یکی از مشکلات سد راه استفاده از فیلتر ممبران، تشکیل رسوب ها و کپک ها است. هرچند راه فراری از کلیت آن نداریم اما با آشنایی با انواع فولینگ و گرفتگی میتوانیم از تشکیل آن جلوگیری کنیم یا به تعویق بیاندازیم.
رسوب گیری در فیلتر ممبران
ابتدا لازم است بدانیم فیلتر ممبران جهت حذف ذرات و اجرام و بافت ها از خط تصفیه شده و قرار دادن آنها در خط تغلیذ شده بکار میرود. در پشت ممبران ها که ماده اولیه غلیظ شده است، بعضی ذرات بدلیل غلظت بالا به ممبران میچسبد. این چسبیدن، جلوی عبور آب از قسمت هایی از ممبران را گرفته و راندمان را کاهش میدهد. این رسوبها در اصطلاح بلاکینگ (Blocking) یا فولینگ (fouling) یا گرفتگی نام دارد.
عوامل بلاکینگ ممبران
بطور کلی عوامل زیر بیشترین تاثیر در گرفتگی و فولینگ دارند که در ادامه به شرح هریک میپردازیم:
- فولینگ آلی یا ارگانیک
- رسوب بیولوژیکی، بایوفولینگ (biofouling)
- فولینگ معدنی (Scaling)
- رسوب ذرات کلوئیدی
نشانه های رسوب گیری ممبران
معمولا فولینگ بصورت تدریجی رخ میدهد اما گاهی دیده شده که بصورت اتفاقی و سریع رخ میدهد. علائم مختلف فولینگ معمولا نشانه های خاص خود را دارند، البته بطور کلی سه نوع نشانه گرفتگی غشای ممبران داریم:
- پایین آمدن کیفیت و بالا رفتن سختی آب پرمیت
- افزایش افت فشار فیلتر ممبران
- کاهش تولید آب تصفیه شده در فشار ثابت
کاهش تولید آب تصفیه شده در فشار ثابت
در فشار ثابت، میزان آب عبوری از ممبران بدلیل تراکم رسوب، بالا میرود.
افزایش افت فشار فیلتر ممبران
نشانه اصلی فولینگ می تواند همین افت فشار باشد. رسوب ها با پرکردن فاصله فید اسپیسر، مانع از عبور آب از ممبران میشود. به همین علت معمولا PLC سیستم اسمز معکوس را با ترانسمیتر های فشار مختلف قبل و بعد از ممبران تجهیز میکنند.
افزایش غلظت املاح و افزایش TDS آب پرمیت
با ناکارآمدی ممبران و افزایش فشار آب ورودی، معمولا درصورت وجود رسوب شاهد افزایش TDS و EC آب پرمیت خواهیم بود.
اتصال شیمیایی مواد رسوب بر روی سطوح فیلتر ممبران
یک سوال اساسی در مورد رسوب فیلتر ممبران ، منشأ اتصال رسوبها به سطح فیلتر ممبران است. نیروهای اصلی که به پیوست کمک می کنند، نیروی برهمکنش پراکندگی و نیروی برهمکنش قطبی است. این نیروها بر موجودات مادی در مقیاس های مختلف اعمال می شود.
به احتمال زیاد به دلیل وجود فعل و انفعالات فیزیکوشیمیایی، مانند برهم کنش پراکندگی بین موجودات آبی، مواد رسوب روی سطوح فیلتر ممبران کنار هم می مانند. این برهمکنش پراکندگی به دلیل نیروی جاذبه واندروالس بین مولکولها در آب است و با دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات و سطح فیلتر ممبران به دلیل وجود بارهای سطحی متعادل میشود. همانطور که در شکل منحنی انرژی (2) نشان داده شده است ، ارتفاع سد انرژی نه تنها به شدت برهمکنش جذاب بستگی دارد، بلکه به بزرگی برهمکنش الکترواستاتیکی دافعه نیز بستگی دارد. بنابراین، معمولاً افزایش چگالی بار موجودات متقابل بار مشابه برای کاهش اتصال مفید در نظر گرفته میشود.
