كورسات في تحلية المياةمفهوم التناضح العكسى

مصطلحات محطات مياه التناضح العكسي ومفاهيمها

ما زالنا مع دورة المهندس دسوقي الشيخ عن محطات تحلية المياة كنا قد تحدثنا في الجزء الاول عن تعريف الاسموزية والضغط الاسموزى اليوم حديثنا عن
اهم مصطلحات محطات مياه التناضح العكسي
feed water
Permeate
Reject
Recovery %
Salt Passage ( SP )
Salt rejection ( SR )
Concentration Factor
Scaling
Fouling
Permeate Flux
Oxidation Reduction Potential ( ORP )

قبل الشروع في القراءة يمكنك التعرف علي مفهوم الاسموزية والضغط الاسموزي والاملاح والتحلية عبر الرابط

دورة كيفية تشغيل وصيانة محطات المياة المفاهيم

الان نستكمل حديثنا عن مصطلحات محطات المياة

1. Feed water : هى مياه التغذية المطلوب تحليتها .. وممكن نسميها Raw water والفرق بين المصطلحين هو في عميلة المعالجة فاذا لم نقم باي من عمليات معالجة للمياه يسمي(raw) اما اذا كانت هناك اي تدخل في معالجة المياه سميت (feed)

2 . Permeate: هو الماء المنتج .. ودا بتكون كميته هو عبارة عن الفرق بين كمية مياه التغذية .. ومياه reject

3. Reject : هو عبارة عن المياه التى أصبحت عالية التركيز بسبب انتزاع المياه الحلوة من ماء التغذية ويطلق عليها أيضا Brine او Concentrated .

4 . Recovery % : وهى نسبة الاستفادة من مياه التغذية ويتم قياسها عن طريق قسمة permeate Flow/Feed Flow × 100

5 . Salt Passage ( SP ) : وهى عبارة عن نسبة الأملاح المارة مع الماء المنتج ويتم قياسها عن طريق قسمة permeate TDS / Feed TDS × 100

6 . Salt rejection ( SR ) : وهو عبارة عن كفاءة الأغشية فى حجز الأملاح ويتم قياسها عن طريق العلاقة SR = 100- SP %

7-معامل التركيز Concentration Factor

وهو يساوى 1 / 1-y ..

حيث y هو Recovery التشغيل ..

وكما هو معلوم أن recovery لأنظمة Sea water تكون فى حدود 30 % .. وبالنسبة لأنظمة Brackish water قد تصل إلى 85 % .

• ويمكن بواسطة هذا المعامل معرفة تركيز أى أيون فى مياه Reject عن طريق معرفة تركيزه فى مياه التغذية

• فلو فرضنا أن تركيز أيون الصوديوم مثلا فى مياه تغذية نظام تحلية مياه بحر recovery له = 30% يساوى ppm 60 فإن تركيزه فى مياه reject يمكن حسابه كما يلى

Na c = Na f × 1/ 1-y Na c 60 / 0.7 = 85 ppm

8. Scaling :
يجب العلم ان الماء يتميز بخاصية
▪︎ Dipole Nature ( ثنائية القطبية ) يعنى عندما نتحدث عن المياه فكأننا نتحدث عن مغناطيس له قطبان ( أحدهما موجب والآخر سالب )

▪︎ونظرا لأن الماء له القدرة على كسر اى روابط فى أى مركب فإن يقوم بكسر الروابط بين مكونات الأملاح لينتج أيون موجب ( كاتيون ) ، و أيون سالب ( أنيون ) . ▪︎طبقا لقانون التجاذب والتنافر ( الأقطاب المختلفة تتجاذب ) .. يظل الأيون الموجب من الملح ناحية الوجه السالب لجزئ الماء .. والأيون السالب ناحية الوجه الموجب لجزئ الماء .. ويظل الوضع هكذا .. الأيونات بعيدة عن بعضها طالما أن الماء موجود .

