Investigation of a Case of Failure of a Reverse Osmosis Project

By

M. Gamal Khedr

Professor Emeritus, National Research Centre, Cairo

mgakhedr@yahoo.fr

 

Abstract

A reverse osmosis (RO) project of 22,000 m3/d was installed for desalination of a groundwater contaminated by the radioactive isotopes radium (Ra 226, 228) to produce drinking water in Qaseem region, Saudi Arabia. The project specified the blending of RO permeate of 20,000 m3/d with 2,000 m3/d of conditioned raw water. Since the radioactive contamination is rather high (195.1 ± 20.2 pCi/L) and it would further increase with time upon withdrawal of groundwater and since, on the other hand, the RO rejection would decrease with time during the membrane lifetime, the project included, as a pretreatment process prior to RO, the partial removal of Ra by adsorption on the active hydrous manganese oxide (HMO) surface and filtration.

 However, upon initial start up the plant failed to realize the tender requirements of both lowering of radioactivity up to the maximum contaminant level (MCL) in drinking water   of ≤ 5 pCi/L as per the norms of the US Environmental Protection Agency, as well as of rejection of salinity by RO to ≤ 500 mg/L according to the norms of the World Health Organization (WHO).

Our consultancy investigation revealed erroneous application of the technology of Ra removal by adsorption on HMO. This lowered Ra rejection, by this process, to only 57.4% while the project book specified a value of 90%. On the other hand, salt rejection by RO was only 88% instead of 96% as per the project description. These deffects resulted in a product water salinity and Ra contamination out of the requested values upon blending the RO permeate with the conditioned raw water.  The consultancy investigation rectified the process of preparation of the active HMO layer which realized the expected Ra adsorption and removal by subsequent filtration. RO performance was also improved by modification of the system design of the RO skids and adopting a developed array according to a standard software projection to obtain salt rejection of 96%. Pilot testing confirmed the satisfaction of the tender conditions.

 

Keywords: Groundwater Treatment, Radium contamination, Hydrous Manganese Oxide, Preparation of HMO, Adsorption on HMO.

                                                    Introduction

Selective membrane processes as RO and nanofiltration (NF) are currently commonly approved as the most efficient and cost effective methods for desalination of brackish groundwater or industrial waste waters of medium salinity (1). On the other hand, RO process was reported to reject efficiently the divalent radioactive ionic species as radium (Ra2+ 226,228) and heavy metal cations (2, 3).

The present project faces the double challenge of a rather high radioactive contamination by Ra 226,228 of 195.1 ± 20.2 pico Curie/L (pCi/L), parallel to too high salinity than suitable for drinking water of 3538.4 mg/L. In view of the similar properties of Ra and Ca, both being alkaline earth metals, consumption of Ra contaminated drinking water would lead to bone deformation, bone cancer and other dangerous attacks then eventual death (4). The present project selected, therefore, the application of RO preceded by a specific pretreatment for partial rejection of radioactivity.

Aim and scope of the project:

  1. Production of drinking water of total dissolved solids (TDS) ≤ 500mg/L according to the norms of the World Health Organization (WHO) (5).
  1. Lowering of the Ra radioactivity to ≤ 5pCi/L according to the norms of the US-Environmental Protection Agency (EPA) (6).
  1. In view of the rather high detected radioactive contamination and the risk of its possible increase with time upon withdrawal of groundwater, and as precaution against the possible decrease of RO rejection during the membrane lifetime, the project book specified partial rejection of Ra by adsorption on the activated MnO2 surface and filtration prior to RO as a double safety barrier against the contamination of drinking water. Hydrous manganese oxide (HMO) on the surface of activated MnO2 is known to adsorb efficiently Ra and other divalent or polyvalent metal cations, under critical specific conditions, and is the basis of a standard method for Ra removal (7).

However, upon the start up of the project neither the specified salt rejection nor the Ra rejection were realized. The present consultancy investigation aims to discover the sources of this failure and propose the adequate rectification for the realization of the project specified performance.

                                               Discussion

Project Facts:

Plant Capacity:

Final product rate of 22,000 m3/d drinking water of which 20,000 m3/d are to be produced by RO then blended with 2,000 m3/d conditioned raw water.

Raw Water Quality:

Groundwater analysis is given by Table 1.

The radioactive contamination is due to combined Ra 226,228 of 195.1 ± 20.2 pCi/L.

Tender Described RO System and Performance:

RO membranes of the modern technology of thin film composite, spiral wound membrane elements of the polyamide chemistry (TFC, SW, PA).

Salt rejection of RO units not ˂ 96%

Percent recovery of 85%

Permeate Flux not >20 lmh

 Investigation of the Failure of the Partial Removal of Ra:

 The project specified the pretreatment of the groundwater for Ra removal by adsorption on freshly prepared surface active layer of HMO then filtration. However, the resultant removal of Ra by this step was quite lower than expected and led to unacceptable contamination of the final drinking water. If we consider the main lines of the procedure of removal of Ra by adsorption on HMO layer:

  1. MnO2 is prepared according to the reaction:

  1. The treatment should start by oxidation of the dissolved iron and manganese from the raw water and filtration for removal of the corresponding oxides to prevent the competitive adsorption of these cations on the HMO layer which lowers Ra adsorption (8).
  1. Upon oxidation of iron and manganese in the aeration towers a part of Ra is, in fact, removed by adsorption on their deposited oxides (9).
  1. The reagents MnSO4 and KMnO4 should separately be dissolved in agitated tanks then mixed in a third tank with continuous agitation.
  1. Since deposition of MnO2 is accompanied by production of H2SO4, an alkali as caustic soda should be dosed to neutralize the pH to the range 8-8.5.
  1. At this pH, a contact time of 10 to 12hrs with agitation is required for deposition of MnO2 and for its surface hydrolysis.
  1. Then the resulting suspension is dosed to the feed stream. Usually a dose of 4 mg/L is used.

 

Analysis of the failure of Ra removal by HMO:

Inspection of the system of preparation of HMO revealed the following defects:

  1. The above described standard procedure for preparation of the HMO was not respected. The dissolved reagents KMnO4 and MnSO4 instead of being mixed together and left over the mentioned contact time for deposition of MnO2 and surface hydrolysis prior to dosing to the raw water stream, they were directly independently added to the feed water stream.
  1. These reagents were, therefore, much diluted before reaction without the correct contact time at the suitable pH for the adequate formation of the active layer.
  1. The added concentrations of these reagents were found to be lower than standard as per equation [1]. According to the operation team this was to prevent the repeated tripping of the plant.

In fact, plant tripping was due to the oxidizing alert caused by the unreacted KMnO4 which raised the oxidation-reduction potential (ORP) in the feed stream above the limit fixed for protection of the PA membranes. The operation decreased the dosing of the oxidizing KMnO4 to avoid the repeated tripping.

 

These problems explain the incomplete reaction of formation of the HMO layer and consequently the observed failure of Ra removal.

While the process flow diagram of the project tender specified 90% Ra rejection, the feed water radioactivity of 195.1 ± 20.2 pCi/L was lowered to 83.3 ± 8.9 pCi/L i.e. by only 57.4%.

Investigation of the failure of RO units to realize the tender requirements of salt and radioisotope rejection.

 

The project four (4) RO skids of 5,000 m3/d each were based on 8 inch, TFC/SW/PA membranes according to an RO system design that enabled rejection of TDS to 401.5 mg/L i.e. by only 88,27 % and Ra rejection to 5.4 ± 1.3 pCi/L  while the project specified RO salt rejection of ≥ 96%.

The consultant investigation had to upgrade Ra rejection from the feed water by correct preparation of the active adsorbing HMO layer in order to enable safe values of radioactivity upon blending with the RO permeate.

When the preparation of the active layer was rectified according to the described standard procedure, a 92.6 % rejection of Ra was realized to give a residual activity in the RO feed of only 14,48 pCi/L.

As for RO Rejection, on the other hand, we have developed, based on RO system design projections using a standard software, a different skid design Fig 1 which resulted in permeate TDS of 124.06 i.e. at 96.5 % salt rejection and practically complete Ra the rectified rejection (for blending calculations we have selected the highest reading), Fig 2.

Pilot testing of Ra removal by adsorption on the rectified HMO layer, and of salt rejection by the modified RO unit design confirmed the realization of the project tender specifications upon blending as follows:

Conclusions

 

  1. A consultancy investigation was conducted for a case of failure of an RO plant which treats groundwater contaminated by the radioactive isotopes Ra 226,228 at an activity quite higher than the permissible MCL in drinking water. The primary inspection revealed that both TDS and radioactivity of the final product water unacceptably exceed the project specifications.
  1. While selective membrane techniques as RO or NF show efficient rejection of divalent and polyvalent ionic species as radioisotopes and heavy metal cations, in case of high concentrations of such dangerous contaminants RO can be successfully combined with other decontamination processes as a double safety barrier to realize drinking water norms.
  1. The pretreatment adsorption of Ra on the adequately prepared active HMO and filtration could realize > 90 % removal of Ra from raw water. Preparation includes mixing of the reagents KMnO4 and MnSO4 with agitation and pH adjustment to the range (8-8.5) over a contact time of 10 hours then dosing to the main stream.
  1. The Ra bind to HMO in the back wash stream of the media filters together with the RO reject stream go to the evaporation ponds where the radioactivity is diluted in the solid state by the rejected salts and goes to the adequate disposal.

References

  • Gamal Khedr, “Optimization of reverse osmosis process efficiency and Environmental safety through reject processing”, Euromembrane International Conference, Hambourg (2004) 600.
  • Gamal Khedr, “Nanofiltration and low energy reverse osmosis for rejection of radioactive isotopes and heavy metal cations from drinking water sources”, Desalination and Water Treatment, 2 (2009) 342 – 350.
  • J. Sorg et al, “Removal of Ra 226 from Sarasota County, Flo., drinking water by reverse osmosis”, J. Am. Water Works Assoc., 72 (4) (1980) 230.
  • M. Finkelsteing and N. Kreiger, “Radium in drinking water and risk of bone cancer in Ontario youths: a second study and combined analysis”, Occup. Environ. Med., 53 (5) (1996) 305 – 11.
  • Drinking-Water Quality Guidelines-WHO, https://www.who.int>guidelines 4th edition (2017).
  • The Radionuclides Final Rule, Environmental Protection Agency, https://www.epa.gov.>dwreginfo>radio December 2000.
  • A. Clifford, “Radon, Radium and Uranium in Drinking Water”, C.R. Cothern & A.P. Rebers, Eds., Lewis Publishers, (1991) 234
  • L. Brink et al, “Radium removal efficiencies in Water Treatment Processes”, J. Am. Water Works Assoc., 70 (1) (1978) 31.
  • Clifford et al, “Evaluating various adsorbents and membranes for removing radium from groundwater”, J. Am Water Works Assoc., (1988) 94 – 104.

