نبذة عن أنظمة التناضح العكسي

التناضح العكسي (RO) هي تقنية لمعالجة المياه يمكنها إزالة الملوثات مثل الأملاح الذائبة والكائنات الدقيقة والمواد العضوية من المياه بمعدل عالٍ باستخدام غشاء شبه نافذ. وقد أصبحت هذه الطريقة، التي تعمل عن طريق عكس عملية التناضح الطبيعي، إحدى الركائز الأساسية لمعالجة المياه الصناعية اليوم. وهي تلعب دوراً مهماً في استعادة المياه المالحة أو غير الصالحة للاستخدام كمياه شرب أو مياه معالجة. على سبيل المثال، يشيع استخدام التناضح العكسي لتحلية مياه البحر للحصول على مياه الشرب. اعتبارًا من عام 2019، كان ما يقرب من 16000 محطة تحلية في جميع أنحاء العالم تنتج ما مجموعه حوالي 95 مليون متر مكعب/يوميًا من المياه بتقنية التناضح العكسي (نصف هذه الطاقة تقريبًا في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا). يلعب التناضح العكسي دورًا حاسمًا من خلال توفير المياه العذبة في المناطق التي تكون فيها موارد المياه محدودة وتوفير مياه عالية النقاء في العمليات الصناعية.

يتم وضع التناضح العكسي كواحدة من أكثر خطوات المعالجة حساسية وتقدماً في عمليات معالجة المياه العامة. تعتبر الطرق التقليدية مثل الترشيح أو الترسيب أو التطهير فعالة في إزالة المواد الصلبة العالقة والميكروبات، ولكنها لا تستطيع إزالة الأيونات الذائبة والملوحة. من ناحية أخرى، يوفر التناضح العكسي إزالة المعادن عن طريق فصل جزيئات الماء عن الأيونات والجزيئات الأخرى بمبدأ الفصل الغشائي. لذلك، يُستخدم التناضح العكسي بشكل عام لتوفير النقاء النهائي للمياه بعد خطوات ما قبل المعالجة مثل الترشيح الرملي والترشيح الفائق والكربون المنشط. ويُعتبر التناضح العكسي بمثابة "المصقول" أو تقنية المرحلة النهائية في سلسلة عمليات معالجة المياه لأنه يقوم بأفضل تنقية. وعادة ما تكون المياه المنتجة التي يتم الحصول عليها ذات جودة تفي بمعايير مياه الشرب أو معايير النقاء الصناعي ذات الصلة. ونتيجة لذلك، يتمتع التناضح العكسي بمكانة لا غنى عنها في كل من إمدادات مياه الشرب وإعداد المياه الصناعية من خلال توفير إنتاج مياه نقية بمستوى لا يمكن الوصول إليه بالطرق التقليدية.

مبدأ عمل التناضح العكسي

الفرق بين التناضح والتناضح العكسي

الأسموزية هي عملية طبيعية تحدث عندما يتم الفصل بين بيئتين بتركيزات مختلفة للمحلول بواسطة غشاء شبه نافذ. يميل الماء إلى موازنة التركيزات عن طريق المرور عبر الغشاء من الجانب ذي التركيز الأقل (الأقل ملوحة) إلى الجانب ذي التركيز الأعلى. يحدث هذا الانتقال بفضل الضغط الأسموزي اعتمادًا على فرق تركيز المحلول. في التناضح العكسي، يتم عكس اتجاه التدفق الطبيعي هذا عن طريق الضغط من الخارج. وبعبارة أخرى، بمساعدة الضغط العالي، يتم دفع الماء من الجانب ذي التركيز الملحي العالي (مثل ماء البحر) إلى الجانب ذي التركيز الملحي المنخفض (الماء النقي). وبهذه الطريقة، يقوم الغشاء بتمرير جزيئات الماء بينما يحبس الأيونات والجزيئات الأكبر حجمًا. ولكي تحدث عملية التناضح العكسي، يجب أن يتجاوز الضغط المطبق الضغط الأسموزي لمياه التغذية. على سبيل المثال، في عملية تحلية مياه البحر، يتم استخدام ضغوط عالية مثل 60-80 بار تقريبًا للتغلب على الضغط الأسموزي (حوالي 30 بار)؛ وبالتالي، يتم فصل جزيئات الماء عن الماء المالح وتمريرها إلى جانب الماء النظيف.

هيكل أغشية التناضح العكسي وتشغيلها

تُصنع أغشية التناضح العكسي الحديثة بشكل عام من هيكل مركب من طبقة رقيقة (TFC) ، وهي مادة قائمة على البولي أميد. وتكون طبقة الفصل النشطة عبارة عن طبقة رقيقة جدًا، سمكها حوالي 2000 Å (0.2 ميكرومتر)، والتي تسمح بمرور الماء من خلالها مع رفض الأملاح الذائبة إلى حد كبير. توضع هذه الطبقة النشطة على ركيزة مسامية للغاية لتوفير الدعم الميكانيكي. عادةً ما تكون عناصر غشاء التناضح العكسي على شكل وحدات ملفوفة حلزونية في التطبيقات الصناعية. في عنصر الغشاء ذي الجرح الحلزوني، يتم وضع فاصل على شكل شبكة بين طبقتين من الغشاء لإنشاء مسافة تدفق، ويتم لصق الحواف لتشكيل هيكل مغلف. يتم لف هذه الحزمة الغشائية الشبيهة بالمغلف حول أنبوب تجميع مركزي مثقوب بطبقة دعم مسامية تسمى الناقل المتخلل. يتم إغلاق الأظرف بمادة لاصقة على ثلاث حواف، ويتم توصيل الحافة المفتوحة بأنبوب التجميع المركزي. يتدفق ماء التغذية بشكل مضطرب على سطح الغشاء بفضل هذا الفاصل وتمر جزيئات الماء عبر الغشاء وتتحرك نحو الأنبوب المركزي على طول حامل النفاذية داخل الأظرف. الأيونات التي لا يمكن أن تمر عبر سطح الغشاء يتم حملها بعيدًا مع التدفق إلى خارج الغلاف وتشكل تيار التركيز. وبالتالي، يتم فصل تيار تغذية واحد إلى تيارين منفصلين بعد مغادرة وحدة الغشاء: المتخلل (الماء المنتج) والمركز (العائد/المرفوض).

الشكل 1: مبدأ التدفق المتقاطع في غشاء التناضح العكسي. يقسم نظام الغشاء تيار التغذية إلى قسمين: يمر الماء المنقى (المتخلل) عبر الغشاء، بينما يتم تصريف الجزء المتبقي كتيار مركز، مع تركيز الملوثات. هذا الترشيح بالتدفق المتقاطع يقلل من تكوين الرواسب على سطح الغشاء؛ إذا كان هناك تيار مخرج واحد (مثل الترشيح المسدود)، فإن الغشاء سينسد بسرعة. تخلق عناصر التناضح العكسي ذات الجرح الحلزوني تأثير غسيل مستمر مع مبدأ أن المياه التي يتم تغذيتها من الأمام تتدفق بالتوازي مع سطح الغشاء ويخرج تدفق التركيز من الجوانب. يضمن هذا الهيكل التشغيل الفعال والعمر الطويل للغشاء. يتم تجميع المياه المنقاة التي تمر عبر الغشاء في أنبوب تجميع النفاذية في وسط العنصر.

الضغط، التدفق وسلوك الغشاء

في أنظمة التناضح العكسي، يكون ضغط التشغيل هو المحدد الأساسي لأداء النظام. مع زيادة الضغط المطبق، يزداد التدفق عبر الغشاء؛ ومع ذلك، فإن كل غشاء لديه قدرة تدفق قصوى وخطر انخفاض كفاءة الاحتفاظ بالملح في حالة الضغط الزائد. عادةً ما يحتفظ نظام التناضح العكسي المصمم جيدًا بنسبة 95-99% من المواد الصلبة الذائبة في مياه التغذية. على سبيل المثال، يمكن لمياه التغذية التي تبلغ نسبة المواد الصلبة الذائبة فيها 500 ملغم/لتر أن تنتج مياهًا منتجة بنسبة مواد صلبة ذائبة أقل من 10-25 ملغم/لتر في ظل ظروف مناسبة. وبينما يتدفق الماء عبر الغشاء، تتم إزالة جزء من الماء على شكل نفاذية بينما تتم إزالة الباقي كمركز. يشير معدل الاسترداد إلى مقدار المياه التي يتم جمعها من مياه التغذية كنفاذية وعادة ما تكون في حدود 50-80% (اعتمادًا على جودة مياه التغذية). الاستعادة العالية تعني كمية أقل من مياه الصرف الصحي، ولكنها تزيد من تركيز الملح في المركز، مما يزيد من خطر تكوين القشور على الغشاء. لذلك، يتم تحديد الاسترداد الأمثل لكل تطبيق. بالإضافة إلى ذلك، درجة الحرارة هي معلمة تؤثر على تدفق المياه: في درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض لزوجة الماء، مما يزيد من تدفق الغشاء، ولكن الضغط الأسموزي يزداد أيضًا، مما قد يزيد من نفاذية الملح إلى حد ما. ولذلك، عادةً ما يتم تصميم أنظمة التناضح العكسي لدرجة حرارة مرجعية تتراوح بين 20-25 درجة مئوية، ويتم إجراء تقييمات الأداء عن طريق تطبيع درجة الحرارة. ونتيجة لذلك، فإن مبدأ تشغيل التناضح العكسي هو فصل المياه تحت ضغط عالٍ باستخدام غشاء شبه نافذ، للحفاظ على سطح الغشاء نظيفًا مع تشغيل التدفق المتقاطع، وتحسين معايير التشغيل وفقًا لجودة المياه.

المكونات الرئيسية لأنظمة التناضح العكسي

يتكون نظام التناضح العكسي الصناعي من عدة وحدات فرعية تكمل بعضها البعض لتحويل المياه من مياه خام إلى مياه نقية صالحة للاستخدام. المكونات الرئيسية هي:

أنظمة المعالجة المسبقة

اعتمادا على طبيعة مياه التغذية، فإن المعالجة المسبقة ضرورية لحماية أغشية التناضح العكسي وضمان تشغيلها بكفاءة. تتضمن المعالجة المسبقة عادةً خطوة واحدة أو أكثر. يمنع الترشيح الرملي أو الترشيح متعدد الوسائط انسداد الجسيمات في الأغشية عن طريق الاحتفاظ بالمواد الصلبة العالقة التي تسبب تعكر المياه. يمكن استخدام وحدات الترشيح الدقيق أو وحدات الترشيح الفائق لإزالة الجسيمات الدقيقة والتعكير، خاصة في مياه التغذية عالية الحمولة مثل المياه السطحية أو مياه الصرف الصحي. تعمل مرشحات الكربون المنشط على إزالة الكلور الحر والمواد العضوية من مياه التغذية - وهو أمر بالغ الأهمية لإزالتها مسبقًا، حيث يمكن للكلور أن يحلل كيميائيًا (يؤكسد و"يحرق") أغشية التناضح العكسي ذات الأغشية الرقيقة. يزيل الكربون المنشط أيضًا المواد المسببة للطعم والرائحة، مما يحسن الجودة الحسية للمياه. ومرة أخرى، قد تشمل المعالجة المسبقة تليين (التبادل الأيوني) أو جرعات من مضادات الإزالة، اعتمادًا على عسر الماء. وبهذه الطريقة، يتم تقليل مستويات تشبع أيونات الصلابة مثل الكالسيوم والمغنيسيوم أو الأنواع التي يمكن أن تشكل قشورًا مثل الكبريتات والسيليكا، ويتم منع تكوين الحجر الجيري (القشور) على الغشاء. وأخيرًا، إذا كانت هناك كائنات دقيقة في مياه التغذية لديها القدرة على النمو بيولوجيًا، فيمكن تقليل الحمل البيولوجي باستخدام أجهزة التطهير بالأشعة فوق البنفسجية أو عوامل مبيدات حيوية عند المدخل. تعمل المعالجة المسبقة المصممة جيدًا على إطالة عمر أغشية التناضح العكسي وتقليل تكاليف التشغيل عن طريق تقليل تكرار التنظيف.