▪︎ الأملاح فى الماء تتواجد معظمها فى صورة 7 ايونات منها موجبة ( Na+ , Mg++ , Ca++ , K+ ) ومنها سالبة( -Co3–, So4– , Cl)

▪︎لو الأملاح دخلت المحطة فى صورة ايونات وخرجت منها فى صورة ايونات لن يكون هناك مشكلة .. ولكن المشكله ان يزيد تركيزها عن حدود ذوبانها وهذا يحدث داخلPressure Vessels

حيث يزداد تركيز مياه Feed كلما انتقل من غشاء إلى آخر داخل الأنبوبة .. حيث أن brine الغشاء هو feed للذى يليه .. عندئذ تظهر الايونات المختلفة الشحنة لبعضها وهذه المشكلة تظهر بداية من الغشاء التانى داخل الأنبوبة ولكنها تصل إلى ذروتها فى الأغشية الأخيرة وطبقا لقانون التجاذب والتنافر ترتبط هذه الأيونات ببعضها وتكون أملاح .. هذه الأملاح يطلق عليها Scaling ومشكلة Scaling انها تملأ الفراغات البينية بين طبقات الغشاء فتقلل من فرصة تخلل ماء التغذية الغشاء .. وبالتالى يقل الإنتاج ، يزيد الفرق بين ضغط دخول الماء وضغط خروج الماء من الغشاء التى قد تؤدى إلى حدوث Telescoping وهو ارتفاع طبقات الغشاء الملاصقة لأنبوبة تجميع المياه المنتجة (Permeate Collection Tube ) الموجودة فى مركز الغشاء وانخفاض الطبقات الأخرى الخارجية فيما يشبه التلسكوب ومع استمرار زيادة ( الدلتا بى ) قد يحدث تمزق الغشاء ( Tearing)

يجب أن نعلم أن حدوث Scaling بمحطات التحلية هو أمر واقع ، ومن طرق مقاومته أو لنقل تأخير حدوثه ما يلى :

١. استخدام Anti scalant الذى يعمل على :

° زيادة القوة الأيونية لمياه Brine (Brine Ionic Strength) للابقاء على الايونات ( كاتيون ، أنيون ) المكونة للأملاح بعيدة عن بعضها حتى لا تلتصق مكونة الملح .

° عمل تغليف( Coating ) لجسيمات الأملاح( Salt Particles ) حتى لا تلتصق بسطح الغشاء وتخرج مع مياه reject .

٢. تقليل System Recovery

System recovery

من المعاملات المهمة التى تؤثر فى تكوين Scaling ولذلك فإن مشكلة Scaling فى أنظمة Brackish water أكبر من أنظمة Sea water وذلك نظرا لأن System Recovery قد تصل فى Brackish إلى 85 %

وتقليل System recovery يؤدى إلى تقليل إنتزاع المياه المحلاة من مياه التغذية مما يؤدى إلى عدم زيادة تركيز Brine بشكل سريع مما يؤخر احتمالية حدوث Scaling .

9. Fouling

لعله يكون من الواضح أن مسببات Scaling هى ايونات الأملاح التى تمثل TDS ..

ولكن يوجد هناك نوع آخر من الشوائب التى تتواجد فى المياه وهى الأجسام العالقة والتى يعبر عنها ب TSS وهى اختصار لتعبير Total Suspended Solids ..

وعند دخول المياه المحتوية على هذه الجسيمات فإنها تترسب على أوجه الأغشية وتكون ما يطلق عليه Fouling , وإذا كانت الأغشية الأخيرة داخل الأنبوبة تتحمل Scaling Risk ..

فإن الأغشية الأولى هى التى تتحمل Fouling Risk .. ومشاكل Fouling تتشابه مع مشاكل Scaling حيث أنها تقلل كفاءة الغشاء .

استكمالا لحديثنا عن Fouling .. كيف نقاوم تكون fouling؟

عن طريق استخدام Co -Agulant الذى يعمل على Suspended Particles حيث يقوم بعملية تجميع لهذه الجسيمات فى عملية يطلق عليها Co agulation( تجميع ، ترويب ) ..