تحقيق التوازن بين الأغشية بإستخدام التصميم المهجن لمحطات التناضح العكسى

بقلم م/ محمد أحمد عاشور 

مدير فني و استشاري أنظمة التحلية 

مقـــدمـــــة:

تتنافس المؤسسات المنتجة للأغشية المستخدمة فى محطات التحلية بإستخدام التناضح العكسى بإنتاج أغشية مختلفة المواصفات لكى تتناسب مع إحتياجات السوق . فبعض هذه الأغشية يمكنها العمل على استخدام طاقة نوعية عالية وأخرى طاقة نوعية منخفضة وفى كلا الحالتين المصمم هو سيد قراره .ففى بعض المناطق تكون جودة المياه المراد تحليتها منخفضة وفى مناطق أخرى المياه المراد تحليتها تكون ذو جودة مقبولة  وبالتالى هناك عوامل عدة توثر فى عملية اختيار الغشاء منها طبيعة ومصدر المياه المراد تحليتها وسعر الطاقة فى المنطقة  .كثرة الأغشية المطروحة فى الأسواق بإختلاف انواعها تعطى للمصمم الأريحية للاستفادة منها بشكل كامل عندما يكون التصميم فى الحدود المسموحة من المصنع .فيمكنه دمج لأكثر من نوع فى مرحلة واحدة أو فى مرحلتين مختلفتين على أن تكون هناك إستفادة كاملة من جميع الموارد المتاحة .

 

التوازن فى إنتاجية الأغشية خلال الوعاء الواحد :

نظرا لأن هذه الأغشية الموضحة فى الشكل رقم 1 على التوالى وبالتالى فإن المياه عالية الملوحة (Reject ) من الغشاء الأول تتجه للغشاء الثانى وهكذا حتى الوصول للغشاء الاخير .ان لم يحدث توازن فى إنتاجية الأغشية وصولا للغشاء الأخير  عملية التوازن بين انتاجية الأغشية فى نفس الوعاء لابد وان تكون متزنة حتى لاتوثر على اخر غشاء فى الوعاء رقم 6 ويحدث ترسب للأملاح المختلفة وانسداد الأغشية .

عملية التوازن فى الأنتاجية تجنبنا الكثير من الأثار السلبية على أداء المحطات كتقليل معدل تدفق المياه من المنتجة نسبة لمساحة سطح الغشاء الأول (Flux ) وبالطبع ذلك يحسن من انتاج الغشاء رقم 6 ويقلل من إحتمالية حدوث انسداد للأغشية وخصوصا رقم 6 .

عملية التوازن فى الإنتاجية بين الأغشية فى المرحلة الواحدة أو فى المرحلتين يتم تحقيقها بالتصمميات الأتية:

  • استخدام النظام المهجن خلال أكثر من مرحلة (Hybrid System) .

يتم استخدام غشاء من نوع معين فى المرحلة الأولى ثم يتم استخدام نوع ثان فى المرحلة الثانية.

وفى هذا التصميم الهدف منه عمل موازنة بين انتاجية الأغشية بين المرحلة الأول والثانية وتجنب حدوث فرق ضغط كبير بين لمرحلتين بسبب انسداد أغشية المرحلة الثانية ويمكن ايضا استخدامه فى زيادة او تقليل نسبة الأملاح الكلية الذائبة فى المياة المنتجة .

تم استخدام هذا التصميم من قبل واضافة 4 أغشية فى المرحلة الثانية من موديل NF270-400 (Filmtec) وذلك لزيادة عسر وقاعدية المياه المنتجة وبالفعل تم توفير قيمة مليون دولار سنويا مقابل عدم استخدام مواد كيماوية لتعديل خصائص المياه المنتجة بعد محطات التناضح العكسى .

 

  • استخدام اكثر من غشاء خلال الوعاء الواحد (Internally staged design) .

الفكرة الأساسية التى يبنى عليها هذا النوع من التصميمات هو جعل الغشاء الأول الذى يستقبل المياه المتدفقة المراد تحليتها (Lead Element)  فى المقدمة صاحب الأنتاجية الأقل وكذلك يمتلك القدرة العالية على نزع الأملاح وبالتالى تصبح نسبة المياه المستخلصة من الغشاء الأول ليست عالية مقارنة إذا ما تم استبدالة بغشاء صاحب إنتاجية أعلى مما يتيح للأغشية التالية فى عمل نسبة إستخلاص لا تقل كثيرا عن الأغشية التى تسبقها .

الشكل رقم 3 يوضح تصميمات مختلفة لأغشية مختلفة داخل الوعاء الواحد ومن الملاحظ ايضا وضع الأغشية ذات الأنتاجية الأقل فى المقدمة ثم يبدأ بالتتابع وضع الأغشية ذات مساحة سطح أكبر قادرة على إنتاج لا يقل كثيرا عن ما يسبقها مما يحقق التوازن بين إنتاجية كل غشاء على حِدة ويمنع عملية تدهور اداء الغشاء الأخير (Tail Element )

   فى الرسم البيانى التالى رقم 1 تم استخدام 7 أغشية فى وعاء واحد بإختلاف خصائصهم ففى المنحنى المخطط باللون الأخضر يتضح أداء الغشاء صاحب الأنتاجية11,000 gpd   (SW30ULE-400i )  حيث كانت أنتاجية الغشاء الأول اعلى ما يمكن تكاد تكون 1.35 مترمكعب / ساعة ثم بعد ذلك بدأ التناقص وبشكل سريع فى إنتاج الأغشية مروروا من الثانى حتى الأخير مما يجعل الغشاء الأخير معرضا لتدهور فى الأداء ونسبة حدوث الأنسدادات تكون عالية .

يمككنا أيضا ملاحظة أداء الغشاء صاحب الإنتاجية  (SW30XLE-400i) 9000gpd  وهذا الغشاء يملك أنتاجية اقل من الذى سبقه ولذلك نجد أن عملية التناقص فى الانتاجية من الغشاء الثانى حتى الأخير لاتكون بنفس درجة الغشاء (SW30ULE-400i)  حيث ان كمية المياه التى تم استخلاصها من الغشاء الأول لم تكن عالية وبالتالى كانت هناك فرصة أكبر للأغشية الأخرى بداية من الثالث حتى الأخير فى تحقيق إنتاجية أعلى من الغشاء (SW30ULE-400i) .

وكذلك كان الحال فى الغشاء7500 gpd  (SW30HRLE-400i)   حيث بدأ التناقص فى أنتاجية الأغشية بشكل متوازن وليس متسارع كما فى   (SW30ULE-400i ) مما جعل إنتاجية الأغشية فى الوضع رقم 3 حتى الأخير تسير بشكل متزن زمع العلم ان هذا الغشاء هو الأشهر فى محطات تحلية المياه ويتم استخدامة بكثرة

عند عمل عملية التهجين الداخلى داخل الوعاء الواحد واستخدام فى المقدمة 2 غشاء من7,500gpd  (SW30HRLE-400i)  صاحب الأنتاجية الأقل والقدرة العالية على نزع الأملاح بنسبة 99.8 ثم يأتى 2 غشاء من (SW30XLE-400i) 9,000gpd  صاحب الإنتاجية الأعلى ويمتلك أيضا قدرة عالية على نزع الأملاح بنسبة 99.8 ثم يأتى صاحب الإنتاجة الأعلى       (SW30ULE-400I) 11,000gpd وقدرته على نسبة نزع الأملاح 99.7 أقل من سابقيه  فى الشكل رقم 4 يمكننا ان نلاحظ أداء هذا الترتيب المهجن من المنحنى البنى فى الشكل البيانى رقم مقارنة بالترتيبات التقليدية للأغشية فى المنحنيات السابقة نجد أن انتاجية الغشاء الأول والثانى لم تكن عالية مقارنة بالأغشية الأخرى ولكن هذا يحقق للأغشية التالية كالثالث تحقيق أنتاجية لاتبتعد كثيرا عن الأول والثانى بل تكاد تقترب من إنتاجية الغشاء الثانى 0.75 متر مكعب يوميا مقارنة بوضع الأغشية  فى التصميمات التقليدية نجد أن هناك تفوق ملحوظ وكذلك أنسايبية فى عملية التناقص بداية من الغشاء الثانى حتى السابع مما لا يعرض الغشاء الأخير لأى تدهور فى الأداء.

 

وعند عمل مقارنة بين تصميمن اخرين كما فى الشكل رقم 5 وكذلك بوضع الغشاء (SW30XHR-400i) 6,000gpd  فى المقدمة ووضع الغشاء (SW30ULE-400i) 11,000 gpd   نجد ان كعدل تدفق المياه المنتجة للتصميم المهجن أعلى بمقدار 1.76 لتر / ساعة للمتر المربع الواحد من مساحة سطح الغشاء المستخدم مما يجعل الأنتاجية الكلية للنظام المهجن أعلى من النظام التقليدى مع الحفاظ على عملية الإتزان بين إنتاجية الأغشية .

الاستنتاج :   

عملية التوازن فى الانتاجية على سطح الأغشية بداية من الغشاء الأول إلى الأخير يتم تحقيقها من خلال استخدام النظام المهجن فى الوعاء الواحد سواء فى المرحلة الأول او الثانية أو من خلال وضع مضخة إضافية بين المرحلتين كل تحقق القوة الدافعة اللازمة لعملية التحلية فى حالة وجود مرحلتين مما يجعل النظام المهجن افضل من خلال استهلاك الطاقة الكلية لعملية التحلية مقارنة بغيره

عملية التوازن ايضا تحافظ على ثبات اداء الأغشية مما يزيد من العمر الإفتراضى لها وكذلك تقليل دورات الغسيل الكميائى .

معالجة المياه باستخدام تقنية الاغشية الحيوية

Water Treatment Using Membrane Bioreactor Technology

مقدمة

تشير الدراسات إلى أنه خلال العقدين القادمين سيكون وجود الماء النقي محدود للغاية في بقاع كثيرة من العالم, كما أن مشكلتي قلة المياه وتدني جودتها ستواجه الدول النامية والمتقدمة كلا سواء, فالملوحة تزداد في المياه الجوفية وتركيز المعادن الثقيلة يتصاعد, يعتبر ذلك من المصادر القليلة للملوثات التي تتعرض لها مصادر المياه, ولكن يتوفرحالياً حل من أهم الحلول الواعدة الذي يمكنه التخلص من معظم الملوثات المتواجدة في المياه وهو تقنية المعالجة بأغشية المفاعلات الحيوية MBR- Membrane Bioreactor  حيث أن المعالجة باستخدام تقنية الاغشية الحيوية تقوم على المعالجة البيولوجية والفصل الفيزيائي معاً ومقارنةً بالطرق التقليدية للمعالجة توفر الاغشية الحيوية سهولة في التشغيل مع كفاءة أداء عالية.

تقنية المعالجة بالأغشية الحيوية هي تقنية حديثة بدأت في الانتشار خلال العقد الأخير, حيث بدأ فهم نظام الاغشية منذ عام 1960م الذي حدث فيه اول تسجيل لظاهرة الترشيح الغشائي ( التناضح ) بالصدفة بواسطة العالم  ابا نوليه. ولكن لم تكن تستخدم الاغشية وقتها نتيجة تكلفتها المرتفعة جدا.