مضخة الضغط العالي

يتم تغذية المياه المعالجة مسبقاً تحت ضغط عالٍ لتمر عبر أغشية التناضح العكسي. وتؤدي مضخة الضغط العالي، التي تعتبر قلب النظام، هذه المهمة. وعادة ما تكون المضخة عادةً مضخة طرد مركزي من الفولاذ المقاوم للصدأ، اعتمادًا على متطلبات التصميم، ويمكن أن توفر ضغوط تشغيل تتراوح من 10 إلى 80 بار (اعتمادًا على ملوحة مياه التغذية). قد يكون هناك صمام لتنظيم الضغط أو خط جانبي للتحكم في الضغط عند مخرج المضخة والحفاظ عليه. في محطات التناضح العكسي واسعة النطاق، تُستخدم محركات التردد المتغير (VFDs) في المضخات لتحقيق كفاءة الطاقة؛ وهذا يسمح بضبط سرعة المضخة للوصول إلى الضغط المطلوب وحماية الأغشية من الزيادات المفاجئة في الضغط. بالإضافة إلى ذلك، يتم تركيب صمامات الأمان (تخفيف الضغط) لمنع تراكم الضغط المفرط في خط الضغط العالي.

وحدات الغشاء

المكون الرئيسي الذي تتم فيه عملية التناضح العكسي هو وحدة الغشاء. وعادةً ما تكون عناصر الغشاء ذات الجرح الحلزوني وحدات أسطوانية قياسية بقطر 4 بوصة أو 8 بوصة وتوضع في سلسلة في أوعية الضغط (المبيت). يتم بناء كل وحدة عن طريق تغليف صفائح غشائية شبه نافدة وفواصل بإحكام (الشكل 2). تدخل مياه التغذية إلى مدخل كل وعاء ضغط وتتركز تدريجيًا أثناء مرورها عبر عناصر الغشاء المتصلة بالسلسلة وتخرج في النهاية. وخلال هذا الوقت، يتم تجميع كمية معينة من المتخلل من كل عنصر في الأنابيب في وسط الأغشية. يمكن ترتيب وحدات الأغشية كأنظمة أحادية المرحلة أو متعددة المراحل، اعتمادًا على ترتيب النظام. يتم توفير مقاييس ضغط عند كل مخرج وحدة أو رأس وعاء ضغط ويتم توفير مقاييس تدفق على كل تيار لمراقبة أداء الأغشية. يتم استبدال وحدات الأغشية على فترات منتظمة (على سبيل المثال 3-5 سنوات) مع تدهور الأداء؛ ويمكن تمديد هذه الفترة مع المعالجة المسبقة والتشغيل الجيد.

الشكل 2: طبقات عنصر غشاء التناضح العكسي الحلزوني الملفوف الحلزوني. يظهر هيكل عنصر الغشاء في الصورة من خلال فتح اللف الخارجي. الأنبوب الأصفر في متناول اليد هو أنبوب التجميع المركزي المتخلل للعنصر. الطبقات البيضاء الملفوفة حول الأنبوب هي أوراق الغشاء شبه النافذة، والمادة الشبيهة بالشبكة بينهما هي شبكة فاصل التغذية. وبالإضافة إلى ذلك، توجد طبقة حاملة للنفاذية على السطح الخلفي لأوراق الغشاء، والتي تسمح بنقل النفاذية إلى المركز. وبفضل هذا الهيكل الطبقي، يتدفق ماء التغذية عن طريق التشتت على طول أوراق الغشاء، بينما يمر الماء النقي عبر الأغشية ويتحرك على طول الطبقة الناقلة إلى المركز، ولا يمكن للأملاح والشوائب الأخرى أن تمر عبر الغشاء وتتركز في مجرى النفايات.

معدات التحكم في التدفق

يتم استخدام العديد من الأجهزة وعناصر التحكم للتشغيل المستقر والآمن لأنظمة التناضح العكسي. تراقب مقاييس الضغط ضغط النظام عند مخرج المضخة وعند مدخل/مخرج كل وعاء ضغط غشائي. تقيس مقاييس التدفق معدلات التدفق في خطوط التغذية والتخلل والتركيز لمراقبة توازن الماء في النظام. وبهذه الطريقة، يمكن حساب معدل الاسترداد على الفور والتأكد من عدم تجاوز قيم التصميم. تراقب أجهزة استشعار الموصلية (TDS) جودة مياه المنتج؛ يتم قياس موصلات التغذية والتخلل لحساب استرداد الملح لمراقبة أداء الغشاء (يوفر الغشاء الجيد عادةً أكثر من 95% من رفض الملح). توجد صمامات تحكم أوتوماتيكية خاصة في خط مخرج المركزات وتستخدم لضبط ضغط/استرداد النظام. هذه الصمامات، المزودة بمشغلات كهربائية أو هوائية، تفتح وتغلق وفقًا لإشارات من نظام التحكم، مما يخلق نظام تدفق وضغط ثابت. في وحدات التناضح العكسي الأكبر، تراقب لوحة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أو لوحة التحكم باستمرار البيانات من هذه المستشعرات وتوفر الأتمتة عن طريق ضبط سرعة المضخة ومواضع الصمامات. يمكن استخدام أدوات إضافية مثل أجهزة قياس درجة الحرارة، وأجهزة قياس الأس الهيدروجيني، وإذا لزم الأمر، أجهزة استشعار ORP لمراقبة خصائص المياه واكتشاف أي شذوذ محتمل. وأخيرًا، تُعد صمامات فحص منع الضغط الخلفي ومستشعرات التسرب/التشغيل الجاف أيضًا جزءًا من نظام التحكم في التدفق للتشغيل الآمن.

عمليات المعالجة النهائية

نظرًا لأن المياه التي يتم الحصول عليها من غشاء التناضح العكسي منخفضة جدًا في المعادن وذات معدل تشبع مرتفع، فقد تكون هناك حاجة إلى تعديلات نهائية في بعض التطبيقات. يتم تعديل الأس الهيدروجيني لموازنة الأس الهيدروجيني الذي انخفض في مياه منتج التناضح العكسي، خاصة بسبب الأحماض العضوية الطبيعية وثاني أكسيد الكربون. على سبيل المثال، قبل استخدامها كمياه شرب، يتم قلونة مياه التناضح العكسي قليلاً قبل استخدامها كمياه شرب، وذلك لمنع تآكلها في الأنابيب (يمكن استخدام مرشحات الكالسيت أو جرعات هيدروكسيد الصوديوم للتحكم في التآكل). كما أن موازنة المعادن (إعادة المعادن) أمر شائع أيضاً بالنسبة لمياه الشرب؛ فالمياه المنزوعة المعادن تماماً يمكن أن يكون لها طعم لطيف ومن المرغوب فيه استعادة بعض المعادن للاستهلاك البشري. ولهذا الغرض، يتم تطبيق طرق مثل المرور عبر طبقات كربونات الكالسيوم أو وضع الأملاح المعدنية. التطهير، على الرغم من أن المياه الخارجة من عملية التناضح العكسي تكون خالية تمامًا تقريبًا من البكتيريا والفيروسات، إلا أن التطهير مهم لمنع إعادة التلوث عند إعطائها لنظام التوزيع. خاصة في إنتاج مياه الشرب البلدية، تتم إضافة مطهر دائم مثل الكلور أو الكلورامين إلى مياه منتج التناضح العكسي. وبدلًا من ذلك، إذا كان سيتم تخزينها، يمكن حماية خزانات المياه بأجهزة التطهير بالأشعة فوق البنفسجية. في بعض التطبيقات الصناعية، يمكن إخضاع مياه منتج التناضح العكسي لمزيد من خطوات التنقية (مثل التأين الكهربائي، وإزالة المواد العضوية بالأشعة فوق البنفسجية، والترشيح المطلق 0.2 ميكرون). عمليات التلميع هذه ضرورية للحصول على مياه فائقة النقاء، خاصة في الصناعات الإلكترونية والصناعات الدوائية. ونتيجة لذلك، يتم تصميم المكونات الرئيسية لأنظمة التناضح العكسي ككل لإنتاج مياه ذات نقاء مستهدف من المياه الخام، ويلعب كل مكون دورًا حاسمًا في أداء النظام.

الشكل 3: وحدة معالجة المياه بالتناضح العكسي الصناعية. مرشحات أولية مثل الرمل/الكربون المنشط في خزانات من الفولاذ المقاوم للصدأ على اليمين، وأغشية التناضح العكسي في أوعية ضغط أسطوانية أفقية على اليسار، ومضخة ولوحة تحكم في المقدمة. صُمم هذا النوع من الأنظمة للحصول على مياه منتجة عالية النقاء عن طريق تمرير المياه الخام عبر عدة مراحل في تطبيقات مثل إنتاج مياه الشرب المعبأة في زجاجات.

مراحل عملية التناضح العكسي

تحدث تنقية المياه في نظام التناضح العكسي على عدة مراحل أساسية ومتسلسلة:

عملية ما قبل المعالجة

يجب جلب المياه الخام إلى ظروف مناسبة قبل دخول أغشية التناضح العكسي. تعمل المعالجة المسبقة، كما هو مفصل في القسم 3، على حماية الأغشية عن طريق إزالة المواد الصلبة العالقة والكلور وأيونات العسر والكائنات الدقيقة من الماء. هذه المرحلة ضرورية للتشغيل الصحي لعملية التناضح العكسي. في الأنظمة ذات المعالجة المسبقة غير الكافية، تصبح الأغشية متسخة بسرعة، ويزداد فقدان الضغط وتنخفض الكفاءة. على سبيل المثال، يتم تنقية مياه الآبار العكرة أولاً عن طريق المرور عبر مرشح رملي وفلتر خرطوشة، ثم تمر عبر فلتر كربون نشط لإزالة الكلور وتغذية وحدة التناضح العكسي بإضافة جرعة مضادة للماء. وبهذه الطريقة، فإن المياه التي تصل إلى مدخل الغشاء تحمل أقل قدر ممكن من الرواسب والحمل البيولوجي والقشور.