ولكى نفهم كيف تحدث هذه العملية فلابد أن نتطرق إلى التركيب العام الذى يجمع أنواع co agulant.

° Co agulant

يمكن أن تكون له الصيغة الإعتبارية M —-R حيث M ه و

HighPositive Charge Metal مرتبط مع أى مجموعة R .

° وكما اتفقنا سالفا أن الماء له القدرة على كسر أى رابطة بأى مركب .. فعند حقن Co agulant بالماء تنكسر الرابطة بين M , R ويتحرر M+n حيث n عدد الشحنات الموجبة التى يحملها

°Suspended Particles

تكون متشابهة الشحنة وغالبا تكون سالبة .

° طبقا لقانون التجاذب والتنافر تنجذب هذه الجسيمات العالقة بشحناتها السالبة إلى High positive charge Metal.. وتظل تنجذب إليه إلى أن تتعادل الشحنات عندئذ يثقل وزن ويكبر حجم Metal بما جمعه من جسيمات عالقة ويترسب على سطح Media الموجودة بالفلاتر المتعددة الطبقات Multi Media Filters.. حيث يتم حقن Co agulant قبل MMF .

° يتم التخلص من هذه الروبة المتكونة عن طريق عملية الغسيل العكسي الفلاتر.

° من أمثلة Co agulant التى يمكن استخدامها بالماء البطئ السريان low

Flow هى كلوريد الحديديك ، كبريتات الألومنيوم التى تتاين ليتحرر الحديدو الألومنيوم التى تحمل كل منها ثلاث شحنات موجبة وتقوم بعمل Co agulation

كما شرحنا سالفا

° أما فى حالة السريان العالى يتم استخدام polymer Co agulant الذى يحتوى على عدد متكرر من الجزيئات حتى يتناسب مع سرعة سريان الماء .

10. Permeate Flux

ويعرف على أنه كمية المياه المنتجة بالجالون خلال وحدة المساحات من سطح الغشاء خلال اليوم ولهذا يرمز إليه بالرمز GFD .. حيث G من الجالون ، F من Ft2 ( القدم المربعة ) خلال اليوم D .

° هو معامل هام جدا حتى فى الحسابات التصميمية حيث أنه بواسطته يمكن حساب عدد الأغشية ، عدد Pressure Vessels اللازمة لتصميم محطة معلوم إنتاجها بالجالون .

° هو من معاملات المفاضلة بين أنواع الأغشية المختلفة ، ولكن قد يكون من المفيد ألا ننساق إلى مبالغات الشركات المنتجة للأغشية فى قيمة هذا المعامل .. وبالممارسة والخبرات وجد أن القيمة الآمنة لهذا المعامل حول الرقم ( 9 ) .

° أهمية هذا المعامل فى التصميم أنه إذا كان مبالغا فى قيمته فسوف يؤدى إلى استعمال أغشية ، PV بعدد أقل من المفروض استعماله وبالتالى سيؤدى إلى قصر عمر إنتاج المحطة المطلوب .

° ولنأخذ مثال .. احسب عدد الأغشية، PV المطلوبة لتصميم محطة طاقة ٥٠٠ م٣ / يوم

* نحول إنتاج المحطة المطلوب من م٣ الى جالون بالضرب فى 264.2 . 500 × 264.2 = 132100 جالون

* نقسم إنتاج المحطة بالجالون فى اليوم G/ D على قيمة GFD وكما اتفقنا ان القيمة الآمنة له هى 9 وذلك لحساب مساحة سطح الأغشية المطلوب للتحلية .

132100/ 9 = 14677 ft2 .

* نقسم المساحة الكلية على مساحة سطح غشاء واحد ولنفرض أنه 380 ft2 . وذلك للحصول على عدد الأغشية .

14677 / 380 = 36.6 = 37 membrane

* لو استخدمت PV تأخذ 6 elements . فعندئذ يكون عدد PV المطلوب يساوى :

37 / 6 = 6.2 = 7 PV .