التطورات الحديثة في تصنيع الاغشية سمحت بانتاج اغشية بكفاءة عالية وسعر اقل، و مع ارتفاع اسعار طرق المعالجة التقليدية اصبح سعر الاغشية مقبول في معالجة مياه الصرف المنزلية والصرف الصناعي.

تاريخ أغشية المفاعلات الحيوية :

التطور في علم و تكنولوجيا المرشحات مر بتاريخ طويل من الدراسات المعملية قبل استخدامه في التطبيقات الصناعية في عام 1748 لاحظ نفاذية المياه الموجودة في مستخلص العنب المستخدم في صناعة النبيذ, وبعد ثمانين عاما من ذلك قام دوبرنيه بملاحظة هروب غاز الأكسجين خلال شقوق الوعاء,كما يعد جراهام(Graham) الرائد في حساب كميات الغاز المتسربة من الاغشية المطاطية,وقامادولف فيك  (Adolf Fick) بكتابة معادلات انتشار الغازات عام 1855 والذي اصبح من أهم القوانين المستخدمة في وصف حركة الانتشار من خلال الاغشية.

أما الاغشية شبه المنفذة فظهرت لأول مرة بواسطة تروب 1967(Traube) و استخدمها بفيفر 1877(Pfeffer)  لقياس ضعوط المحاليل الاسموزية, والتي أدت لظهور النظرية التقليدية للمحاليل (معادلة الضعط الأسموزي لفان هوف 1887) , واستحق هذا العمل لجائزة نوبل في الكيمياء 1901م.

وطور سجموندي (Zsigmondy) فلاتر الجسيمات الصغيرة و الفلاتر الجزيئية واللتي كانت بداية عهد فلاتر الترشيح الميكروني الدقيقة  (microfiltration) و فلاتر الترشيح فوق الميكروني (Ultra filtration ) 1907 – 1920م.

وبعد ذلك بسنوات قليلة ظهر أول نموذج لفلاتر التناضح العكسي بدراسة و إشراف مشيلز 1926 (Michaelis)، منجود 1929 (Manegod)و مكباين 1931(McBain) بأغشية السوليفان او نترات السليلوز .

أما فكرة الغسيل الكلي والكهربي والأغشية الكهربية تأسس بواسطة تويرل و ماير 1930   (Toerell and Meyer)من دراستهم للانتقال عبر الاغشية المتعادلة والاغشية ذات الشحنة الساكنة,

من أهم التطبقات الصناعية للاغشية هو صناعة ال defect-free  ,  high flux ,  anisotropic RO,  asymmetric cellulose acetate ( CA )

بواسطة لوب و سوريرجان في 1962 (Loeb and Sourirajan ), و مع تقنية لوب و سوريرجان الاصلية كان هناك تطويرات عديدة للاغشية . بوصولنا عام 1980 كانت كل من التقنيات : ” التناضح العكسي RO  ، الترشيح فوق الميكرونيUF ، الترشيح الميكرونيMF ، والغسيل الكلي الكهربي ED ” انتشرت في تطبيقات كثيرة حول العالم في محطات كبيرة .

أنواع المرشحات

يوجد في السوق 6 أنواعتجارية للأغشية تستخدم في عملية الفصل أولها المرشحالميكرونيmicro filtration MF  والذي يحجز الجزيئات اكبر من 0.1 ميكروميتر مثل البكتريا والبروتوزوا والطحالب، والترشيح فوق الميكروني ( ultra filtration UF ) الذي يحجز الجزيئات في حجم الفيروسات والمواد الغروية الصغيرة، الترشيح النانومتري ( Nano filtration NF  ) والذي يحجز بعض المواد العضوية الذائبة والايونات ثنائية التكافوء مثل Ca+2 , Mg +2 ، التناضح العكسي ( reverse osmosis RO   ) وهو ما يستطيع حجز الايونات احادية التكافؤ مثل  Na+ , Cl-ولا يسمح الا بمرور الماء ، غسيل الكلى الكهربي ( Electro dialysis ED ) .

الشكل الاتي يوضح الضغط اللازم للتشغيل و حجم الفتحات لكل من عمليات الفصل السابق ذكرها.

المادة المصنعة للغشاء

تصنع عادةً الاغشية من بوليمرات عضوية او مواد سيراميكية ، تتميز البوليمرات بسعرها القليل في الانتاج ولكنها تواجه مشاكل في التباين في مقاس الفتحات بالغشاء كما انها تكون اكثر عرضة للانسداد والتلوث. اما الاغشية المصنوعة من السيراميك توفر جودة عالية وعمر طويل ولكنها لا تعتبر حل اقتصادي في معالجة الكميات الكبيرة. فهي تعتبر حل مقبول في التطبيقات الصناعية. ( scott and smith 1996 ). جميع مصنعي الاغشية MBRيستخدمون البوليمرات في الاغشية الميكرونيه MF. يوضح الجدول الاتي اكثر انواع البوليمرات شيوعا في صناعة الاغشية .

المادة الخام

الاختصار المميزات العيوب
بولي بروبلين

polypropylene

Pp –          تكلفة قليلة

–          يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني PH

–          لا يحتمل الكلور

–          تكلفة تنظيفه بالكيماويات عالية

Polyvinylidene fluoride PVDF –          يتحمل الكلور

–          سهل التنظيف بالكيماويات

–          لا يستطيع تحمل ماء له اس هيدروجيني اكثر من 10 ( PH>10)
Polyether sulphone&polysulphone PES/PS –          يتحمل الكلور

–          سعره مناسب

–          مواد هشة تتطلب الدعم ، او التدفق من الداخل الي الخارج

Polyacrylonitrile PAN –          سعره قليل ، يستخدم عادة فالمرشحات الفوق ميكروية UF –          اقل احتمالا للمواد الكيميائية من PVDF
Cellulose acetate CA –          سعره قليل –          لا يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني

–          نشط بيولوجيا

يمكن تصنيف عمليات الترشيح بحجم المواد المنفصلة أو طريقة فصلها أو القوة المسؤولة عن الفصل .

تستخدم عدة مصطلحات في تقنية الاغشية لمناقشة فاعلية الغشاء :  معدل انتقال المائع من خلال المرشح واللذي يرمز له باسم ( flux  )  بوحدة كجم \ م2 ساعة .

الضغط اللازم لعبور الغشاء ( trans-membrane pressure TMP  ).

السائل الذي يعبر من المرشحات يسمي permeate

اما السائل الذي يحجز على الغشاء يسمي retentate . ( تكوبانجلوس و آل. 2003 )

اشكال المرشحات

هناك ثلاث أشكال رئيسية للاغشية الحيوية :

Multitubes

Hollow fiber

Flat sheet

المعالجة باستخدام معالج الاغشية الحيوية

تتلخص كيفية معالجة المياه عن طريق الاغشية الحيوية في الرسم التالي :

تبدأ المعالجة بالمياه الخام ويتم اضافة الاحماض ( حمض الهيدروليك ) لجعل المياه ذات وسط حمضي لتجنب ترسب كربونات الكالسيوم علي الاغشية وتحويله لثاتي اكسيد الكربون الذي يستطيع بسهولة النفاذ من الاغشية وقد توضع بعض الاضافات مثل ” هكساميتا فوسفات ” لتأخير ترسيب كبريتات الكالسيوم . كما تمر المعالجة بفلترة أولية لمنع وصول المواد الغروية للاغشية ، ويمكن ايضا عمل بعض المعالجات الاولية في حالة وجود اكاسيد المعادن . ثم يتم دخول الماء الي الاغشية في حالة استخدام الاغشية المنفصلة او قد تكون موجودة منذ البداية في وعاء التهوية . بعد ذلك يمكن عمل معالجة اخري وهي عبارة عن فصل غاز ثاني اكسيد الكربون و تقليل حموضية الماء حتي لا تسبب تآكل في المواسير و يمكن ايضا استخلاص الغازات البيولوجية و استخدامها كوقود حيوي في انتاج الطاقة ؛ محاولة في تقليل تكلفة تشغيل المعالجة بالاغشية .

مميزات و عيوب استخدام معالجة الاغشية الحيوية

من أهم مميزات تقنية الاغشية الحيوية هي صغر حجم المحطة مقارنة بالطرق التقليدية، كما لا توجد مشاكل أحواض الترسيب كما في المعالجة باستخدام الحمأة المنشطة او غيرها . وفي بعض الاحيان لا يحتاج لتطهير بعد المعالجة حيث تمنع هذه الاغشية مرور البكتريا و الفيروسات و مسببات الأمراض الاخري.

أما عن أهم العيوب التي تواجه انتشار تلك التقنية فهي ارتفاع رأس المال وقصر عمر المرشحات وايضا ارتفاع تكلفة التشغيل بالاضافة الي الحاجة الي متخصصين ذو كفائة عالية لتشغيل المحطة, ويعتبر اخطر تلك العيوب هو انسداد الاغشية.

خلاصة

تطورعلوم وتكنولوجيا الاغشية شهدت تاريخا طويلا في الدراسات المختبرية قبل إستخدامها في التطبيقات الصناعية. ولكن اليوم، تحظى بقبول واسع باعتبارها من أفضل التكنولوجيا المتاحة لمعالجة المياه وخاصة مياه الصرف الصحي . تناول هذا الموضوع عرض تاريخي لمراحل تطور تقنية الاغشية منذ عام 1748 وحتي الآن . تناول ايضا انواع المرشحات و اشكالها المختلفة المستخدمة وطريقة المعالجة باستخدام الاغشية، كما تناول عرض سريع عن اهم مميزات وعيوب تلك التقنية.

المراجع

1.Handbook of Environmental Engineering, Volume 13: Membrane and Desalination TechnologiesEdited by: L.K. Wang et al., DOI: 10.1007/978-1-59745-278-6_1#Springer ScienceþBusiness Media, LLC 2011

  1. Baker RW (2004) Overview of membrane science and technology. In: Membrane technologyand applications, 2nd edn., Wiley, England, pp 1–14

  1. Mulder M (1996) Basic principles of membrane technology, Kluwer, Netherlands

  1. Brennan MB (2001) Research accelerates on advanced water-treatment technologies as their usein purification grows. SciTechnol 79(15):32–38

  1. Strathmann H (2001) Membrane separation processes: current relevance and future opportunities. AIChE J 47(5):1077–1087

  1. Ferry JD (1936) Ultrafilter membranes and ultrafiltration. Chem Rev 18(3):373–455

7.MWH (2005)  Water Treatment: Principles and Design,  John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, pp. 1445, 1472, 1564.

  1. Taylor, J. S. and M. Wiesner (1999) Membranes, in R. D. Letterman (ed.)  Water Quality and Treatment,  5th ed., 12.American Water Works Association, McGraw-Hill, New York, pp. 11.1–11.71.

  1. U.S. EPA (2005) Membrane Guidance Manual, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., pp. 7-7–7-8.

10.AWWA (1999)  Reverse Osmosis and Nanofiltration,  American Water Works Association Manual M46, Denver, Colorado.

 11.Bergman, R. A. (2005) “Membrane Processes,” in E. E Baruth (ed.),  Water Treatment Plant Design,  McGraw-Hill, New York, pp. 13.1–13.49.

