R.O membranes…theory, types & applications 2

 

 في الجزء الأول من الموضوع ده كنا اتكلمنا اختصارا عن قصه ال membranes ……ابتداءا بالأساليب اللي اتبعها المصنعين في دراسه كيفيه رفع كفاءتها و بناءا عليه تصميم ال transport models الخاصه بها مرورا بالأنواع الأوليه التي تم استخدامها زي ممبرينات السيليولوز أسيتات و أسلوب تصنيعها ، انتهاءا بال thin film composite membranes و أنواعها و عيوب و مميزات كلا من النوعين المذكورين للمزيد من التفاصيل يرجي مراجعه الجزء الأول في المدونة علي هنا  :
https://ro-blog.com/r-o-membranestheory-types-applications/

النهارده بإذن الله لسه مكملين مع الجزء التاني و الأخير من موضوع الممبرينات و ح نبدأ هنا بالحديث عن ال modules أو الوحدات المختلفة الممبرينات:

 

R.O membrane modules

تنوع أشكال وحدات أو modules ال R.O أساساً كان لخدمه مختلف التطبيقات الصناعية التي سوف تستخدم فيها هذه الأغشية…التطبيقات الصناعية دي بدورها كانت بتحتم استخدام أكبر مساحه ممكنه من الأغشيه في أقل حجم مسموح ، و بالطريقه دي الوحدة كانت بتبقي إقتصاديه أكتر و لا تحتاج لمساحات كبيره تشغلها عند إستخدامها في المحطه أو المشروع.

و إنطلاقا من المبدأ ده ، تم تقسيم ال R.O modules لأربع أنواع أساسيه:

1️⃣Plate and frame modules.

2️⃣Tubular modules.

3️⃣Spiral wound modules.

4️⃣Hollow fine fiber modules.

و خلينا نبدأ بأول نوع منهم …

️Plate and frame modules

 

يعتبر النوع ده مثالي للتطبيقات التي تحتوي علي نسبه عاليه من ال suspended solids أو ال high TSS، و جاءت تسميه هذا النوع من الشكل اللي تم تصنيعه به ، لأن توزيع ال membranes فيه بالفعل علي شكل ألواح أو flat sheets بيتم وضعها علي شكل plates و ربط كل اتنين منها

back to back مع أنبوب الpermeate الرئيسي ، ال support plate اللي في النص ده لتفادي إن الممبرينات تلزق في بعض ، و أخيرا بييتم جمع الهيكل ده كله داخل إطار أو frame ( كما هو مبين ف الصورة):

زي ما الصورة موضحة، بيتم دخول المياه من فتحه لfeed و مرورها علي ال membrane plates داخل الframe و بالتالي تجميع مياه من أنبوب موجد للخروج و هو أنبوب الpermeate.في حين إن ال reject أو ال retentate يتم تجميعهم من طرف ال frame الآخر كما هو مبين في الرسم.

برغم من السهوله النسبية في تنظيف النوع ده الmodules , إلا إنه لا يخلو من العيوب الآتيه:

 

⇐إرتفاع ثمن تكلفه الmodule أحد عوائق إختياره ، و ده لأن النوع ده بيتم استخدام hardware كتير بالمقارنة مع مساحه الوحدة المنتجه.

⇐ شكل ال plate نفسه بيسمح بتجميع العوالق أو ال foulants في المناطق الميته أو الdead ends داخل ال module.

⇐النوع ده من عيوبه إنه low packing density module…. يعني إيه المصطلح ده ؟ المصطلح ده معناه مساحه الممبرين بالنسبة لحجمه … و من معني المصطلح كده أكيد وحداته ح تكون بالقدم المربع لكل قدم مكعب … برضه يعني أيه مفهمتش ؟؟!… القصد هنا من ورا ال packing density إنه طالما ال factor ده كِبِر كل ما إمكانية ال flux زادت … لأن ال flux مرتبط أساساً بمساحه الممبرين.

ال packing density للنوع ده بتتراوح من 45-150 ft2/ft3.