وعليه يكون التصميم الآمن للمحطة بعمر افتراضى طويل بالإنتاج المطلوب هو 7 PV .

هذه صورة مبسطة ومبدئية لحساب PV المطلوبة .. ولكن عندما نصل إلى التصميم الذى سيأتي فى حينه سوف يكون هناك معادلات أدق وبتفاصيل أكثر .

° أعلم أن هناك برامج تقوم بهذه الحسابات .. ولكنى أرى أن المتخصص يجب أن يكون على علم تام حتى بطريقة الحسابات .

° سؤال .. هل الرقم 7PV هو الرقم الوحيد الذى يمكن تصميم المحطة المشار إليها به .. الإجابة لا .. فقد نكون فهمنا انه استنادا على معاملات كثيرة منها قيمة GFD يمكن الحصول على هذا الإنتاج بعدة قيم لل PV .. والحقيقة انه هناك Rang لعدد PV الذى يمكن الحصول منه على الإنتاج المطلوب .

عدد الأغشية اللازمة لتصميم محطة ما إستنادا على قيمة GFD ،

إتفقنا أن هناك Range لعدد PV المستخدمة إستنادا” على الحفاظ على إنتاج المحطة أطول فترة ممكنة .

طالما تحدثنا عن Permeate Flux بوحدات النظام الأمريكى فسوف نكمل بوحدات نفس النظام .

طالما أننا بصدد الحديث عن تصميم محطة تحلية قد يكون أهم ما يشغلنا هو الحفاظ على إنتاج المحطة لمدد طويلة بمعنى إستخدام أعلى قيمة لمعدل سريان ماء التغذية Feed Flow التى يرمز لها بالرمز ( Qf ) ، وتقليل معدل سريان مياه Brine Flow التى يرمز لها بالرمز (Qb) وذلك لكى يتعاظم قيمة معدل سريان الماء المنتج Permeate Flow والذى يرمز له بالرمز ( Qp) ، ولكن يبرز سؤال هل هذا الكلام صحيح بشكل مطلق ؟

الإجابة لا.. لأنه لو تعاظم قيمة المياه المنتجة محكوما بقيمة إنتاج المحطة .. فسوف يكون هناك فرضية قيمة أكبر خاصة ب GFD، ولن يستمر الوضع كثيرا لأن ذلك سيؤدى إلى إجهاد مكونات المحطة والتى من أهمها الأغشية وسيؤدى إلى سرعة إنهيار المحطة .

وطالما إتفقنا على إستخدام وحدات النظام الأمريكى فسوف يتم التعبير عن Flow بوحدة gpm ( جالون / الدقيقة ) ،

ولتحويل m3 / h إلى gpm يتم القسمة على 0.2271

هناك علاقة بين Qf ، Qb ، qf max / pv، qb min / pv حيث أن qf max / pv هى أقصى قيمة لمياه التغذية الداخلة لكل PV qb min / pv اقل قيمة لمياه Brine الخارجة من PV. و لكل قطر من PV قيم Standard .

ولو تحدثنا عن القطر 8 بوصة فإن القيمة التالية تخصها :

qf max / pv = 51 gpm

qb min / pv = 19.2 gpm

كدا ناخد مثال بقا : إحسب PV Rang اللازمة لمحطة 500 م3 / يوم ؟

نحسب إنتاج المحطة ب م3 / ساعة 500 ÷ 24 = 21 م3 / ساعة

نحسب انتاج المحطة ب gpm = باستخدام 21 ÷ 0.2271 = 92 gpm .

نحسب قيمة ماء التغذية ، وذلك بقسمة قيمة الإنتاج على Recovery كقيمة عشرية كالتالى

92 ÷ 0.3 = 306 = 310 gpm .

نحسب قيمة Brine كالتالى

Brine = Feed – permeate

= 310 – 92 = 220 gpm .

5 ) نستخدم العلاقات : عدد PV أكبر من أو يساوى Qf مقسوما على

qfmax / pv more than or equal 310 / 51 produce 6 PV.

