مياه التغذية تدخل على أوعية الضغط الحاوية للأغشية …
أوعية الضغط لها عدد وترتيب ونظام يختلف من وحدة لأخرى …
أوعية الضغط تحتوى على غشاء أوعدة أغشية كما ذكرنا …
وهذا الترتيب وهذا العدد ليس قانوناً لكل وحدة! … بمعنى أن وحدة قد يمكن أن نُصمم لها أكثر من نموذج ونحصل على نتائج متقاربة … ولكن يحكم ذلك أساسيات وأصول لهذه اللعبة.
والمياه المنتجة (البيرميت) والمنبوذة (الريجيكت) لها مسارات بعد الخروج من الأغشية …
فى هذه المناقشة أخى الكريم سيتم تدريب حضرتك على قراءة تصميم المحطة والتفريق بين المسار والمرحلة … نراجع أولاً ما قلناه عن الريكافرى … فنقول:
الريكافرى Recovery هو النسبة التى تم أخذها من مياه التغذية وحولناها إلى مياه البيرميت المنتجة (يعنى التى اخترقت الأغشية وأصبحت مياه مُحلاة) … وزيادة الريكافرى معناها زيادة كمية المياه المنتجة بالنسبة لمياه التغذية …
وهذا النظام يفيد عندما نجد أن الأغشية الأولى لا تقلل الTDS كما ينبغى (1500 جزء فى المليون مثلاً) … فبدلاً من تغييرها … ندخل المياه المنتجة منها على أغشية تالية تقلل الأملاح إلى الحد الذى نريده (150 جزء فى المليون مثلاً أو أقل) … وهذا النظام عادة ما نحتاج إليه لاستخدام المياه المنتجة فى الأغراض الطبية … وبعض المراجع تسميه permeate stage system.
فإذا أخذنا المياه (الريجيكت) المركزة من المسار الأول وأدخلناها على غشاء جديد … وبالتالى نحصل على بيرميت جديد (وبالتالى ريكافرى أعلى للمحطة) … فإننا نسمى هذه مرحلة ثانية … كما سنحصل على مياه ريجيكت أكثر تركيزاً فى الأملاح … انظر الصورة:
الآن أخي الكريم أصبح بمقدورك أن تفرق بين المسار والمرحلة …
وحتى يدخل هذا الموضوع فى أذهاننا نقول … لو عندنا وعائين للضغط … إذا كان البيريمت الذى يخرج من الوعاء الأول يدخل على الثانى لمزيد من التحلية وتقليل الأملاح لتركيز أقل فهذا نسميه مسار … يزود الكفاءة وجودة المنتج ويقلل الأملاح أكثر لكن لا يزيد الريكافرى … ولو كان عندنا وعائين للضغط … الريجيكت الخارج من الأول – والذى يحتوي على أملاح عالية – يدخل على الثانى فهذا نسميه مرحلة ثانية والفائدة استغلال المياه وزيادة الريكافرى بغض النظر عن الجودة الناتجة.
فى ضوء ذلك نستطيع الآن أن نقرأ الرسومات الخاصة بوحدات التناضح العكسي ونعرف كم مرحلة وكم مسار … فهيا ننطلق:
الصورة التالية عن ماذا تعبر؟؟
تعبر هذه الصورة عن مسار واحد وثلاث مراحل (مسار واحد لأن البيرميت الناتج من أى غشاء لا يعاد ادخاله كتغذية لغشاء آخر … والثلاث مراحل لأن الريجيكت الناتج من كل مرحلة يتم أخذه كتغذية للمرحلة التالية وهى ثلاث مراحل) … وبالطبع الريجيكت الناتج من آخر مرحلة يكون له أقصى تركيز فى الأملاح ويكون عُرضه لتكون القشور عليه أكثر من المراحل الأولى … (راجع الLSI فى الجزء الأول من الكورس).
النظام السابق من ترتيب أوعية الضغط يطلقون عليه الترتيب الشجرى (أو ترتيب مثل هيئة شجرة الكريسماس(Christmas tree system .
