غشاهای مورد استفاده در سیستم های اسمز معکوس

سلولز استات

غشای سلولز استات، اولین نوع غشائی است که بنحو گسترده­ای در آرایش حلزونی مورد استفاده قرار گرفت. این غشاء مقاومت بالایی به کلر آزاد از خود نشان داد و تا زمان دستیابی به غشاء فیلم- نازک پلی آمیدی تنها غشاء انتخابی برای کاربردهای مختلف RO  بود. غشای سلولز استات بدون بار است.

بدین معنا که حلقه‌های انتهایی پلیمر به شدت قطبی نیستند و این یک مزیت نسبت به سایر غشاها نظیر پلی‌اَمید و پلی سولفان باردار است. زیرا بسیار کمتر از آنها احتمال جذب ذرات باردار عامل فولینگ روی غشاء CA وجود دارد. در غشای سلولز استات، سطحی که در معرض آب خوراک قرار دارد بسیار نازک و شبیه به یک لایه صاف است که چرم و یا پوست نامیده می‌شود.

از این پوسته، غشاء به داخل ساختار متخلخل محافظ غشاء شاخه شاخه می­شود. همچنین به نظر می‌رسد که سطح صاف و نرم لایه­های این پوسته به مقاومت غشاء CA در مقابل گرفتگی کمک می­نماید.

مهمترین فاکتور کنترلی برای غشای سلولزاستات، PH می­باشد. غشای سلولزاستات با گذشت زمان، هیدرولیز خواهد شد. در این حالت، غشا خاصیت دفع نمک را از دست خواهد داد. سرعت تخریب تابعی از دما و PH می­باشد.

همچنان که در شکل زیر نشان داده شده، با تغییر شرایط خصوصاً مقدار pH یک تغییر فوق العاده زیاد در نرخ هیدرولیز غشاء بوجود می­آید.جهت کاهش سرعت هیدرولیز غشای سلولزاستات، بیشتر سیستم‌های محتوی این نوع غشا، جهت کاهش PH از اسید استفاده می‌کنند.

PH مطلوب حدود 8/4 است، تنظیم PH به مقدار کمتر از 5/6، سرعت هیدرولیز سلولز استات (CA) را به حداقل می‌رساند به طوری که غشا، حداقل سه سال کارآیی خواهد داشت.

نخستین غشاء های CA از جنس سلولز دی استات ساخته می­شدند. در تجربه­ های بعد، با اختلاط آن با سلولز تری استات در کارائی آن بهبود بوجود آورند. این غشاء مختلط CA نرخ جریان محصول بالاتر و مقاومت بهتر در مقابل حمله باکتریها و نرخ هیدرولیز کمتر را دارا بودن. تقریباً همه المنتهای با غشاء CA که امروزه در بازار هستند از جنس CA مختلط ساخته می­شوند.

غشاهای سلولز استات توانائی بالاتری در تحمل مواد اکسید کننده نظر کلر آزاد و کلروآمینها نسبت به دیگر انواع غشاءها دارا می­باشد. در نتیجه انتخاب یک سیستم غشائی با غشاء سلولز استات برای استفاده در جاهایی که پتانسیل بالائی بیوفولینگ (گرفتگی بیولوژیکی) دارد، بسیار مناسب می­باشد. زیرا در این موارد امکان تزریق کلر تا غلظت ppm1 به آب خوراک RO به منظور کاهش رشد مواد بیولوژیکی بدون تغییر در عمر مورد نظر غشا امکان پذیر می­باشد.

غشاء پلی‌اَمیدی فیلم نازک

مقبولیت استفاده از غشاهای پلی‌آمید به سبب شار بالای محصول عبوری از آنها رو به افزایش می­باشد. غشای پلی‌آمید در ابتدا با آرایش الیاف توخالی غشا[1] مورد استفاده قرار گرفت. ساختمان شیمیایی آن از پلی‌امید آروماتیک خطی است که می­تواند به شکل تارهای پوک بسیار ریز، قالب پذیرد.

غشای پلی آمید که با آرایش حلزونی مورد استفاده قرار می‌گیرد از لایه نازک پلی امید آروماتیک ساخته شده که به شکل فرعی پلی سولفان با جرم حجمی کم درآمده است. این نوع خاص از غشا، لایه نازک نامیده می‌شود. ساختمان شیمیایی این غشا، چلیپایی است که در مقابل عوامل اکسید کننده مقاومت بیشتری دارد.

