مقاله زیست پذیری یک نانو فیلتر کم فشار در رابطه با آب برگشتی ، برای کاربردهای استفاده ی دوباره ی آب یک بررسی در مقیاس آزمایشگاهی

بخشی از مقاله

چکیده

هدف این مطالعه، بررسی پتانسیل غشاهاي نانوفیلتراسیون - NF - کمفشار، براي بحث درباره جریان آب برگشتیافته و کاربردهاي استفادهي دوباره و غیرمستقیم آب آشامیدنی بودمخصوصاً. تجارت براي انتخاب نانوفیلتراسیون کمفشار و در سویی دیگر اُسمز معکوس - - RO بررسی شد که به هرحال به طور قابل توجهی شامل کاهش فشارها و هزینه هاي عملیاتی اي که سبب کاهش کیفیت آب نفوذي می شد، می شود .

یک غشاي نانوفیلتراسیون تهیه شده از شرکت - - Dow/Filmtec NF-4040 با سودمندي نفوذ بالا در جهت سهولت استفاده ي دوباره ي آب، براي آزمون در مقیاس آزمایشی در بیش از یک مدت 1200 ساعته انتخاب شده بودغشاهاي. مرسوم اُسمز معکوس براي بحث درباره ي فاضلاب هاي زائد مورد عمل قرار گرفته شدهي قبلی، که پرکننده هاي منابع آبی بودند، به کار گرفته شد.

کاربرد جدید یک غشاي نانوفیلتراسیون - NF - براي مورد عمل قرار دادن آب و به منظور کاربردهاي استفاده ي دوباره ي آب، به یک آزمایش وسیع درباره ي کیفیت آب نفوذي از نانوفیلتراسیون پرداخت و همچنین بررسی براي بازیافت آلوده کننده هاي آلی در مقیاس آزمایشی و با شرایط محیطی اي مطابق با غلظت هاي آبی خوراك را اجازه داد . نتایج حاصل از آزمون در مقیاس آزمایشی، انتخاب پذیري غشاي نانوفیلتر - NF - را، براي دفع اجسام آلی موجود در فاصلاب هاي آبهاي زائد در سطح PPT - قسمت در تریلیون - برجسته کرد.

حال آنکه فشارهاي عملیاتی بوسیله ي یک عامل، 2-3برابر کمتر از غشاهاي مرسوم اُسمز معکوس - RO - باشدمی و معمولاً انباشتن و رد بازیافت آلی متجاوز از 90 درصد شده و بازیافت یونهاي تک ظرفیتی از قبیل نیترات، شگفتآور نبوده و نامرغوب است. به هرحال بازیافت محدود و ناچیز یونهاي تک ظرفیتی، به کاهش غلظت کل جامدات حل شده در جریان آب نمک منجر میشود و نسبت جذب سطحی سدیم به وسیلهي عبور جریان آب نمک از غشاهاي مرسوم اُسمز معکوس مقایسه میشود که میتواند براي استراتژي در دسترس آب نمک، سودمند و مفید باشد.

واژه هاي کلیدي: "نانوفیلتراسیون"، "دوباره استفاده کردن آب"،رد"اجسام آلوده کننده آلی"،رد" جسم حلشده"

مقدمه:

نظر به اینکه رشدمتراکم جمعیت در سراسر جهان ادامه یافته، منابع آبها مخصوصاً در مناطق بایر و خشک تدریجاً کاهش یافته است. بسیاري از شهرها، از سطح آب ِ در تماس با آبهاي زائد فاضلاب یا آبهاي زائد برگشتی، به عنوان یک منبع براي افزودن منابع آب آشامیدنی استفاده کردند. یکی از سهولت هاي استفاده ي دوباره ي آب در جنوب غربی US،به طور رایج یک سیستم غشایی کامل شامل میکروفیلتراسیون و اُسمز معکوس - RO - را که براي عملکرد آبهاي فاضلاب قبلی و براي پرکردن به داخل یک آبخیز آشامیدنی بود به کار گرفت.