وكى نصف عدد أوعية الضغط (الفيزلات) فى مراحل التناضح العكسي نشير إلى ما يُسمى بال R.O. Array … يعنى نظام وحدة التناضح فمثلاً “2:1 array” أو Two-by one array معناه مرحلتين … الأولى تحتوى على وعائي ضغط والمرحلة الثانية تحتوى على وعاء ضغط واحد … أيضاً نظام ال”10:5 array” معناها مرحلتين الأولى تحتوى على 10 أوعية والمرحلة الثانية تحتوى على 5 أوعية … وهكذا … ونظام ال4:2:1 بالطبع يشير إلى ثلاث مراحل الأول يحتوى على أربعة والثانى على فيزلين والثالث على فيزل واحد وهكذا … وهى تتبع النظام الشجرى كما قلنا.
عن ماذا يُعبر النظام التالى؟
يُعبر عن مرحلة واحدة One stage ومسار واحد one pass لأن الريجيكت والبيرميت لا يتم ادخالهما فى أغشية تالية … فقط نقول مرحلة واحدة ولكن تنقسم مياه التغذية إلى أربع فروع
… كل فرع يدخل على وعاء … والأوعية تعمل على التوازى … يخرج البيرميت من كل وعاء على حده … ويتم تجميع كل البيرميت إلى تنك المياه المُحلاة … ونفس الشىء يخرج الريجيكت من كل وعاء ويتم تجميع كل ريجيكت فى تنك خاص ويُعاد لإضافة جزء منه لمياه التغذية فى عملية التدوير التى شرحناها …
لماذا نقول أن الأوعية على التوازى؟؟ لأنه لو كان على التوالى لتغيرت الرسمة السابقة ورأيت مياه التغذية تدخل على وعاء ثم تخرج منه ثم تدخل على الثانى وهكذا (يعنى عدة مسارات) …
عن ماذا يُعبر النظام التالى؟
نرى فى الصورة التالية أن مياه التغذية تدخل على المرحلة الأولى Stage one وتنقسم إلى قسمين حيث يوجد وعائين للضغط … وكل وعاء به 3 elements … يعنى ثلاث أوعية ضغط … كل ده طبيعى … الجديد هنا أن الريجيكت الخارج من المرحلة الأولى (من الوعائين) يدخل على مرحلة ثانيةStage-2 … حيث يوجد وعاء ضغط ثالث يستقبل ريجيكت المرحلة الأولى … ويحتوى على 3 أغشية أيضاً …
أوصف حضرتك الArray لو تسمح …
ولا شك أن زيادة المراحل تعنى الحصول على نسبة أكبر من المياه المُحلاة البيرميت (أى زيادة الريكافرى) فى المحطة … المهم أن لا تزيد عن ما نسميه الريكافرى الخاص بكل غشاء أو ال
The single element recovery limits
وهنا يجب الحذر الشديد من تركز الأملاح فى المرحلة الثانية أوالثالثة على التوالى بصورة كبيرة تؤدى إلى تكون الترسبات وتكون القشورعلى نهايات الأغشية …
الريكافرى العالى فى المرحلة الأولى يتسبب فى خفض كمية وتدفق الريجيكت الداخل على المرحلة الثانية وبالتالى يؤدى إلى ترسبات ملحية وانسداد الأغشية وارتفاع الضغط فيها.