6 ) و كذلك العلاقة : عدد PV أقل من أو يساوى Qb مقسوما على

qb min / pv less than or equal 220 / 19.2 produce 11 PV.

إذن لدينا مجال يمكن أن نستخدم عددا من PV يندرج بين 6 إلى 11 ، مع ملاحظة أن إستخدامنا للقيم الأصغر والقيم الأكبر سوف يجرنا إلى مشاكل قد يطول الحديث عنها ، وعلينا أن نختار رقم فى المنطقة المتوسطة .

11) Oxidation Reduction Potential ( ORP )

ويترجم على أنه جهد الأكسدة والإختزال ووحدة قياسه هى المللى فولت وهناك من يطلق عليه أيضا Redox .

ولكى يتسنى لنا فهمه :

°يجب أن نعلم أن أخطر المواد على الغشاء هى المواد المؤكسدة .. ومن أخطر هذه المواد المؤكسدة الكلور الذى قد يتسرب منه جزء عند استخدامه فى عملية المعالجة الأولية لمياه التغذية ( Pre treatment) إلى الأغشية فيصيبها بالتحرشف ونقول عليه عندئذ أن الغشاء اتحرق يعنى لا تنتظر منه ماء لا كما ولا جودة بالأضافة إلى الأكسجين الذائب وخلافه .

° حيث أن الكلور بصوره الثلاثة Gas Cl2 , liquid Sodium Hypochlorite Naocl, powder

Calcium HypochloritCa(ocl )2 .. عند ذوبانه فى الماء فإنه ينتج hypochlorius acid Hocl الذى يتأين لينتج مجموعة Hypochlorite Ocl- وهى عامل مؤكسد قوى .. فكما أنها لها القدرة على أحداث عملية أكسدة عكسية لإنزيم مهم جدا لحياة الكائنات البحرية اسمه تريوز فوسفو دي هيدروجيناز فيؤدى إلى وفاتها فهى قادرة أيضا على عمل أكسدة لمادة

صنع الغشاء فتؤدى إلى تلفه .

كدا شرحنا عملية الأكسدة .. لكى نتخلص من هذه العملية ( الأكسدة ) يلزمنا عملية إختزال

استكمالا لحديثنا عن ORP أو Redox فقد تحدثنا فيما سبق عن تأثير المواد المؤكسدة و التى من أخطرها الكلور على مادة صنع الغشاء .

° أصبح بديهيا لدينا من سياق الكلام أنه يجب التخلص من تأثير المواد المؤكسدة من مياه التغذية قبل دخولها على الأغشية .. وطالما أننا بصدد الحديث عن عملية أكسدة فيلزم لإيقافها عملية اختزال .

° يتم ذلك باستخدام مادة SBS .. يمكنك الاطلاع علي موضوعنا حول sbs من هنا استخدامات الصوديوم ميتا باي سلفيت sbs

°ولكى نفهم الأمر يجب أن نعلم أن هذه المادة تتواجد فى صورة خام هى Sodium meta bisulphite SMBS ورمزها Na2S2O5 .

°عندما تذوب فى الماء فأنها تكون Sodium bisulphite . – SBS طبقا المعادلة الآتية :

Na2S2O5 + H2O = NaSO3H ( SBS )

° مادة SBS المنتجة تقوم بأختزال حمض الهيبوكلورس ( HOCL ) كما شرحنا سابقا .. وتتحول إلى Sodium bisulphate ويتكون كلوريد الهيدروجين طبقا للمعادلة التالية :

NaSO3H + HOCL = NaSO4H + HCL

°للتأكد من إتمام عملية إختزال المواد المؤكسدة و التى من أهمها الكلور يجب القيام بإحدى العمليتين الآتيتين أو كلاهما معا :

١ . قياس الكلور بعد نقطة حقن SBS والتأكد أنه لا يوجد كلور نهائيا .

٢. قياس ORP بعد نفس النقطة والتأكد أنها أقل من 600 mv