فولینگ یا گرفتگی ممبران چیست؟

رسوب گیری ممبران یا گرفتگی ممبران تصفیه آب صنعتی یک چالش جدی در فرایند‌های غشایی نظیر اسمز معکوس (RO)، میکروفیلتراسیون (MF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اولترافیلتراسیون (UF) است. البته رسوب گیری یا همان گرفتگی ممبران پدیده‌ای اجتناب ناپذیر است، ولی سوال این است که علائم و نشانه‌ های رسوب گیری ممبران چیست و چه اقدامات پیشگیرانه ای می توان برای جلوگیری از رسوب گیری ممبران انجام داد؟ در این مقاله قصد داریم به طور مفصل به این دو سوال پاسخ دهیم. هم چنین به بررسی مفهوم رسوب گیری و عوامل مؤثر در رسوب گیری ممبران بپردازیم.

رسوب گیری در ممبران به چه معناست؟

سیستم‌های فیلتراسیون غشایی، از جمله میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) همگی از ممبران‌های نیمه تراوا برای حذف آلاینده‌ها از جریان خوراک استفاده می‌کنند و یک جریان تصفیه شده (permeate) و یک جریان تغلیظ شده (concentrate) تولید می‌کنند. در اثر تعلیظ جریان خوراک (feed) غلظت آلاینده ها روی سطح ممبران به حدی افزایش می‌یابد که بعضی از آنها روی سطح ممبران رسوب می‌کنند و جریان مایع عبوری از ممبران را محدود می‌کنند. به این رسوب‌ها در اصطلاح فولینگ (fouling) یا گرفتگی می‌گویند.

در واقع، رسوب گیری ممبران فرآیندی است که طی آن ذرات کلوئیدی یا ماکرومولکول‌های محلول بر روی حفرات یا سطح ممبران رسوب کرده یا جذب می‌شوند، درنتیجه منجر به افزایش مقاومت در مسیر آب عبوری از غشا می‌شوند. فولینگ‌ یا گرفتگی می‌تواند منجر به کاهش کارایی ممبران، افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و حتی خرابی ممبران شود.

علت‌های رسوب گرفتن ممبران

عامل اصلی رسوب‌ گرفتن ممبران ترکیباتی هستند که امکان عبور از غشا را پیدا نمی‌کنند و تحت فشار ناشی از نیرو محرکه پمپ روی سطح غشا رسوب می‌کنند. به این ترکیبات در اصطلاح فولنت (foulant) گفته می‌شود. این رسوب‌ها بسته به نوع عامل رسوب کننده یا فولنت دسته بندی می‌شوند، برخی از رایج ترین آن‌ها عبارتند از:

رسوب توسط ترکیبات معدنی (Scaling)

موادی مانند کلسیم، منیزیم، باریم، سیلیس، سولفات، کربنات و غیره می‌توانند در سطح ممبران به شدت اشباع شده و با تشکیل کریستال روی سطح غشا رسوب کنند. تشکیل این رسوبات معدنی باعث کاهش کارایی ممبران می‌شود. استفاده از محلول اسیدی با pH پایین یک فرآیند تمیز کردن معمول برای پاک کردن این رسوبات از سطح غشا است. ولی در صورتی که رسوب سیلیس یا سولفات رخ دهد، تمیز کردن آن بسیار دشوارتر خواهد بود و به تکنیک‌های متفاوت و تخصصی تری نیاز دارد.

رسوب توسط ذرات کلوئیدی

ترکیبات کلوئیدی که معمولا به شکل جامدات معلق در آب خوراک حضور دارند، باید در فرایند‌های پیش تصفیه حذف شوند، در غیر این صورت روی سطح ممبران رسوب می‌کنند و باعث ایجاد فولینگ می‌شوند. درنتیجه باعث مسدود شدن کانال‌های خوراک می‌شوند و مشکلاتی برای ممبران‌ها ایجاد می‌‌کنند. برخی از جامدات معلق که ممکن است باعث این امر شوند عبارتند از: آهن، آلومینیوم، منگنز، خاک رس، سیلت و غیره.