لذلك بعض القائمين على الوحدات يتعرضون لهذه المشكلة فيغيرون تصميم المحطة فيجعلون مثلاً فى هذا المثال الوعاء الثالث يعمل بالتوازى فى مرحلة واحدة مع الوعائين الأولين … بمعنى أنه يكون هناك مرحلة واحدة تحمل 3 أوعية على التوازى ويضحوا بالريكافرى من أجل مصلحة الأغشية …
(عادةً المرحلتين و6 أغشية لكل فيزل تكفى للوصول إلى ريكافرى 75% للمحطة … والمرحلة الثالثة للحصول على ريكافرى أعلى):
وفى النهاية يجب عند التصميم عمل “موازنات” بين المصالح والمفاسد …
وعملياً نقول أن النظام متعدد المراحلMulti-stage لا يستخدم عادةً مع مياه البحر … وذلك لأن الريجيكت الناتج من المرحلة الأولى يحتوى على أملاح بكميات هائلة تصل إلى 70 ألف جزء فى المليون … وبالتالى لو أدخلناه على أغشية فى مراحل تالية فإننا نحتاج لنوع خاص من الأغشية تستطيع التعامل مع هذه التركيزات الملحية العالية … وبالتالى سنتعرض لتكلفة إقتصادية أكبر … كما أن كمية البيرميت الناتجة من هذه المرحلة ستكون قليلة جداً والعائد الإقتصادى منها غير مُجدى … انظر الصورة التالية التى تبين تحلية نظام البحر بالطريقة النموذجية (مرحلة واحدة وريكافرى أقل من 50% وأوعية ضغط على التوازى):
وقد نضطر أحياناً لعمل مرحلتين مع مياه البحر ولا نزيد عليها …
انظر إلى الصورة التالية لتوضح أنظمة تحلية مياه البحر:
مثلاً لو أردنا ريكافرى لمياه البحر من 35 – 40% (أول حالة) فإننا نحتاج إلى مرحلة واحدة ب6 – 7 أغشية فى الفيزل … ولو أردنا ريكافرى 45% فإننا نحتاج إلى لمرحلة واحدة بأغشية 7 – 8 فى الفيزل أو مرحلتين كل مرحلة بها ستة أغشية للفيزل … ونلاحظ أيضاً أنه للحصول على 60% ريكافرى من مياه البحر فإننا نضطر إلى مرحلتين لا مفر من ذلك.
والصورة التالية لوحدة تحلية لمياه البحر الأحمر تستخدم ثلاث مسارات … بيريمت الأول يدخل على المسار الثانى ليقلل الأملاح الكلية الذائبة وهكذا … ونود من الزملاء فى الخليج العربى أو العاملين فى تحلية المياه البحر الأحمر بالمملكة الحديث عن هذه الأنظمة …
وهكذا يستخدم النظام المتعدد المراحل دائماً مع المياه المتوسطة الملوحة brackish water (مرحلة واحدة نحصل بها على ريكافرى 50% أو أكثر … ومرحلتين نصل بها إلى ريكافرى 70 – 75% … وثلاث مراحل نصل بها إلى 80 -85%) … انظر المراحل مع المياه المتوسطة الملوحة والريكافرى الذى نحصل عليه:
أمر آخر من خلال المثال السابق نود الإشارة إليه … أن وعاء الضغط قد يحتوى على عدة أغشية تعمل على التوالى وتسمى Element وسيتم الآن استدعاء الرسم التوضيحى المذكور فى الجزء الأول من الكورس وهو كالتالى:
لدينا 4 أوعية ضغط يعملون على التوازى يحتوى كل وعاء على 6 أغشية بداخلها تعمل على التوالى … مياه الريجكت التى تخرج من أول غشاء تدخل على الثانى كمياه تغذية … لكن يجب أن ننتبه لأمر هنا … يجب أن نعتبر أن وعاء الضغط عبارة عن غشاء واحد فلا نطلق كلمة ستة مراحل على هذا النظام بل هو مرحلة واحدة … فإذا تم أخذ الريجيكت المجمع من كل هذه الأوعية لندخلها على مجموعة أخرى … فى حينها نقول أننا أضفنا مرحلة ثانية …
انتهينا من شرح المسارات والمراحل … ونرجع الآن إلى الرسمة السابقة لنكمل شرح سريان المياه داخل الأغشية فنقول:
عندنا 4 أوعية ضغط يعملون على التوازى … وكل وعاء ضغط يحتوى على 6 أغشية تعمل على التوالى وتسمى (6 elements) :
وخلاصة القول أن مياه التغذية فى هذا المثال تدخل بسرعة 45.42 متر مكعب/الساعة وتنقسم بالتساوى إلى أربعة أقسام فيكون الداخل على كل وعاء 11.36 متر مكعب/الساعة … يخرج من أول غشاء بيرميت بمعدل 1.06 متر مكعب/ساعة فيتبقى من ريجيكت الغشاء الأول 10.3 مترمكعب/ساعة يدخل كتغذية feed إلى الغشاء الثانى فيخرج منه بيرميت بمعدل 1.03 مترمكعب/ساعة ليتبقى من الريجيكت 9.26 مترمكعب/ساعة يدخل كتغذية feed على الغشاء الثالث وهكذا … وعندما يتم تجميع كل البيرميت من أسطوانة الضغط الواحدة نجد أن التدفق = مجموع كل بيرميت يخرج من الستة أغشية … ولذلك البيرميت الكلى الخارج من وعاء الضغط الواحد:
= 1.06 + 1.03 +1.01 +0.99 + 0.97 + 0.96 = 6.02 متر مكعب/ساعة.
