سیستم‌های آب‌شیرین‌کن یا همان اسمز معکوس (RO) دارای بخش‌های مختلفی هستند؛ اما مهم‌ترین و حساس‌ترین بخش آن‌ها غشا یا ممبران است. نگهداری و بهره‌برداری از این سیستم نیازمند آن است که تمامی نکات را بدانیم و به بهترین شکل به کار ببریم. یکی از موادی که باید آن را بشناسیم و کاربرد آن را بدانیم، آنتی اسکالانت است. در این مقاله درباره محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت و کاربرد آن صحبت خواهیم کرد.
آنتی اسکالانت چیست؟
قبل از اینکه روش محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت را شرح دهیم باید بدانید که اسکالانت و آنتی اسکالانت چیست. اسکالانت یا رسوب ذرات بر روی یک غشا یا ممبران باعث مسدود شدن آن می‌شود. بدون استفاده از مواد ضد رسوب مانند آنتی اسکالانت، غشاهای اسمز معکوس (RO) به دلیل رسوب موادی مانند کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم و سولفات استرانسیم گرفته خواهند شد. اکثر آب‌های طبیعی حاوی غلظت هایی از یون‌های کلسیم، سولفات و بی‌کربنات هستند.
آنتی اسکالانت یک افزودنی آب برای سیستم اسمز معکوس است که در جلوگیری از رسوب‌گیری غشاها و گرفتگی آن‌ها بسیار مؤثر است. قبل از اینکه آب تغذیه وارد غشای اسمز معکوس شود، یک آنتی اسکالانت به آب تزریق می‌شود. نحوه عملکرد آنتی اسکالانت ها از طریق ایجاد تأخیر در واکنش‌های شیمیایی که منجر به تشکیل رسوب می‌شوند، می‌باشد. این تأخیر به وسیله مکانیزم‌هایی مثل مهار رشد کریستال‌ها (Threshold Inhibition) یا تغییر شکل کریستال‌ها (Crystal Modification) رخ میدهد. آنتی‌اسکالانت ها به‌طور خاص از واکنش بین “بی‌کربنات (HCO₃⁻) ” و یون های منیزیم و کلسیم جلوگیری نموده و مانع از تشکیل رسوباتی مثل کربنات کلسیم (CaCO₃) یا کربنات منیزیم (MgCO₃) می‌شود. در حقیقت، آنتی‌اسکالانت با اتصال به نقاط فعال کریستال‌های در حال تشکیل یا تغییر خاصیت سطحی آن‌ها، مانع رشد و ته‌نشینی رسوبات می‌شود. در مقاله کاربرد روش اسمز معکوس در تصفیه فاضلاب به بررسی کاربرد این روش پرداخته‌ایم که می‌توانید مطالعه کنید.
روش های جلوگیری از رسوب‌گذاری ممبران
برای جلوگیری از ایجاد رسوب بر روی غشا یا ممبران RO معمولاً سه روش وجود دارد:
- اسیدی شدن
- فرایند تبادل یونی
- استفاده از آنتی اسکالات
1. اسیدی شدن
افزودن اسید، یکی از واکنش‌دهنده‌های لازم برای رسوب کربنات کلسیم (یون های کربنات) را از بین می‌برد. این موضوع در جلوگیری از رسوب کربنات کلسیم و منیزیم بسیار مؤثر است، اما در جلوگیری از سایر انواع رسوب بی‌تأثیر است. چگونگی عملکرد اسیدی شدن، از طریق افزودن اسید (معمولاً اسید سولفوریک H₂SO₄ یا اسید هیدروکلریک HCl) به آب تغذیه می‌باشد که موجب کاهش میزان pH می‌گردد. این کاهش pH، موجب تغییر تعادل شیمیایی کربنات‌ها شده و بی کربنات را مطابق با معادله زیر، به CO₂ تبدیل می‌کند. این فرایند به دلیل کاهش یون کربنات، از تشکیل کربنات کلسیم (CaCO₃) جلوگیری می‌کند.
HCO3−+H+→H2O+CO2HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂
معایب اضافی شامل خورندگی اسید، هزینه مخازن و تجهیزات مانیتورینگ و این واقعیت است که اسید، pH آب خروجی (Permeate) RO را کاهش میدهد. در نتیجه برای جلوگیری از ایجاد رسوب این روش پیشنهاد نمی‌گردد.
محصول پیشنهادی: آب شیرین کن صنعتی
2. فرایند تبادل یونی
این روش از سدیمی استفاده می‌کند که با یون‌های منیزیم و کلسیم که در آب خوراک RO وجود دارند، مطابق معادلات شیمیایی زیر مبادله می‌شود:
Ca2+ + 2NaZ => 2Na+ + CaZ2
Mg2+ + 2NaZ => 2Na+ + MgZ2
NaZ (نشان‌دهنده رزین تبادل سدیم است.)