12.Davis, M. L. and D. A. Cornwell (2008) Introduction to Environmental Engineering, McGraw-Hill, New York, p. 876

تحلية المياه بالاسموزية العكسية ( التناضح العكسي)

  1. مقدمة

قي المناطق الجغرافية التي تفتقر إلى المصادر الطبيعية للمياه النقية والصالحة للشرب مثل الأنهار , الينابيع والسيول, تعتمد المجتمعات الموجودة على أنظمة تحلية المياه لأنها مصدر موثوق لا ينضب للمياه ولا سيما مع بداية العام 1950 ميلادية الذي شهد انطلاقة أنظمة التحلية بأسعار اقتصادية وتقنيات مبسطة تعمل في شتى الظروف البيئية.

وقد وتم تحديد الأملاح الذائبة في المياه المحلاة بنسبة 500 جزء بالمليون لتكون النسبة المسموح بها دوليا للمياه لجميع الاستعمالات المنزلية, الصناعية والزراعية.

حوالي 97% من الماء الموجود على الأرض في المحيطات المالحة. وبسبب الحاجة إلى الماء تطلع النّاس مليّاً عبر التّاريخ إلى هذا المعين الذي لا ينضب. ويعتقد النّاس حاليّاً أكثر من أي وقت مضى أن تحلية ماء المحيط ستفي وتواجه الاحتياج المتزايد للماء العذب.
والملح الموجود في ماء البحر هو ملح المائدة الشّائع. ويستطيع الإنسان أن يشرب بأمان الماء الذي يحتوي على أقل من 0,05كجم من الملح في كلّ 100كجم من الماء. ويحتوي ماء البحر على سبعة أضعاف هذه الكمية من الملح. ولا شك بأن الشّخص الذي يشرب ماء البحر فقط سيموت؛ إذ إنّ الجفاف سيصيب خلايا جسمه أثناء محاولتها التّخلص من كميّة الملح الزّائد. وكذلك فإن النّاس لا يمكنهم استعمال ماء البحر في الزّراعة أو الصّناعة، لأنّ هذا الماء يقتل معظم المحاصيل، ويسبب صدأ الآلات والمعدّات سريعاً.

وعرف النّاس طرائق عديدة لتحلية ماء البحر. وتعطي عمليّة تحلية ماء البحر الأمل في حلّ مشكلات شُحّ الماء العذب في المناطق السّاحليّة القريبة من البحر. ولا تحلّ تحلية ماء البحر كلّ المشكلات المائيّة. وحتى لو احتوت المحيطات على ماء عذب فستظلّ هناك مشكلات أخرى مثل تلوّث المياه والسّيطرة على مياه الفيضانات وكذلك عمليّات توزيع المياه

هذا وتعتبر تكنولوجيا تحلية المياه من التقنيات الهامة في مجال معالجة المياه والتي برزت كحاجة ملحة وضرورية لتوسيع مصادر المياه وعدم القتصار على المصادر التقليدية والتي كانت تستخدم قديما لسد حاجات النسان المختلفة وكانت تفـي بهــذا الغرض.

 

  1. مفهوم الاسموزية الطبيعية

الإسموزية هى إنتشار المواد (المذيب) خلال غشاء شبه منفذ نتيجة لإختلاف الضغط الإنتشارى لهذه المـادة (المذيب) على جانبى الغشاء. وتحدث الإسموزية حينما يكون هناك محلولين فيهما المذيب مشـترك وضـغط الإنتشار للمذيب فى كلا الجانبين والمحلولين منفصلين عن بعضهما بواسطة غشاء شبه منفذ.

فمثلاً عند مليء غشاء شبه منفذ (على شكل كيس) بمحلول ملحى أو سكرى ثم ربط هذا الكيس ووضعه فى ماء نقى يلاحظ بعد فترة إمتلاء هذا الكيس ويحدث هذا الإنتفاخ ضغطاً على جدار الكيس من الداخل. وهـذا الضغط ينشأ نتيجة لدخول الماء إلى المحلول عن طريق الإسموزية. وفى هذه الحالة يجب مراعاة أن غشاء الكيس لابد وأن يكون شبه منفذ أى يكون منفذاً للماء دون المادة المذابة. وتنقسم الأغشية تبعاً لخاصية النفاذية إلى:

  • أغشية منفذة: أى تسمح لكل من المذيب والمذاب بالنفاذ خلالها مثل ورق الترشيح.
  • أغشية غير منفذة: لا تسمح لأى من المذاب والمذيب بالنفاذ مثل الزجاج.
  • أغشية شبه منفذة: تسمح للمذيب فقط دون المذاب بالنفاذ خلالها.

 

  1. مفهوم التناضح العكسي

هي عملية فيزيائية ينتقل من خلالها الماء من الوسط عالي التركيز إلى الوسط قليل الــتركيز مــن خلل غشاء شبه منفذ عن طريق استخدام ضغط على المحلول المركز يزيد عن الضغط السموزي. من المعروف في الوضع الطبيعي لدى فصل محلولين أحدهما مركز والخر مخفف بغشــاء شــبه منفذ فإن هذا النظام يميل بحكم القوانين الطبيعية إلى إحداث توازن في تراكيز المحلولين وذلك بعبور الماء النقي من المحلول المخفف إلى المحلول المركز ويستمر هذا العبور حتى يتقارب تركيز المحلولين.

إذا طبقنا ضغطا معاكسا على الجزء المحتوي على المحلول المركز بحيث يكون أعلى من قيمة الضغط السموزي فإن إتجاه التدفق سينعكس – أي أن الماء يعبر من المحلول المركز إلى المحلول المخفف من خلل الغشاء، ونتيجة لذلك يزداد تركيز الملح في المحلول ويزداد الضغط السموزي ويدعى الضغط المطبق على المحلول المركز بالضغط السموزي العكسي Reverse Osmotic Pressure

ومن السهل أن نستنتج كيفية استغلال هذه الظاهرة في تحلية المياه المالحة عند درجات حرارة عادية ودون أية إضافات كيميائية، كل ما تتطلبه العملية هي تمرير الماء المالح من خلل أغشية شبه نفاذه عن طريق توليد ضغط على هذا الماء ليخرج الماء النقي فقط خلال  الغشاء بينما يتم حجز الماء المالح خلف الغشاء.

يطبق هذا النظام ضمن أجهزة التناضح العكسي الصناعية حيث يمر الماء عبر مرشحات متعددة كمعالجة مسبقة لحماية أغشية التناضح العكسي من الانسداد وتتعلق نوعية وعدد هذه المراحل بطبيعة المياه ونسبة ونوع التلوث الموجود فيها.

وفي الحالات العامة تمر المياه على المرشحات متعددة الطبقات والفلاتر الخرطوشية لإزالة المواد العالقة ثم على المرشحات الكربونية لإزالة مادة الكلور التي تضاف لتعقيم المياه الأولي وكذلك المواد العضوية ويحقن بعد ذلك عدد من المواد المساعدة مثل مواد منع ترسب الاملاح الكلسية ومواد تعديل درجة الحموضة وأخيرا  يمر الماء من خلال غشاء شبه منفذ يسمح فقط لجزيئات المياه النقية بالعبور لنحصل على مياه نقية بأملاح منخفضة جدا.

  1. تطبيقات التناضح العكسي

يبين الجدول التالي جدول رقم 1 بعض تطبيقات التناضح العكسي.

جدول 1

معالجة مياه الصرف واعادة الاستخدام مياه الشرب الاستخدام الصناعي
مياه الشرب غير المباشرة تحلية مياه البحر, تحلية المياه الضاربة في الملوحة , التقطير

 

المياه فائقة النقاء, مياه الغلايات, المياه النقية, استخدامات الصناعات اليومية

5.    مراحل المعالجة بتقنية التناضح العكسي:

تعتمد تقنية التناضح العكسي على أربعة مراحل أساسية من المعالجات هي:

  • مرحلة المعالجة الأولية .
  • مرحلة الضغط (مضخة ذات ضغط عال ) .
  • مرحلة الفصل بواسطة الأغشية (مجمع أغشية) .
  • معالجة نهائية ( مرحلة التثبيت ).

أ-مرحلة ما قبل المعالجة:

والمعالجة الأولية مهمة لأن مياه التغذية يجب أن تمر عبر ممرات ضيقة أثناء العملية ، كذلك يجب إزالة العوالق ومنع ترسب الكائنات الحية ونموها على الأغشية . حيث يتم معالجة دفق مياه التغذية لتصبح منسجمة مع الشروط الاساسية لعمل الأغشية ولتكون خالية من العوالق الصلبة عبر عدة خطوات منها :

  • الترشيح الرملي Multimedia Filter
  • وحدات خراطيش ميكرونية Cartridge Filters
  • ضبط الرقم الهيدروجيني pH Adjustment
  • إضافة مواد كيميائية لمنع تكون القشور .

ب-مرحلة الضغط:

يتم خلال هذه العملية أو المرحلة رفع الضغط على المياه المعالجة أوليا الى المستوى المناسب لنوع الأغشية ونسبة الأملاح الذائبة في المياه المطلوب معالجتها .

والمضخة ذات الضغط العالي تعمل على رفع الضغط الهيدروليكي لمياه التغذية الى الحد الكافي للتغلب على الضغط الاسموزي الطبيعي وبزيادة تكفي لانتاج الكمية المطلوبة من المياه العذبة ، وبالتالي توفرهذه المضخة الضغط اللازم لعبور الماء من خلال الأغشية وحجز الأملاح ، وتتناسب الضغوط المطلوبة تناسبا طرديا مع درجة ملوحة مياه التغذية.حيث تتراوح ما بين 17 إلى 27 بارا ( 250 – 400 رطل على البوصة المربعة ) في حالة المياه قليلة الملوحة التي تتراوح ملوحتها بين 2000 – 10000 جزء في المليون، بينما تتراوح الضغوط المطلوبة بين 45 إلى 80 بارا ( 800 – 1180 رطل على البوصة المربعة ) لمياه البحار المالحة مثل مياه الخليج العربي والتي تصل فيها الملوحة الى 45000 جزء في المليون .

ج-مرحلة الفصل بواسطة الأغشية (مجمع الأغشية)

ويتكون مجمع الأغشية من وعاء ضغط وغشاء يسمح بضغط الماء عليه كما يتحمل الغشاء فارق الضغط فيه . والأغشية نصف المنفذه قابلة للتكسر وتختلف في مقدرتها على مرور الماء العذب وحجز الأملاح.

تقوم الأغشية في هذه المرحلة بالسماح للمياه العذبة أو النقية بالمرور خلال الثقوب الميكروية للغشاء ، بينما تمنع الأملاح الذائبة من المرور ، حيث يتم تحويلها الى خط الصرف ذو التركيز الملحي العالي ، بينما تتمكن نسبة قليلة من الأملاح من عبور الأغشية والسبب في ذلك يعود الى عدم كمال الأغشية النسيجية ليس هناك غشاء محكم إحكاما كاملا في طرد الأملاح ولذلك توجد بعض الأملاح في المياه المنتجة.