️Tubular modules

 

كما هو الحال بالنسبة لل plate and frame modules , يتم إستخدام ال tubular modules في حاله ال high solids الموجودة خصيصاً في صناعات زي صناعات الأغذية و الصناعات البيولوچيه عموماً.

كما هو موضح في الصورة ، يشبه ال tubular module في شكله إليّ حد كبير ال shell and tube heat exchanger من حيث طريقه التركيب، حيث يتم تجميع ال Tubular R.O membranes بطريقه متواليه داخل housing خاص به.و ال housing ده بيتم تجميع مياه ال permeate فيه بعد ترشيحها من خلال الممبرين (خد بالك هنا إن طريقه تجميع ال permeate معكوسه عن أول نوع … حيث أنه في أول نوع يتم تجميع ال permeate من خلال أنبوب … في حين أن التجميع هنا من الداخل إليّ الخارج في ال housing:

 

 النوع ده من ال modules بتتراوح أقطاره من 1/2 إليّ 1 بوصه ، و بتتراوح ال packing density بتاعته من 6-120 ft2/ft3.و لأن النوع ده من ال modules تم تصنيعه خصيصاً من أجل ال high solids , ف بالتالي أنسب تطبيقات بيشتغل فيها هي ال Microfiltration و ال Ultrafiltration..و ده لأنهم من التطبيقات التي تهتم بمعالجه ال high concentration of suspended solids في مياه ال feed.

يتقارب كلا من ال tubular و ال plate and frame في المميزات و العيوب … حيث أنه أيضا بالرغم من السهوله في تنظيفه إلا أنه يحمل نفس العيوب للنوع السابق (plate and frame) من حيث إرتفاع تكلفه إنتاج مساحه الوحدة و ده لنفس السبب المذكور سلفا … كميه ال hardware المستخدم في إنتاجها.

️Spiral wound modules 

و هو من أشهر الأنواع المستخدمه حاليا في ال R.O applications و عشان كده ح نتكلم عنه بشئ من التفصيل. و تعتبر الميزه الأساسيه فيه هي ال high packing density اللي بتوصل في حدود 150-380 ft2/ft3. و ده اللي بيميز النوع ده من ال modules عن ال tubular و ال plate and frame.

زي ما تقريبا كلنا عارفين ، تركيب ال spiral بيتكون من membrane sheets بيتم لزقها علي بعض back to back و بيفصل بينها ال permeate spacer مصنوع من ماده ال nylon.ووظيفه ال permeate spacer هو تجميع المياه من الممبرينات و توصيلها إليّ أنبوب ال permeate الرئيسي . بيطلق علي تجميعه ال ممبرينات مع ال permeate spacers اسم “ leaf” و بيتم لزقها علي بعض back to back من ٣ جهات لضمان إتجاه المياه المرشحة ناحيه ال permeate spacer فقط.

ما بين كل leaf و التاني ، تم وضع ال feed water and concentrate spacer . و ده بيكون مسؤول عن دخول مياه ال feed للممبرين و مصنوع من ماده ال low density propylene أو ال LDP. و خد بالك من نقطه مهمه هنا و دي كنّا اتكلمنا عليها في بوست ال concentration polarization ، إن سُمك ال feed spacer يتراوح من ٢٨-٣٤ ملي علي حسب تركيز ال solids في المياه و قابلية الممبرين لل fouling شكلها عامل ازاي …، ((في نفس البوست كنّا ذكرنا: إنه عموماً يتم اختيار قيمه قليله لل الfeed spacer اذا كان ال fouling قليل . و كل ما زادت مساحه الممبرين كل ما قلت قيمه ال feed spacer لأننا بنزود الwrapping لطبقات الممبرين و بنضغطه عشان المساحه تزيد داخل نفس الحجم الأسطواني للvessel. و بناءا عليه طبقا لشهاده بعض خبراء المحطات من الواقع و التجربة العمليه لا ينصح بزيادة مساحه الممبرين فوق ال400 قدم مربع.

و عموما التنوع في قيمه الfeed spacer ما هو الا تنوع في مساحه الممبرين نفسه داخليا و ذلك لثبوت القطر الخارجي لل R.O vessel ك standard size of 8 inch.))