وبما أنه يوجد 4 فيزلات فإن المياه المنتجة الكلية تساوى (4 x 6.02) = 24.08 متر مكعب/ساعة.
وما نراه هى عمليات حسابية بسيطة من جمع وطرح … ولكن ورائها ما ورائها …
أخى الكريم … إذا نظرنا إلى نوعية تدفقات المياه خلال أوعية الضغط ونظرنا بعين الإعتبار إلى معدلات السريان وعقدنا مقارنة بين معدل السريان فى الأغشية الأولى والأغشية النهائية (ممبرينات الذيل) أمكننا تفسير كثير من الظواهر التى تحدث فى الأغشية وبالأخص ظاهرة الاتساخ (الفاولينج) Fouling والتى تحدث دائماً فى الأغشية المتقدمة وظاهرة ترسب قشور الأملاح Scales على ممبرينات الذيل ….
ما معنى هذا الكلام؟؟
كى نوضح الأمر … يجب علينا الحديث الآن عن نوعين من تدفقات المياه وهما:
1- تدفق المياهwater flux . 2- التدفق المستعرض Cross flow.
1- تدفق المياه (Water flux):
وقد تحدثنا عنه من قبل وقلنا أنه كمية المياه المنتجة (البيرميت) الخارجة من كل غشاء (أو الفيزل أو الوحدة بأكملها) باللتر لكل ساعة على مساحة سطح الممبرين … بمعنى آخر هى كمية المياه التى تمر خلال متر مربع من الغشاء (والذى هو عبارة عن flat sheet) خلال اليوم … وهو مؤشر لحدوث الانسداد plugging بالفاولينج (الاتساخ) … وكلما زاد معنى ذلك زيادة كمية المياه التى اخترقت سطح الغشاء وزادت كمية المواد التى تسبب الاتساخ على سطحها…
وفى الشكل السابق نلاحظ أن الأغشية المتقدمة (فى بدايات الفيزل) هى التى تعانى من الانسداد أكثر لأن الwater flux أكبر ما يمكن بالمقارنة بما يحدث فى نهايات الأغشية أوالذيل … (0.96 مترمكعب لكل ساعة تغذية الغشاء الأول مقابل 1.06 مترمكعب لكل ساعة)
بافتراض أن مساحة سطح الممبرين 37 متر مربع:
Water flux (1) =1.06 m3/h = 1060 lL/h / 37 = 28.7
Water flux (2) = 0.96 m3/h = 960 lL/h / 37 = 25.9
(إذاً القاعدة … كلما زاد الwater flux زادت كمية الماء العابرللأغشية وزادت كمية المواد التى تسبب الإتساخ على الأغشية وزاد معدل الانسداد).
لذا فالمناطق الأمامية من الأغشية (أو المراحل الأولى) تكون عُرضة للإتساخ fouling أكثر من أغشية الذيل (وعملياً وجد أن أول غشاء ينتج حوالى 24% من انتاج الفيزل كله قبل أن يُصاب بالانسداد بالفاولينج والغشاء الأخير ينتج حوالى 7 – 8% ومع تراكم الفاولينج يحدث وأن تقل انتاجية الغشاء الأول ويزيد الحمل على الغشاء التالى فيتراكم عليه الفاولينج هو الآخر … ونبقى كذلك حتى يحدث تراكم الفاولينج على جميع الأغشية فى الفيزل وتكون انتاجيتهم متقاربة).
كى نوضح الأمر … يجب علينا الحديث الآن عن نوعين من تدفقات المياه وهما:
1- تدفق المياهwater flux . 2- التدفق المستعرض Cross flow.
