سیستم‌های اولترافیلتراسیون و کربن فعال: مزایا و معایب در تهیه آب فوق خالص

آب فوق خالص آبی است که از آن یون‌های رسانا، کلوئیدها، مواد آلی و سایر ناخالصی‌ها به طور کامل حذف شده‌اند، با مقاومت آب محصول بیش از 18 MΩ·cm (در 25 درجه سانتی‌گراد). سیستم‌های آب فوق خالص معمولاً از فناوری‌های پیش‌تصفیه، اسمز معکوس (RO)، الکترودی‌یونیزاسیون (EDI) و فرآیندهای پس‌تصفیه استفاده می‌کنند که اغلب با درمان‌های کمکی مانند لامپ‌های UV و واحدهای حذف TOC (کربن آلی کل) تکمیل می‌شوند.

جریان فرآیند تولید آب فوق خالص:
جریان فرآیند استاندارد به این صورت است: آب لوله کشی → سیستم پیش تصفیه → سیستم RO چند مرحله‌ای با فشار بالا → سیستم EDI → واحد حذف TOC → سیستم بستر مخلوط پولیش → نقطه استفاده (POU). در طول تولید، پمپ‌ها به عنوان منبع تغذیه عمل می‌کنند و مخازن ذخیره در مراحل مختلف، عملکرد ایمن و پایدار پمپ را تضمین می‌کنند. افزودن فیلترهای با درجه‌های مختلف در نقاط خاص، کیفیت آب محصول را تضمین می‌کند.

علاوه بر این، در طول عملکرد فیلتر، می‌توان مواد شیمیایی مختلفی را برای تنظیم pH آب، کاهش کلر باقیمانده و کند کردن رسوب‌گذاری غشای RO و غیره اضافه کرد. در مناطق شمالی سردتر در طول زمستان، ممکن است مبدل‌های حرارتی در ورودی سیستم پیش تصفیه اضافه شوند تا دمای آب لوله کشی را افزایش دهند تا الزامات فرآیند را برآورده کنند.

علاوه بر این، پاکسازی مخزن ذخیره آب فوق خالص با گاز نیتروژن برای جدا کردن آب از اتمسفر و جلوگیری از آلودگی ثانویه بسیار مهم است.

اهمیت پیش تصفیه:
1. الزامات آب ورودی غشای RO:
سیستم RO مهمترین جزء در تولید آب فوق خالص است. عملکرد صحیح آن ایمنی کل سیستم آب خالص و کیفیت آب محصول را تضمین می‌کند. سیستم‌های RO دارای الزامات خاصی برای آب ورودی هستند:

• شاخص چگالی لجن (SDI) < 4.0

• کدورت (NTU) < 1.0

• محتوای مواد آلی (COD) < 1.5 میلی‌گرم در لیتر

• محتوای کلر باقیمانده < 0.1 میلی‌گرم در لیتر (ایده‌آل کنترل شده در 0 میلی‌گرم در لیتر)

• محتوای آهن 5 میلی‌گرم در لیتر

• سیلیس (SiO₂) در کنسانتره < 100 میلی‌گرم در لیتر

• شاخص اشباع لانژلیه (LSI): pHb - pHs < 0

• یون‌هایی که مستعد تشکیل نمک‌های نامحلول هستند (به عنوان مثال، Sr، Ba): محصول یونی (Ipb) < 0.8 Ksp

2. نقش سیستم پیش تصفیه:
سیستم پیش تصفیه کلر باقیمانده، جامدات معلق بزرگ، کلوئیدهای لخته شده، مواد آلی، اکسیدها، ترکیبات آلی و فلزات سنگین را از آب حذف می‌کند قبل از ورود آن به سیستم RO، در نتیجه مقادیر COD و SDI را کاهش می‌دهد.

علاوه بر این، یون‌هایی مانند کلسیم، منیزیم، باریم، سولفات‌ها، سیلیکات‌ها و کربنات‌ها می‌توانند با افزودن بازدارنده‌های رسوب‌گذاری، کمپلکس شوند تا ذرات بزرگتری تشکیل دهند که سپس به عنوان کنسانتره از واحد RO تخلیه می‌شوند.

(1) تأثیر نقص سیستم بر غشاهای RO:
همانطور که در بخش پیش تصفیه توضیح داده شد، بخش عمده‌ای از ماکرومولکول‌های مضر توسط سیستم پیش تصفیه قبل از رسیدن به غشاهای RO حذف می‌شوند. اگر سیستم پیش تصفیه ناقص باشد و چندین پارامتر آب ورودی RO غیر منطبق باشند، آسیب فیزیکی و شیمیایی غیرقابل برگشت به عناصر غشای RO می‌تواند رخ دهد و عمر مفید آنها را به طور قابل توجهی کوتاه کند. عوامل موثر بر طول عمر غشای RO عبارتند از:

• رسوب‌گذاری غشای RO

• رسوب‌گذاری غشای RO توسط اکسیدهای فلزی

• انسداد غشای RO توسط جامدات معلق

• رسوب‌گذاری توسط کلوئیدها، مواد آلی و میکروارگانیسم‌ها که منجر به افزایش COD آب محصول می‌شود.

(2) تأثیر نقص سیستم بر سیستم آب فوق خالص RO:
نقص در سیستم پیش تصفیه بر کل سیستم آب فوق خالص RO به سه روش اصلی تأثیر می‌گذارد:

• بازده و کیفیت آب محصول سیستم را کاهش می‌دهد.

• مصرف آب و انرژی تجهیزات RO را افزایش می‌دهد.

• هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد، از جمله هزینه‌های بازدارنده‌های رسوب‌گذاری و سایر مواد شیمیایی تصفیه آب.

اصول کار سیستم‌های UF و کربن فعال:
سیستم‌های پیش تصفیه رایج در عمل شامل سیستم‌های اولترافیلتراسیون (UF) و سیستم‌های کربن فعال هستند. یک سیستم UF معمولاً از یک فیلتر دیسکی و یک واحد UF تشکیل شده است. یک سیستم کربن فعال معمولاً شامل یک فیلتر چند رسانه‌ای (MMF) و یک فیلتر کربن فعال (ACF) است.

1. اصل کار سیستم UF:

• فیلتر دیسکی: با استفاده از فیلتراسیون سطحی و عمقی با استفاده از دیسک‌های پلاستیکی محکم بسته شده کار می‌کند. در درجه اول ذرات بزرگ مانند شن و ماسه و لجن را حذف می‌کند.

• اولترافیلتراسیون (UF): یک فناوری جداسازی غشایی تحت فشار. تحت فشار، مولکول‌های حل‌شونده کوچک و حلال از طریق یک غشا با اندازه‌های منافذ خاص عبور می‌کنند، در حالی که مولکول‌های حل‌شونده بزرگتر (وزن مولکولی 10000 - 30000 Da) حفظ می‌شوند و با حذف ماکرومولکول‌ها، محلول را تا حدی تصفیه می‌کنند. (به شماتیک شکل 1 برای اصل UF مراجعه کنید).

2. اصل کار سیستم کربن فعال:

• فیلتر چند رسانه‌ای (MMF): از یک یا چند محیط فیلتر (به عنوان مثال، ماسه کوارتز، آنتراسیت، ماسه منگنز) تحت فشار استفاده می‌کند. آب با کدورت بالا از بستری از مواد دانه‌ای عبور می‌کند و به طور موثر جامدات معلق را حذف کرده و آب را شفاف می‌کند. SDI را به زیر 3 کاهش می‌دهد و برای حذف کدورت و به عنوان پیش تصفیه برای آب نرم شده/خالص استفاده می‌شود.

• فیلتر کربن فعال (ACF): آب از MMF وارد ACF می‌شود که حاوی بستری از ماسه کوارتز است که از محیط کربن فعال پشتیبانی می‌کند. کربن فعال کلر باقیمانده، مواد آلی و ناخالصی‌های معلق را عمدتاً از طریق جذب فیزیکی (نیروهای واندروالس) در شبکه وسیع منافذ خود حذف می‌کند.

مزایا و معایب سیستم‌های UF و کربن فعال:
هر نوع سیستم پیش تصفیه دارای مزایا و معایب خاص خود در طول عملیات است.

سیستم اولترافیلتراسیون (UF):

1. مزایا:

   • ضریب غلظت بالا، میزان بازیابی آب محصول می‌تواند بیش از 90٪ باشد.

   • وضوح و کیفیت عالی آب محصول.

   • به عنوان پیش تصفیه RO، UF هزینه‌های سرمایه‌گذاری RO را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و طول عمر غشای RO را افزایش می‌دهد (بیش از 3 سال).

   • سطح اتوماسیون بالا، ساختار ساده، هزینه‌های عملیات/نگهداری کم؛ قادر به شستشوی معکوس آنلاین و تمیز کردن شیمیایی (CIP).

   • ردپای کوچک.

2. معایب:

   • اندازه منافذ غشای UF (0.002 - 0.1 میکرومتر) طیف وسیعی از فیلتراسیون را پوشش می‌دهد (کلوئیدها ≥0.1 میکرومتر، لاتکس ≥0.5 میکرومتر، باکتری‌ها ≥0.2 میکرومتر، ذرات ≥5 میکرومتر). برخی از اجزا در طول عملیات مستعد گرفتگی هستند و بر سرعت جریان و عمر غشا تأثیر می‌گذارند.

   • هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر (معمولاً 2-3 برابر هزینه یک سیستم MMF+ACF با ظرفیت یکسان).

   • الزامات سختگیرانه در مورد فشار آب ورودی.

   • نمی‌تواند برای مدت طولانی خاموش شود؛ غشاها برای بیکاری طولانی مدت به نگهداری شیمیایی نیاز دارند.

سیستم کربن فعال:

1. مزایا:

   • هزینه سرمایه‌گذاری اولیه کمتر.

   • خروجی آب پایدار؛ کمتر به تغییرات فشار آب ورودی حساس است.

2. معایب:

   • ردپای بزرگ.

   • در طول عملیات، کربن فعال و آنتراسیت تحت واکنش‌های فیزیکی/شیمیایی قرار می‌گیرند که منجر به مصرف طبیعی، فرسایش ظرفیت جذب و تخریب کیفیت آب محصول می‌شود و بر سیستم RO پایین‌دست تأثیر منفی می‌گذارد.

   • چرخه شستشوی معکوس برای ACF دشوار است و اغلب کوتاه است. شستشوی معکوس ناکافی منجر به نشت ریزدانه‌های کربن می‌شود و به شدت کیفیت آب و تجهیزات پایین‌دست را آلوده می‌کند. شستشوی معکوس نامنظم باعث ایجاد افت فشار بالا در سراسر فیلتر می‌شود و خطرات عملیاتی را به همراه دارد و سرعت جریان را کاهش می‌دهد.

   • هزینه‌های عملیات و نگهداری طولانی مدت بالا، حجم کار قابل توجه؛ محیط فیلتر عمر کوتاهی دارد (نیاز به تعویض سالانه دارد).