1. محاضرة تم إلقاءها للكيميائيين و المهندسين و الفنيين بمشروع مترو الرياض أثناء شرح عملية الغسيل التي تمت لمحطة R.O بالمشروع

   بسم الله الرحمن الرحيم

تفريغ لمحاضرة عملية الـ CIP of R.O. Membrane الذي تم في مشروع مترو الرياض

عملية غسيل أغشية محطة التناضح العكسي

هي عملية كيميائية يتم فيها التخلص من الرواسب الملحية المتكونة داخل الأغشية أثناء التشغيل وتكون عن طريق وحدة الـ Cleaning In Place Unit و الملحقة بمحطة التحلية.

وهناك بعض المحطات لا يوجد بها وحدة الغسيل الخاص بها، لذلك يتم استخدام وحدة متنقلة لهذا الغرض.

كما دائما انصح مصممين محطات الـ R.O. من أهمية جعل هذه الوحدة الملحقة كجزء اساسي من المحطة خاصة المحطات التي تستخدم في تحلية مياة آبار بها كثير من المشاكل.

متى ناخد قرار إن لازم المحطة دي لازم تقف و نعملها غسيل؟ أو إية هي العلامات اللي أقدر أعرف منها إن المحطة لازم نغسل الأغشية فيها؟

الحقيقة في طريقتين لازم نعملهم علشان آخد قرار المحطة لازم تتغسل الأول عن طريق الـ instrumentation الخاصة بالمحطة و التاني بيعتمد على فحص الغشاء عمليا للتأكد، ولابد لعمل الططريقتين تباعاَ

الأولى اللي عن طريق الـ instrumentation وفيها:

يمكن ملاحظة 3 عناصر مهمة:

Differential pressure أو فرق الضغط بين المياة المغذية Feed pressure و ضغط المياة المرفوضة Reject pressure بمراقبة قراءة الـ pressure gauges وعادة بيكون التصميم بيخلي فرق الضغط مابين 1.5 إلى 2.5 بار، لكن مسموح للضغط انه يصل لحد معين بعدها لازم المحطة تقف و نبدأ الغسيل وهو 4 بار. كل ما زاد فرق الضغط عن 4 بار كل ما كانت عملية الغسيل بتبقى أصعب

الملوحة الكلية للمياة المنتجة TDS لما بتتكون الاملاح على سطح الـ Membranes بتغطي جزء من سطحه فبتعمل اعاقة للجزء دا من قدرته على فصل الاملاح الموجودة في المياة بالتالي بيأثر على المياة المنتجة بزيادة نسبة الملوحة فيها.

سعة المحطة أو القدرة الانتاجية لها: تكوين الـ scale داخل الأغشية بيقلل فرصة انتاج المحطة للكمية المصممة عليها بالتالي بيكون قراءة الـ flowmeter لقيمة اقل من المطلوب.

الطريقة الثانية، فحص الأغشية:

بعد التأكد بالخطوات اللي فاتت ان فعلا فيه تغير في قيمة الـ parameters المصمم عليها المحطة، بنقوم بفك واحد من الـ end caps للـ pressure Vessel ونعمل فحص للأغشية (Visual Inspection) طبعا بنلاحظ تكون الرواسب بين الـ sheets المكونة للأغشية وأيضا اذا كان موجود داخلها fouling

طبعا الخطوة دي مهمة علشان حاجتين

(1) أتأكد ان المترسب داخل الأغشية هل scale أو Fouling أو الاتنين مع بعض علشان اقدر أحدد نوعية الغسيل الكيميائي اللي هيتم و اختيار الـكيماويات المناسبة له و أي من الكيماويات هنبدا بيه قبل التاني.

(2) أخذ عينة من الـ Scale المتكون و تحليلها نوعيا وكميا لمعرفة نوع المواد المترسبة و أيضا كميتها. (طبعا بيبقى متوقع نوع الـ scale الموجود من تحليل مياة المصدر المغذي للمحطة)

آخر نقطة في عملية الفحص لازم أوزن الغشاء بعد ازالته من الوعاء بتركه ربع ساعة ينزل المياة بتاعته بعدها بوزنه. عادة الوزن الطبيعي للغشاء الـ 8 بوصة بيبقى 16-17 كيلو الغسيل بيقى اسهل لو وزنه مازال تحت ال 20 كيلو و كل ما بيزيد الوزن طبعا بتصعب من عملية الغسيل لو وزن الـ membrane وصل لـ 30 كيلو بتبقى العملية شبه مستحيلة.