1- تدفق المياه (Water flux):
وقد تحدثنا عنه من قبل وقلنا أنه كمية المياه المنتجة (البيرميت) الخارجة من كل غشاء (أو الفيزل أو الوحدة بأكملها) باللتر لكل ساعة على مساحة سطح الممبرين … بمعنى آخر هى كمية المياه التى تمر خلال متر مربع من الغشاء (والذى هو عبارة عن flat sheet) خلال اليوم … وهو مؤشر لحدوث الانسداد plugging بالفاولينج (الاتساخ) … وكلما زاد معنى ذلك زيادة كمية المياه التى اخترقت سطح الغشاء وزادت كمية المواد التى تسبب الاتساخ على سطحها…
وفى الشكل السابق نلاحظ أن الأغشية المتقدمة (فى بدايات الفيزل) هى التى تعانى من الانسداد أكثر لأن الwater flux أكبر ما يمكن بالمقارنة بما يحدث فى نهايات الأغشية أوالذيل … (0.96 مترمكعب لكل ساعة تغذية الغشاء الأول مقابل 1.06 مترمكعب لكل ساعة)
بافتراض أن مساحة سطح الممبرين 37 متر مربع:
Water flux (1) =1.06 m3/h = 1060 lL/h / 37 = 28.7
Water flux (2) = 0.96 m3/h = 960 lL/h / 37 = 25.9
(إذاً القاعدة … كلما زاد الwater flux زادت كمية الماء العابرللأغشية وزادت كمية المواد التى تسبب الإتساخ على الأغشية وزاد معدل الانسداد).
لذا فالمناطق الأمامية من الأغشية (أو المراحل الأولى) تكون عُرضة للإتساخ fouling أكثر من أغشية الذيل (وعملياً وجد أن أول غشاء ينتج حوالى 24% من انتاج الفيزل كله قبل أن يُصاب بالانسداد بالفاولينج والغشاء الأخير ينتج حوالى 7 – 8% ومع تراكم الفاولينج يحدث وأن تقل انتاجية الغشاء الأول ويزيد الحمل على الغشاء التالى فيتراكم عليه الفاولينج هو الآخر … ونبقى كذلك حتى يحدث تراكم الفاولينج على جميع الأغشية فى الفيزل وتكون انتاجيتهم متقاربة).
فإذا قابلك أخى الكريم مصطلح الDead end filtration أو السريان المعتاد Conventional filtration فنقصد به نوع من السريان المائى يحدث فيه أن الكمية الداخلة من المياه تساوى الكمية الخارجة … يعنى: Q1 = Q2 … ومثال لذلك الفلاتر بأنواعها مثل الفلتر الكربونى وفلاتر الكارتريدج أو وحدة الميسر(السوفتنر) … وفى الأغشية هو ما يمرعبرالغشاء ويخرج من الجهة المقابلة وهو ما يسمى بالبيرميت Permeateيعنى اتجاه السريان يكون عمودياً على الغشاء … ويتم حجز وتراكم المواد العالقة وغيرها على الغشاء فيما يسمى بكيك الفلتر (Filter cake) … انظر الصور:
2- التدفق المستعرض (العرضى) Cross flow:
هو تدفق مياه التغذية فى اتجاه موازٍ للغشاء (بدون اختراقه) كما هو واضح فى الصورة التالية وهو تدفق يقوم بعمل shear force للطبقة المجاورة وهى سطح الغشاء فتعمل عملية كسح أو “كنس” أو sweeping لكل الجزيئات الموجودة على السطح (وأهمها الأملاح التى تسبب القشورمثل أملاح كربونات وبيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم) … وكلما زادت زاد معدل التدفق زاد من كسح جزيئات الأملاح … وكلما قلت ضعفت عملية كسح الجزيئات وأصبح هناك فرصة لحدوث ترسبات لهذه الأملاح على الأغشية.
ونلاحظ هنا أن عملية الكنس أو الكسح تكون ضعيفة فى الطبقة الملامسة لسطح الغشاء:
نرجع إلى الشكل الأول فنجد أنه فى بدايات الفيزل يكون الcross flow عالى ومعدل كسح الأملاح قوى (11.36 متر مكعب/ساعة) فيصعب استقرار وترسب الأملاح وتكون القشور فى هذا المنطقة بالمقارنة مع مناطق الذيل (6.29 مترمكعب/ساعة) حيث يقل الshear force وتجد الأملاح بيئة ممهدة للترسب وتكون القشور.