برای نشان دادن برهمکنش پراکندگی، می توان از ثابت استفاده کرد. این خاصیت یک ماده است که نشان دهنده قدرت نیروهای برهمکنش واندروالس بین اجسام ماکروسکوپی از طریق یک محیط سوم است که در شکل (3) نشان داده شده است . مقادیر معمولی ثابت در محدوده 10 -19 – 10 -21 ژول است. می توان آن را با استفاده از نظریه لیفشیتز نیروهای برهمکنش ماکروسکوپی واندروالس تخمین زد، که ساختار اتمی مولکول های برهم کنش را نادیده می گیرد و نیروهای بین آنها را بر حسب ثابت دی الکتریک (ε) و ضریب شکست (n) محاسبه می کند [ 31 , ثابت Hamaker، A، برای دو فاز ماکروسکوپی 1 و 2 که در یک محیط 3 برهم کنش دارند به صورت تقریبی است:
در جایی که “1” و “2” دو جسم متقابل در محیط “3” را نشان می دهند، A ثابت هاماکر است،veفرکانس جذب متوسط است (برای H2O ،ve= 3 x 10 15 s -1 )، ε ثابت دی الکتریک است که نشان دهنده میزان تمرکز یک ماده شار الکتریکی است، n ضریب شکست، K ثابت بولتزمن، h ثابت پلانک و T دمای مطلق است.
همچنین شاید برای شما جالب باشد: فیلتر ممبران ۸ اینچ فیلمتک BW30 PRO-400
مدل های ریاضی برای رسوب فیلتر ممبران
با توجه به درک نقش های مختلف اجزای آب در رسوب گیری فیلتر ممبران ، مدل های ریاضی مختلفی برای توصیف رسوب فیلتر ممبران توسعه داده شده است. پرکاربردترین مدل تجربی، مدل فیلتراسیون کیک است که بر نقش ذرات بزرگتر از اندازه منافذ فیلتر ممبران تمرکز دارد. در این مدل، مقاومت هیدرودینامیکی لایه کیک [Rc, m -1 ] به صورت زیر تعریف می شود:
[m/kg] مقاومت خاص کیک لایه کیک روی سطح فیلتر ممبران وmd[kg/m2 ] جرم رسوب در واحد سطح فیلتر ممبران است. شار نفوذی مربوطه (J, m 3 / m 2 .s) با استفاده از قانون دارسی و مدل مقاومت در سری (RIS) به صورت زیر بیان می شود:
جایی که Δپ(Pa) فشار فیلتر ممبران است،μ(Pa-s) ویسکوزیته محلول وRm(1/m) مقاومت هیدرودینامیکی فیلتر ممبران تمیز است. کارهای تکمیلی برای ارتباط انجام شده است
به ساختار لایه کیک که توسط ذرات یا سنگدانه ها تشکیل شده است [ 19 ، 20 ]. مدل فیلتراسیون کیک برای برازش داده های فیلتراسیون استفاده شده است و نتایج معقولی به دست آمده است [ 21 ]. با این حال، این مدل مکانیسمهای رسوبگیری را توضیح نمیدهد، بلکه فقط تناسب بین افزایش مقاومت هیدرودینامیکی و جرم رسوب روی فیلتر ممبران را در شرایطی که فیلتراسیون ادامه میدهد، نشان میدهد. ارزش های
از 10 10 تا 10 16 m/kg برای مواد مختلف آبی متغیر است [ 22 ]. بابلو همکاران[ 23 ] دریافتند که
برای یککلرلاکشت جلبک از 10 11 به 10 12 m/kg تغییر کرد که شرایط رشد بازدارنده شد. فولی [ 24 ] عوامل مختلف موثر بر نفوذپذیری لایه کیک تشکیل شده در میکروفیلتراسیون بن بست سوسپانسیون های میکروبی را بررسی کرد. مشخص شد که
بستگی به مورفولوژی سلول، خواص سطح، فشار عملیاتی و زمان دارد. مدل مقاومت در سری اغلب برای تجزیه و تحلیل پدیده رسوب فیلتر ممبران استفاده شده است. اگرچه اعمال آن آسان است، اما باید در استفاده از این مدل احتیاط کرد زیرا مکانیسم مسدود کننده منافذ را در نظر نمی گیرد.
