای جلوگیری از رسوب گذاری، سه روش وجود دارد که شامل، اسید، استفاده از سیستم های تبادل یونی و استفاده از آنتی اسکالانت می باشد. با افزودن اسید یون های کربنات از بین می روند. بنابر این با استفاده از تزریق اسید، می توان کربنات کلسیم را کاهش داد. برای جلوگیری از رسوبات کربنات کلسیم و سولفات، از سیستم های تبادل یونی استفاده می شود. آنتی اسکالانت نیز به روش های زیر می تواند باعث کاهش و ته نشینی نمک ها شود:

1- جلوگیری از حد آستانه: جلوگیری از حل شدن نمک در آب بیش از حد اشباع

2- اصلاح کریستال: آنتی اسکالانت شکل بلورهای نمک را از حالت عادی تغییر می دهد.

3- پراکنده کردن (دیسپرسانتی): ماده ضد رسوب ممبران، به سطح ذرات کلوئیدی جذب می شود تا بارهای آنیونی زیادی را به آنها انتقال دهد. بنابر این باعث جدا نگه داشتن کریستال ها از یکدیگر می شود. آنتی اسکالانت ها بیش تر اغلب مخلوطی از انواع پلی کربوکسیلات ها و پلی اکریلات ها با وزن های مولکولی مختلف می باشند.

•    پیش تصفیه با استفاده از ممبران ها: اخیرا ممبران های اولترا فیلتراسیون (UF) و میکروفیلتراسیون (MF) به عنوان دو گزینه برای بخش پیش تصفیه آب شیرین کن های دریایی مطرح شده اند. در فناوری غشایی با عبور آب دریا از لایه های غشا، کلیه ذرات بزرگ تر از قطر منافذ فیلتر از آب حذف می شوند. فرایندهای جداسازی ممبران های کم فشار مانند UF و MF به دلیل تاثیر زیادی که در حذف رسوبات احتمالی دارند، انتخاب اصلی برای پیش تصفیه آب شیرین کن های دریایی می باشند.

در تصفیه آب دریا با کیفیت پایین، ممبران UF و MF رسوب گرفته و فرایند بک واش با معکوس کردن جهت جریان در فیلتر در فواصل زمانی منظم مورد نیاز می باشد. شستشوی معکوس فیزیکی بیش تر جامدات را از سطح ممبران حذف می کند، اما شستشوی شیمیایی ممبران نیز برای تمیز کردن کامل فیلتر ممبران مورد نیاز می باشد. این کار منجر به افزایش مصرف مواد شیمیایی می شود.

لینک منبع