تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO بسیار زیاد بوده و قابل چشم پوشی نیست. به نحوی که طول عمر ممبران، کیفیت آب خروجی و عملکرد فیلتر به دمای آب بستگی زیادی دارد. ممبرانهای اسمز معکوس (RO) یکی از فناوریهای کلیدی در تصفیه آب هستند که برای حذف نمکها، آلایندهها و مواد ناخواسته از آب استفاده میشوند. این ممبرانها بر اساس اصل اسمز معکوس عمل میکنند.
تماس با ما: 09100910940
فشار اعمال شده بر آب ورودی (فید واتر) باعث عبور آب خالص از غشا میگردد اما مواد محلول باقی میمانند. اما یکی از عوامل مهم که عملکرد این ممبرانها را تحت تاثیر قرار میدهد، دما است. دما نه تنها بر نرخ جریان آب (flux) تاثیر میگذارد، بلکه بر رد نمک (salt rejection)، فشار عملیاتی و حتی طول عمر ممبران نیز اثرگذار میباشد. در این مقاله از صنعت آب زارعان با اهمیت و نقش دمای آب بر عملکرد و کارایی فیلتر ممبران بیشتر آشنا خواهیم شد. این شرکت ارائه دهنده انواع دستگاه تصفیه آب میباشد.
اصول عملکرد ممبران RO و نقش دما در آن
ممبرانهای RO از مواد پلیمری مانند پلیآمید ساخته شدهاند که ساختار نیمه تراوا دارند. عملکرد آنها بر اساس تفاوت فشار اسمتیک است. به نحوی که فشار اعمال شده باید بیشتر از فشار اسمتیک باشد تا آب از سمت غلظت بالا به پایین عبور کند. در این فرآیند، عوامل مختلفی مانند فشار، غلظت نمک و دما نقش دارند. دما به عنوان یک پارامتر کلیدی، بر خواص فیزیکی آب و غشا تاثیر میگذارد. در سطح مولکولی، افزایش دما سرعت حرکت مولکولهای آب را افزایش و ویسکوزیته را کاهش میدهد. این امر نرخ عبور آب را بهبود میبخشد.
فرمول فاکتور تصحیح دما
فرمول فاکتور تصحیح دما (TCF) نشان میدهد که:
TCF = exp(K*(1/(273+t) – 1/298)) (در این فرمول t دما به سلسیوس است.)
این فرمول کمک میکند تا عملکرد در دماهای مختلف پیشبینی شود. علاوه بر این، دما بر تورچوسیتی (tortuosity) غشا تاثیر میگذارد، که مسیر عبور مولکولها را تغییر میدهد.
در عمل، ممبرانهای TFC (Thin Film Composite) حساستر به دما هستند و در دماهای بالا احتمالا degradation رخ میدهد. درک این اصول برای طراحی سیستمهای RO ضروری میباشد. زیرا دما میتواند هزینههای انرژی و نگهداری را تغییر دهد.
اهمیت و تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO
با افزایش دما، ویسکوزیته آب کاهش مییابد که این امر باعث افزایش دیفیوژن مولکولهای آب از طریق غشا میشود. در نتیجه، تولید آب خالص (permeate) افزایش مییابد. اما این افزایش دما میتواند منجر به کاهش رد نمک شود. در دماهای پایین، جریان آب کمتر است اما کیفیت آب خروجی بهتر میشود. مطالعات نشان میدهد که برای هر درجه فارنهایت کاهش دما، حدود 3% از نرخ جریان محصول کاهش مییابد، در حالی که افزایش دما این نرخ را بهبود میبخشد. در ادامه به اثرگذاری و اهمیت دما بر کارکرد فیلتر ممبران میپردازیم.
تاثیر دما بر نرخ جریان آب (Flux) در ممبران RO
نرخ جریان آب یا permeate flux یکی از شاخصهای کلیدی عملکرد ممبران RO است که مستقیما تحت تاثیر دما قرار دارد. با افزایش دما، ویسکوزیته آب کاهش مییابد و مولکولهای آب آسانتر از غشا عبور میکنند. تحقیقات نشان میدهد که برای هر درجه سلسیوس افزایش دما، flux حدود 2-3% افزایش مییابد. برای مثال، اگر دما از 20 به 30 درجه سلسیوس افزایش یابد، تولید آب میتواند تا 30% بیشتر شود. این افزایش به دلیل کاهش ویسکوزیته آب و افزایش دیفیوژن است. در سیستمهای صنعتی، این امر میتواند هزینههای انرژی را کاهش دهد زیرا فشار کمتری نیاز خواهد بود. اما در دماهای پایین، مانند زیر 10 درجه، flux کاهش مییابد و احتمالا نیاز به افزایش فشار باشد. همین امر مصرف انرژی را بالا میبرد. علاوه بر این، در دماهای بالا، flux افزایش مییابد اما خطر fouling ارگانیک کمتر میگردد.
تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO و کیفیت آب (رد نمک یا Salt Rejection)
وقتی آب گرمتر میشود، مقدار آب تولیدی زیاد میشود، اما کیفیت کمی پایین میآید. یعنی درصد نمکی که غشا نگه میدارد کمتر میشود. تفاوت دما در کیفیت آب و رد نمک معمولا ۱–۲ درصد میباشد. مثلا اگر در دمای ۲۵ درجه رد نمک ۹۸٪ باشد، در ۳۵ درجه احتمالا به ۹۶–۹۷٪ برسد. در کاربردهای خانگی این تفاوت خیلی محسوس نیست. اما در تصفیه آب دریا یا صنعت که نمک اهمیت بالایی دارد، این اثرگذاری قابل توجه خواهد بود. برای همین گاهی در تابستان TDS (میزان املاح) خروجی کمی بالاتر میرود و مردم فکر میکنند فیلتر خراب شده، در حالی که فقط دما بالاست. در آب سرد، کثیفی و رسوب راحتتر روی غشا مینشیند. زیرا جریان کمتر بوده و مواد فرصت بیشتری برای چسبیدن دارند. در آب گرم، جریان بیشتر میباشد و غشا تمیزتر خواهد ماند. البته اگر آب بیش از حد استاندارد گرم باشد ممکن است رسوبات معدنی (مثل کربنات کلسیم) بیشتر تشکیل شوند. بهترین دما برای اکثر سیستمها بین ۲۵ تا ۳۵ درجه میباشد.
تاثیر دما بر فشار عملیاتی و مصرف انرژی
تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO به انرژی مصرفی نیز مرتبط بوده و فشار عملیاتی را تعیین میکند. هرچه دمای آب ورودی بالاتر باشد، فشار عملیاتی (فشار فید) کمتر میشود. این وضعیت به این دلیل رخ میدهد که آب گرم رقیقتر و روانتر میباشد. از این رو راحتتر از ممبران رد شده و flux (نرخ تولید آب) افزایش پیدا میکند. در نتیجه برای رسیدن به همان مقدار آب تولیدی، نیاز به فشار کمتری داریم و پمپ کمتر کار میکند. کارکرد کمتر پمپ نیز به معنای مصرف انرژی کمتر میباشد. برعکس، در دماهای پایین (مثل زمستان)، آب غلیظتر شده و از ممبران سختتر عبور میکند. در نتیجه برای حفظ تولید آب، باید فشار را بیشتر کنیم. این یعنی پمپ بیشتر از قبل فعالیت میکند و مصرف انرژی بالا میرود.
محدودیتهای دمایی ممبران RO و آسیبهای احتمالی
ممبرانهای اسمز معکوس (RO) معمولا برای کار در محدوده دمایی ۵ تا ۴۵ درجه سلسیوس طراحی شدهاند. خارج از این بازه، مشکلات جدی برای این فیلترها و سیستم تصفیه آب ایجاد میشود. این موارد نیز در خصوص تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO باید مورد توجه قر ار گیرد:
- دمای خیلی پایین (زیر ۵ درجه): غشا سفت و شکننده شده، مثل پلاستیک یخ میزند. در این حالت احتمال ترک خوردگی یا آسیب ساختاری بیشتر میشود. علاوه بر این، ویسکوزیته آب خیلی زیاد خواهد شد. همچنین فشار روی ممبران شدیدتر شده و لایه کثیفی (fouling) سریعتر تشکیل میگردد.
- دمای خیلی بالا (بالای ۴۵ درجه): غشا نرم و شل شده، سوراخها بیش از حد باز میشوند و ساختار پلیآمید آسیب میبیند. این اتفاق باعث افت شدید کیفیت آب (رد نمک کمتر)، افزایش عبور نمک و حتی پارگی یا تخریب کامل غشا میگردد. در دماهای بالای ۵۰ درجه، عمر ممبران به شدت کاهش مییابد.
برای همین در مناطق خیلی گرم (مثل تابستان جنوب ایران) گاهی آب ورودی را خنک میکنند و در مناطق سرد، از گرمکن کوچک استفاده میکنند تا دما در محدوده امن بماند. رعایت این محدودیت، عمر ممبران را چند برابر خواهد کرد.
سوالات متداول
1- دمای آب ورودی چقدر روی مقدار آب تولیدی (flux) تاثیر میگذارد؟
هر ۱ درجه سلسیوس افزایش دما، معمولا ۲ تا ۳ درصد آب تولیدی را بیشتر میکند. آب گرم رقیقتر است و راحتتر از ممبران رد میشود، پس تولید افزایش پیدا میکند. برعکس، در زمستان و آب سرد، تولید آب کم میشود.
2- آیا آب گرم کیفیت آب خروجی را بدتر میکند؟
بله، کمی. با افزایش دما، رد نمک (salt rejection) کاهش مییابد چون نمکها هم راحتتر از غشا عبور میکنند. معمولا تفاوت ۱–۲ درصدی میباشد. توجه داشته باشید که آب خروجی کمی شورتر میشود، اما در کاربردهای خانگی اغلب محسوس نیست.
3- دمای مناسب برای کار ممبران RO چقدر است و چرا نباید از این حد خارج شود؟
معمولا ۵ تا ۴۵ درجه سلسیوس. زیر ۵ درجه غشا شکننده و کثیف کاری بیشتر میگردد. بالای ۴۵ درجه نیز غشا نرم شده، آسیب میبیند و عمرش کم میشود. بنابراین رعایت این محدوده عمر ممبران را چند برابر میکند.
4- دما چطور روی مصرف برق سیستم RO اثر میگذارد؟
آب گرم فشار کمتری لازم دارد، در نتیجه پمپ کمتر کار میکند. همین امر مصرف برق را پایین میآورد. اما آب سرد فشار بیشتری لازم دارد و مصرف برق بالاتر میرود.
سخن پایانی
تاثیر دما بر عملکرد ممبران RO بسیار مشهود و مهم میباشد. به همین دلیل لازم است برای حفظ کارایی و بهبود طول عمر این فیلترها در سیستم تصفیه آب، دما به دقت تنظیم گردد. برای دریافت مشاورههای تخصصی در زمینه خرید انواع دستگاه تصفیه آب صنعتی، دارویی و… با مهندسین صنعت آب زارعان در اصفهان تماس بگیرید.