الترشيح الغشائي (مرحلة التناضح العكسي)

يتم تغذية المياه المعالجة مسبقًا إلى غشاء (أغشية) التناضح العكسي بواسطة مضخة عالية الضغط. ومن خلال الترشيح الغشائي الذي يحدث داخل وحدات التناضح العكسي، تمر جزيئات الماء عبر هيكل الغشاء ويتم تجميعها كنفاذية بينما يتم تكثيف الأملاح المذابة والملوثات الأخرى في التيار المركز ويتم تصريفها. في الأنظمة الصناعية، تُستخدم الأنظمة متعددة المراحل بشكل عام لتحقيق الاسترداد المطلوب وجودة المياه المطلوبة. على سبيل المثال، في النظام متعدد المراحل، تصبح المياه المركزة الخارجة من المرحلة الأولى هي تغذية المرحلة التالية. وبهذه الطريقة، يمكن زيادة معدل الاسترداد الكلي (على سبيل المثال، يتم أخذ 50% من النفاذية في المرحلة الأولى ويتم تغذية المركز إلى المرحلة الثانية، مما يحقق استردادًا إجماليًا بنسبة 75-80%). على العكس من ذلك، في الأنظمة متعددة الممرات، يتم تمرير المياه المتخللة من خلال غشاء RO آخر مرة أخرى وجعلها أكثر نقاءً (يستخدم RO مزدوج المرور خاصة في قطاعات مثل أشباه الموصلات والمستحضرات الصيدلانية حيث تكون المياه فائقة النقاء مطلوبة). هناك مشكلة أخرى يجب أخذها في الاعتبار في مرحلة الترشيح بالغشاء وهي إدارة المياه المركزة/المرفوضة. يجب تصريف التيار المركز الناتج عن التناضح العكسي بشكل مناسب بسبب محتواه العالي من الملح والملوثات. في محطة معالجة مياه البحر، يمكن تصريف المياه المركزة مباشرة في البحر (يتم ضبط نسبة الخلط من خلال إجراء تقييمات الأثر البيئي)، ولكن في محطات معالجة المياه المالحة الداخلية، عادة ما يتم توجيه المياه المركزة إلى خطوط مياه الصرف الصحي أو حقن الآبار العميقة أو أحواض التبخير. هذا التيار المركز هو منتج ثانوي لا يمكن تجنبه من عملية التناضح العكسي ويجب إدارته كجزء من كفاءة المعالجة الشاملة.

عمليات المعالجة النهائية

وتخضع المياه المتخللة التي يتم الحصول عليها من الأغشية لبعض المعالجات النهائية حسب الغرض من الاستخدام. إذا تم الحصول على مياه الشرب، يتم تصحيح الأس الهيدروجيني للمياه المتخللة بشكل عام إلى الجانب القلوي قليلاً ويمكن إضافة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم إلى الماء لجعله أكثر صلابة (على سبيل المثال، عن طريق تمريره من خلال مرشحات رخامية). توفر هذه العملية للمياه طابعاً أكثر توازناً وصالحة للشرب. ثم تتم المعالجة بالكلور في شبكة التوزيع لضمان السلامة البيولوجية. من ناحية أخرى، في الاستخدامات الصناعية مثل مياه تغذية الغلايات، يتم إرسال نفاذية التناضح العكسي إلى وحدات نزع الأيونات (التبادل الأيوني أو التأين الكهربائي) لإزالة آخر الأيونات النزرة المتبقية وبالتالي يتم الحصول على مياه ذات موصلية منخفضة للغاية. يتم تخزين الماء المنتج الذي تم الحصول عليه أو تسليمه مباشرة إلى نقطة الاستخدام بعد أن يتوافق مع المعايير ذات الصلة. إذا كانت المياه الخارجة من نظام التناضح العكسي سيتم تخزينها، فيمكن تطبيق التشعيع الدوري بالأشعة فوق البنفسجية أو الكلورة الوقائية لمنع نمو البكتيريا في الخزان. تتضمن مرحلة المعالجة النهائية اللمسات النهائية اللازمة لجعل المياه مناسبة للاستخدام النهائي. وبهذه الطريقة، تصل نفاذية التناضح العكسي إلى الجودة التي يمكن استخدامها بأمان، سواء كانت مياه شرب أو مياه معالجة صناعية.

المعلمات المراد قياسها والتحكم فيها

ولكي تعمل محطة التناضح العكسي بكفاءة وأمان، يجب قياس ومراقبة مختلف المعلمات المتعلقة بكل من مياه المدخل ومياه المعالجة والمياه الخارجة بانتظام:

جودة المياه المتدفقة

إن خصائص مياه التغذية لها تأثير مباشر على تصميم وأداء نظام التناضح العكسي. لذلك، يجب مراقبة معايير الجودة الأساسية للمياه التي تدخل وحدة التناضح العكسي. تشير المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) أو الموصلية الكهربائية إلى مستوى ملوحة المياه الخام وتحدد الضغط الأسموزي. على سبيل المثال، قد تشير الزيادة المفاجئة في قيمة المواد الصلبة الذائبة الكلية للمياه الخام إلى تغير في مصدر مياه التغذية (تلوث أو تلوث ملحي). تشير قيمة الأس الهيدروجيني إلى الطابع الحمضي أو القاعدي للماء؛ على الرغم من أن أغشية التناضح العكسي يمكن أن تعمل بشكل عام في نطاق الأس الهيدروجيني من 3-11، إلا أن قيم الأس الهيدروجيني المتطرفة يمكن أن تتلف مادة الغشاء أو تزيد من قابلية تكوين القشور. تعتبر معلمات الصلابة (تركيزات الكالسيوم²، المغنيسيوم²) والقلوية حاسمة في تحديد إمكانية تكوين القشور، خاصةً كربونات الكالسيوم. تشير العكارة والمواد الصلبة العالقة إلى مدى احتياج المياه للمعالجة المسبقة؛ إذا كانت العكارة عالية، فيجب اتخاذ تدابير ترشيح أكثر فعالية. نظرًا لأن وجود الكلور (Cl₂) أو الكلورامين يمكن أن يتلف أغشية التناضح العكسي (من خلال التأثيرات المؤكسدة)، يجب قياس الكلور المتبقي عند مخرج مرشح الكربون النشط أو مدخل التناضح العكسي للتأكد من أنه قريب من الصفر. يتم أيضًا مراقبة المعادن مثل الحديد والمنجنيز ويتم الاحتفاظ بها بشكل عام عند أقل من 0.1 ملجم/لتر، حيث يمكن أن تتراكم على الأغشية حتى بتركيزات منخفضة وتسبب مشاكل. تتم أيضًا مراقبة الحمل البكتريولوجي (مثل عدد الهضبة غير المتجانسة) في مياه التغذية؛ إذا تم اكتشاف حمل ميكروبي مرتفع، تتم زيادة خطوات التطهير/الأشعة فوق البنفسجية في المعالجة المسبقة. قياس معلمات مياه المدخل هذه مهم للتحقق مما إذا كانت المياه في ظروف مناسبة قبل دخول نظام التناضح العكسي وما إذا كانت المعالجة المسبقة تعمل بشكل صحيح.

معلمات التشغيل

يجب مراقبة معلمات التشغيل الرئيسية التي تحدد أداء نظام التناضح العكسي أثناء التشغيل بشكل مستمر أو دوري. وتعتبر قيم الضغط أهم هذه القيم؛ حيث يتم رصد ضغط مخرج المضخة ذات الضغط العالي وضغط التركيز في نهاية كل مرحلة/وعاء. يعد فرق الضغط عبر الغشاء عبر الأغشية مؤشرًا مهمًا لأنه يمكن أن يكون مؤشرًا على التلوث. يتم قياس معدلات التدفق بشكل منفصل لتيارات التغذية والمتخلل والمركز. وهذا يسمح بحساب معدل الاسترداد اللحظي: على سبيل المثال، إذا كانت التغذية 100 لتر/دقيقة والتخلل 75 لتر/دقيقة، فإن الاسترداد يكون 75%. قد تشير التغييرات في معدلات التدفق (على سبيل المثال، انخفاض في تدفق النفاذية بمرور الوقت) إلى تلوث الغشاء أو زيادة فقدان الضغط. تتم مراقبة درجة الحرارة لأنها تؤثر على أداء الغشاء ويتم تطبيع بيانات الأداء إلى درجة حرارة قياسية (25 درجة مئوية). فرق الضغط (دلتا-ب) عبر تيار التغذية والمركز هو مؤشر مهم آخر؛ زيادة انخفاض الضغط عبر العناصر هو مؤشر على تراكم القاذورات. أحد المؤشرات غير المباشرة لتلوث الغشاء هو زيادة نفاذية الملح: إذا بدأت الموصلية المنخفضة عادةً لمياه المنتج في الزيادة، فقد يكون احتباس الملح يتناقص بسبب تراكم الملوثات على سطح الغشاء أو تلف الغشاء. ولذلك، يتم فحص الموصلية النفاذية أو الملوحة بانتظام. بالإضافة إلى ذلك، تتم مراقبة معلمات التشغيل مثل معدل تدفق المضخة، واستهلاك الطاقة، وكمية المواد الكيميائية المخدرة لضمان كفاءة تشغيل النظام. من خلال متابعة الاتجاهات في هذه المعلمات، يمكن للمشغلين تشخيص مصدر المشكلة عند حدوث حالة غير طبيعية (على سبيل المثال، انخفاض تدفق النفاذية على الرغم من زيادة الضغط). على سبيل المثال، إذا كان معدل تدفق النفاذية أقل من المتوقع عند ضغط معين، فيمكن استنتاج أن الأغشية ملوثة ويتم التخطيط للتنظيف.

معايير وجودة مياه المنتج

يجب مراقبة جودة المياه المتخللة، وهي الناتج النهائي لنظام التناضح العكسي، باستمرار للتأكد من أنها مناسبة للاستخدام المقصود. الموصلية أو TDS هي المؤشر الأساسي لجودة مياه المنتج؛ وعادة ما تكون الموصلية السائلة للتناضح العكسي أقل من 1% مقارنة بالمياه الخام. إذا كان يتم إنتاج مياه الشرب، يجب أن تكون قيمة المادة الصلبة الصلبة الذائبة أقل من 500 ملغم/لتر تقريبًا (وفقًا للمعايير)، وهو ما يمكن تحقيقه بسهولة في معظم الحالات باستخدام التناضح العكسي (حتى مع بعض الجرعات المعدنية الخلفية إذا لزم الأمر، انظر ما بعد المعالجة). يتم الاحتفاظ بالأس الهيدروجيني ضمن نطاق معين، خاصة للاستهلاك البشري أو متطلبات العمليات الصناعية (على سبيل المثال، عادةً ما يكون 6.5-8.5 لمياه الشرب). نظرًا لأن مياه التناضح العكسي يمكن أن تكون حمضية قليلاً في كثير من الأحيان، تتم مراقبة هذه القيمة بعد تعديل الأس الهيدروجيني. يتم فحص الصلابة لمياه الشرب أو مياه الغلايات؛ على الرغم من أن نفاذية التناضح العكسي عادة ما تكون منخفضة جدًا، <1 درجة فهرنهايت، يتم إجراء التعديلات إذا كانت عملية المصب تتطلب ذلك. تركيز السيليكا هو معلمة يتم التحكم فيها في التطبيقات التي تتطلب نقاءً عاليًا أو في الغلايات البخارية؛ يزيل التناضح العكسي وحده معظم السيليكا، ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى مستويات منخفضة جدًا، فقد تكون هناك حاجة إلى ممر تناضح عكسي ثانٍ أو تبادل أيوني. الكربون العضوي الكلي (TOC) مهم بشكل خاص للصناعات الإلكترونية والصناعات الدوائية؛ على الرغم من أن التناضح العكسي يحتفظ بمعظم المواد العضوية، يتم اتخاذ خطوات إضافية للكربون العضوي الكلي عند مستويات جزء في البليون. بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء التحليلات الميكروبيولوجية (القولونية، الإشريكية القولونية، إلخ) لمياه الشرب إذا لزم الأمر - على الرغم من أن أغشية التناضح العكسي تزيل البكتيريا والفيروسات إلى حد كبير، يتم أخذ العينات من المخرج لمنع التلوث بعد النظام. يجب أن تتوافق جودة مياه المنتج مع المعايير الوطنية والدولية؛ منظمة الصحة العالمية (WHO) والقيم الحدية التنظيمية المحلية لمياه الشرب، ومعايير العمليات ذات الصلة بالمياه الصناعية (مثل معايير مياه الغلايات، ومعايير المياه الإلكترونية ASTM). يشير القياس المنتظم لهذه المعلمات إلى ما إذا كان النظام يحقق أداء التنقية المنشود ويسمح بالتدخل في حالة وجود أي انحرافات.