والجدير بالذكر هو أن ما يُزيد من احتمالية تكون القشور scales فى ممبرينات الذيل هو تركز الأملاح بنسبة أكبر من الممبرينات الأولى … نطلق على هذه الظاهرة concentration polarization … وقد أشرنا إليها من قبل وسنشرحها فى التفصيل بعد ذلك … حيث تتركز فيه الأملاح (الBrine أوال(Concentrate وتزيد قيمة الLSI بالمقارنة بمياه التغذية فى المراحل الأولى.
ومن خلال مصطلح ال Cross flow filtration وهو سريان مياه التغذية بموازاة الغشاء نستطيع أن نقول أن المياه تنقسم إلى 2 streams … الأول وهو البيرميت الذى يخترق الغشاء والثانى وهو الماء الذى يسير بموازاة الغشاء وتتركز فيه الأملاح مع الوقت:
Q1 = Qpermeate + Qbrine
انظر الصور التالية التى تلخص ما قلناه عن الDead-end filtration والCross- flow-filtration.
طبعاً البيرميت هو ما نفذ من الغشاء وخرج منه …
وفى الأغشية الحلزونية الملفوفة spiral wound membrane يتكون تيار سريع هائج turbulent flow بسبب الcross flow يتكون على أثره قوة الshear force التى تعمل كنس (أو كسح) للجسيمات particles فى الماء (مثل مجرى النهر الذى يكسح الجسيمات والعوالق من المجرى فلا يساعدها على الترسيب) وهو عكس التيار الهادىء أوالlaminar flow الذى يسبب استقرار هذه الجسيمات على القاع … وبالتالى كلما قل الcross flow قل الturbulence وقلت الshear force وأصبح هناك مجال أيسر فى ترسب الجسيمات على القاع …
وفى الأغشية الحلزونية الملفوفة spiral wound membrane يتكون تيار سريع هائج turbulent flow بسبب الcross flow يتكون على أثره قوة الshear force التى تعمل كنس (أو كسح) للجسيمات particles فى الماء (مثل مجرى النهر الذى يكسح الجسيمات والعوالق من المجرى فلا يساعدها على الترسيب) وهو عكس التيار الهادىء أوالlaminar flow الذى يسبب استقرار هذه الجسيمات على القاع … وبالتالى كلما قل الcross flow قل الturbulence وقلت الshear force وأصبح هناك مجال أيسر فى ترسب الجسيمات على القاع …
ونعيد عليكم ما ذكرناه فى الجزء الأول من خلال الصورة التالية لنجيب على السؤال المطروح وهو قيمة الCross flow المثالية:
1- فى أول غشاء نجد أن البيريمت = 1.06 متر مكعب/ساعة ، وأن الfeed = 11.36 متر مكعب/ساعة … لذا فإن نسبة البيرميت إلى الfeed = 10:1
2- يقل الfeed (الذى يعتبر الconcentrate عند دخوله على الغشاء التالى ويعبر عن ال(cross flow فيصبح 10.30 مترمكعب/ساعة … ويكون البيريمت الخارج من هذا الغشاء الثانى = 1.03 مترمكعب/ساعة.
3- وفى نهاية الفيزل نجد أن البيرميت = 0.96 مترمكعب/ساعة ، وأن الconcentrate =5.33 يعنى بنسبة 5.5:1 تقريباً … ومن هنا نقول أننا لا نستطيع أن نحدد قيمة الcross flow … نظراً لأنه يعتمد على نوع الغشاء وطوله … فهناك Sea water membrane وهناك brackish water membrane … وهناك 4 inch و 8 inch … إلخ
لكن ما نستطيع قوله أننا نحدد نسبتها إلى البيرميت … وفى المعتاد لا يجب أن تقل نسبة الconcentrate إلى البيرمييت permeate عن 1:5 … وكل شركة مصنعة للأغشية تعطيك هذه النسبة أو تقول لك أن أقل concentrate لا يقل عن كذا متر مكعب / ساعة …
انظر إلى الصورتين التاليتين توضحان كيف يقل الفلاكس Flux والCross flow مع الإنتقال من غشاء لآخر ومن مرحلة لأخرى:
ونذكر بأن الDead end filtration لا يحدث مع أغشية التناضح ولكن مع الفلاتر الأخرى:
م/وليد السيد