برخی از نمایندگی هاي تنظیمی از قبیل حوزهي خدمات سلامتی کالیفرنیا - Cal DHS - - 2007 - ، به طور واضح عملکرد اسمز معکوس را براي تزریق سطح زیري، به منظور مواجهه با طرحهاي تعدیلی پیشنهاد شده و براي دوباره پرشدن آبهاي زیرزمینی با آبهاي برگشتیافته، لازم دانست. این طرحهاي تعدیلی لازم دانستند تا با تزریقی که کل نیتروژن آن از 5 mg و کل کربنهاي آلی آن - TOC - از 0/5 mg متجاوز نباشد، آبهاي برگشت یافته ي قبلی را به منظور به حداقل رساندن تأثیرات پنهانی مضر سلامت که بوسیله ي ارگان هاي شناخته نشده و تعدیل نشده ي موجود در آب ایجاد شده اند، تغلیظ کنند.

به واسطه ي کاربردهاي اسمز معکوس و اسمز معکوس در فشار پایین روي آبهاي آلوده ، فلاکس نفوذي معمولاً به میزان 17-20 m2L.h ،بوده و به یک سیستم بازیافت 75-85 درصدي، به منظور کاهش رسوبات آلی، محدود شده است . اگرچه عوامل به شدت موثر در بیشترین درصد دفع سازنده هاي حل شده در آبهاي زائد، مطالعات قبلی استفاده از - RO - اسمز معکوس و - ULPRO - اسمز معکوس فشار پائین براي کاربردهاي آبهاي زائد را بررسی کرد ، فشار عملیاتی را در محدوده ي 200-700kpa - 110 - 300 psi - گزارش داد، که این یک فلاکس مخصوص را در محدودهي L     - 0/008-0/037    gfd     - 0/03-0/15 نتیجه می دهد. 

عملیاتی - فشار، دبی و دبی مخصوص - از یک غشاي ویژه اسمز معکوس متغیر است و به کیفیت آب ورودي، مشخصات غشا، شرایط عملیاتی - سیستم بازیافت - و درجهي رسوب غشا - بیورسوبها و رسوبهاي آلی - بستگی دارد. غشاهاي نسل جدید از قبیل نانوفیلتراسیون و غشاهاي ULPRO با وسعت کوچکتر،ممکن است فرصت کافی براي کاهش فشار خوراك و هزینه هاي عملیاتی وابسته به رفتار اسمز معکوس را مشروط بر یکسان بودن کیفیت آب نفوذي فراهم کند.

از وقتی غشاهاي نانوفیلتر در پیکربندي هاي یکسان مانند غشاهاي اسمز معکوس تهیه شد، صنایع، اسمز معکوس را با عناصر حلزونی مارپیچ در طی یک غشاي برنامه ریزي شده، به طور منظم با طراحی بدون احتیاج به سرمایه گذاري اضافی جایگزین کردند. اگرچه نانوفیلتراسیون چندین کاربرد خالصسازي آب را جدا کرد، به طور کلی کاربردهاي آن رفتار آبهاي سطحی و آبهاي زیرزمینی را براي تولید آب آشامیدنی محدود کرده است.

یکی از مؤثرترین کاربردهاي وابسته به اجراي تکنولوژي غشاها، فاضلابهاي شهري است. اگرچه رسوب غشاها به کاهش دبیهاي بعدي و نیز به مصرف آبشور مخصوصاً در سرزمینهاي خشک منتج میشود. بدترین طرح وابسته به رسوب غشاها که هزینه هاي پسانداز منفی در برداشت، به واسطه غشاهاي نانوفیلتر میباشد چنانچه ، با سرعت سریعتري ناپاك شود و کاهش دبی بیشتري نسبت به غشاهاي مرسوم اسمز معکوس - RO - نشان دهد.

رد فاضلاب هاي آلی ریز، از قبیل آفت کش ها، محصولات فرعی گندزدایی - DBPS - ، ترکیبات منقطع درون ریز، ترکیبات فعال دارویی - PhACs - ، مواد شیمیایی خانگی و ترکیبات آلی ظاهر شده که در فهرست کاندیداهاي آلوده کننده ي USEPA میباشد و به تأثیرات پنهانی مغایر با سلامت بشر وابسته شده است، علاقه براي استفاده از غشاها را افزایش داد.