طيب اية أصلا الأسباب اللي خليت التراسبات دي تتكون داخل المحطة؟

أسباب تكون القشور Scaling على الأغشية:

طبعا الموضوع دا بالذات محتاج وقت كتير ومحاضرات تفصيلية أكتر لكن كله بيعتمد على الـ design اللي المحطة أنشأت عليها فلو كان فيه بعض الأخطاء للاسف بتستمر وعلاجها بيكون مكلف وكمان التشغيل بيكون مكلف أكتر لان اللي بيتصرف في حل المشاكل اثناء التشغيل بيبقى اكب ر بكتير من التعديل، و المحطة اللي احنا فيها دي ماليانة أخطاء مش هنتطرق اليها دلوقتي. وننوه أن الأمورالتالية ليس شرطاً أن ننفذها كلها ولكنها تعتمد على الوحدة وطبيعة مياه التغذية:

1- عدم إضافة حمض قبل دخول الماء على أغشية الRO …

أو عدم إضافته بالجرعة المطلوبة (وكما قلنا أنه يخفض الرقم الهيدروجينى إلى 5.5 – 6.5 ويحول أملاح العسر من أملاح مترسبة إلى ذائبة يتم التخلص منها مع ال(Concentrate.

2- عدم إضافة مانع الترسيب antiscalant

من الأساس أو عدم إضافته بالجرعة المناسبة والتى أوصت به الشركة الموردة و المناسب لتحليل مياة التغذية أ وعدم استخدام antiscalant مناسب … أو عدم مراعاة الرقم الهيدروجينى الذى يعمل فيه الأنتيسكيلنت … أحد أسباب تكون Scales.

3- حدوث تسريب للأملاح فى منطقة المعالجة الأولية كتسريب من الميسرات Softener أو من الفلاتر الرملية أو الكربونية بأى وسيلة.

4- التغير فى قيم الأملاح وتحديداً أملاح العسر فى مياه التغذية

خاصة مياه الآبارالتى تمتاز أحياناً بتغير الأملاح فيها من وقت لآخر لذا يجب متابعة مياه التغذية وعمل التحاليل الدورية التى ذكرناها حتى لو حدث تغير فى التركيب يجب أن يتبعه تغير فى جرعات الحمض والأنتي سكيل.

5- الخطأ الشائع هو تشغيل المحطة بحيث بزيادة نسبة الـ recovery أو الماء المنتج عن الحد المسموح به بغرض الحصول على انتاجية أعلى …

والموصى به أن يكون الrecovery ما بين ال50- 80% من حجم مياه التغذية … وهذه النسبة تعتمد على الأملاح فى مياه التغذية … فكلما زادت يجب تقليل الrecovery وهذا يتم بتوصية الشركة المنتجة للأغشية بجانب خبرة العاملين بالوحدة … كما أن تحديد الريكافرى يعتمد على عمر الأغشية.

6- قلنا بأننا نلجأ أحياناً فى المعالجة الإبتدائية لإضافة حمض لتقليل الpH … فبعض مصادر المياه يكون لها pH فوق ال 8.5 كمياه النيل فى بعض الفصول … مما يسبب تكون كربونات الكالسيوم شحيحة الذوبان فى الماء والتى تترسب بسهولة على الأغشية … أما بإضافة الحمض وتقليل الpH وبالتالى تقليل قيمة الLSI فيترتب عليه كيميائياً أن أملاح الكالسيوم (مثل كربونات الكالسيوم) تتحول إلى بيكربونات ذائبة مع انخفاض الpH ولا تترسب على الأغشية

7- طبعا فيه أسباب زي concentration polarization و كمان β – Factor و الـ Flux

وممكن نتكلم عليهم بعدين و تأثيرهم و القيم اللي المفروض تتصمم المحطة عليها عشان نتجنب تكوين الـ scales.

مكونات وحدة الغسيل CIP Unitفي محطات تحلية

هي عبارة عن خزان متوصل بأنابيب مع محطة التحلية بحيث يتم تدوير المياة في دائرة مغلقة تضم الخزان مع كل pressure vessel داخل محطة الـ R.O. عبر مضخة حيث تتحرك المياة من الخزان عبر المضخة إلى المحطة و الرجوع مرة ثانية إلى الخزان مع التأكيد بأن خط انتاج المحطة و خط المياة المرفوضة تصب في هذا الخزان.