تعمل هذه الأغشية على إزالة أكثر من 75 % من الأملاح إضافة الى معظم أنواع العضويات ، الدقائق الفيروسات والبكتيريا  ، والكثير من الملوثات الكيميائية ، وتتراوح قياسات المسامات في الأنواع المختلفة من الأغشية بين (10 انجستروم – 100 ميكرون ) .

 

وتصنع أغشية التناضح العكسي من أنماط مختلفة ، وهناك اربعة أنواع من نظم الاغشية المعروفة وهي الاغشية المسطحة والاغشية الأنبوبية والاغشية الشعرية المجوفة والأغشية الحلزونية، ولكل من هذه الأغشية مقدرة معينة على انتاج المياه العذبة وإمرار الأملاح واحتجازها.

وهناك اثنان ناجحان تجاريا وهما اللوح الحلزوني والألياف ( الشعيرات الدقيقة المجوفة) ، ويستخدم هذين النوعين لتحلية كل من مياه الآبار ومياه البحر على الرغم من اختلاف تكوين الغشاء الإنشائي ووعاء الضغط اعتمادا على المصنع وملوحة الماء المراد تحليته.

د-مرحلة التثبيت أو ما بعد المعالجة:

تهدف المعالجة النهائية فهي للمحافظة على خصائص الماء واعداده للتوزيع . وربما شملت هذه المعالجة إزالة الغازات مثل كبريتيد الهيدروجين وتعديل درجة الرقم الهيدروجيني.

حيث يتم في هذه المرحلة ضبط حموضة المياه العذبة الناتجة من خلال عملية الضبط الكيميائية للرقم الهيدروجيني للمياه PH Adjustment برفعها من حوالي الرقم 5 الى 7.5 .

ويتم خلال هذه المرحلة أيضا إضافة الكلور للحفاظ على المياه معقمة من الكائنات الحية الدقيقة الحية والبكتيريا التي قد تصلها خلال فترات التخزين والضخ عبر الشبكة.

 

أحــمــد السـروي

إستشاري معالجة المياه والبيئة

المراجع العلمية

  • احمد السروي ,العمليات الاساسية لتنقية مياه الشرب , دار الكتب العلمية , 2012.
  • احمد السيد خليل ,عملية تنقية الماء للاستخدام المنزلي , 2008.
  • تحلية مياه البحر, سيرورات الطاقة التقليدية والمتجددة, اندريا سيبولينا واخرون, المنظمة العربية للترجمة ,2011.
  • عصام الدين خليل حسن، إعذاب المياه (الطبعة الطبعة الأولى)، القاهرة- جمهورية مصر العربية: المكتبة الاكاديمية، 2010, صفحة 20. بتصرّف.
  • Norman N. Li, Anthony G. Fane, W. S. Winston Ho, and T. Matsuura, Advanced Membrane Technology and Applications, 2008 John Wiley & Sons, Inc.

 

THE FUTURE OF NANOTECHNOLOGY IN WATER DESALINATION

Nano scale science plays an enormously positive role on the everyday life of every one.

The feasibility of nanofilters helps us to develop  ,along –term  &profitable relationship due to the hi-tech & the advantageous of these nanotechnologies which are :-

1-long term use

2-Resuable

3- No power & No pressure

4- Filters media , low cost & reusable

In nanotechnology desalination we replace the RO unit with NF units , the number of nanofilters (NF) & their  capacity will depend on the capacity of the plant .

Nano technology process Merit:-

(1 ) Quality standard:-

Contaminated free water with ng/l ,nanowater with 1000 time mora quality .

(2)  Power operating cost :-

     Cost-effective ,No RO used , it will reduce the cost to 50% of price.

(3) Product water volume:-

Large volume production , 2/3 volume of feed water .

(4) Durability :-

It is reusable for years , durable station .

Visual detection point using nano membrane sensor layers for selective toxins with response time of minutes  .

Note:- the color change means  the membrane should be changed or washed .

 

 Water Desalination plant (nano membrane stages)

The manufacture replaces the RO unit by three membranes

(1) Filter tank  #HOM-V

This filter remove TDS & contains layers containing with active & selective adsorbents for each of the following :-

  • Salts or minerals (Na.Ca &Mg)
  • Toxicants (metals) –Radioactive elements if any
  • Arsenic contaminated water , if any
  • Some chemicals & hazardous

 

Exchange of the filter medium :- filter media has passed the period of use will be replaced, with a new tank  , filter media in the tank is not unplugged .

Tank that contains the older media as it is sent to the manufacture to recycle it .

(2) Filter tank  #HOM-R

The other elements or particles that remained for HOM

TDS control are as follow :-

  • Salts or minerals (Na.Ca &Mg)
  • Sulfur &phosphate
  • Organic species like pesticides ,virus ,bacteria , herbicides , bad taste, odor &cysts.

Exchange of the filter medium :- filter media has passed the period of use will be replaced, with a new tank  , filter media in the tank is not unplugged .

Tank that contains the older media as it is sent to the manufacture to recycle it .

(2) Filter tank  #HOM-CTO

In that stage we use meso carbone filter   to get ride of  all the remaining contaminants

Quality of Nanowater

 

 

Chemist/ Ahmed Mahmoud

Water &wastewater treatment consultant

تصميم أنظمة التناضح العكسى بين المرحلة الواحدة والمرحلتين للمياه قليلة الملوحة

Comparison of one stage and two stage –Brackish water Reverse Osmosis System

مقدمــــــــــــة :

تصنف انظمة التناضح العكسى كأهم تقنية لتحلية المياة سواء أكانت مياه قليلة الملوحة (كمياه الابار ) أو مياه عالية الملوحة (كمياه البحر).ويعتمد نظام التناضح العكسى فى مجمله على استخدام الاغشية لفصل الاملاح من المياه بواسطة ظروف تشغيل معينة .الوصول للقيم المثلى فى تشغيل محطات التناضح العكسى يعتبر من أهم التحديات اللى تواجه العاملين فى هذا المجال حتى بعد التطور الهائل فى أنظمة التحكم ولكن هناك كثير من التغييرات التى تطرأ على ظروف التشغيل كتغيير درجات الحرارة او عناصر المياه المراد تحليتها مما يؤثر على ظروف التشغيل .هناك مسئولية أخرى تقع على عاتق مصممين أنظمة التناضح العكسى وهى الوصول لأفضل ظروف تشغيل بناءا على التصميم المقترح سواء أكان هذا التصميم يعتمد على نسبة استخلاص عالية أو منخفضة بناءا على طبيعة المياة .فى هذا المقال سنستعرض سويا تصميم أنظمة التناضح العكسى فى صورة مرحلة واحدة وفى صورة مرحلتين وظروف تشغيل كلا منهما . والعوامل المؤثرة فى كل مرحلة كعدد الأغشية أو كمية المياة المتدفقة إلى النظام على نسبة الإستخلاص و كمية المياه المنتجة .

 

طبيعة النظام :

  • مصدر المياه –مياه قليلة الملوحة والمواد الصلبة الكلية الذائبة قيمتها تبلغ 13,400 ملليجرام / لتر .
  • الغشاء الذى تم استخدامه فى العملية BW30-4040 من انتاج FilmTec Corporation .
  • برنامج المحاكاة -تم استخدام برنامج تحليل انظمة التناضح العكسى – الاصدار الثاني – (ROSA (Reverse Osmosis System Analysis)
  • الشكلان التاليان يوضحان ماهية النظام وتكوينة من مرحلة واحدة ومن مرحلتين .

    النتائج

    1-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على معدل تدفق المياه المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم  البيانى التالى  رقم 1 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اعلى معدل تدفق مياة منتجة محلاة من النظام 38.25 مترمكعب/يوم فى حين كان معدل التدفق الى النظام 60 متر مكعب / يوم وضغط مضخة الضغط العالى 39 بار باستخدام 8 اغشية فقط فى مرحلة واحدة .

  • وعندما نعقد المقارنة فى حالة اضافة مرحلة ثانية للنظام .فالرسم البيانى التالى رقم 2 يوضح ان معدل تدفق المياة المنتجة المحلاة من النظام ارتفع الى 43.74 متر مكعب/ يوم فى حين كان معدل التدفق إلى النظام 69 متر مكعب/يوم ومع انخفاض ضغط المضخة إلى 35 بار وتغيير عدد الأغشية إلى 16 غشاء على مرحلتين .
  • يتضح من خلال المقارنة بين نظام تم استخدام مرحلة واحدة ونظام اخر تم استخدام مرحلتين مع اختلاف عدد الأغشية ومع تغير معدل تدفق المياه إلى النظام خلصنا إلى انه فى حالة استخدام مرحلتين بدلا من مرحلة واحدة يقل ضغط المياه المتدفقة إلى النظام ويرتفع كمية المياه المنتجة المحلاه.

     

    2-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على كمية المواد الصلبة الذائبة الكلية  (TDS) فى المنتجة المحلاة من النظام .

    الرسم البيانى التالى رقم 3 يوضح فى حالة استخدام مرحلة واحدة لعملية التحلية ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 230 ملليجرام / لتر.  بالمقارنة فى الرسم البيانى رقم 4 فى حالة المرحلتين نجد ان اقل كمية مواد صلبة ذائبة فى المياه المحلاه هى 387.5 ملليجرام / لتر 

  • يتضح جليا من المقارنة بين المرحلتين انه فى حالة زيادة معدل  المياه المتدفقة إلى النظام تقل كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة فى كلا الحالتين سواء أكانت مرحلة او مرحلتين .وكذاك زيادة ضغط المياة المتدفقة إلى النظام او عدد الأغشية يزيد من كمية المواد الصلبة الذائبة (TDS)  فى المياه المنتجة بشكل ملحوظ .

     

    3-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على نسبة الأستخلاص (Recovery)  .

    الرسم البيانى التالى رقم 5 و6 يوضحان فى حالة وجود مرحلة واحدة او مرحلتين  يؤثر بشكل واضح معدل تدفق المياه على نسبة الأستخلاص .فكلما زاد معدل التدفق للمياه إلى النظام تقل نسبة الاستخلاص .زيادة عدد الأغشية بالطبع يزيد من نسبة الاستخلاص .فأعلى نسبة استخلاص تحدث عند أقل معدل تدفق إلى النظام واعلى عدد من الأغشية بالاضافة إلى ان نسبة الاستخلاص فى المرحلتين اعلى من المرحلة الواحدة.

    تحت نفس ظروف معدل التدفق 60 متر مكعب /يوم لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية نجد ان نسبة الإستخلاص 63.75 فى حين انه فى نظام المرحلتين بإستخدام 16 غشاء نجد ان نسبة الإستخلاص 71.28

  • 4-تأثير المياة المتدفقة إلى النظام وعدد الأغشية على الطاقة النوعية (Specific Energy) .

    الرسم البيانى التالى رقم 7 و8  يوضحان تأثير معدل تدفق المياه إلى كلا  من نظام المرحلة الواحدة والمرحلتين وكذلك عدد الأغشية على مدى استهلاك الطاقة فى كلا منهما .فى نظام المرحلتين الطاقة النوعية المستهلكة تقل مقارنة بالمرحلة الواحدة نظرا لأن كمية المياه المنتجة المحلاة اصبحت اكثر وبالتالى تم توزيع الطاقة لكل متر مكعب من المياه المنتجة وزيادة عدد الأغشية يقلل ايضا بشكل ملحوظ استهلاك الطاقة.