بررسی مطالعات اخیر در زمینه ي زیست پذیري غشاهاي نانوفیلتر و اسمز معکوس در عملکرد ِ تکنولوژي هاي آبِ ِ قابل ِ انتقال، رد ناقصی از منقطع کننده هاي درون ریز گوناگون - هورمونهاي ترکیبی و طبیعی - ، PhACs، DBPS و دیگر ترکیبات آلی را بوسیله ي غشاهاي NF و ULPRO گزارش داده استبیشترین. بررسی مطالعات ارزیابی رد آلوده کننده ها، با استفاده از مقیاس ویژهاي روي غشاهاي صفحه تخت یا سلول هاي تصفیه با انتهاي حرکت،بیانجام شده است و بیشتر ِ غلظت ِ جسمِ ِ حل شدهي موجود در خوراك به وسیله ي غشاهاي کوتاه تر در زمان هاي عملیاتی اي که بین ساعات کمی تا دو روز می باشد، تغییر می کند.

به علاوه بیشترین آزمایشات از طرح خوراك مایع از قبیل آب دیونیزه شده، به وسیله ي تشابه جسم حل شده، به کار گرفته شد. همچنین نمونه هاي غشاهاي دستنخورده، تأثیرات ماتریسی آب و تغییرات خصوصیات غشا در اثر رسوب را - که به طور عادي در کاربرد غشاهاي مقیاس بالا مشاهده میشود - نادیده گرفت.

هدف این مطالعه بررسی زیستپذیري یک غشاي نانو فیلتراسیون فشار پایین بود - با فشار خوراکی که متجاوز از 800Kpa یا  115 Psi  نباشد - براي عملکرد فاضلاب آبهاي زائد، از طریق طرح هاي تزریق زیرسطحی به تعیین و ارزیابی شرایط عملیاتی و شرایط کیفیت آب پرداخت که به عنوان نماینده اي از تأسیسات غشایی با مقیاس بالا بودمخصوصاً.

تجارت براي انتخاب نانوفیلتر فشار پایین در سراسر اسمز معکوس ارزیابی شده بود که به طور قابل توجهی کاهش فشارها و هزینه هاي عملیاتی را - که به کاهش کیفیت آب نفوذي منتج می شد - شامل می شود. در طی آزمایش با مقیاس آزمایشگاهی 70 L، براي مدت 1200 ساعت min نمونه ها به طور روتین براي تحلیل اندازه سازنده هایی از قبیل TOC و آمونیوم و نیترات جمع آوري شد.

همچنین ارائه طرح آلوده کننده هاي آلی، محدوده ي وسیعی از خصوصیات وابسته به خواص فیزیکی شیمیایی اجسام را، به منظور رسیدگی به کارایی نانوفیلتراسیون براي تهیه ي جریان نفوذي با کیفیت بالا انتخاب کرد.

مواد و روشها

روشهاي تحلیلی

قابلیت رسانایی با استفاده از یک کاوشگر خاص ِ قابلیت رسانایی، مطابق با روش استاندارد 2510B اندازه گیري شده بود ، غلظت هاي کربن آلی در طی روش 5310B با استفاده از یک غربال کننده، که در کل تجزیه کننده ي 800 کربن آلی است اندازه گیري شده بود . کلرید و نیترات به وسیلهي - IC - کروماتوگراف یونی Dionex Ds 600 ، با استفاده از یک ستون AS14 و یک بیکربنات سدیم برطبق روش 4110C اندازه گرفته شد - Dionex, .Sunny Vale, CA - کاتیونهاي آلی مطابق روش استاندارد 3210B به وسیله ي یک طیفسنج استنتاجی زوچ پلاسما - ICP - ، با مقدار بهینه ي 3000 تایی اندازه گیري شد.

ردیابی آلوده کننده هاي آلی برحسب ppt - قسمت در تریلیون - که به طور مکرر در آبهاي برگشت یافته برحسب ppt - قسمت در تریلیون - یافت شد، براي این مطالعه انتخاب شد. علاوه بر این ، ترکیبات محدودهي وسیعی از خصوصیات فیزیکی شیمیایی را دارا بودند که با کلید تعیین مکانیسم هاي بازیافت برگزیده شده، در طی فرآیند نانوفیلتراسیون مناسب بود.

2 روش براي تعیین خاصیت ترکیبات در سطح ppt به کار گرفته شد. روش رنگ نگاري گازي به همراه طیف نماي جرمی - GC/MS - ، استخراج فاز گازي - SPE - ، پاکیزه سازي و اشتقاق،از Reddersen و Heberer اختیار شده بود. و یکی هم روش رنگنگاري مایع که به وسیلهي طیفنماي جرمی پشتسرهم - LC/MS-MS - ، از واندرفورد منتشر شد.