در حقیقت، تبادل یونی (Ion Exchange) فرایندی است که در آن یون‌های موجود در آب (مثل Ca²⁺ و Mg²⁺) با یون‌های موجود در رزین تبادل یونی (در اینجا Na⁺) جایگزین می‌شوند. این روش معمولاً برای نرم کردن آب (Water Softening) از طریق حذف یون های سختی ساز کلسیم و منیزیم به کار می‌رود و بدین صورت مانع از تشکیل رسوب در سیستم RO می‌گردد.
هنگامی که تمام یون‌های سدیم با کلسیم و منیزیم جایگزین شدند، رزین باید با محلول آب نمک بازسازی شود. تبادل یونی نیاز به تغذیه مداوم اسید یا آنتی اسکالانت را از بین می‌برد.
3. آنتی اسکالانت
آنتی‌اسکالانت‌ها معمولاً از پلیمرهای آلی مانند پلی‌اکریلیک اسید، فسفونات‌ها یا کوپلیمرها می‌باشند که با توجه به داشتن خاصیت “فعال سطحی” (Surfactant-like)، روی سطوح کریستال ها اثر می‌گذارند و تعاملات شیمیایی را تغییر می‌دهند.
آنتی‌اسکالانت‌ها با مکانیزم‌های پیشگیرانه مانع از تشکیل یا رشد رسوبات شده و به طور مؤثر از طریق سه روش زیر، از رسوب گذاری جلوگیری می‌نمایند:
1. مهار آستانه (Threshold Inhibitio)
مهار آستانه به این معناست که آنتی اسکالانت می‌تواند با حفظ محلول در حالت فوق اشباع (Supersaturation)، مانع از تشکیل یا رشد کریستال ها شده و از رسوب گذاری جلوگیری می‌نماید. این مکانیزم به دلیل اتصال آنتی‌اسکالانت به هسته‌های اولیه کریستال (Nucleation Sites) رخ میدهد و یکی از روش های اثرگذاری آنتی اسکالانت بر پیشگیری از رسوب گذاری می‌باشد.
2. اصلاح کریستال (Crystal Modification)
آنتی‌اسکالانت‌ها با تغییر مورفولوژی کریستال‌ها (Crystal Morphology)، موجب تغییر در ساختار آن ها می‌شوند و ساختارهای سخت و چسبنده مانند کریستال های منظم کلسیت را به ساختارهای نرم و غیرچسبنده مانند آراگونیت تغییر می‌دهند. همچنین گروه های منفی در موکول آنتی اسکالانت (مانند گروه های کربوکسیل) به یون های مثبت مانند Ca²⁺ متصل می‌شوند و از رشد بیشتر آن ها جلوگیری به عمل می‌آورند.
3. پراکندگی (Dispersion)
آنتی‌اسکالانت ها از طریق جذب روی سطح ذرات یا کریستال‌ها، موجب ایجاد بار منفی بر روی آن ها می‌شوند. این بار منفی باعث دافعه الکتروستاتیکی بین ذرات شده و از تجمع آن ها جلوگیری به عمل می آورد. همچنین با توجه به جنس غشاهای RO (غالباً پلی آمیدی) که بار منفی دارند، بار منفی ذرات موجب عدم جذب آن ها توسط غشا و سهولت شستشو در جریان کنسانتره می‌شود.
در واقع آنتی اسکالانت به عنوان بخشی از پیش تصفیه است که به آب خوراک (Feed Water) قبل از ورود به غشاها تزریق می‌گردد تا از پوسته‌پوسته شدن و ایجاد رسوب در غشا جلوگیری نماید.
برخی از رسوبات غشایی رایج و اسکالانت ها شامل کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم، سولفات استرانسیوم، فلوراید کلسیم، آهن، مواد کلوئیدی، سیلیس و سایر آلاینده‌های آلی هستند.
کاربرد آنتی اسکالانت در تصفیه آب چیست؟
آنتی اسکالانت ها برای استفاده در سیستم‌های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون بسیار کاربرد دارند. این مواد برای استفاده در سیستم‌های تصفیه آب ضروری هستند؛ زیرا از ایجاد رسوب بر تجهیزات تصفیه جلوگیری می‌کنند. پوسته‌پوسته شدن غشاها به طور معمول باعث آسیب فیزیکی غیر قابل برگشت در اجزای غشا می‌شود و هزینه‌های عملیاتی را به طور قابل توجهی افزایش میدهد. از بین رفتن و گرفتگی غشا می‌تواند به سرعت اتفاق بیفتد و موجب نیاز به جایگزینی غشاها شود که معمولاً بسیار گران است. محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت و اجرای دوز صحیح آنتی اسکالانت مناسب برای آب خوراک (Feed Water) برای عملکرد و نگهداری صحیح سیستم بسیار مهم است.
پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با مرحله‌های مختلف تصفیه آب مقاله مراحل تصفیه آب را مطالعه نمایید.
آشنایی با مضرات آنتی اسکالانت نامرغوب
همان‌طور که در بالا از اهمیت استفاده از آنتی اسکالانت جهت حفاظت از ممبران‌ها صحبت کردیم، لازم است بدانید که استفاده از آنتی اسکالانت ضعیف و نامرغوب مضرات بسیاری دارد. از جمله این مضرات آنتی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- کاهش عمر مفید غشا و ممبران
- کاهش حجم آب خروجی
- ایجاد آسیب به تجهیزاتی از جمله پمپ طبقاتی به جهت افزایش فشار
- گرفتگی غشا و ممبران
- تعویض پیش از موعد ممبران
روش محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت
برای اینکه بتوانیم محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت را انجام دهیم و بدانیم چه میزان از آنتی اسکالانت باید به سیستم تزریق شود، لازم است که موارد مختلفی بررسی شود. میزان آنتی‌اسکالانتی که برای جلوگیری از رسوب‌گذاری در سیستم RO مورد نیاز است، به این بستگی دارد که نمک‌های نامحلول در غلیظ‌ترین قسمت سیستم (مانند کنسانتره) چه میزان بیشتر از حد اشباع می‌باشند (فوق اشباع هستند). درجه فوق اشباع به نوبه خود به غلظت گونه‌های یونی در آب ورودی، شوری کلی آب ورودی، دمای آب ورودی، درصد آب تغذیه بازیافت شده به عنوان تراوا (Recovery Rate) و نوع غشا مورد استفاده (پلی آمیدی یا سلولوزی) بستگی دارد. همچنین دوز تزریق آنتی اسکالانت به غلظت و برند و کارخانه سازنده آن نیز وابسته است.
آنتی اسکالانت ها معمولاً باید قبل از فیلتر کارتریج نهایی (معمولاً 5 میکرونی) اضافه شود و در صورت استفاده از سیستم فیلتراسیون مانند فیلتر کربنی، باید بعد از آن تزریق شود.
آنتی اسکالانت باید با دوزینگ پمپ از یک مخزن رقیق‌سازی، مستقیماً از درام یا از تأسیسات ذخیره‌سازی، به آب تغذیه با سرعتی (Flow Rate) که بر اساس اندازه سیستم غشایی (دبی آب ورودی)، میزان دوز توصیه شده و محدوده تحویل تعیین می‌شود، تحویل داده شود. توصیه می‌شود که دوزینگ پمپ بر اساس طول ضربه (Stroke Length- مثلاً 0.1 میلی لیتر در هر ضربه) تنظیم شود، درحالی‌که فرکانس ضربه (Stroke Frequency- مثلاً 100 ضربه در دقیقه) را تا حد ممکن در سطح بالایی حفظ کند تا توزیع یکنواخت آنتی اسکالانت در آب خوراک سیستم غشایی به دست آید.
باید بدانید که در محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت، میزان دوز قابل تزریق آنتی اسکالانت از 1 تا 6 ppm قابل تغییر است که باز باتوجه‌به برند هر آنتی اسکالانت می‌توان دستورالعمل استفاده از آن را در دست داشت و مطابق با آن محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت را انجام داد.
پیشنهاد می‌کنیم مقاله تصفیه آب دریا را مطالعه نمایید.
سخن پایانی
انتخاب آنتی اسکالانت مناسب برای ایجاد شرایط عملیاتی بهینه برای سیستم RO و همچنین سایر سیستم‌های غشایی مانند نانوفیلتراسیون بسیار مهم است. کاربرد صحیح آن به کارآمدتر بودن سیستم کمک می‌کند. همچنین ممکن است از طریق صرفه‌جویی در انرژی، کاهش دفعات شستشوی شیمیایی (Cleaning) و افزایش عمر غشا، هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد. محاسبه میزان تزریق آنتی اسکالانت و استفاده از مناسب‌ترین و بهینه‌ترین نوع آنتی اسکالانت از جمله موارد قابل توجه در این مبحث است.
شرکت مهندسی پاک پساب اقلیم طراح و مجری سیستم‌های غشایی، مشاور و تأمین کننده در زمینه طراحی، ساخت، بهره‌برداری و نگهداری این سیستم‌ها می‌باشد. همچنین این شرکت تأمین‌کننده انواع آنتی اسکالانت متناسب با نوع سیستم شما است. جهت کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس حاصل نمایید.