 

كما هو مبين في الصور ده شكل ال spiral wound membranes و شكل ال leafs داخلها ، و لو افترضنا إن الصورة دي لممبرين قطره 8 inch فبالتالي أمام حضرتك حاليا 16 leaves طول كل واحده منهم 50 inch.

 

الصورتين اللي فاتوا لم يعرضوا جزء مهم من أجزاء الممبرين …ألا و هو ال end cap … ال end caps ما هي إلا أجزاء توضع علي الممبرين من الجهتين ( أوله و آخره) لتفادي وقوع تداخل بين الممبرين و ال spacers نتيجه ل فرق الضغط الواقع عليهما أثناء التّشغيل… بيسُمي أيضاً بال anti-scoping device أو ال ATD و بياخد الأشكال الآتيه:

طب في حال إن فرق الضغط زاد داخل الممبرين و أدي إليّ تداخل بين الممبرين و ال spacer …؟ إيه أشكال ال telescoping المتوقعه عليه ؟

 بيكون شكل التداخل أو الtelescoping واحد من ثلاث أشكال لو شفتها علي الممبرين تقدر تستنتج مباشرا حدوث المشكلة دي:

 من الجدير بالذكر هنا أيضا طريقه ربط ال modules مع بعض داخل ال vessel , و إن ده بيتم عن طريق ما يسمي بال connectors ، و لإكتمال وظيفتها بكفاءة و تقليل احتمالات التسريب، بيتم وضع O-ring بينها و بين ال end cap أو ال ATD.

 و هناك أيضا ال brine seal , و ده عباره عن rubber gasket يتم وضعه علي الممبرين من الخارج لمنع ال feed water الداخل علي الممبرين من العبور خارجه و عمل bypassing لل module من غير ما المياه تترشح. التفاصيل موضحة في الصور الآتيه:

 بعد عرض النقاط السابقة، ح نستعرض دلوقتي الخصائص العامه اللي بيتميز بيها النوع ده من الممبرينات و هي كالتالي :

مهم جدا حضرتك تبقي عارف ان أقصي درجه حراره “تشغيليه” للنوع ده هي ٤٥ درجه سيلزيوس.

 النوع ده صعب في تنظيفه نوعاً ما ، نتيجه لوجود بعض ال dead spaces داخل ال module نفسه السرعات العاليه لل flow أحياناً ما بتجبهاش…

 تقدم التكنيك المستخدم في صناعه النوع ده منحه ميزه حلوه قوي ، و هي زياده مساحه السطح بالنسبة للحجم ، و بالتالي كانت إضافة نوعيه لكميه ال flux المنتج ، و الموضوع كله اختصارا كان استحداث وسائل أكثر دقه في لزق ال leaves الخاصه بالممبرين ، و ده كان أحد الأسباب علي سبيل المثال اللي خلت ممبرين ال 8inch dia بطول 40inch قادر علي احتواء إجمالي مساحه يصل إليّ 440ft2 .و النوع ده بيسمي high productivity membrane module زي ما ح نتكلم عنه في الجزء الأخير من البوست.

 تكلفه ال spiral wound membranes عموما غاليه مش رخيصه.عامل يجب أخذه في الإعتبار أثناء التصميم و الselection.

️Hollow fine fiber membrane modules

 

 و النوع ده من ال modules فكرته قايمه علي تجميع حزمه من ال membranes في شكل hollow fiber , و زي ما هو واضح من اسمه انه أشبه بالأنبوب المجوف أو hollow , فبالتالي له قطر داخلي و أخر خارجي … قياس القطر الداخلي ده حوالي 42 microns ، بينما يصل قياس القطر الخارجي إليّ 85 microns و سمُك طبقه ال fiber الخارجيه أو ال skin ..يصل يتراوح ما بين 0.1-1 micron:

 لو أخذت بالك في تاني figure في الصورة …إتجاه ال flow في ال module من الخارج إليّ الداخل أو outside-in…… يعني إيه outside-in ؟

يعني ال flow بيدخل علي الممبرين “من الخارج” فبالتالي ال reject يتحجز علي السطح .. و يتم تجميع ال permeate في ” الداخل”:

طبعا هنا لازم حضرتك تبقي عارف إن الميزه في ال outside-in operation هو pressure drop أقل من أن يكون ال flow الداخل inside-out…

طيب خصائص ال hollow fiber membranes إيه ؟ خصائصه كالتالي…:

✅packing density عاليه جدا … بتصل إليّ 150-1500 ft2/ft3.