کلیه ي روشهاي رد آلوده کننده هاي آلی، درجه ي تجزیهاي مواد شیمیایی و درجهي آفتکش حلالها را به کار گرفتند . براي ترکیبات تجزیه شده بوسیله ي GC/MS ، کیفیت بازیافت نمونه ها از طریق استفاده از یک جانشین استاندارد تعیین شد و آزمونهایی که با بازیافت جانشینی پایینتر از 60 درصد و بالاتر از 120 درصد بوده این مجموعه اطلاعات را شامل نشد.

در کوچکترین واحد آزمایشگاه، نمونه ي ساده - نوع 1، آب دیونیزه شده - همهي مراحل GC/MS را دربرداشت. ترکیبات گزارش داد که آنهایی که نسبت مشخص نویز در آنها کمتر از 3 :1 بود یافت نشدند و وقتی نسبت اخطار نویز در آنها از 3: 1 بزرگتر و از 11 :1 کوچکتر بود نیز تعیین نشدند. میزان غلظت یک جسم حل شده ي خاص به صورت یک عدد صحیح، وقتی که نسبت اخطار نویز متجاوز از 11: 1 باشد، گزارش شده است

تجهیزات

غشاي انتخاب شده براي آزمون در مقیاس آزمایشگاهی از سري غشاهاي نانوفیلتراسیون است که از شرکت Dow/Filmtec4040 در شکل حلزونی مارپیچی، خریداري شده است. نانوفیلتراسیون 4040 یک غشاي کامپوزیتی فیلمی نازك، از جنس پلی پایرازین آمید است که براي جداسازي ترکیبات آلی و یونهاي دوظرفیتی از یونهاي تکظرفیتی طراحی شده است .

- Dow/Filmtec - نانوفیلتراسیون 4040 براي آزمون در مقیاس آزمایشگاهی انتخاب شده بود که براي کارایی کیفیت آب نفوذي ِ مؤثر پایه ریزي شده بود . در طی یک مقیاس آزمایشگاهی 12 عدد از غشاهاي تجاري و در دسترس اُسمز معکوس Ro - ، - اُسمز معکوس در فشار پایین - ULPRO - و نانوفیلتراسیون - NF - را که تست شده و با یکدیگر مقایسه شدند را مطالعه و بررسی کرد Bellona - براي انتشار ارائه داد - .

پارامترهاي کارایی در طی این مطالعه که شامل رد شدن به واسطهي قابلیت رسانایی، نیترات، آمونیوم و رد شدن آلوده کننده هاي آلی بود، بررسی شد. همچنین کاهش دبی و دبی مخصوص و فشار عملیاتی ناشی از رسوب، بررسی شده. غشاي نانوفیلتراسیون 4040، براي دستیابی به TOC بالا و اثر رد شدن بالاي مواد آلی برپا شده بود که فشارهاي پایین عملیاتی و به طور نسبی فلاکس پائین در طی 200 ساعت عملکرد ناشی از رسوب، کاهش نشان میدهد و بنابراین براي آزمون در مقیاس آزمایشگاهی انتخاب شده بود.

آزمون در مقیاس آزمایشگاهی به وسیله ي یک پایه با 4 مرحله انجام شد که عناصر حلزونی مارپیچی 20 واحدي 4040 را به کار گرفته و براي شبیه سازي هیدرولیکی و بازیافت سلسله ي دو مرحله اي اُسمز معکوس - RO - در مقیاس کامل طراحی شد. به منظور برآوردن این هدف، یک آرایش 1:1:2:2 براي مجراي فشار، به وسیله ي اشغال هر مجراي فشار به ترتیب با عناصر 4 و 3و 4و 3، به کار گرفته شد.

این طراحی، با استعمال 7 عنصر 8040 به وسیله ي لوله، شبیه سازي یک رشته ي دومرحله اي در مقیاس کامل را ثابت کرد. این پایه ي آزمایشی به وسیله ي یک سیستم کنترل مرسوم و وابسته به نظارت و فراگیري داده - SCADA - براي دیدن و ثبت کردن دبی و فشار و پارامتر کیفیت آب، تجهیز شده بود pH - ، دما و قابلیت هدایت - . غشا در مقیاس پایه آزمایشگاهی به آسانی ِ یک روش مقیاس کامل در مدت 1200 ساعت به کار انداخته شد، که سومین روش براي آبهاي زائد را بهره برداري کرد.