    نلاحظ ايضا ان زيادة معدل التدفق يوثر على استهلاط الطاقة ولكن بنسبة ضيئلة ليست كما فى عدد الأغشية التى تؤثر بشكل ملحوظ .

    ففى نظام المرحلة الواحدة زاد معدل التدفق إلى النظام من 54 إلى 60 متر مكعب/يوم ولكن التغير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.03 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 8 أغشية فى نظام المرحلة الواحدة .

    أما فى نظام المرحلتين زاد معدل التدفق إلى النظام من 60 إلى 69 متر مكعب/يوم ولكن التغيير فى الطاقة النوعية لم يتغير سوى 0.07 كيلو وات ساعة /متر مكعب فى حالة وجود 16 غشاء فى نظام المرحلتين .

    أما بالنسبة لزيادة عدد الأغشية من نظام المرحلة الأولى إلى نظام المرحلة الثانية تحت نفس ظروف معدل التدفق إلى النظام 60 متر مكعب /يوم نجد ان الطاقة النوعية لنظام المرحلة الواحدة باستخدام 8 أغشية 1.91 كيلو وات ساعة /متر مكعب وعند استخدام نظام المرحلتين باستخدام 16 غشاء نجد انه انخفض إلى 1.71 كيلو وات ساعة /متر مكعب .

  • الاستنتاجات :

    1-زيادة المياة المنتجة المحلاة تزيد بزيادة المياة المتدفقة إلى النظام وايضا بزيادة ضغط المياه المتدفقة الى النظام سواء فى نظام ذو مرحلة واحدة او مرحلتين .

    2-زيادة ضغط المياه المتدفقة إلى النظام يزيد من المياه المنتجة المحلاة ولكن يزيد نسبة المواد الصلبة الكلية الذائبة بها.

    3-زيادة الضغط يزيد من استهلاك الطاقة مما يؤثر على تكلفة التشغيل الكلية .

    4-زيادة الضغط تتناسب طرديا مع نسبة إزالة الأملاح (SR%) للنظام حتى تصل إلى قيمة معينة هذه القيمة تعتمد على طبيعة النظام ثم بعد ذلك تبدأ بالتناسب العكسى بعد هذه القيمة.

     

    بقلم  م / محمد أحمد عاشور

    مدير فني

  •  

    المراجع

    [1]Greenlee, L. F., D. F. Lawler, B. D.Freeman, B. Marrot, & P. Moulin,Reverse osmosis desalination: Water sources,technology, and today’s challenges, Water Research,Vol. 43, 2009,pp.2317 – 2348.

    [2] P. Poovanaesvaran, M.A. Alghoul, K.Sopian, N. Amin, M.I. Fadhel and M.Yahya, Design aspects of small-scale photovoltaic brackish water reverseosmosis (PV-BWRO) system,

    Desalination and Water Treatment, 27,2011, 210-223

    [3] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman, Review of brackish water reverse osmosis(BWRO) system designs, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13,2009, 2661-2667

    [4] M.A. Alghoul, P. Poovanaesvaran, K.Sopian, and M.Y. Sulaiman,, Comparison of One Stage and Two Stage- Brackish Water Reverse Osmosis System: A Simulation study

تحلية المياه الجوفية ومياه البحر باستخدام أغشية النانو

تعد تقنية الاغشية الخيار الامثل والاقل كلفة والاكثر رواجا في عالم تحلية المياه وقد كانت حتى زمن قريب مركزة على استخدام أغشية التناضح العكسي Reverse Osmosis  نظرا لكفاءتها في ازالة الملوحة من المياه الجوفية متوسطة الملوحة ومياه البحر ذات التراكيز الملحية العالية. دخلت اغشية النانوNano-filtration membranes  عالم الاغشية بالعموم وسط التسعينات وكان الكثير من الباحثين وقتها يصنفها على أنها نوع من أنواع أغشية التناضح العكسي لكنها استطاعت بخصائصها المتميزة وتطبيقاتها العديدة أن تجد لها مكانا متميزا جعلها تصنف على أنها أحد أهم أنواع الاغشية وأكفئها. وجدت هذه الاغشية مكانا لها في العديد من الصناعات أهمها معالجة الكثير من انواع المياه العادمة والسطحية بسبب قدرتها على ازالة المواد العضوية وكثير من الملوثات، معالجة عصارة مكبات النفايات leachate  ، بالاضافة الى التطبيق الاكثر شيوعا لها وهو تحلية المياه الجوفية ومياه البحر وازالة الكثير من الملوثات والمواد غير المرغوب بها كالنترات والخارصين والفلورايد وتقليل العسرة وغيرها.

يمكن تصنيف أغشية النانو تبعا لعدة تصنيفات أهمها: نوع المادة الخام وهي اما عضوية organic or polymeric membranes  أو غير عضوية ceramic membranes ، حجم ومقاس الفتحات pore size and diameter  وهي غالبا ما تكون أقل من 10 نانوميتر للفتحة الواحدة، الموديول أو الشكل الذي يتناسب مع التطبيق أو العملية أو نظام الفلترة ويكون بالاشكال التالية: flat-sheet , spiral wound, tubular, and  hollow-fiber  وجميع هذه الاشكال متوفرة لدى الشركات المصنعة.

Spiral – Wound module

ينبع الاهتمام بهذه الاغشية في مجال التحلية تحديدا بسبب امتيازها بتقليل التراكيز الملحية على مستويات ضغوط منخفضة نسبيا قياسا بأغشية التناضح العكسي فهذه الأغشية يمكن تعمل على ضغوط أقل من  bar 10 للمياه الجوفية وأقل من 30 bar  لمياه البحر وهي ضغوط أقل بكثير من الضغوط المستخدمة لأغشية التناضح العكسي وهذا يعطيها ميزة اقتصادية واضحة. كذلك فان أغشية النانو أكثر مقاومة للانسداد أو مايعرف fouling or scaling  من أغشية التناضح العكسي وذلك أيضا يقلل من استخدام المواد المقاومة للانسداد. تعمل هذه الاغشية باليتين متوازيتين تساهم في ازالة الكثير من الأملاح الذائبة في الماء حيث يوجد على سطحها الخارجي ايونات بشحنة سالبة بكثافة معينة تقوم على جذب ايونات الاملاح ذات الشحنات الموجبة حسب التكافؤ الخاص بكل ايون وهكذا تحدث عملية ازالة الاملاح المذابة اما الجزيئات كبيرة الحم نسبيا فتتكفل فتحات الغشاء فيزيائيا بمنعها من المرور اعتمادا على حجم هذه الجزيئات وقطر فتحات الغشاء.

 هناك العديد من محطات التحلية في العالم ادخلت أغشية النانو حديثا كتقنية للمعالجة الاولية لمياه البحر قبل ادخالها على اغشية التناضح العكسي وقد أثبتت نجاعتها وكفاءتها بشكل ملحوظ لكن على الرغم من مميزاتها الكثيرة فهي لاتخلو من بعض العيوب كتدني قدرتها على ازالة الاملاح اذا ما كانت التراكيز عالية جدا وكذلك تباين قدرتها على ازالة بعض ايونات الاملاح فهي ذات قدرة عالية على ازالة املاح الكبريتات وقدرة منخفضة على إزالة أملاح الكلورايد لكن ومما لاشك فيه ان لاغشية النانو مستقبلا كبيرا خاصة وانها شهدت اهتماما كبيرا من الباحثين والدارسين والشركات المصنع للاغشية عالميا في الخمس سنوات الاخيرة مما ساهم في تحسين اداءها ورفع كفاءتها.

بقلم

د.عزام أبو حبيب

قسم الهندسة البيئية – الجامعة الاسلامية – غزة – فلسطين

Membrane Filtration Processes in Water Treatment

1.Introduction

              In 1748, the French physicist Nollet first noted that water would diffuse through a pig bladder membrane into alcohol. This was the discovery of osmosis, a process in which water from a dilute solution will naturally pass through a porous membrane into a concentrate solution. Over the years, scientists have attempted to develop membranes that would be useful in industrial processes, but it wasn’t until the late 1950s that membranes were produced that could be used for what is known as reverse osmosis. In reverse osmosis, water is forced to move through a membrane from a concentrate solution to a dilute solution.

Since that time, continual improvements and new developments have been made in membrane technology, resulting in ever-increasing uses in many industries. In potable water treatment, membranes have been used for desalinization, removal of dissolved inorganic and organic chemicals, water softening, and removal of the fine solids.

           In particular, membrane technology enables some water systems having contaminated water sources to meet new, more stringent regulations. In some cases, it can also allow secondary sources, such as brackish groundwater, to be used. There is great potential for the continuing wide use of membrane filtration processes in potable water treatment, especially as technology improves and costs are reduced.

Membrane separation systems have many advantages over traditional water or wastewater treatment processes, including [1–12]:

  • Fewer chemicals are used in the process, which helps minimize the negative impacts of those chemicals on the whole process.
  • Formation of absolute barriers to particle and pathogens. Microorganisms such as bacteria and viruses can be removed by size exclusion; ultra-pure water can therefore be produced.
  • Lower operating and maintenance costs in comparison to conventional systems consisting of coagulation, clarification, and aerobic and anaerobic treatments.
  • Membrane separation systems are easy to operate and the performance is more reliable.
  • Membrane systems give a compact and modular construction, which occupies less floor space in comparison to the conventional treatment systems. This becomes extremely attractive in the land-scarce countries such as Japan and Singapore.
  • Membrane systems followed by an evaporator (for low-volume highly concentrated effluent) can enable industries to achieve zero liquid discharge goals.
  • One-stop reduction or elimination of most contaminants (impurities) in the wastewater stream, e.g., total dissolved solids (TDS), chemical oxygen demand (COD), 5-d biochemical oxygen demand (BOD5), total organic carbon (TOC), color, suspended solids, nitrogen, phosphorus, and heavy metals.
  • Permeate can be suitably reused resulting in water conservation, which reduces the intake

of raw water and provides savings on raw water processing costs.

  1. Membrane Filtration

              A membrane is a thin layer of semi-permeable material that separates substances when a driving force is applied across the membrane. Membrane processes are increasingly used for removal of bacteria, microorganisms, particulates, and natural organic material, which can impart color, tastes, and odors to water and react with disinfectants to form disinfection byproducts.

  1. Description of Membrane Filtration Processes

        In the simplest membrane processes, water is forced through a porous membrane under pressure, while suspended solid, large molecules or ions are held back or rejected.