مبرينات غسيلها نوعا ما صعب، و ده برضه راجع لوجود بعض ال dead ends في ال hollow fibers نفسها ال flow مش بيوصلها و بالتالي يصعب تنظيفها. و عليه ف لازم تاخد بالك إن النوع ده أعلي كفاءه تاخدها منه في حال إن ال flow الداخل عليه high quality flow… زي ال sea water و ال brackish well water.

✅واحده من مميزاته الحلوه و هو سعره المتوسط نسبياً… و ده راجع لل high surface area per unit volume أو ال packing density اللي تقدر تاخدها منه.

“كل الكلام ده كويس يا بشمهندس بس خلاصه الموضوع أيه طيب ؟؟” ” في أي اختصار للقصه دي نقدر نطلع به؟”

❗عشان الدنيا توضح معاك تماماً بإذن الله … الجدول و الرسمه الجايين دول جايبين لك الخلاصه في الأربع أنواع اللي اتكلمنا فيها :

️Commercially available membranes

و ده أخر topic ح نختم به البوست… و ح نراجع فيه سريعاً علي ال spiral wound polyamide composite modules.أهم و أشهر نوع في الصناعه حالياً …و خلينا نتفق إن تقسيماتها كالآتي:

1️⃣Seawater membranes.

2️⃣Brackish water membranes ( sub-classifed to 5 typ

brackish, low energy membranes.

brackish, high rejection membranes.

brackish low fouling membranes.

brackish low differential pressure membranes.

high productivity membrane modules.

وحنلخص كل نوع في صوره نقط للتسهيل…

️Seawater membranes

High salinity applications: feed water TDS range (from 35,000 to 50,000 ppm).

Membranes Operation pressure can go up to 1500 psi.

ظروف الإختبار اللي حددت ال rated performance للممبرين ده كانت الآتي:

Feed water concentration : 32,000 ppm NaCl (sodium chloride

.Operating pressure: 800 psi

.Temperature: 77 F

.Feed water P.H: 6.5-8

.Recovery per module: 8-10%

:️Brackish water membranes

Low salinity applications: feed water TDS range (4000-5000 ppm

Max.operating pressure : 600 psi

ظروف الإختبار اللي حددت ال rated performance للممبرين ده كانت الآتي:

Feed water concentration : 1500-2000 ppm NaCl (sodium chloride

Operating pressure: 225 psi.(low energy membranes are testes at 100-150 psi

Temperature: 77 F

Feed water P.H: 6.5-7

Recovery per module: 15%

❗معلومة مهمه تاخد بالك منها و خصوصا و أنت بتقارن ما بين ال suppliers … لا توجد test conditions واحده لكل الممبرينات… سواءً كانت sea water أو brackish water …. دايماً خليك فاكر إن test conditions مختلفه يعني rated performance مختلف لكل ممبرين … و بالتالي و حضرتك بتقارن ما بين مختلف الممبرينات اللي قدامك عينك دايماً علي ال test conditions.

:brackish, low energy membranes

 

 و اسمه لوحده كده يبين لك ميزه حلوه قوي فيه …توفير الطاقة … ال energy saving.. النوع ده قادر علي إنتاج نفس كميه المنتج المطلوبه و لكن عند ضغط تشغيلي أقل من الممبرين العادي، طبعا دي عامل مؤثر جدا لأنه داخل في إختيار الhigh pressure pump ، و النوع ده من الأغشيه من الممكن إستخدامه في حال وُجِد أن تكلفه الطاقة عاليه في المشروع ، أو أن درجات حراره مياه الfeed المستخدمه قليله.