تفسير البارامترات وتشخيص الأعطال

ليس فقط تسجيل البيانات المقاسة ولكن أيضًا تفسيرها ضروري لنجاح العملية. على سبيل المثال، يتم حسابه باستخدام المعادلة معدل رفض الملح = [(موصلية التغذية - الموصلية المتخللة) / موصلية التغذية] × 100 ويجب أن يكون مرتفعًا باستمرار (مثل >95%). إذا بدأ رفض الملح في الانخفاض، يتم تقييم إمكانية حدوث تسرب أو تلف كيميائي في الأغشية. إذا تم تحديد زيادة فرق الضغط، يُفهم ما إذا كان هناك قاذورات في الأغشية في تلك المرحلة من خلال النظر إلى المرحلة التي تحدث فيها الزيادة (الزيادة في المرحلة الأولى هي علامة على وجود قاذورات بشكل عام، والزيادة في المرحلة الأخيرة هي علامة على التحجيم بشكل عام). إذا انخفض التدفق المتخلل بمرور الوقت، يتم تطبيعه من خلال مراعاة التغيرات في درجة الحرارة وتغيرات الضغط؛ إذا كان هناك انخفاض حقيقي، فقد يكون سطح الغشاء مسدودًا. في هذه الحالة، يتم التخطيط للتنظيف الكيميائي. إذا انخفض معدل الاسترداد عن الهدف، يُعتقد أنه قد تكون هناك مشكلة في صمام التحكم في التركيز أو في التغذية. إذا تعذّر تحقيق التدفق المطلوب على الرغم من زيادة ضغط المضخة، فقد يكون هناك انسداد في المرشحات أو فقدان في أداء المضخة. في جميع هذه السيناريوهات، يتم تشخيص الخطأ من خلال تقييم المعلمات المراقبة معًا ويتم حل المشكلة. على سبيل المثال، إذا لوحظت زيادة في الموصلية النفاذية + زيادة في تدفق النفاذية، فهذا يشير عادةً إلى وجود خلل مثل تمزق الغشاء أو تسرب الحلقة الدائرية (لأن كلاهما يمر بسهولة ويقل احتباس الملح). في ضوء هذه البيانات، يتدخل المشغلون بسرعة ويقومون باستبدال الغشاء أو إصلاحه. ونتيجة لذلك، فإن كل معلمة يتم قياسها في أنظمة التناضح العكسي تتحرك عادةً ضمن نطاق معين ويتم الحفاظ على صحة النظام من خلال تفسير الاتجاهات في هذه القيم بعناية.

مناطق الاستخدام الصناعي

تُستخدم أنظمة التناضح العكسي على نطاق واسع في العديد من القطاعات التي تتطلب مياه عالية النقاء أو ترغب في إعادة تدوير المياه المالحة/المياه المستعملة. ويمكن تلخيص مجالات الاستخدام الصناعية الرئيسية وتطبيقاتها في هذه المجالات على النحو التالي:

صناعة الأغذية والمشروبات

تعلق القطاعات الفرعية مثل مياه الشرب المعبأة في زجاجات وإنتاج المشروبات الغازية والبيرة ومنتجات الألبان أهمية كبيرة على جودة المياه المستخدمة في منتجاتها. ويُستخدم التناضح العكسي بشكل عام في هذا القطاع لتنقية المياه الخام بالكامل وإعادة ترتيب المظهر المعدني المطلوب. على سبيل المثال، تقوم شركات المشروبات الكبيرة بإزالة جميع المعادن والمواد التي تؤثر على المذاق باستخدام التناضح العكسي لجعل مصادر المياه في المناطق الجغرافية المختلفة ذات مذاق وتركيب قياسي، ثم إعادة إضافة بعض المعادن بطريقة محكومة. وبهذه الطريقة، يتم الحفاظ على نكهة المنتج وجودته. وبالإضافة إلى ذلك، يُفضل التناضح العكسي في منشآت إنتاج المشروبات الغازية وعصير الفاكهة لأنه يزيد أيضًا من السلامة الميكروبيولوجية. في صناعة الألبان، يُستخدم التناضح العكسي في عمليات مثل تركيز مصل اللبن؛ فمن الممكن الحصول على مركزات غنية بالبروتين عن طريق إزالة الماء واللاكتوز جزئيًا من مصل اللبن، وهو منتج ثانوي للحليب، باستخدام التناضح العكسي. عادةً ما يتم تصميم أنظمة التناضح العكسي المستخدمة في شركات الأغذية من مواد غير قابلة للصدأ ومناسبة للصرف الصحي. ونتيجة لذلك، فإن التناضح العكسي هو تقنية رئيسية لتوفير المياه النقية التي تضمن جودة المنتج في قطاع الأغذية والمشروبات.

صناعة الإلكترونيات وأشباه الموصلات

تتطلب عمليات مثل تصنيع رقائق أشباه الموصلات وألواح شاشات الكريستال السائل وألواح الطاقة الشمسية وتصنيع المكونات الإلكترونية الدقيقة استخدام مياه فائقة النقاء. وتتمتع المياه المستخدمة في هذه الصناعة بواحد من أعلى معايير النقاء في العالم: مقاومة 18.2 ميكرومتر مكعب، وكربون عضوي إجمالي < 1 جزء في البليون وعدد جسيمات يكاد يكون معدوماً. ولتحقيق هذا المستوى من المياه، عادةً ما يتم استخدام عمليات تنقية متعددة المراحل، حيث يكون التناضح العكسي إحدى الخطوات المهمة الأولى في هذه العملية. في نظام مياه نموذجي من الدرجة الإلكترونية، تتم أولاً تحلية المياه البلدية إلى حد كبير عن طريق التناضح العكسي إلى حد كبير، تليها خطوات إضافية مثل وحدات إزالة الأيونات والترشيح الفائق والأكسدة بالأشعة فوق البنفسجية والترشيح الدقيق لجعل المياه قريبة من نقاء "9N" (أي 99.99999999999% نقاء). يأخذ التناضح العكسي معظم الحمل هنا، مما يطيل عمر الوحدات اللاحقة. في مصانع أشباه الموصلات، تقوم منشآت التناضح العكسي ذات السعة الضخمة في مصانع أشباه الموصلات بإعداد المياه المستخدمة كمياه شطف الغسيل في الإنتاج، وتلعب دورًا في إعادة التدوير عن طريق إعادة تنقية مياه الصرف الصحي للمعالجة. ونظرًا لأن الاستمرارية والاتساق أمران حاسمان في أنظمة المياه في قطاع الإلكترونيات، عادةً ما يتم ترتيب وحدات التناضح العكسي على شكل ممر مزدوج وزائد عن الحاجة. وبهذه الطريقة، يتم الحصول على المياه فائقة النقاء، والمعروفة باسم أنقى المياه في العالم، بسلسلة من تقنيات التنقية المتقدمة بما في ذلك التناضح العكسي وتزويد خطوط الإنتاج بها.

صناعة الطاقة (محطات الطاقة الحرارية ومياه تغذية الغلايات)

تتطلب محطات الطاقة الحرارية والغلايات البخارية في المنشآت الصناعية مياه عالية النقاء كمياه تغذية. ونظرًا لأن الماء يتبخر ويتكثف في الغلايات، يمكن أن تتراكم حتى أقل الشوائب في الماء بمرور الوقت وتؤدي إلى ترسبات مثل الحجر الجيري أو السيليكا أو منتجات التآكل في الأنابيب والتوربينات. ولهذا السبب، عادة ما تكون مياه تغذية الغلايات البخارية عالية الضغط عبارة عن مياه منزوعة المعادن، وهي مياه منزوعة الأيونات. ويستخدم التناضح العكسي على نطاق واسع كخطوة اقتصادية في عملية إزالة المعادن هذه. على سبيل المثال، في محطة توليد الكهرباء، يتم أولاً تمرير المياه الخام (التي يمكن أن تكون مياه الأنهار أو مياه الآبار) من خلال نظام التناضح العكسي لإزالة 98-99% من المواد المذابة. ثم تتم إزالة الأيونات النزرة المتبقية عن طريق المبادلات الأيونية المختلطة أو التأين الكهربائي (EDI) للحصول على مياه نقية. وعادة ما يتم تحديد موصلية هذه المياه النقية بقيم مثل <0.1 ميكرو ثانية/سم والسيليكا <20 جزء في البليون. وتتمثل ميزة التناضح العكسي هنا في أنه يقلل بشكل كبير من الحمل على راتنجات التبادل الأيوني، مما يقلل من الحاجة إلى التجديد الكيميائي. وبالإضافة إلى ذلك، تُستخدم المياه المعالجة بالتناضح العكسي في عمليات مثل أبراج التبريد للحفاظ على الصلابة والتوصيل تحت السيطرة في المياه الدائرة، وبالتالي منع التآكل والتكلس. ونظراً لأن استمرارية وجودة المياه في قطاع الطاقة تؤثر بشكل مباشر على كفاءة التشغيل، فإن أنظمة التناضح العكسي من بين عناصر البنية التحتية الحيوية.

الصناعات الكيميائية والصيدلانية

الماء مدخل مهم للتفاعلات الكيميائية الحساسة وإنتاج الأدوية. يجب أن تمتثل صناعة المستحضرات الصيدلانية على وجه الخصوص للمعايير الصارمة للغاية التي وضعتها دساتير الأدوية للمياه المستخدمة في الإنتاج. يجب أن تكون فئات مثل "المياه المنقاة" و"مياه الحقن (WFI)" المستخدمة في إنتاج الأدوية نقية للغاية من حيث الميكروبيولوجيا والأيونات. وغالبًا ما تُستخدم أنظمة التناضح العكسي كخطوة أولى في إعداد مثل هذه المياه عالية النقاء. على سبيل المثال، في مصنع للمستحضرات الصيدلانية، يتم دمج مياه المدينة أو مصدر المياه النقية مع التناضح العكسي ثم نظام التناضح العكسي الثاني أو نظام التقطير بالبخار مع نفاذية منخفضة للغاية للحصول على مياه قريبة من المياه المخصصة للحقن. في صناعة المستحضرات الصيدلانية، عادةً ما يكون التناضح العكسي مزودًا بتمرير مزدوج وماء ساخن/تعقيم كيميائي؛ وبالتالي، يتم تطهير النظام بانتظام وإدارة مخاطر التلوث البكتيري. في الصناعة الكيميائية، يحمي التناضح العكسي نقاء المنتج من خلال ضمان عدم احتواء المياه المستخدمة في التفاعلات على الكلور أو العسر أو المعادن الثقيلة. على سبيل المثال، في مجالات مثل الطلاء والطلاء وإنتاج البطاريات والبتروكيماويات، يُستخدم التناضح العكسي للحصول على المياه منزوعة الأيونات واستخدامها في التركيبات. يمكن استخدام التناضح العكسي أيضًا لاستعادة مياه الصرف الصحي من المصانع الكيميائية؛ يمكن تنقية مياه الغسيل المحفزة أو نفايات المعالجة بالتناضح العكسي ورفعها إلى معايير التصريف أو إعادة استخدامها في العملية.