  1. Types of Membrane Filtration Processes

       The two general classes of membrane processes, based on the driving force used to make the process work, are:

  • Pressure-driven processes
  • Electric-driven processes

4-1.Pressure-Driven Processes

      The four general membrane processes that operate by applying pressure to the raw water are:

  • Microfiltration
  • Ultrafiltration
  • Nanofiltration
  • Reverse Osmosis

Microfiltration

        Microfiltration (MF) is a process in which water is forced under pressure through a porous membrane. Membranes with a pore size of ranging from 0.1 to 10.0 um are normally used; this size is relatively large compared with the other membrane filtration processes. This process has not been generally applicable to drinking water treatment because it either does not remove substances that require removal from potable water, or the problem substances can be removed more economically using other processes. The current primary use of MF is by industries to remove very fine particles from process water, such as in electronic manufacturing. In addition, the process has also been used as a pretreatment for other membrane processes. In particular, RO membranes are susceptible to clogging or filter binding unless the water being processed is already quite clean.

       However, in recent years, microfiltration has been proposed as a filtering method for particles resulting from the direct filtration process. Traditionally, this direct filtration process has used the injection of coagulants such as alum or polymers into the raw water stream to remove turbidity such as clay or silts. The formed particles were then removed by rapid sand filters. The use of filter aids to improve filtering efficiency, especially for small particles that could contain bacterial and protozoan life are recommended.

 

Ultrafiltration

       Ultrafiltration (UF) is a process that uses a membrane with a pore size generally below 0.1 um. The smaller pore size is designed to remove colloids and substances that have larger molecules, which are called high-molecular-weight materials. UF membranes can be designed to pass material that weigh less than or equal to a certain molecular weight.

This weight is called the molecular weight cutoff (MWC) of the membrane. Although UF does not generally work well for removal of salt or dissolved solids, it can be used effectively for removal or most organic chemicals.

       Most UF membranes are made from polymeric materials, such as, polysulfone, polypropylene, nylon 6, PTFE, polyvinyl chloride, and acrylic copolymer. Inorganic materials such as ceramics, carbon-based membranes, and zirconia, have been commercialized by several vendors.

Applications of UF process for water and wastewater treatment include:

  • Oil emulsion waste treatment
  • Production of ultra-pure water for electronics industry
  • Reduction of high COD levels in corn starch plants
  • Selective removal of dissolved toxic metals from groundwater in combination with chemical treatment
  • Treatment of whey in dairy industries
  • Wine or fruit juice clarification

Nanofiltration

         Nanofiltration (NF) is a process using membranes that will reject even smaller molecules that UF. The process has been used primarily for water softening and reduction of total dissolved solids (TDS). NF operates with less pressure that reverses osmosis and is still able to remove a significant proportion of inorganic and organic molecules. This capability will undoubtedly increase the use of NF for potable water treatment. NF membranes can be used to produce drinking water, because they have good molecular rejection characteristics for divalent cations, e.g., calcium and magnesium.

       Membranes used for NF are made of cellulose acetate and aromatic polyamide with characteristics such as salt rejections from 95% for divalent salts to 40% for monovalent salts and an approximate MWCO of 300 for organics. An advantage of NF over RO is that NF can typically operate at higher recoveries, thereby conserving total water usage due to a lower concentrate stream flow rate. NF is not effective on small-molecular weight organics, such as methanol.

Reverse Osmosis

       Reverse Osmosis (RO) is a membrane process that has the highest rejection capability of all the membrane processes. These RO membranes have very low MWC pore size that can reject ions at very high rates, including chloride and sodium. Water from this process is very pure due to the high reject rates. The process has been used primarily in the water industry for desalinization of seawater because the capital and operating costs are competitive with other processes for this service. The RO also works most organic chemicals, and radionuclides and microorganisms. Industrial water uses such as semiconductor manufacturing is also an important RO process.

      Almost all RO membranes are made of polymers, cellulosic acetate and matic polyamide types, and are rated at 96–99% NaCl rejection. RO membranes are generally of two types, asymmetric or skinned membranes and thin film composite membranes. The support material is commonly polysulfones, while the thin film is made from various types of polyamines and polyureas.

Reverse osmosis membranes have been used widely for water treatment such as ultrapure water makeup, pure boiler water makeup in industrial fields, seawater and brackish water desalination in drinking water production, and wastewater treatment and reuse in industrial,

agricultural, and indirect drinking water production as shown in Table 1.

Table 1. Application of reverse osmosis membrane process [13]

Industrial use Drinking water Wastewater treatment and reuse
Ultrapure water, boiler water, process pure water, daily industries. Sea water desalination ,brackish water desalination Industrial water, agriculture water, indirect Drinking water

Other common applications of RO include:

  1. Desalination of seawater and brackish water for potable use. This is very common in coastal areas and. the Middle East where supply of fresh water is scarce.
  2. Generation of ultrapure water for the microelectronics industry.
  3. Generation of high-purity water for pharmaceuticals.
  4. Generation of process water for beverages (fruit juices, bottled water, beer).
  5. Processing of dairy products.
  6. Concentration of corn sweeteners.
  7. Waste treatment for the recovery of process materials such as metals for the metal finishing industries, and dyes used in the manufacture of textiles.

8. Water reclamation of municipal and industrial wastewaters

4-2.Electric-Driven Processes

There are two membrane processes that purify a water stream by using an electric current to move ions across a membrane. These processes are:

  • Electrodialysis
  • Electrodialysis reversal

Electrodialysis

Electrodialysis (ED) is a process in which ions are transferred through a membrane as a result of direct electric current applied to the solution. The current carries the ions through a membrane from the less concentrated solution to the more concentrated one.

Electrodialysis Reversal

Electrodialysis Reversal (EDR) is a process similar to ED, except that the polarity of the direct current is periodically reversed. The reversal in polarity reverses the flow of ions between demineralizing compartments, which provides automatic flushing of scale forming materials from the membrane surface. As a result, EDR can often be used with little or no pretreatment of feed water to prevent fouling. So far, ED and EDR have been used at only a few locations for drinking water treatment.

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

Ain Shames University, Faculty of Science

References

  1. H. S. Ong, Challenges ahead for Singapore’s water supply. Seminar on Ensuring Singapore’s Water Supply: Options and Issues, Shangri-la Hotel, 10–11 Nov. (1997).
  2. M. Joel, E. O. Peter, and R. W. Mark, Water Treatment Membrane Process, McGraw-Hill Company, New York, 1996, pp. 17.1–17.31.
  3. S. Judd and B. Jefferson (eds.), Membrane for Industrial Wastewater Recovery and Re-use, Elsevier Advanced Technology, Oxford, 2003.
  4. J. P. Chen, S. L. Kim, and Y. P. Ting, Optimization of feed pretreatment for membrane filtration of secondary effluent. Journal of Membrane Science 219, 27–45 (2003).
  5. S. L. Kim, J. P. Chen, and Y. P. Ting, Study on feed pretreatment for membrane filtration of secondary effluent. Separation & Purification Technology 29, 171–179, 2002.
  6. R. D. Letterman (ed.), Water Quality and Treatment, A Handbook of Community Water Supplies, 5th ed., McGraw-Hill, New York, 1999.
  7. W. S. W. Ho and K. K. Sirkar (eds.),Membrane Handbook, Chapman & Hall,New York, 1992.
  8. Singapore Public Utilities Board. Singapore Water Reclamation Study, Expert Panel Review and Findings. Singapore (2002).
  9. T. Matsuura, Progress in membrane science and technology for seawater desalination—a review. Desalination 134, 47–54 (2001).
  10. T. Matsuura, Synthetic Membranes and Membrane Separation Processes, CRC Press, Boca Raton, FL, 1994.
  11. T. Matsuura and S. Sourirajan, Studies on reverse osmosis for water pollution control. Water Research 6, 1073–1086 (1972).
  12. Metcalf and Eddy, Inc. (ed.), Wastewater Engineering: Treatment Disposal and Reuse, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 2002.
  13. Norman N. Li, Anthony G. Fane, W. S. Winston Ho, and T. Matsuura, Advanced Membrane Technology and Applications, 2008 John Wiley & Sons, Inc.

 الإسموزية والضغط الإسموزي  (محاولة تفسير وفهم لظاهرة فيزيائية )

عند الوصول إلي حالة الإتزان ، فإن جانب المحلول الأعلي في التركيز يحصل علي ارتفاع أكبر في منسوب المحلول من جانب المحلول الأقل في التركيز رغم تساوي ارتفاع المحلولين علي جانبي الغشاء في البداية.إن الإسموزية هي عملية طبيعية تلقائية ديناميكية وفيها تنتقل جزيئات الماء أو المذيب خلال غشاء شبه منفذ من الوسط الأقل إلي الوسط الأعلي في تركيز المواد الذائبة لتعادل تركيز المحلولين علي جانبي الغشاء . وهي عملية مهمة وتلعب دورا متكاملا في كثير من الأنظمة البيولوجية ، والأنسجة الحية من أجل الحفاظ على بيئة داخلية مثالية ، وكذلك إنتقال المياه إلي النبات من التربة عبر أغشية الجذر وهو مهم لعملية البناء الضوئي وغيره من العمليات الحيوية الهامة.

هذا الفرق في الإرتفاع الناتج بين المحلولين علي جانبي الغشاء شبه المنفذ عند الإتزان هو ما يسمي بالضغط الإسموزي ، وبمعني أخر هو الضغط الخارجي المطلوب لمنع تدفق المياه بين المحلولين المختلفين في التركيزعبر الغشاء شبة المنفذ.

والسؤال الواضح الذي يطرح نفسه هو كيف يمكن أن يتحرك المذيب عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات ضغط تناضحي أقل إلى ضغط تناضحي أعلى متغلبا على الضغط الهيدروستاتيكي.

على سبيل المثال ، في الشكل الموضح أدناه ، يتم فصل ذراعي أنبوب عن طريق غشاء شبه نفاذ حيث يحتوي الذراع الايمن على محلول ذو تركيز منخفض من المذاب مقارنة بتركيز محلول ذراع الجانب الأيسر.

في البداية ، يكون المستوى هو نفسه في ذراعي الأنبوب . عندما يبدأ التناضح ، فإنه يدفع المذيب من ذراعه اليمني إلى ذراعه اليسرى عبر الغشاء شبه النفاذ ، حتى يساوي الضغط التناضحي في الذراع الأيمن مع الضغط الهيدروستاتيكي الذي يمارسه الذراع الأيسر.

وعلى الرغم من أن التناضح هو ظاهرة مألوفة ، وله أهمية محورية في النظم الطبيعية ، إلا أنه نادراً ما يفسر كيف يمكن أن يعمل على المستوى الجزيئي. وفي حين أن هناك العديد من النظريات والتفسيرات التي حاولت تفسير الخاصية الاسموزية ، فإن كل منها استطاع تفسير جزء من ظواهر تلك العملية وأخفق في تفسير جزء أخر ولا يوجد حتي الأن رؤية شاملة لماذا تحدث الخاصية الأسموزية ؟ وفي هذا المقال سيتم استعراض ومناقشة ثلاثة من أهم تلك التفسيرات: 1- الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه ، 2- جزيئات المياه المقيدة ، 3- عدد الجسيمات أو ضغط البخار لفانت هوف .

الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه

هو تفسير بسيط جدا للتناضح ، حيث أن جزيئات المياه تنتقل وتنتشر عبر التدرج في تركيزها من المحلول النقي حيث يكون الماء هو أكثر تركيزاً من المحاليل التي تحتوي علي مواد مذابة لأن المذاب يجب أن يأخذ بعض المساحة في المحلول فتخفيف الماء عن طريق المذاب يؤدي إلى انخفاض تركيز الماء ، وبالتالي يحدث انتشار للماء على طول التدرج في تركيزها من المرتفع إلى المنخفض .

يبدو تفسير جيد ، أليس كذلك ؟ لكن هناك خطأ ما.

فمثلا لو افترضنا أن المحلولين علي جانبي الغشاء أحدهما من الماء النقي والأخر محلول من السكر ، فلماذا لا تتدفق المياه بشكل عشوائي عبر مسام الغشاء في أي من الاتجاهين ، مما يؤدي إلى عدم وجود ضغط تناضحي؟

نعم ، تركيز الماء أقل على الجانب الذي به محلول السكر ، ولكن ماذا يعني ذلك لأي مسام فردية؟ إذا لم يكن جزيء السكر بالقرب من المسام ، فإن تركيز الماء هو نفسه على جانبي المسام ، وإذا كان جزيء السكر قريبًا بما يكفي من المسام ليحجب جزءاً منها ويمنع جزيئات الماء من الهروب ، فإنه يجب أن يمنع تدفق المياه في كلا الاتجاهين ، دون تمييز ، فقد تضرب جزيئات الماء التي تحاول اختراق المسام من الجانب الأخر جزيء السكر ، لكن جزيئات الماء في نفس الجانب تدفع أيضًا جزيء السكر.

أيضاً إذا كان هذا صحيحًا ، فيجب أن يكون تركيز الماء قادراً على التنبؤ باتجاه التناضح عند استخدام المذيبات المختلفة. على سبيل المثال ، يحتوي محلول السكروز(0.2 مولالي أي على 0.2 مول من السكر في كيلوغرام من الماء) على تركيز مائي يبلغ 937 جم / لتر ، بينما يحتوي محلول كلوريد الصوديوم (0.2 مولالي) على تركيز ماء أعلى بكثير – 989 جم / لتر.  ولذلك يجب أن يحصل محلول السكروز على الماء من محلول كلوريد الصوديوم إذا تم فصل الاثنين عن طريق غشاء نصف نافذ .

لكن الحقيقة هي أن المحلول الملولاي للسكروز مع إحتواءه علي تركيز ماء أقل من نفس تركيز المحلول المولالي لكلوريد الصوديوم يزيح المزيد من الماء في إتجاه محلول كلوريد الصوديوم لذلك ، لا يبدو أن تدرج تركيز الماء مهم.
لذلك هذا التفسير لا يمكن الدفاع عنه.

تفسير المياه المقيدة

هذا يعني أن أي مادة قابلة للذوبان في الماء (مثل السكروز أو كلوريد الصوديوم) سوف يرتبط بجزيئات المياه ويكون الجزئات أو الأيونات المماه ويمنع جزيئات الماء تلك من التحرك بحرية . لذلك ، فإن جانب غشاء شبه المنفذ والذي به بماء نقي له تركيز ماء “حر” أعلى من الجانب الذي به جزيئات ذائبة .

أو بطريقة أخري فإن المياه تنتقل من المحاليل المائية ذات الجهد الكيميائي الأكبر إلي المحاليل ذلت الجهد الكيميائي الأقل عند فصلهم بغشاء شبه منفذ ،حيث أن المياه النقية ذات جهد كيميائي أكبر.

ولكن إذا تحرك الماء في اتجاه من الجهد الكيميائي الأعلي إلى الجهد الكيمائي الأقل على أساس تركيز المذاب فقط ، فمثلا  إذا  كنت تفصل محلولين من ملح كلوريد الصوديوم والسكروز لهما نفس التركيز المولي بغشاء شبه منفذ ، يجب أن ينتقل الماء من جانب كلوريد الصوديوم (المول 58.5 جرام) حيث يوجد المزيد من الماء لجانب السكروز(المول 342 جرام) ، حيث يوجد ماء أقل. لكن هذا لا يحدث ، حيث يمتص محلول كلوريد الصوديوم الماء أكثر .

والواقع الفعلي هو أن التناضح لا يعتمد على درجة إماهة ولا حجم جزيئات المذاب بقدر ما يعتمد علي عدد جزيئات المذاب .

عدد الجسيمات أو قانون فانت هوف .

يستند هذا التفسير على قانون فانت هوف. وفقا لهذا القانون لمحلول مخفف في درجة حرارة ثابتة ، فإن الجهد التناضحي يتناسب مع تركيز وعدد جزيئات المذاب. وليس حجم أو طبيعة الجزيئات المذابة فقط . لذلك ، على سبيل المثال ، سيكون لأيون الصوديوم الصغير نفس التأثير التناضحي مثل جزيء السكروز الكبير ، وكلاهما سيعادل جزيء نشا كبير جدا. هذا يعني أيضا أن المواد المؤينة مثل كلوريد الصوديوم يجب أن يكون لها تأثير تناضحي أكبر من المواد غير المؤينة مثل السكروز لأنه عندما تتأين ، فإنها تولد المزيد من الجسيمات . قانون فانت هوف يفسر إلى حد ما التناضح بشكل أفضل من التفسرين السابقين ، ولكن الحقيقة هي أن قانون فانت هوف هو علاقة تجريبية ، وليس وصفاً مادياً لماذا يحدث التناضح.

π = iMRT

حيث ، π هو الضغط التناضحي للمحاليل

i هو معامل فانت هوف.

M = التركيز المولي mol / L.

R = الثابت العام للغازات  L · atm / mol    0.08206= K

T = درجة الحرارة المطلقة في K= 273 + °C))

ولذلك فإن الضغط التناضحي يعتمد على 1- التركيز المولي للمادة المذابة 2- عامل فانت هوف ، وهو يعبر عن مدى ترابط أو تفكك المواد الذائبة في المحلول أو عدد الجسيمات التي يتفكك فيها المذاب في الماء ، فمثلا السكروز = 1 وكلوريد الصوديوم = 2 .

مثال : ما هو الضغط التناضحي لمحلول 1.00 مولار من السكروز عند 25 درجة مئوية؟

عندما ندخل في المعادلة ، لدينا:

(π = i (1.00 mol / L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

ومع ذلك ، هناك  مجهولين: π وهو ما نريد ، و i معامل فانت هوف

وهو ثابت تجريبي بدون وحدة يرتبط بدرجة تفكك المذاب ، وهذا يعني أنه مجرد رقم مثل 1 أو 2 يجب أن نحدده بالتجربة . ويمكنك التنبؤ بما يمكن أن تكون عليه القيمة النظرية ، ولكن القيمة الحقيقية لا توجد إلا في التجربة ، وهو يمثل “درجة التفكك”. وبذلك يكون معامل فانت هوف للسكروز هو 1 ، لأن السكروز لا يتأين في المحلول وتبقى جزيئات كاملة. وبالتالي فإن الجواب هو (24.4atm).

مثال أخر : ما هو الضغط التناضحي (عند 25 درجة مئوية) لمياه البحرتحتوي على حوالي 35.0 جرام من كلوريد الصوديوم لكل لتر. (تحتوي مياه البحر على أملاح أخرى ، ولكننا سنقوم بتجاهلها.)

نحول جرام إلى مول:

35.0 جم / لتر ÷ 58.443 جم/ مول = 0.599 مول / لتر

الآن ، قم بتوصيل المعادلة:

π = (i) (0.599 مول / لتر) (0.08206 لتر atm / mol K) (298 K)

ولكن ما  قيمة معامل فانت هوف لمحلول كلوريد الصوديوم؟

عندما يتأين كلوريد الصوديوم في المحلول ، فإنه ينتج أيونات الصوديوم والكلوريد. حيث ينتج مول واحد من كلوريد الصوديوم مول من كل نوع من الأيونات. لذا فإن عامل فانت هوف نظريا يساوي 2 ، ومع ذلك ، سنستخدم 1.8

لذا ، فان الحل:

π = (1.8) (0.599 mol/L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

π = 26.4 atm

لماذا استخدم 1.8 لمعامل فانت هوف بدلاً من 2 ؟

هذا له علاقة بمفهوم يسمى الإقتران الأيوني . حيث أن عدد معين من أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد يجتمعان عشوائياً معًا ويكوّنا أيون كلوريد الصوديوم المزدوج . هذا يقلل من العدد الإجمالي للجسيمات في المحلول ، وبذلك يقلل معامل فانت هوف.

بقلم م/ يحيي علي

 

المصادر :

تحلية المياه باستخدام تكنولوجيا التناضح إلى الأمام Forward osmosis

  يعرف التناضح إلى الأمام Forward osmosis أو التناضح المباشر أو التناضح هو نقل المذيب (الماء عادة) عبرغشاء نفاذي انتقائي من منطقة ذات إمكانيات تناضحية أقل إلى منطقة ذات اسموزية عالية محتمل وخلال هذه العملية يتم رفض المذاب أو الذائب عن طريق الغشاء و بنفس الطريقة التي يتم بها غشاء التناضح العكسي . تقليديا، يتم تعريف التناضح   Osmosis باسم صافي حركة المياه عبر غشاء شبه منفذ يقودها اختلاف الضغط التناضحي عبر الغشاء ويسمح الغشاء الشبه منفذ بمرور الماء، لكنه يرفض الجزيئات أو الأيونات المذابة. كما يعرف الضغط التناضحي Osmotic pressure بأنه هو القوة الدافعة للعديد من التطبيقات التي سيتم مراجعتها ومناقشتها ولفهم الجوانب النظرية والتطبيقية للتناضح بشكل أكبر في مجال معالجة المياه يكون التناضح العكسي Reverse Osmosis  عملية مألوفة بشكل عام أكثر من التناضح Osmosis .  يستخدم التناضح العكسى RO ضغط هيدروليكي لمعارضة وتجاوز الضغط التناضحي لمحلول التغذية المائي لإنتاج المياه النقية  ففي التناضح العكسى RO الضغط المطبق هو الدافع لقوة النقل الجماعي من خلال الغشاء و لإنتاج المياه المحلاة باستخدام عملية التناضح إلى الأمام .  أما المزايا الرئيسية لاستخدام FO هي أنها تعمل في ضغوط هيدروليكية منخفضة أو معدومة ، ولديها طرد لكثير  من الملوثات  والاملاح المركزة ، وقد يكون لها ميل سفلي غشائي أقل من عمليات الغشاء المدفوعة بالضغط وذلك نظرًا لأن الضغط الوحيد الذي ينطوي عليه عملية FO يرجع إلى مقاومة التدفق في وحدة الغشاء. الجدير بالذكر أنه فى بعض المحطات يتم استخدام الطريقتين FO/RO combination التناضح الى الامام  Forward osmosis ثم التناضح العكسى Reverse Osmosis ويؤدى ذلك الى تقليل استهلاك الطاقة بالنسبة لوحدة التناضح العكسى لان معظم تركيزات الاملاح يتم التخلص منها فى مرحلة ال FO .

 

 

بقلم / كيميائى . أحمد محمود

استشارى معالجة مياه وصرف صحى

شركة ماتيتو لمعالجة المياه