الأحتياطات الواجب مراعاتها قبيل و اثناء عملية الغسيل:

1- مراعاة شروط السلامة لعمال و فنين المكان و الخاصة بالتعامل مع الكيماويات ووجود نشرة الأمان و السلامة لكل المواد المستخدمة

2- التأكد من أن المياة المستخدمة في عملية الغسيل خالية تماما من الكلور الحر

3- أثناء عملية تدوير المياة التأكد من أن خطي الانتاج و الرجيع تتدفق منه المياة داخل الخزان

4- ضغط المياة على الخط لا يتجاوز 4 بار بضبط محبس مضخة التدوير

5- التأكد من أن كل محابس التغذية و المياة المرفوضة مفتوحة تماما

6- التأكد من أن معدل تدفق المياة لا يتجاوز 40 جالون في الدقيقة

7- قيمة الـ pH للمحلول المجهز داخل الخزان لكل أنواع الكيماويات المستخدمة يجب أن يكون مابين 2 – 12 وكذلك على جميع نقاط التدفق.

8- إزالة أي float switch على الخزان لتفادي اي back pressure على الـ Membrane

9- ملئ خزان الغسيل بالكمية المطلوبة من المياة طبقا للحسابات المتفق عليها في عمليات الغسيل
اذا كانت المحطة تتكون من مرحلتين أو 3 مراحل، يفضل فصل كل مرحلة و غسلها على حدى واذا ما عرفناش بنغسل المرحلتين مع بعض.

حساب كمية المياة المطلوبة للغسلة الواحدة:

كل غشاء 8 بوصة يحتاج إلى 32 – 35 لتر، لذلك نحسب عدد الـ membranes الموجودة في المحطة و نضربها X 35 لتر بالإضافة إلة حجم الخزان وبرضة بنضيف عليهم 20% يتم التخلص منها كـ once Through عند بدء العملية وقبل ما بنعمل recirculation .

طبعا بالنسبة للاغشية الـ 4 بوصة بحسبه تقريبية كدا حوالي نص الكمية المطلوبة للـ 8 بوصة.

طريقة الغسيل الكيميائي لمحطة Reverse osmosis :-

من اللي قولناه قبل كدا هنقدر نحدد بالظبط إية هي المشكلة عن طريق تحليل الـ scale ومعرفة نوعه وكميته وكمان اذا كان فيه fouling وبالتالي هنقدر نرشح المواد المطلوبة للغسيل.

الحالات العامة و المختلفة والمحتملة للمشاكل:

1- فإذا كانت المشكلة fouling بنغسل بـ alkaline cleaners زي صودا ىش أو صودا كاوية ومعاهم detergents .

في حالة وجود fouling يحذر استخدام أي acid لان الحمض هيخلي كل الحبيبات الدقيقة انها تلزق على سطح الاغشية ودا بيصعب جدا علينا ازالتها الا بإزالة فعالية الغشاء ، لذلك يجب التاكد اذا كان فيه fouling سواء bio fouling أو normal fouling

2- في حالات وجود ترسبات ملحية ناتجة عن تراكم أملاح الكربونات، طبعا بنفضل استخدام الأحماض زي citric acid أو sulfamic acid و أحيانا hydrochloric acid.

3- في حالات وجود metal oxides و sulphate salts طبعا يفضل استخدام chelating agents

4- في حالات وجود الـ silica طبعا ودي من الأملاح الصعبة جدا ومحدش بيقدر يقرب منها لكن عامة ممكن نستخدم HF ولكن بحساب.

قشور السيليكا فلنا فيها قصص وحوارات:
عنصر السيليكون Si يتواجد فى مياه أرضنا على هيئة ذائبة أو غير ذائبة …
إذا كان فى الصورة الذائبة فإنه يكون على هيئة سيليكا (SiO2) … سيلكون مرتبط بذرتين أوكسجين … وتتراوح نسبتها فى مياه التغذية ما بين 1 – 100 جزء فى المليون (وفى مياه البحر تكون ما بين 0.4 – 8 جزء فى المليون).
الشكل الكيميائى للسيليكا يتحدد تبعاً للpH.
الشكل السائد للسيليكا عند pH 7 أو أقل هو حمض الميتا سيليسيك Meta Silicic acid ورمزه الكيميائى (H2SiO3)n وهو حمض ضعيف يكون على هيئة من هذه الهيئات:

SiO2 – H2SiO3 – H4SiO4 (-Si(OH)4)