تحلية مياه البحر

في العديد من المدن الساحلية والجزر في جميع أنحاء العالم، يتم تلبية احتياجات مياه الشرب والمرافق العامة عن طريق تحلية مياه البحر. تعتمد الغالبية العظمى من تطبيقات تحلية المياه هذه على تقنية غشاء التناضح العكسي. عندما يتم تمرير مياه البحر (حوالي 35,000 ملغم/لتر من المواد الصلبة الصفرية) عبر أغشية التناضح العكسي، يتم فصل جزيئات الماء عن الأملاح للحصول على مياه بمعيار مياه الشرب (<500 ملغم/لتر من المواد الصفرية الصفرية الصفرية). وتتطلب هذه العملية عادةً ضغوطًا عالية تتراوح بين 60-70 بار، وتكاليف الطاقة هي أكبر النفقات. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تم تخفيض استهلاك الطاقة في محطات التناضح العكسي لمياه البحر بشكل كبير عن طريق استخدام أجهزة استعادة الطاقة (مثل مبادلات الضغط). على سبيل المثال، في محطات التناضح العكسي الحديثة لتحلية مياه البحر (SWRO) التي تم تركيبها في بلدان مثل إسبانيا وإسرائيل والمملكة العربية السعودية، انخفض استهلاك وحدة الطاقة للمياه المنتجة إلى حوالي 3 كيلوواط/ساعة/متر مكعب. في تحلية مياه البحر، عادةً ما يتم إعادة تمعدن المياه بعد التناضح العكسي جزئياً ومعالجتها بالكلور لجعلها مناسبة لمياه الشرب. وبالإضافة إلى ذلك، تحتوي مياه البحر على البورون كتحدٍ خاص؛ وقد لا يمكن الحفاظ على البورون عند المستوى المطلوب في التناضح العكسي أحادي المرور (توصية منظمة الصحة العالمية لمياه الشرب <0.5 ملغم/لتر). لهذا السبب، يتم في بعض الأحيان تطبيق ممر تناضح ثاني بالتناضح العكسي (يعمل عند درجة حموضة عالية) لإزالة البورون في محطات مياه البحر. وبصرف النظر عن هذا، فإن أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر مصممة أيضًا لتكون متينة من حيث المواد (الفولاذ المقاوم للصدأ عالي السبائك، والأنابيب المركبة) لأن البيئة المالحة تسبب التآكل. وقد تم إنشاء محطات تحلية مياه البحر في مناطق مثل إزمير وأنطاليا في تركيا، لتلبية احتياجات الفنادق والمستوطنات من المياه. باختصار، يعتبر التناضح العكسي رائدًا في تحلية المياه نظرًا لاستهلاكه الأقل بكثير للطاقة مقارنة بطرق التقطير بالتفريغ وتقنية الأغشية المتطورة.

استعادة مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية

أدت زيادة ندرة المياه والمتطلبات البيئية إلى وضع إعادة استخدام مياه الصرف الصحي عن طريق معالجتها على جدول الأعمال. ويُعد التناضح العكسي أداة مهمة في الوصول بمياه الصرف الصحي المعالجة إلى جودة إعادة الاستخدام بمعالجة متقدمة. خاصة في معالجة مياه الصرف الصحي الصناعية، يتم تطبيق التناضح العكسي بعد المعالجة البيولوجية والترشيح، ويتم جلب المياه إلى درجة نقاء يمكن إعادة استخدامها في العمليات. على سبيل المثال، في قطاع الغزل والنسيج، تتم معالجة مياه الصرف الصحي التي تحتوي على الأصباغ باستخدام مفاعل حيوي غشائي + التناضح العكسي وجعلها قابلة للاستخدام مرة أخرى في المصنع. ومرة أخرى، تحاول المنشآت التي تحتاج إلى الكثير من المياه، مثل المصافي ومصانع البتروكيماويات، إغلاق دورات المياه الخاصة بها عن طريق استعادة مياه الصرف الصحي بالتناضح العكسي. في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، يمكن صقل المياه المعالجة بالتناضح العكسي قبل استخدامها كمياه ري أو مياه صناعية. في بعض المناطق، مثل مقاطعة أورانج (الولايات المتحدة الأمريكية)، يُستخدم التناضح العكسي لإنتاج مياه الشرب (شبه المحتملة) من مياه الصرف الصحي المعالجة؛ في هذا التطبيق، تتم معالجة مياه الصرف الصحي أولاً معالجة كاملة بالترشيح الدقيق، ثم بالتناضح العكسي وأخيراً بالأشعة فوق البنفسجية/الأكسدة المتقدمة (الأكسدة المتقدمة) وتغذيتها إلى المياه الجوفية للحصول على مياه الشرب غير المباشرة. وبهذه الطريقة، يتم إغلاق دورة المياه واستخدام موارد المياه بشكل مستدام. ويفضل التناضح العكسي في استعادة مياه الصرف الصحي لأنه يزيل الملوثات الذائبة (مثل النترات والفوسفات والمعادن الثقيلة والملوثات العضوية الدقيقة) بكفاءة عالية. ومع ذلك، نظرًا لأن مصفوفة مياه الصرف الصحي معقدة، فإن التحكم في التلوث وتكرار التنظيف من قضايا التشغيل المهمة في هذه الأنظمة (انظر القسم 8). ونتيجة لذلك، عندما تصبح إعادة تدوير مياه الصرف الصحي أكثر جاذبية من المنظورين البيئي والاقتصادي، سيستمر التناضح العكسي في لعب دور رئيسي في هذا المجال.

المعلمات المراد تنقيتها بالتناضح العكسي حسب الصناعات

تتطلب كل صناعة نوعية محددة من المياه لاستخدامها في عملياتها. يمكن تصميم أنظمة التناضح العكسي بمرونة لتلبية أهداف جودة المياه لمختلف الصناعات. وفيما يلي تفصيل لمعايير جودة المياه المطلوبة في مختلف الصناعات وكيف تؤثر هذه المعايير على تصميم التناضح العكسي:

جودة المياه في قطاع الأغذية/المشروبات

في إنتاج المشروبات، من المتوقع أن تكون المياه مثالية من حيث الطعم والرائحة والميكروبيولوجيا . ولذلك، عادةً ما تحتوي المياه المنقاة بالتناضح العكسي على معادن منخفضة جدًا مثل <50 ملجم/لتر من المواد الصلبة الصفرية؛ وبالتالي، يتم تقليل المكونات التي تعطي الماء نكهته الخاصة. ومع ذلك، نظرًا لأن المياه النقية تمامًا غير مرغوب فيها، تتم إضافة المعادن وفقًا لتركيبة المنتج أو يمكن خلطها مع المياه الخام حتى التوصيل المستهدف. على سبيل المثال، يمكن لمصنع مشروبات أن يصنع خليطًا محكومًا للحفاظ على المياه بعد التناضح العكسي في نطاق توصيل يتراوح بين 50-100 ميكروسكال/سم. تعتبر المعلمات الميكروبيولوجية مهمة أيضًا في هذا القطاع: يجب أن تفي المياه بمعايير مياه الشرب من حيث القيم مثل القولونيات والإشريكية القولونية وعدد الصفائح الكلية. على الرغم من أن غشاء التناضح العكسي يحتفظ بالبكتيريا إلى حد كبير، إلا أنه يتم دمج خطوات التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية والكلورة بعد النظام لمنع إعادة التلوث. يمكن أن تكون عسر الماء مهمًا أيضًا في إنتاج الأغذية؛ على سبيل المثال، قد يجد منتجو البيرة أن عسرًا معينًا من الماء مناسب لوصفاتهم. في هذه الحالة، تتم إضافة العسر إلى ماء منتج التناضح العكسي بجرعة مضبوطة. في تصميم نظام التناضح العكسي، يساعد استخدام المعدات غير القابلة للصدأ والصحية في قطاع الأغذية (على سبيل المثال، علب الأغشية الفولاذية 316L، والتوصيلات بدون حجم ميت) على تلبية المعايير. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام المواد الكيميائية المعتمدة للأغذية في دورات التنظيف المكاني (التنظيف المكاني). ونتيجة لذلك، يمكن تلخيص المعلمات المستهدفة مع التناضح العكسي في صناعة الأغذية والمشروبات على النحو التالي: انخفاض المواد الصلبة الصفرية ودرجة الحموضة المحايدة وانعدام الكلور وانخفاض نسبة الكلور والسمك الطولي المنخفض والحمل الميكروبيولوجي القريب من الصفر.

جودة المياه الإلكترونية/أشباه الموصلات

تخضع جودة المياه في هذا القطاع لمعايير صارمة للغاية. المعلمة الأكثر أهمية هي الموصلية/المقاومة، ومن المرغوب فيه أن تكون المياه خالية عمليًا من جميع الأيونات (هدف 18 MΩ سم مقاومة). ومرة أخرى، يجب أن يكون إجمالي الكربون العضوي (TOC) عند مستويات منخفضة جدًا مثل < 5-10 جزء في البليون لأن الشوائب العضوية يمكن أن تترك أوساخًا على الدوائر الإلكترونية الحساسة. ويقتصر عدد الجسيمات أيضًا على النانومتر؛ فالجسيمات > 0.1 ميكرومتر في الماء غير مرغوب فيها، لذلك يتم استخدام مرشحات الترشيح الفائق بعد التناضح العكسي. ويكتسب محتوى السيليكا أهمية خاصة في هذا القطاع، لأن السيليكا يمكن أن تتراكم في أجهزة الرقائق التي تضعف بالتبخر؛ والأهداف مثل <1 جزء في البليون هي محل تساؤل بشكل عام. على الرغم من أن التناضح العكسي يحتفظ بحوالي 98% من السيليكا في مسار واحد، إلا أنه من الشائع الوصول إلى المستويات المطلوبة باستخدام التناضح العكسي على مرحلتين + راتنج الطبقة المختلطة في هذا القطاع. يتم أيضًا تقليل بعض الأيونات مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكلور والبورون إلى مستويات RO مزدوج المرور RO ثم طبقة تلميع (تبادل أيوني مختلط + ترشيح فائق + أشعة فوق بنفسجية). في حين أن التناضح العكسي الأول ينقي معظم المياه، يستهدف التناضح العكسي الثاني الملوثات الصعبة بشكل خاص مثل البورون والسيليكا. وبالإضافة إلى ذلك، يتم التحكم في البكتيريا بطرق مثل الأوزون والتعقيم بالماء الساخن حتى عند تشغيل أنظمة المياه الإلكترونية. وباختصار، يتم ضبط تصميم التناضح العكسي لصناعة أشباه الموصلات والإلكترونيات وفقًا لقيم النقاء القصوى ويعتبر جزءًا من مجموعة كاملة لمعالجة المياه، وليس تناضحًا عكسيًا قائمًا بذاته.