 

brackish, high rejection membranes

 

 و في النوع ده من الممبرينات ، التركيز بيكون علي موضوع ال rejection و إزاي أرفع نسبته…نسبه ال rejection في الممبرينات العاديه بتتراوح من بين %99.5 – % 99.0… في حين إن ال high rejection membrane ممكن يوصل معاك لحد %99.7 و أحيانا %99.75….

سؤال ممكن يخطر في ذهنك دلوقتي ، طب ما الفرق بين النسبتين مش كبير يعني ، إيه الميزه مش فاهم؟؟

الفكرة اللي لازم تعرفها هنا إن الفرق البسيط اللي حضرتك شايفه ده ما بين %99.5 و %99.7 ساهم في تخفيض مرور الأملاح من الغشاء أو ال salt passage بنسبه % 67… و أثر الكلام طه كان إيجابي جدا علي مستوي الصناعات المتطلبة لدرجه عاليه من نقاء المياه ، زي ال cooling towers و ال boliers و غيرهم من باقي ال high purity applications.

brackish low fouling membranes

 

 و ميزه ال low fouling membrane دي كنّا ذكرناها في الجزء الأول من البوست ده أما اتكلمنا علي قطبيه سطح الممبرين و مدي تأثير ده علي ال foulants الداخله عليه مع مياه ال feed…

في حاله الممبرينات العاديه بنجد أن سطح الممبرين نفسه شحنته سالبه و ده للأسف بيساعد علي جذب و ترسيب بواقي ال cationic polymers علي سطحه… عكس حاله ال low fouling membrane و هي إمتياز سطحه بشحنه متعادلة neutral charge لا تساعد علي ترسيب أي عوالق.

 تاني سبب و ده برضه مهم هو إختيار feed spacer واسع في النوع ده ( بنتكلم في 31 mil بدلا من 28 mil) … و من البديهي أن يقل ال fouling في هذه الحاله لأننا قمنا بتوسيع مسار ال feed flow الداخل علي الممبرين.

 

brackish low differential pressure membranes

 

 وده تقدر تعتبره متشعب من النوع السابق له (low fouling) لنفس الأسباب المذكوره و أهمها هنا موضوع ال feed spacer …حيث أن سُمك ال feed spacer هنا بيصل ل 31-34 mil.

إنخفاض المقاومة لل flow الداخل بالطبع بيساعد علي تقليل مفاقيد الضغط أو ال pressure drop علي ال membrane modules.

high productivity membrane modules

 

و في طريقتين أساسيتين اعتمدهم المصنعون في النوع ده ، الطريقه الأولي و هي زياده مساحه سطح الممبرين نفسه عن طريق زياده لفات ال leaves داخل نفس الحجم المحتوي للممبرينات… علي سبيل المثال لو الممبرين العادي مساحته 365ft2 ، نجد النوع ده مساحته من 400ft2 إلي 440ft2… من جانب الإنتاجية الكلام ده ساعد في زياده إنتاج الممبرين بنسبه% 10… و لكن علي الصعيد العملي .. و بشهاده خبراء في التشغيل و الصيانه فلم يشهد نوع ال 440ft2 نجاحا كبيرا و كانت له مشاكله.

الطريقه الثانية اللي المصنعين اعتمدوا عليها هي تعريض الأغشيه لجرعات مدروسة و دقيقه من الكلورين الحر free chlorine… و كان نتيجه ده زياده في ال flux مع عدم تغير نسبه ال salt rejection. طبعا الطريقه دي بتتطلب حرفية عاليه من المصنع لإن أي نسبه زياده من الكلورين الحر علي الممبرين بتؤدي إليّ تدميره بالكامل.

 بكده نكون خلصنا الجزء التاني من بوست ال R.O membranes …. سائلين الله عز و جل أن ينفعنا و إياكم ….

المصادر :

“Reverse Osmosis- Industrial Applications and processes”- Jane Kucera

 chapter-4 : Membranes

 

Ahmad Yusuf

‍Senior Mechanical engineer

Water-waste water treatment plants