نلاحظ أن الn تشير إلى عدد الجزيئات.
فإذا حدث التشبع لهذا الحمض فى الماء وتعداه يعنى حدث Supersaturation يعني فوق التشبع فإنه يكون بوليمر وتزيد قيمة الn لتتكون سلسلة طويلة من السيليكا الغروية الغير ذائبة Insoluble Colloidal silica أو تتكون سيليكا جل غير متبلورة أو غير منتظمة Amorphous silica gel … وهذه المركبات تسبب القشورعلى الأغشية.
فإذا حدث وأن زادت الpH عن نقطة التعادل وهى 7 فإن تركيز أيونات الهيدروجين يقل ويتفكك حمض ال Silicicإلى أنيون السيليكاتAnion silicate ورمزه (HSiO3-)n وهذا الأستاذ أيضاً لن يتركنا فى حالنا فهو يتحد مع الكاتيونات الموجبة مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والحديد والمنجنيز والألمونيوم ليكون أملاح السيليكات الغير ذائبةInsoluble silicate مما يسبب أيضاً تكوين القشور.
ويظهر فاولينج السيليكا فى الاغشية الأمامية فى المعتاد … وللأسف بلورات السيليكا تسبب تشوه للأغشية ولا يُفلح معها الغسيل الكيميائى فى المعتاد.
غير أن السيليكا تتبقى أكثر ذوبانية عند الـ pH المرتفعة بعد الثمانية ولكنها نشطة فى التفاعل مع الكاتيونات الموجبة زي ما وضحت وبتقل ذوبانيتها حتى تنعدم ما بين 8.2 – 7 ثم ترتفع قليلاً عند pH أقل

كمان، في كتير من الأبحاث بتأكد اذا تواجد الألومنيوم والحديد فى مياه التغذية يترسب مع السيليكا حتى ولو كانت تحت التشبع Under saturation … ولذلك يجب أن يكون الحديد والألومنيوم أقل من 0.05 جزء فى المليون فى مياه التغذية حتى ولو كانت السيليكا أقل من درجة التشبع … وكما نرى عامل ال pH أيضاً هام … كل ذلك يُراعى عند التحليل الكيميائى للمياه الخام … وبالأخص عند استخدام المروقات أو Coagulants التى تتكون من حديد أو ألمونيوم. من تتبع الـ pH فى وحدة التناضح نجدها تقل من 7.5 مثلاً إلى 7 أو 6.5 أو أقل وهنا تكمن الخطورة بناءً على ما قلناه من تكون السيليكا الغروية أو الغير متبلرة مع زيادة التركيز وتتكون الترسبات.

5- ممكن يتواجد أملاح للباريوم و الإسترانشيوم و الفلورايد وهي الاصعب على الإطلاق في إزالتها وبنفضل دايما إن يكون فيه pre-treatment لمياة بشكل كويس قبل ما تدخل على المحطة وتعمل تراكم للمشاكل لذلك مهم جدا تحليل المياة في الأول و رسم تصور للمشاكل و ازاي نتغلب عليها في التصميم.

وممكن نصنف درجة صعوبة و خطورة الـ Scales المتكونة حسب الترتيب التالي من الشمال لليمين:

CaCO3 ==˃ CaSO4 ==˃ Silica ==˃ SrCO3 ==˃ BaSO4 ==˃ SrSO4 ==˃ CaF2 ==˃ CaSiO3 ==˃ MgSiO3 ==˃ Ca3(PO4)2

كيف تتكون الترسبات:

تبدأ أول مراحل الترسبات حيث تتشكل بلورات (كريستالات) الأملاح تشكيلاً مبدأياً فى مرحلة نسميها pre-clustring أو مرحلة ما قبل تكون عناقيد البلورات … وهذه البلورات تكون مصيدة لجزيئات أخرى من الأملاح فوق مرحلة التشبع … تتراكم بعضها فوق بعض لتكون بلورات ضخمة تترسب على سطح الأغشية وتسبب المأساة …
وفى الحقيقة … فإن ديناميكية عملية الترسب مازالت غامضة وغير مفهومة بالكلية … ويؤثر فيها عدة عوامل مثل الحرارة والpH والتركيب الكيميائى للأملاح نفسها والزمن اللازم لتكون بلورات هذه الأملاح المختلفة والتى نسميها فى العام الinduction time.
من صور الترسبات الكيميائية التى تظهر فى الأغشية: السيليكا …
والكاتيونات الموجبة: الكالسيوم والمغنيسيوم والباريوم والاسترانشيوم …
والكاتيونات السالبة: الكربونات والكبريتات والفوسفات …
وتسبب تكون القشورScales أعراض مهمة أهمها ثقل وزن الغشاء وانخفاض فى تدفق البريميت نظراً لحدوث ترسبات تسد ثقوب الأغشية

بداية العمل:

1- في حالة المحطة اللي احنا فيها دلوقتي، المشكلة الرئيسية هى زيادة أملاح الـ sulphate و وجود نسبة كبيرة من الحديد بالتالي يكون المنتج المناسب هو EDTA محلول 0.8 – 1.5% مع الحفاظ الدايم على ان الـ pH للمحلول مابين 10 – 12 علشان الـ EDTA تقدر تجيب معاه نتيجة. طبعا الملح المترسب على الأغشية عبارة عن CaSO4 أو الجيبسيوم ودا من اصعب الملاح تكونا لكن الEDTA قادرة تدوبه
فاكرين زمان في الـ complexmetery لما كنا بنستخدم ال ethylene diamine tetra acetic acid في تقدير الكالسيوم و بعض المعادن كنا بنستخدم buffer Solution علشان يخلي الـ pH دايما ما بين 10 و 12، نفس الفكرة بالظبط هنستخدمها هنا لازالة الكالسيوم سلفات المترسبة على اسطح الأغشية.

CaSO4 (s) + Na EDTA (aq) ——— ˃ Ca EDTA (aq) + Na2 SO4 (aq)

2- بنحضر محلول من الـ EDTA حوالي 1% (تحديد التركيز بيكون حسب كميات الـ Scales الموجودة) و بنرفع قيمة الـ pH لـ 12 باستخدام NaOH أو الصودا آش ونخلي المحلول يتحرك في اتجاه الأغشية كـ once through لمدة 5 دقايق وبعدها بنبدأ عمل circulation لمدة 20 بعدها نعمل soaking لمدة نص ساعة. بنكرر العملية circulation ثم Soaking مع مراعاة الحفاظ على قيمة الـ pH ومتابعة الضغوط و معدل التدفق واذا احتاج الأمر تغير الـ water bath soln. نتيجة تراكم الاتساخات و تجمع للأملاح و أكاسيد المعادن، نقوم فورا بتغيره مع متابعة نضافة الـ cartridge filters وعند الحاجة لتغيرها بنغيرها فورا.

أهمية الـ NaOH و الصودا آش، غير انهم بيعملوا Buffering ، ممكن يتفاعلوا مع الـ CaSO4 ويحولوه لصوره أسهل يمكن التعامل معاها مثلا:

CaSO4 + 2NaOH ——–˃ Ca (OH)2 + Na2SO4

CaSO4 + Na2 CO3 ———-˃ CaCO3 +Na2 SO4

طبعا الصورة المتكونة من أملاح الكالسيوم الكربونات أو الهيدروكسيل سهل التعامل معها وازالتها في الخطوة التالية با ستخدام الأحماض

3- بعد عدد ساعات انت اللي تقدر تحددها بتوقف الـ recirculation و نعمل flushing بمياة جديدة لاازالة كل الرواسب و الاتساخات.

4- اذا احتاج الأمر للغسيل باستخدام الأحماض، بنفس الطريقة بنحضر محلول في خزان الغسل من الـ citric Acid أو HCl حسب نوع الترسبات و نظبط الـ pH مابين 2 و 2.5 و نبدا عملية الغسيل بتشغيل المضخة وعمل circulation طبعا بعد فترة بيبدأ الـ pH في الزيادة طبعا بلحقة بإضافة كمية تانية من الحمض انزله تاني مابين 2 و 2.5 ، الـ end point عندي هنا اذا نزلت الـ pH ومع تدوير المياة لقيت قيمته ثابتة عند جميع النقط على الخط هنا بوقف و بعمل flushing بإستخدام مياة نضيفة.

طبعا الأحماض بتتفاعل مع رواسب الـ Carbonate طبقا للمعادلة التالية:

CO32- + 2 H+ =======˃ CO2 + H2O + effervescence

5- بعد ما بنخلص عملية الغسيل ونتأكد ان المياة في خزان الغسل اصبحت نضيفة و المياة داخل أوعية الأغشية الـ pH فيها تخطى الـ 6 نفصل وحدة الـ CIP ونرجع المحابس كلها زي ماكانت في التشغيل و ابدأ اشغل الـ filter feed pump لمدة 10 دقايق قبل ما نشغل المحطة بتشغيل الـ High pressure pump

من مؤشرات نجاح عملية الغسيل الكيميائي لمحطة الـ R.O. الـ 3 عناصر اللي اتكلمنا عليهم بتوع الـ instruments لما نشوف القيم هنلاقي أكيد فرق الضغط أقل و انتاجية المحطة و الـ Recovery زاد و طبعا انخفاض في قيمة الأملاح الكلية الذائبة للمياة المنتجة

المصدر

م /تامر قنديل

استشاري معالجةوتحلية المياة