غشای پلی آمید لایه نازک، اساساً دارای شار بیشتری نسبت به سلولزاستات است و این امر سبب می­گردد تا فشار راهبری سیستم اسمز معکوس برای غشای پلی امید نیمی از فشار غشای سلولزاستات باشد و دفع نمک بهترصورت پذیرد. این بدین معنا است که یک سیستم RO با استفاده از غشای لایه نازک نیمی از انرژی سیستم RO  با غشای سلولز استات را مصرف می‌کند. (psig200 در مقابل Psig 400).

هزینه سرمایه گذاری اولیه دستگاههای سیستم RO با غشای لایه‌ی نازک معمولاً به دو دلیل از نوع مشابه آن با غشای سلولز استات ارزانتر می­باشد. اول اینکه سیستم برای Psig200 پمپی با قدرت نصف پمپی با فشار خروجی Psig400 نیاز داشته و دیگر آنکه اتصالات و لوله­های با تحمل فشار کمتری نیاز خواهد بود.

همچنان که تشریح شد سیستم غشای سلولز استات برای راهبری در psig200 قابل طراحی است. ولی برای همان میزان محصول نیاز به دو برابر المنت، پوسته نگهدارنده المنت، اتصالات و اسکلت فلزی بزرگتر خواهد بود. میزان نفوذ نمک در محصول دو برابر بیشتر خواهد بود.

زمانی که غشای پلی‌آمید لایه‌ نازک با شار زیاد برای اولین بار در صنایع مورد استفاده قرار گرفت، راهبری آنها همچون غشای سلولزاستات در Psig400 صورت می‌گرفت. حتی تصور می‌شد که این کار به سیستم لایه‌ نازک این اجازه را می‌دهد که دو برابر سیستم سلولز استات، آب محصول داشته باشد و مقدار نمک در آب محصول هم نصف باشد، ولی سرعت گرفتگی غشا به دلیل شار زیاد افزایش محسوسی داشت.

سازندگان غشا بجای انتخاب سیستم غشائی PA با فشار کارکرد پایین همین نوع غشاء PA در Psig400 کار را انتخاب نمودند. هزینه های جاری سیستم فشار با پایین­تر بودن حجم و قیمت تجهیزات آن جبران می­شود.

همچنین هزینه تعمیر و نگهداری آن کمتر می­باشد. فقط نرخ فولینگ بالاتر نیاز به دفعات بیشتر شستشوی شیمیائی و تعویض بیشتر المنت را سبب می­زیاد می‌شود. افزایش گرفتگی که ناشی از زیاد بودن شار است موجب می‌شود که شستشوی شیمیایی و تعویض غشاها زودتر انجام پذیرد.

غشای پلی‌آمید به عوامل اکسید کننده نظیر کلر آزاد یا یُد آزاد، بسیار حساس است. بدین معنا که اگر در آب خوراک سیستم، کلر آزاد وجود دارد باید توسط یک عامل احیا کننده، نظیر بی‌سولفیت سدیم، یا با عبور آب خوراک از کربن فیلتر، کلر آزاد از میان برداشته شود.

به محض حذف عامل اکسید کننده از نوع بایو سایدی در آب خوراک، احتمال فعالیت بیولوژیکی و متعاقب آن، گرفتگی غشا بیشتر خواهد شد. در مورد بسیاری از آبهای سطحی و بعضی از چاههای آب، رشد بیولوژیکی موجب غیرقابل استفاده شدن غشای PA می‌شود؛ مخصوصاً اگر از سیستم به تناوب استفاده شود.

غشای پلی آمید لایه‌ نازک که غالباً در صنایع تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای مشخصات بار منفی است. در بعضی از منابع آب، این بار منفی سایر ذرات را که موجب گرفتگی شده‌اند، جذب می‌کند. همچنین در سیستم شستشوی شیمیائی برای جمع آوری مواد از سطح غشاء باید از مواد شیمیائی هم بار با غشا استفاده شود.

بعنوان مثال فقط باید از فعال کننده­ های سطحی آنیونی برای شستشوی سیستم با غشاء آنیونی استفاده نمود.