قطاع الطاقة/جودة مياه تغذية الغلايات

يتم تحديد جودة المياه للغلايات البخارية من خلال ضغط التشغيل. في حين أن الغلايات ذات الضغط المنخفض لديها بعض الصلابة والمواد الصلبة الكلية التي يمكن تحملها، فإن الغلايات فوق الحرجة ذات الضغط العالي تتطلب صلابة صفرية تقريبًا وسيليكا صفرية وموصلية منخفضة جدًا. على سبيل المثال، بالنسبة لمياه تغذية غلاية 60 بار، قد تكون الموصلية < 10 ميكروسكال/سم والصلابة الكلية < 0.1 جزء في المليون من الكالسيوم CaCO₃ والسيليكا < 20 جزء في البليون مطلوبة، بينما بالنسبة لغلاية 150 بار يلزم وجود قيم أكثر صرامة مثل الموصلية < 0.2 ميكروسكال/سم والسيليكا < 5 جزء في البليون. يوفر التناضح العكسي معظم هذه المعايير: فهو يزيل العسر والقلوية إلى الصفر تقريبًا، ويزيل معظم الأنواع الموصلة. ومع ذلك، نظرًا لأن غاز ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) الذي قد يبقى في متخلل التناضح العكسي يمكن أن يشكل حمض الكربونيك في الغلاية ويسبب التآكل، عادة ما يتم تطبيق إزالة الغازات عن طريق تسخين مزيل الكربون أو خزان مياه التغذية بعد التناضح العكسي. ونظرًا لأن الأكسجين ضار أيضًا بالغلايات الفولاذية، يتم تمرير مياه التناضح العكسي من خلال أبراج نزع الهواء أو تتفاعل مع كبريتيت الصوديوم الكيميائي قبل تغذيتها. كما أن أيونات الكلوريد والكبريتات هي أيضًا معلمات مهمة في هذا القطاع؛ وينبغي أن تبقى عند مستويات < جزء في المليون لأنها تسرع التآكل. يمكن لمزيج جيد من التناضح العكسي + راتنجات الطبقة المختلطة أن يقلل من هذه الأيونات إلى < 0.1 جزء في المليون. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الصلابة مطلوبة بالتأكيد عند < 0.02 جزء في المليون (يوفر ذلك في الممارسة العملية). في تصميم نظام التناضح العكسي، يمكن التخطيط لأغشية خاصة ذات نفاذية منخفضة للسيليكا أو تطبيق التمرير الثاني في تطبيقات مياه الغلايات. على سبيل المثال، بينما تحتفظ الأغشية العادية بنسبة 90-95% من البورون والسيليكا، يتم اختيار أغشية خاصة ذات نفاذية عالية من السيليكا. نظرًا لأن انقطاع المياه غير مقبول في محطات الطاقة، يتم تركيب أنظمة التناضح العكسي مع وجود نسخ احتياطية وخطوط تمرير جانبية. ونتيجةً لذلك، يتم تصميم التناضح العكسي لمياه تغذية الغلايات من أجل تحقيق أهداف العسر المنخفضة جدًا والمواد الصلبة الصلبة الذائبة (TDS) واستكمالها بخطوات تنقية متسلسلة؛ كما يصبح ضمان التوازن الكيميائي للمياه (الأس الهيدروجيني وإزالة الغازات) جزءًا لا يتجزأ.

جودة المياه في قطاع المواد الكيميائية/الدوائية

تؤثر جودة المياه التي تدخل في عمليات الإنتاج الكيميائي على نقاء المنتج وكفاءة التفاعل. وفي قطاع المستحضرات الصيدلانية على وجه الخصوص، تخضع المياه لمعايير دستور الأدوية: يحدد دستور الأدوية الأوروبي ودستور الأدوية الأمريكي (USP) حدودًا محددة للسموم الداخلية والسموم الداخلية للمياه النقية تحت الموصلية 1.3 ميكروسكولتر/سم (@25 درجة مئوية). عادةً ما يتم تركيب التناضح العكسي كنظام مزدوج التمرير ويتم دمجه في نظام المياه الصيدلانية مع تخزين وسيط؛ حيث يزيل التمرير الأول معظم المواد العضوية والأيونات، وينظف التمرير الثاني الآثار المتبقية. إذا كانت المياه تفي بقيم التوصيل والقيم المرغوبة للكلوروكربونات العضوية والـ TOC بعد التمريرة الثانية، يتم توصيلها إلى نقطة الاستخدام. وغالبًا ما يضاف الترشيح الفائق 0.05 ميكرومتر في المرحلة النهائية لإزالة السموم الداخلية (الجسيمات البكتيرية المسببة للأمراض). ولذلك، فإن أهداف معلمات التناضح العكسي للمياه الصيدلانية هي: الموصلية ≈ 1 ميكروسكال/سم ، والسموم الداخلية < 50 جزء في البليون ، والبكتيريا < 10 cfu/100 مل، والسموم الداخلية < 0.25 يورو/ملل. في الصناعة الكيميائية، تكون المعلمات خاصة بالعملية؛ على سبيل المثال، إذا كان سيتم استخدامه في غلاية، تنطبق معايير مياه الغلاية أعلاه، إذا كان سيتم استخدامه كمذيب تفاعل، فقد يكون من المرغوب فيه أن يكون خاليًا من الكلوريد أو بعض المعادن. عند تصميم أنظمة التناضح العكسي، إذا كانت أيونات معينة حرجة (على سبيل المثال، متطلبات الصوديوم أو الكلوريد المنخفضة للغاية)، يتم اختيار غشاء مناسب أو تخطيط تمرير مزدوج. إذا كان الصوديوم ⁺ <50 جزء في البليون مرغوبًا في مصنع كيميائي للبطاريات، يتم استخدام مبادل أيوني مختلط السرير بالإضافة إلى متخلل التناضح العكسي. ونتيجة لذلك، يتم تحديد متطلبات جودة المياه في القطاعين الكيميائي والصيدلاني من خلال المعايير ذات الصلة وحساسيات العملية؛ ويتم تكوين نظام التناضح العكسي لتلبية هذه الأهداف. إمكانيات التصميم المرنة لنظام التناضح العكسي (صفائف متوازية متسلسلة، وأنواع مختلفة من الأغشية، والتركيب متعدد الممرات، وما إلى ذلك) تسمح له بالتكيف مع الاحتياجات المتغيرة.

ديناميكيات تشغيل أنظمة التناضح العكسي

يرتبط التشغيل طويل الأمد والفعال لأنظمة التناضح العكسي ارتباطًا مباشرًا بفهم ومراقبة مختلف تأثيرات التلوث وتقليل الأداء على الأغشية. في هذا القسم، تتم مناقشة آليات تلوث الأغشية واستراتيجيات الوقاية ومتطلبات التنظيف والصيانة وطرق تحسين الكفاءة.

آليات تلوث الغشاء

نظرًا للتركيبات المسامية الصغيرة جدًا لأغشية التناضح العكسي، قد تتراكم بعض المواد غير المرغوب فيها في مياه التغذية على سطح الغشاء أو في المسام بمرور الوقت، مما يسبب تلوثًا. يتم فحص مصادر التلوث بشكل عام تحت ثلاثة عناوين:

الحشف الحيوي

يمكن أن تلتصق البكتيريا أو الطحالب أو الفطريات الموجودة في مياه التغذية بسطح الغشاء وتتكاثر، مكونة طبقة غشاء حيوي رقيق. هذه الطبقة البيولوجية تسد مسام الغشاء، مما يقلل بشكل كبير من تدفق المياه ويزيد من فرق الضغط. وبما أن أغشية التناضح العكسي حساسة بشكل خاص للمطهرات مثل الكلور، فلا يمكن الاحتفاظ بمبيد حيوي مستمر في النظام؛ وهذا يخلق بيئة مواتية للكائنات الحية الدقيقة. عادة ما يكون الحشف الحيوي مشكلة كبيرة في المناخات الحارة أو المياه الغنية بالمواد العضوية أو في حالات عدم كفاية التطهير المسبق. تشمل الأعراض زيادة سريعة في انخفاض الضغط ورائحة/لون كريه في وعاء ضغط الغشاء الأول.

التلوث الكيميائي (التقشر والتراكم العضوي)

عندما يتعلق الأمر بالتلوث الكيميائي، هناك نوعان رئيسيان: التحجيم والتلوث العضوي. تشير القشور إلى الأملاح غير العضوية التي تذوب في ماء التغذية ولكنها تتجاوز حد الذوبان في التيار المركز وتترسب كبقايا صلبة على الغشاء. النوع الأكثر شيوعًا من القشور هو كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري)؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تترسب مركبات مثل كبريتات الكالسيوم وكبريتات الباريوم والسيليكا وفوسفات الكالسيوم في ظل ظروف معينة. ويشكل تراكم القشور طبقة صلبة على سطح الغشاء، مما يقلل من التدفق ويزيد من نفاذية الملح (لأنه يضيق مساحة المسام الفعالة للغشاء). القاذورات العضوية هي التصاق المواد العضوية الطبيعية مثل الغرويات أو الأحماض الدبالية/الفولفيك أو الزيوت الصناعية والبوليمرات في الماء بالغشاء وتشكيل طبقة. خاصة في المياه السطحية ومياه الصرف الصحي، يمكن أن تترك المواد العضوية ذات الوزن الجزيئي العالي طبقة غشاء بنية/لزجة على أغشية التناضح العكسي. وهذا يؤدي أيضًا إلى انخفاض مماثل في التدفق. وغالبًا ما يظهر التلوث العضوي في المراحل الأولى وفي العناصر القريبة من مدخل التغذية.

التلوث الفيزيائي (تلوث الجسيمات/التلوث الغرواني)

إذا لم تكن المعالجة المسبقة فعالة تمامًا، يمكن أن تتراكم الجسيمات ذات الحجم الميكروني أو الطين الغروي والطمي وما إلى ذلك على سطح الغشاء. ويحدث هذا التراكم في الغالب في نهاية مدخل عناصر الغشاء ويتجلى ذلك في زيادة خطيرة في فقدان الضغط في وقت قصير. في المياه ذات مؤشر كثافة الطمي العالية (SDI)، إذا لم يتم تطبيق المعالجة المسبقة العلاجية قبل التناضح العكسي، فإن هذا النوع من التلوث الفيزيائي أمر لا مفر منه. من السهل نسبيًا عكس القاذورات الفيزيائية؛ حيث يمكن إزالتها إلى حد كبير عن طريق التنظيف الكيميائي أو الشطف، ولكن إذا تكررت بشكل متكرر، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تخشين سطح الغشاء وتمهيد الطريق لأنواع أخرى من القاذورات.

استراتيجيات منع التلوث

على الرغم من أنه من غير الممكن منع تلوث الأغشية تمامًا، إلا أنه يتم تطبيق استراتيجيات مختلفة لتقليلها. الاستراتيجية الأكثر أهمية هي التصميم والتشغيل المناسبين للمعالجة المسبقة. واعتمادًا على جودة مياه التغذية، يتم التخطيط لخطوات الترشيح متعدد المراحل، والتليين، والكربون النشط، وإذا لزم الأمر، خطوات الترشيح الفائق لتقليل الحمل على الغشاء. من أجل منع التلوث البيولوجي، يتم دراسة طرق لمنع تكوين الأغشية الحيوية الرقيقة على الغشاء بعد إزالة الكلور من مياه التغذية؛ على سبيل المثال، يمكن إعطاء جرعات من المبيدات الحيوية الكيميائية الشهرية/الدورية أو المبيدات الحيوية بجرعات منخفضة مستمرة (مثل الأيزوثيازولون) إلى مياه التغذية (ومع ذلك، يجب أن تكون هذه المواد الكيميائية من النوع والتركيز الذي لا يضر الغشاء). تعتبر جرعات المواد الكيميائية المضادة للتقشير ممارسة قياسية في منع التقشر؛ حيث تتفاعل هذه المواد الكيميائية مع أيونات مثل الكالسيوم والباريوم في مياه التغذية وتعطل البنية البلورية، مما يمنع الترسيب. يتم تحديد نوع المادة الكيميائية المضادة للتكلس والجرعة المناسبة لكل ماء من خلال حسابات التشبع ويتم حقنها باستمرار في مدخل التناضح العكسي. كما أن التنظيف المنتظم للأغشية مفيد أيضًا: في كل محطة توقف للنظام، يتم شطف الأغشية بماء منخفض المواد الصلبة الذائبة (ماء المنتج أو الماء العسر) لمنع المياه المركزة من الوقوف على الغشاء، مما يقلل من خطر التحجّر. من الأهمية بمكان الحفاظ على سرعة التدفق المتقاطع عالية بما فيه الكفاية، خاصة من أجل تجنب الترسبات في العناصر الأولى؛ في التصميم، يتم اختيار قيم تدفق الإنتاج بشكل متحفظ وفقًا لميل المياه إلى القاذورات (على سبيل المثال، يتم استخدام تدفقات منخفضة مثل 10 لتر/متر مربع.h في استعادة مياه الصرف الصحي). في المناخات الحارة، يتم حماية خطوط الأنابيب والمعدات من أشعة الشمس باستخدام العزل، وإذا لزم الأمر، يتم توفير التبريد لمنع الحشف الحيوي. باختصار، الوقاية من القاذورات هي نهج متعدد الأوجه: المعالجة المسبقة الجيدة + الجرعات الكيميائية المناسبة + التدابير التشغيلية (التدفق المنتظم، ومعدل الاسترداد المناسب، وقيم التدفق المعقولة) يتم تطبيقها معًا.