فولینگ آلی یا ارگانیک

مواد آلی طبیعی موجود در آب‌ می‌توانند باعث ایجاد رسوب روی سطح ممبران یا فید اسپیسر المان RO شوند. علاوه بر رسوب آلی، منعقد کننده ها (یا عوامل flocking) و مواد شیمیایی مورد استفاده در فرایند‌های پیش تصفیه نمونه های دیگری از عوامل ایجاد رسوب در ممبران هستند. به طور معمول، فرآیند تمیز کردن مواد آلی با استفاده از محلول قلیایی با pH بالا صورت می‌گیرد. گاهی اوقات، ممکن است یک روش تخصصی تر برای تمیز کردن لازم باشد.

فولینگ یا گرفتگی بیولوژیکی، بایوفولینگ (biofouling)

مواد بیولوژیکی از جمله باکتری ها و لجن های آلی می‌توانند روی سطح ممبران‌ها رشد کرده و باعث کاهش جریان‌های کانال خوراک و پرمیت شوند. در حقیقت، بایوفولینگ زمانی روی ممبران‌ها تشکیل می‌شود که آب قبل از ورود به سیستم تصفیه به درستی ضد عفونی نشود. ولی این عامل به تنهایی باعث بروز بایوفولینگ شدید نخواهد شد. عامل تشدید کننده دیگر در ایجاد فولینگ بیولوژیکی رسیدن غذا به باکتری‌ها و میکروارگانسیم‌ها است. پس علاوه بر وجود باکتری زنده در اثر ضد عفونی ضعیف می‌بایست ترکیبات آلی نیز در آب خوراک به اندازه کافی موجود باشند تا این فولینگ به طور گسترده اتفاق بیافتد!

نشانه های رسوب گیری ممبران

مشکلات ناشی از رسوب گیری ممبران ممکن است به تدریج یا ناگهانی ظاهر شوند. هر کدام از انواع فولینگ‌ها ممکن است علائم متفاوتی در عملکرد سیستم تصفیه آب صنعتی بروز دهند. ولی در کل این علائم رسوب گیری ممبران را می‌توان به ۳ نوع تقسیم بندی کرد:

1. افت تولید یا کاهش حجم آب تصفیه شده
2. افزایش افت فشار دو سمت ممبران‌ها
3. کاهش کیفیت آب پرمیت تولیدی

این نشانه های رسوب گیری ممبران بسته به نوع فولینگ ممکن است با شدت و توالی متفاوتی بروز کنند. همچنین این علائم می‌توانند به تدریج در عرض چند ماه یا به طور ناگهایی و در عرض چند هفته مشاهده شوند. از روی این شرایط و تفاوت‌ها می‌توان با حدس قابل قبولی نوع فولینگ و رسوب‌گیری تشکیل شده روی ممبران‌ها را تشخیص داد.

افزایش افت فشار

افت فشار به اختلاف فشار بین خوراک و جریان تغلیظ شده یک المان یا پرشروسل اشاره دارد. وقتی ممبران‌ها دچار فولینگ می‌شوند این فولینگ‌ها فید اسپیسر المان را مسدود می‌کنند و مانع عبور آب خوراک از درون آن می‌شوند، در نتیجه افت فشار در سراسر ممبران افزایش می‌یابد. اگر افت فشار در سیستم از حد مشخصی بالاتر برود باعث آسیب جدی و جبران ناپذیر به ممبران شده که در نهایت منجر به تعویض ممبران تصفیه آب می‌شود.

همچنین بخوانید: زمان تعویض ممبران تصفیه آب

کاهش جریان عبوری

اگر رسوب به سطح غشای درون المان بچسبد، باعث ایجاد مقاومت در جهت جریان آب عبوری از غشا می‌شود، در نتیجه در فشار عملیاتی ثابت حجم آب پرمیت تولیدی در واحد زمان کاهش می‌یابد که به این پدیده “افت تولید” نیز گفته می‌شود. پس برای تولید مقدار آب پرمیت مورد نظر فشار عملیاتی بالاتری مورد نیاز خواهد بود. هنگامی که فشار عملیاتی به شدت افزایش می‌یابد یا در طول زمان روند افزایشی داشته باشد، معمولاً می‌توان به ایجاد فولینگ مشکوک شد و اقدامات لازم جهت تمیز کردن را انجام داد.