کوزوینتسف و همکاران [ 25 ] مدل دیگری را برای توصیف رسوب با الک فیزیکی فیلتر ممبران کم فشار توسط ذرات بزرگتر از اندازه منافذ فیلتر ممبران توسعه داد. با توجه به تجزیه و تحلیل آنها، رسوب فیلتر ممبران توسط فیلتر کیک بلافاصله پس از شروع فیلتراسیون شروع نمی شود، و رسوب بیشتر توسط مسدود شدن منافذ غالب می شود تا زمانی که سطح فیلتر ممبران توسط ذرات پوشانده شود. این مدل حجم نفوذ را به عنوان تابعی از زمان نفوذ توصیف می کند که توسط مسدود شدن منافذ در فشار ثابت به شرح زیر است:
جایی که Vحجم نفوذ (cm 3 ) است،β𝛽نسبت مساحت فیلتر ممبران آلوده به ذرات به ناحیه منافذ تمیز است. این ثابت باید از اندازه گیری های تجربی برای یک فیلتر ممبران مشخص شناسایی شود و باید کمی بزرگتر از واحد باشد.nتعداد ذرات در واحد حجم خوراک، γ نسبت مساحت منافذ به کل سطح فیلتر ممبران وt* استزمان فیلتراسیون بدون بعد. جزئیات بیشتر مدل در کار اخیر نویسندگان [ 26 ] ارائه شده است. این مدل به رسوب مسدود کننده منافذ محدود شد و اثر لایه کیک بر حجم نفوذ در نظر گرفته نشد.
زیدنیو همکارانترکیبی از دو مکانیسم رسوب گیری، انسداد منافذ و تشکیل کیک، برای توصیف رسوب فیلتر ممبران کم فشار توسط پروتئین ها و اسیدهای هیومیک [ 27 ، 28 ]. مجدداً، این مدل با فرض اینکه رسوب عمدتاً توسط ذرات بزرگ، تجمعات پروتئین ها و اسیدهای هیومیک ایجاد می شود، ایجاد می شود. توسعه ریاضی مبتنی بر عملکرد فشار ثابت و شار متغیر است و می توان آن را به صورت زیر نوشت:
که در آن J و J 0 (m 3 / s) شار نفوذ در یک زمان معین و شار اولیه از فیلتر ممبران بدون رسوب هستند، Kb ( m 2 / kg)، یک پارامتر انسداد منافذ، برابر است با سطح فیلتر ممبران مسدود شده به ازای واحد جرم سنگدانه های انتقال یافته به فیلتر ممبران . این پارامتر را می توان به صورت تجربی اندازه گیری کرد. Cb ( kg/m3 ) غلظت توده سنگدانه های بزرگ، Rm ( 1/m) مقاومت غشا تمیز، Rc مقاومت لایه کیک (1/m)، μ ویسکوزیته محلول و ΔP گذرنده است. فشار (Pa). هر دو مقاومت را می توان به صورت تجربی اندازه گیری کرد. سمت راست معادله دارای دو عبارت است که به ترتیب مربوط به مسدود شدن منافذ و تشکیل کیک است. اصطلاح اول (انسداد منافذ) بر مراحل اولیه رسوب گیری غالب است و اصطلاح دوم (فیلتراسیون کیک) بر رسوب زدگی در زمان های طولانی تر حاکم است. تأثیر شیمی محلول بر رسوب فیلتر ممبران ، با این حال، در مدل گنجانده نشده است، بلکه به عنوان یک پیش نیاز برای تجمع پروتئین ها یا اسیدهای هیومیک در نظر گرفته شده است.
در مقایسه با مدل های فوق، رسوب جذبی فیلتر ممبران توسط ذرات کوچکتر از اندازه منافذ فیلتر ممبران در مدل زیر گنجانده شده است. تأثیر لایه جذب بر نفوذپذیری فیلتر ممبران را می توان با استفاده از شکل اصلاح شده مدل فیلتراسیون مویرگی Hagen-Poiseulle [ 29 ] به شرح زیر تخمین زد:
که در آن J و J 0 (m 3 / m 2 .s) شار نفوذی پس از تشکیل لایه رسوب جذبی و شار اولیه، به ترتیب، تحت فشار گذرنده معین هستند،δ‘𝛿’(m) ضخامت لایه جذب است که می تواند به صورت تجربی اندازه گیری شود و r p (m) شعاع منافذ فیلتر ممبران است. مشکل اصلی در استفاده از مدل رسوب جذبی برای فیلتر کردن آبهای سطحی طبیعی در ماهیت پیچیده NOM آبزی نهفته است. به عبارت دیگر، ارزشδ‘𝛿’بدست آوردن آن چه از نظر تئوری و چه تجربی آسان نیست. این مشکل با ناهمگونی خواص سطح فیلتر ممبران پیچیده تر می شود.