تنظيف الأغشية (CIP) وصيانتها

على الرغم من جميع الاحتياطات، تحتاج أغشية التناضح العكسي إلى تنظيف دوري بمرور الوقت. يتم التنظيف (CIP) باستخدام محاليل كيميائية تدور في مكانها، دون إزالة الأغشية من النظام. الممارسة المعتادة هي استخدام وصفات كيميائية مختلفة بالتتابع لأنواع مختلفة من القاذورات. على سبيل المثال، يتم أولاً استخدام منظف حمضي (درجة حموضة منخفضة) لإذابة القشور غير العضوية مثل كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المعادن؛ ثم يتم استخدام منظف قلوي (درجة حموضة عالية، منظف) لتليين وإزالة القاذورات العضوية والبيولوجية. في حالة وجود طبقة بيولوجية، يمكن أيضًا استخدام المنظفات الأنزيمية أو محاليل المبيدات الحيوية غير المؤكسدة. أثناء التنظيف، عادةً ما يتم تمرير محلول كيميائي يتم تسخينه إلى 30-40 درجة مئوية من خلال الأغشية بتدفق منخفض ويتم تدويره لفترة من الوقت. ثم يتم شطف النظام واستخدام المادة الكيميائية التالية. يمكن أن تستمر دورة التنظيف المكاني CIP عدة ساعات. يعتمد تواتر التنظيف على جودة المياه وظروف التشغيل؛ بشكل عام، التنظيف المكاني المكاني 3-6 مرات في السنة مقبول، ولكن في بعض محطات معالجة مياه الصرف الصحي الصعبة، قد يتطلب الأمر تنظيفًا شهريًا. تتم مراقبة التدفق النفاذي المعياري وفرق الضغط لتحديد الحاجة إلى التنظيف؛ يوصى بالتنظيف بشكل عام عند ملاحظة فقدان 10-15% من التدفق أو زيادة بنسبة 15-20% في دلتا-ب. إذا تم تنظيف الغشاء بشكل صحيح، يتم استعادة الأداء الأصلي إلى حد كبير. ومع ذلك، مع مرور الوقت، تتقدم الأغشية في العمر وتتراكم الخسائر التي لا يتم استعادتها بالكامل عن طريق التنظيف؛ وفي هذه الحالة، قد يكون من الضروري استبدال عناصر الغشاء بعد عدد معين من السنوات (عادةً 5-7 سنوات). بالإضافة إلى التنظيف المكاني المنتظم، يتم أيضًا إجراء الصيانة الوقائية لإطالة عمر الأغشية: على سبيل المثال، يتم الاحتفاظ بأغشية نظام التناضح العكسي التي لن يتم استخدامها لفترة طويلة مبللة بمحلول حفظ مبيد حيوي (وإلا قد يتلف الجفاف والنمو الحيوي). بالإضافة إلى ذلك، يتم فحص الأختام الدائرية والتجهيزات ومعايرة الأجهزة واستبدالها بشكل دوري. كما يجب إجراء أنشطة الصيانة العامة مثل صيانة المضخة واستبدال عنصر المرشح دون انقطاع.

طرق زيادة الكفاءة

إن استهلاك الطاقة وإنتاجية المياه هما أهم عاملين من حيث الكفاءة في أنظمة التناضح العكسي. ويعد استخدام أجهزة استرداد الطاقة (ERD ) أمرًا شائعًا، خاصة في المنشآت واسعة النطاق. في محطات التناضح العكسي لمياه البحر، يمكن تخفيض تكاليف الطاقة بنسبة 30-60% بفضل مبادلات الضغط التي تستعيد طاقة التيار المركز عالي الضغط وتنقلها إلى مياه التغذية. وقد أصبحت هذه الأجهزة قياسية في وحدات التناضح العكسي الحديثة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن اختيار أنواع عالية الكفاءة في المضخات (مثل المضخات التوربينية متغيرة السرعة) وتقليل خسائر الضغط في خطوط الأنابيب يزيد أيضًا من كفاءة الطاقة. ويوفر الجيل الجديد من الأغشية ذات النفاذية العالية الطاقة لأنها يمكن أن توفر نفس التدفق عند ضغط أقل؛ على سبيل المثال، الأغشية النانوية المركبة أو الأغشية النانوية ذات الأغشية الرقيقة المسامية النانوية التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة لديها معاملات نفاذية أعلى للمياه. ويُعد تحسين التسلسل وتعديل نسبة الإرجاع مسألة أخرى تتعلق بالكفاءة: فبدلاً من الاسترداد العالي جدًا في مرحلة واحدة، عادةً ما يقلل الاسترداد الأمثل المقسم إلى مرحلتين من التكلفة الإجمالية للطاقة ومتطلبات التنظيف. على سبيل المثال، بدلاً من مرحلة واحدة بنسبة 75%، يقلل التصميم على مرحلتين بنسبة 50% + 50% من خطر التحجيم لأنه يوفر تركيزًا أقصى أقل، وبالتالي استهلاك مواد كيميائية أقل. الأتمتة والتحكم الذكي يزيدان أيضًا من الكفاءة؛ حيث تمنع أنظمة التحكم المتقدمة هدر الطاقة والمياه من خلال تحسين ضغط المضخة وإعدادات الصمام وفقًا للظروف المتغيرة (ملوحة التغذية ودرجة الحرارة وتدفق الإنتاج المطلوب). كما أنها تقلل من وقت تعطل النظام عن طريق اكتشاف الأعطال وإزالتها في وقت مبكر. يتم أيضًا تطبيق تعديلات الأغشية (جعل السطح محبًا للماء والطلاء المضاد للقاذورات) في المنتجات التجارية وتزيد من الكفاءة بشكل غير مباشر عن طريق تأخير تكوين القاذورات. أخيرًا، هناك دراسات بحث وتطوير حول إعادة استخدام المياه المركزة؛ على سبيل المثال، استعادة المزيد من المياه عن طريق إجراء معالجة متقدمة ثانية لتركيز التناضح العكسي أو بلورة الأملاح من المياه المركزة والمياه المتداولة (ZLD - التفريغ الصفري للسوائل) يتم تطبيقها في بعض المحطات. وعلى الرغم من أن هذه التطبيقات عالية التكلفة حاليًا، إلا أنها قد تنتشر على نطاق واسع في المستقبل، خاصة في المناطق ذات القيود البيئية الصارمة، وتزيد من كفاءة المياه إلى أقصى حد. وباختصار، يتم تقييم التحسينات التكنولوجية والعملية معًا لزيادة كفاءة الطاقة والمياه في التشغيل الديناميكي لأنظمة التناضح العكسي؛ وبالتالي، فإن استدامة عملية التناضح العكسي تتحسن باستمرار.

مزايا التناضح العكسي وعيوبه

التناضح العكسي هو طريقة لها مزاياها وعيوبها بين تقنيات تنقية المياه. وبمقارنتها بالتقنيات الأخرى ذات الأغراض المماثلة (مثل التقطير، والتبادل الأيوني، والترشيح النانوي، وما إلى ذلك)، يمكننا تلخيص مزاياها وعيوبها على النحو التالي:

المزايا

كفاءة تنقية عالية: التناضح العكسي هو أحد الطرق التي توفر أعلى معدلات إزالة للعديد من الملوثات، بما في ذلك الأملاح الذائبة والمعادن الثقيلة والمواد الكيميائية الضارة والبكتيريا والفيروسات. يمكن للنظام المصمم بشكل صحيح إزالة 95-99% من معظم الأيونات. وهذا يسمح لمجموعة كبيرة من المياه الخام بإنتاج مياه ذات جودة عالية يمكن الاعتماد عليها. على سبيل المثال، التناضح العكسي قادر على إنتاج مياه الشرب من مياه البحر المالحة أو جعل المياه الجوفية المحتوية على الزرنيخ آمنة؛ ولا يمكن للطرق التقليدية تحقيق هذا المستوى من التنقية في خطوة واحدة.

مجموعة واسعة من التطبيقات والمرونة: يمكن توسيع نطاق أنظمة التناضح العكسي من أجهزة تنقية المياه المنزلية الصغيرة إلى محطات معالجة المياه الكبيرة في المدن. ونظرًا لأنها معيارية، فمن السهل نسبيًا زيادة السعة أو تقليلها. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن اختيار الأغشية وفقًا للاحتياجات المحددة (متطلبات الطاقة المنخفضة، الرفض العالي، مقاومة التلوث، إلخ) وتكييفها مع التطبيق. وقد جعلت هذه المرونة من RO خيار القطاعات المختلفة.

كفاءة الطاقة مقارنة بالطرق الأخرى: مقارنةً بالتقنيات مثل التقطير، يستهلك التناضح العكسي عمومًا طاقة أقل لكل وحدة من المياه. خاصة في تحلية مياه البحر، تقوم أنظمة التناضح العكسي الحديثة بنفس المهمة باستهلاك طاقة أقل بكثير. في حين أن الطرق الحرارية تتطلب طاقة حرارية عالية لأنها تعتمد على تبخير المياه، يستخدم التناضح العكسي طاقة الضغط فقط ويوفر إمكانية استعادة الطاقة. وهذا يجعلها مفضلة في التطبيقات واسعة النطاق.

استهلاك كيميائي منخفض: في حين أن البدائل مثل أنظمة التبادل الأيوني تستخدم بانتظام مواد كيميائية حمضية/قلوية لتجديد الراتنج، لا يوجد استهلاك كيميائي كبير أثناء تشغيل التناضح العكسي (باستثناء المواد الكيميائية قبل المعالجة والتنظيف). وهذا يوفر مزايا في كل من تكاليف التشغيل والأحمال البيئية. وبما أن جودة مياه المنتج تعتمد بشكل مباشر على الفصل الفيزيائي، لا تضاف أي منتجات ثانوية غير مرغوب فيها إلى المياه.

الإزالة المتزامنة للعديد من الملوثات: نظرًا لأن غشاء التناضح العكسي يعمل كحاجز، تتم إزالة الأملاح غير العضوية والجزيئات العضوية والكائنات الدقيقة في الماء معًا في خطوة واحدة. على سبيل المثال، بدلاً من عملية منفصلة للتليين + إزالة النترات لإزالة العسر، يمكن أن يعالج التناضح العكسي كل ذلك في وقت واحد. تعمل ميزة المعالجة المتكاملة هذه على تبسيط خط المعالجة. كما أنها تقلل بشكل كبير من الملوثات التي يصعب إزالتها بالطرق التقليدية، مثل البورون والزرنيخ والفلورايد.