افزایش غلظت املاح در جریان عبوری

یکی دیگر از نشانه های رسوب گیری ممبران، افزایش غلظت املاح در آب تصفیه شده است. این املاح می‌توانند از رسوب گیری روی سطح ممبران منشأ یابند. در چنین شرایطی پارامتر TDS یا EC آب پرمیت تولیدی به وضوح افزایش می‌یابد که نشان دهنده افزایش غلظت املاح در آب پرمیت تولیدی است.

تغییر در کیفیت آب تصفیه شده

کاهش کیفیت آب اغلب نشانه رسوب گیری ممبران است. این تغییرات با پارامتر هدایت الکتریکی یا EC آب تصفیه شده بررسی می‌شود. البته گاهی اوقات کیفیت پایین آب ممکن است در اثر تغییرات در کیفیت آب خوراک و دما نیز باشد. اگر ممبران رد نمک ضعیف و فشار عملیاتی (یا افت فشار) بالا را به طور همزمان نشان ‌دهد، ممکن است ممبران دچار اسکیلینگ شده باشد. درنتیجه، ممکن است به ریکاوری های پایین تر سیستم، تنظیم دوز تزریق آنتی اسکالانت یا اقدامات پیش تصفیه بهتر نیاز داشته باشید.

علائم ظاهری تشکیل فولینگ روی ممبران‌ها

گاهی اوقات قبل از اینکه فولینگ یا رسوب گیری ممبران به مرحله حاد برسد با نشانه‌هایی به ما هشدار می‌دهد که توجه و اقدام به موقع در چنین شرایطی می‌تواند شانس احیای ممبران و جلوگیری از آسیب جبران ناپذیر به ممبران‌ها را افزایش دهد. به همین خاطر مهم است که قبل از بروز علائم در داده‌های مانیتورینگ و شرایط عملکردی سیستم تشکیل فولینگ را تشخیص دهیم و از آن پیشگیری کنیم. در ادامه بعضی از این علائم بررسی شده‌اند.

بوهای تند و کپک

انتشار بوهای نامطبوع و تند نشانه‌ای از رشد بیولوژیکی روی ممبران است. اگر قبل از سیستم تصفیه آب صنعتی، پیش تصفیه مانند فیلترهای کربنی وجود داشته باشد، ممکن است لجن روی سطح فیلتر ایجاد شود. همچنین اگر در پوش‌های انتهای پرشروسل‌ها را باز کنید می‌توانید نشانه‌های ظاهری و بوی نامطبوع بایوفولینگ را مشاهده کنید. برای کنترل این شرایط می‌توان از برخی از انواع بایوساید یا تمیزکننده قلیایی استفاده کرد.

تجمع در امتداد لبه های ممبران

اگر متوجه تشکیل ذرات جامد در لبه‌های ورودی یا خروجی ممبران شدید، این می تواند نشانه اولیه‌ای باشد که فولینگ‌ها روی ممبران در حال تشکیل شدن هستند. گاهی اوقات جامدات و عناصری مانند سیلت زنگ یا ذرات جامد کریستالی در انتهای شیار ممبران شروع به جمع شدن می‌کنند، که می‌تواند نشانه‌ای باشد از اینکه فولنت‌ها در حال چسبیدن به ممبران‌ها هستند. اگر این نوع انباشتگی را مشاهده کردید، حتما اقدامات لازم برای پاک کردن آن و اصلاح سیستم پیش تصفیه را در پیش بگیرید.