العيوب

ارتفاع الطلب على الطاقة ومتطلبات الضغط: نظرًا لأن التناضح العكسي هو عملية تعمل بالضغط، فإن استهلاك الطاقة يمكن أن يكون كبيرًا، خاصة في المياه عالية الملوحة. على سبيل المثال، لا يزال التناضح العكسي لمياه البحر، على الرغم من تقنيات الاسترداد المتقدمة، يستهلك طاقة أكثر بعدة مرات من التطبيقات منخفضة الضغط مثل معالجة المياه المعبأة في زجاجات. وهذا عيب في المناطق التي تكون فيها تكاليف الطاقة مرتفعة أو تكون موارد الطاقة محدودة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى مضخات قوية عالية الضغط وبنيتها التحتية الكهربائية لتشغيل النظام، مما يزيد من تكاليف الاستثمار.

مشكلة النفايات السائلة المركزة (المحلول الملحي): ربما يكون أكبر عيب بيئي للتناضح العكسي هو أنه ينتج تيار نفايات سائلة مركزة تحتوي على أملاح وملوثات منفصلة. يمكن أن تكون هذه المياه المركزة ضارة بالبيئة إذا لم تتم إدارة التخلص منها بعناية. حتى إذا تم تصريف هذه النفايات السائلة في البحر في البحر، يجب مراعاة تأثير الملوحة على النظام البيئي المحلي. في المناطق الداخلية، عادة ما يتم تصريف المياه المركزة في المجاري أو التخلص منها في أحواض التبخير، وكلاهما يضيف تكاليف إضافية وأعباء بيئية. وما لم يتم تركيب أنظمة التصريف الصفري (ZLD)، فإن نظام التناضح العكسي ينتج دائماً تياراً من النفايات السائلة ولا يمكن استخدام 100٪ من المياه.

القاذورات ومتطلبات الصيانة: تتطلب أغشية التناضح العكسي صيانة أكثر دقة مقارنة بأنظمة الترشيح الأخرى. إذا لم يتم تكييف مياه التغذية بشكل صحيح أو إذا لم يتم تشغيل النظام بشكل صحيح، يمكن أن تتسخ الأغشية وتصبح مسدودة بسرعة. وهذا يعني التنظيف المتكرر أو استبدال الأغشية. وتتطلب مشاكل مثل الحشف الحيوي والقشور على أسطح الأغشية انقطاع التشغيل والتنظيف الكيميائي؛ وهذا يؤدي إلى انقطاع إنتاج المياه واستخدام المواد الكيميائية. على سبيل المثال، قد تتطلب معالجة المياه عالية الحديد أو المياه عالية العضوية بالتناضح العكسي صيانة مكثفة. وفي هذا الصدد، يتطلب التناضح العكسي ظروف تشغيل "لطيفة" أكثر، ويتطلب موظفين مؤهلين ومراقبة منتظمة.

عمر الغشاء والمعدات: يبلغ العمر النموذجي لعناصر الغشاء في أنظمة التناضح العكسي حوالي 5-7 سنوات (حسب جودة المياه والصيانة). بعد هذه الفترة، قد يتدهور أداء الغشاء إلى مستوى غير مقبول ويكون الاستبدال ضروريًا. وتعتبر عمليات استبدال الأغشية تكلفة إضافية لتكلفة التشغيل. وبالإضافة إلى ذلك، قد تتآكل المعدات مثل المضخات عالية الضغط وأوعية الضغط؛ ويجب استبدال الأختام والحلقات بشكل دوري. وبعبارة أخرى، تنطوي أنظمة التناضح العكسي على تكاليف الاستهلاك والاستبدال على المدى الطويل.

عدم الانتقائية وإزالة المعادن المفيدة: نظرًا لأن التناضح العكسي يحتفظ بكل شيء تقريبًا في الماء دون التمييز بين النافع والضار، فإنه يزيل المعادن المفيدة عندما يتعلق الأمر بمياه الشرب. إن الأيونات المفيدة لصحة الإنسان مثل الكالسيوم والمغنيسيوم تكاد تكون معدومة في مياه منتج التناضح العكسي. ولهذا السبب، يصف بعض المستخدمين مياه التناضح العكسي بأنها "مياه ميتة" وتحتاج إلى إضافة المعادن مرة أخرى. وبالمثل، فإن مياه التناضح العكسي الخالية تمامًا من المعادن قد لا تكون مناسبة للاستخدام المباشر في سقي النباتات أو تطبيقات أحواض السمك، وقد تحتاج إلى موازنة. على الرغم من أن هذا ليس عيبًا تقنيًا، إلا أنه قد يتطلب معالجة إضافية اعتمادًا على الغرض من الاستخدام.

تكلفة استثمارية أولية عالية: يمكن أن يكون تركيب محطات التناضح العكسي ذات السعة الكبيرة بشكل خاص مكلفًا. عندما تفكر في عناصر الغشاء عالية الجودة، والأنابيب غير القابلة للصدأ، ومضخات الضغط العالي، ووحدات استعادة الطاقة، والأجهزة والأتمتة، يمكن أن تكون تكلفة تركيب محطة التناضح العكسي مرتفعة مقارنة بالبدائل. على الرغم من أنها أكثر اقتصادا بشكل عام مقارنة بالبدائل مثل التقطير، إلا أنها بالتأكيد أكثر تكلفة من أنظمة الترشيح أو التليين البسيطة. ولذلك، يمكن تفضيل الحلول الأبسط بدلاً من التناضح العكسي لتلبية احتياجات المياه على نطاق صغير واحتياجات المياه منخفضة المواد الصلبة منخفضة الصوديوم.

وفي حين أن مزايا التناضح العكسي تجعله تقنية رئيسية في معالجة المياه، فإن عيوبه تتطلب الاختيار الصحيح لمجال التطبيق والتصميم الدقيق للنظام. وبصفة عامة، قد يكون التناضح العكسي تكلفة غير ضرورية عندما لا تكون هناك حاجة إلى نقاء عالٍ للغاية؛ ولكن عندما تكون هناك حاجة إليها، يبدو أنه لا توجد تقنية أخرى يمكن أن تحل محلها. في السنوات الأخيرة، أدت التحسينات في كفاءة الأغشية وطرق استعادة الطاقة إلى تقليل العيوب وزيادة جاذبية التناضح العكسي. ومع ذلك، ينبغي إدارة النفايات المركزة وقضايا التلوث بعناية من حيث الاستدامة البيئية لمحطات التناضح العكسي. على سبيل المثال، إذا كانت هناك قيود على تصريف مياه الصرف الصحي في منطقة ما، فلا ينبغي تنفيذ المشروع دون خطط معالجة خاصة أو خطط للتخلص من مركزات التناضح العكسي.

الاستنتاج والتقييم

أنظمة التناضح العكسي هي تقنيات متطورة تلبي احتياجات معالجة المياه وتحلية المياه اليوم بكفاءة وموثوقية عالية. وكما تمت مناقشته في هذا التقرير، فإن التناضح العكسي يعكس ظاهرة التناضح الطبيعي ويفصل جزيئات المياه عن الملوثات من خلال أغشية شبه منفذة. وقد أتاح ذلك إنتاج مياه الشرب من مياه البحر المالحة، وإعادة تدوير مياه الصرف الصحي، وتوفير مياه فائقة النقاء للصناعات. أنظمة التناضح العكسي هي عملية متعددة المراحل من المعالجة المسبقة إلى المضخات عالية الضغط، ووحدات الأغشية إلى التكييف النهائي. وتعد كل مرحلة حاسمة لجودة المياه النهائية وأداء النظام. تنتج محطة التناضح العكسي المصممة والمشغلة بشكل صحيح مياه ذات جودة ثابتة على الرغم من التقلبات في ظروف مياه التغذية.

يستمر نجاح التناضح العكسي في الازدياد، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التحسينات في تكنولوجيا الأغشية وتحسين العملية. وقد أدى تطوير أغشية أكثر متانة ومقاومة للتلوث وعالية النفاذية واستهلاك أقل للطاقة وأنظمة تحكم من الجيل الجديد إلى جعل أنظمة التناضح العكسي أكثر كفاءة وسهولة في الاستخدام مما كانت عليه في الماضي. وقد أدت أجهزة استعادة الطاقة على وجه الخصوص إلى خفض تكاليف تحلية مياه البحر بشكل كبير، مما أدى إلى تسريع التحول إلى التناضح العكسي في البلدان التي تعاني من ندرة المياه.

ومع ذلك، هناك قضايا مهمة يجب مراعاتها في تطبيقات التناضح العكسي. إن الإدارة الصديقة للبيئة لتيار النفايات المركزة، وتحسين معدل استرداد المياه، والمعالجة الفعالة للتحكم في القاذورات، وتنفيذ برامج الصيانة ضرورية لاستدامة النظام. وعلى الرغم من عيوبه، فإن التناضح العكسي يوفر حلًا أكثر اقتصادًا وأمانًا وشمولية في معظم السيناريوهات عند مقارنته بالطرق البديلة. على سبيل المثال، لا تزيل طرق التقطير الملح فقط ولكن أيضًا جميع المواد غير المتطايرة، ولكن استهلاكها للطاقة مرتفع جدًا؛ أما التبادل الأيوني فهو انتقائي ويستهدف أيونات معينة فقط، ويستهلك مواد كيميائية باستمرار. من ناحية أخرى، يمكن أن يحقق التناضح العكسي، من ناحية أخرى، نفس النتائج التي يمكن أن توفرها هذه الطرق معًا عند دمجها بشكل صحيح.

عندما نفكر في المستقبل، مع ازدياد صعوبة الوصول إلى موارد المياه النظيفة بسبب تزايد عدد سكان العالم وتغير المناخ، ستزداد الأهمية الاستراتيجية للتناضح العكسي وتقنيات الأغشية المماثلة. سيؤدي التناضح العكسي دورًا حاسمًا في كل من خلق موارد مائية جديدة من خلال تحلية مياه البحر وتوفير اقتصاد مائي دائري من خلال إعادة تدوير مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية. وتركز دراسات البحث والتطوير على زيادة تحسين الأغشية وخفض تكاليف التشغيل وإيجاد حلول مبتكرة للتخلص من النفايات المركزة. على سبيل المثال، فإن موضوعات مثل استعادة المعادن الثمينة مثل الليثيوم والمغنيسيوم من الجداول المركزة أو أنظمة التناضح العكسي التي تعمل بالطاقة الشمسية لديها القدرة على تحسين الأداء الاقتصادي والبيئي للتناضح العكسي.

وفي الختام، فإن أنظمة التناضح العكسي، عند تخطيطها وتشغيلها بشكل صحيح، هي أدوات قوية تعمل على تحسين جودة المياه بشكل موثوق وتأمين إمدادات المياه. ومن أجل تعظيم مزايا هذه التقنية وتقليل عيوبها إلى الحد الأدنى، ينبغي اعتماد نهج شامل: ينبغي النظر في تحليل مياه التغذية، والمعالجة المسبقة المناسبة، واختيار الأغشية، وتحسين الطاقة، وإدارة النفايات والصيانة الدورية معًا. من من منظور هندسي، يتطلب التناضح العكسي تكامل نظام متعدد التخصصات، وتمثل محطة التناضح العكسي الناجحة مزيجًا متناغمًا من مجالات مثل علم المواد والكيمياء وميكانيكا الموائع وهندسة التحكم. في عالمنا الذي تزداد فيه ندرة المياه، ستلعب تقنيات المعالجة المتقدمة مثل التناضح العكسي دورًا رئيسيًا في بناء مستقبل مستدام للمياه.