راه های پیشگیری از رسوب ‌گیری ممبران

وقتی نشانه های رسوب گیری ممبران را روی داده های عملکردی سیستم مشاهده کردیم سوالی که مطرح می‌شود این است که چگونه از بروز مشکل و آسیب به ممبران‌ها پیشگیری کنیم؟ گاهی اوقات رسوب گیری ممبران برگشت پذیر است و با روش‌های شستشوی شیمیایی می‌توانیم عملکرد سیستم را بازیابی کنیم. اما همیشه این طور نیست و ممکن است فولینگ‌ها با گذشت زمان و کهنه شدن تبدیل به فولینگ‌های برگشت ناپذیر شوند. به همین دلیل بهتر است اقدامات پیشگیرانه ای برای جلوگیری یا به حداقل رساندن رسوب گیری ممبران در وهله اول انجام شود. همچنین اقدام به موقع در شستشوی فولینگ‌ها باید انجام شود. در زیر، برخی از اقدامات پیشگیرانه رایج برای جلوگیری از رسوب گیری ممبران را بیان کرده‌ایم.

استفاده از پیش تصفیه مناسب

ممبران های RO/NF دارای حفرات کوچک تری نسبت به ممبران های MF/UF هستند، بنابراین، برای جلوگیری از رسوب گیری ممبران یا مشکلات دیگر، به انواع مختلفی از سیستم‌های پیش تصفیه نیاز دارند. این فرایند‌های پیش تصفیه در کنار هم آلاینده‌های موجود در آب خوراک را به حداقل می‌رسانند و استاندارد آب ورودی به سیستم را تضمین می‌کنند.

گزینه های پیش تصفیه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• فرآیندهای لخته سازی
• رسوب گذاری (ته نشینی گرانشی)
• فیلتراسیون مولتی مدیا (MMF) و انعقاد در صورت وجود ذرات کلوئیدی
• فرآیند غشایی UF/MF
• کربن فعال گرانولی (GAC) برای حذف کلر یا مواد آلی
• بی سولفیت سدیم برای حذف کلر باقی مانده
• تنظیم pH برای کمک به جلوگیری از رسوب (scale) (در صورت لزوم)
• آنتی اسکالانت برای مهار رسوب (scale) و پراکندگی ذرات روی سطح ممبران

اصلاح خطاهای طراحی سیستم

جلوگیری از رسوب گیری ممبران با مهندسی و طراحی درست و اصولی به بهترین وجه انجام می‌شود. متغیرهای زیادی بر رسوب گیری ممبران تأثیر می گذارند و در عملکرد صحیح سیستم فیلتراسیون غشایی نقش دارند. طراح سیستم تصفیه آب صنعتی باید در انتخاب تجهیزات، پارامتر‌های عملیاتی نظیر فلاکس غشا و درصد ریکاوری دقت داشته باشد تا عملکرد سیستم و کاهش رسوب گیری ممبران در شرایط بهینه قرار گیرد.

بهبود و اصلاح شرایط عملیاتی

رسوب گیری ممبران می تواند توسط محدوده خاصی از دما، pH، فشار عملیاتی و سرعت جریان تشدید شود. یک سیستم خوب طراحی شده این متغیرها را متعادل (بالانس) می‌کند تا اطمینان حاصل شود که فولنت‌ها روی سطح ممبران جمع نمی شوند.

با توجه به پیچیدگی این عوامل، اغلب بهتر است برای ارزیابی کامل نیازها و شرایط فرآیند با یک متخصص تصفیه آب مشورت کنید. یک متخصص می تواند مطالعات تصفیه (treatability)، آتوپسی ممبران و تست پایلوت را برای تعیین یک راه حل جداسازی ایده آل که رسوب گیری ممبران را به حداقل می رساند، انجام دهد.

شستشوی شیمیایی (CIP) ممبران در زمان طلایی

یک برنامه تمیز کردن سیستماتیک می‌تواند به جلوگیری از تجمع فولنت ها روی ممبران کمک کند. دوره‌های تمیز کاری باید در زمان مناسب که به زمان طلایی از آن یاد می‌کنیم انجام شوند تا بیشترین کارایی را داشته باشند. برای این کار لازم است داده‌های عملکردی سیستم نرمالایز شوند و از طریق نمودار‌های نرمالایز زمان طلایی انجام CIP تعیین شود. استراتژی‌های تمیز کردن ممبران ممکن است بسته به طراحی سیستم فیلتراسیون غشایی و انواع آلاینده‌های درگیر، متغیر باشند و ممکن است از یک یا چندین روش تمیز کردن استفاده شود.