การวิเคราะห์กระบวนการของเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชันในการบำบัดน้ำ (ตอนที่ 1)

ความสามารถในการซึมผ่านของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น โดยทั่วไป ความหนืดของสารละลายในน้ำจะลดลงตามอุณหภูมิ ทำให้ความต้านทานการไหลลดลง และอัตราการซึมผ่านเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ควรพิจารณาอุณหภูมิที่แท้จริงของสารละลายที่จ่ายเข้ามา ณ สถานที่ทำงานในการออกแบบทางวิศวกรรม ก่อนหน้านี้ อัลตราฟิลเทรชันถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำและกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ การเพิ่มความเข้มข้น และการแยกสารในอุตสาหกรรมอื่นๆ ในฐานะวิธีการบำบัดเบื้องต้นหรือวิธีการบำบัดขั้นสูง ในการใช้งานอย่างแพร่หลาย กระบวนการบำบัดน้ำใช่แล้ว มักใช้เป็นวิธีการทำให้บริสุทธิ์ขั้นสูง เนื่องจากคุณลักษณะของเยื่อกรองแบบเส้นใยกลวงอัลตราฟิลเทรชัน จึงมีข้อกำหนดในการบำบัดน้ำเบื้องต้นบางประการ สารแขวนลอย คอลลอยด์ จุลินทรีย์ และสิ่งเจือปนอื่นๆ ในน้ำสามารถเกาะติดกับพื้นผิวของเยื่อกรอง ทำให้เกิดการอุดตันได้

เนื่องจากเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันมีอัตราการไหลของน้ำค่อนข้างสูง ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่ติดอยู่บนพื้นผิวเยื่อจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการกระจุกตัวของความเข้มข้น ที่ร้ายแรงกว่านั้นคือ อนุภาคขนาดเล็กมากบางชนิดสามารถเข้าไปในรูพรุนของเยื่อและอุดตันช่องทางน้ำได้ นอกจากนี้ สารหนืดที่เกิดจากจุลินทรีย์และผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมของพวกมันในน้ำยังเกาะติดกับพื้นผิวเยื่ออีกด้วย ปัจจัยเหล่านี้ล้วนนำไปสู่การลดลงของความสามารถในการซึมผ่านของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันและการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการแยกสาร ในขณะเดียวกันก็มีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับอุณหภูมิ ค่า pH และความเข้มข้นของอัลตราฟิลเทรชันน้ำกรอง จัดหา.

ดังนั้น การบำบัดเบื้องต้นและการปรับคุณภาพน้ำที่เหมาะสมจึงมีความจำเป็นสำหรับน้ำที่ผ่านกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน เพื่อให้ตรงตามความต้องการ ยืดอายุการใช้งานของเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชัน และลดต้นทุนการบำบัดน้ำ

การกำจัดจุลินทรีย์ (แบคทีเรีย สาหร่าย)

เมื่อน้ำมีจุลินทรีย์อยู่ จุลินทรีย์บางส่วนที่ติดอยู่ภายในอาจเกาะติดกับระบบบำบัดเบื้องต้น เช่น พื้นผิวของวัสดุกรองในระบบกรองหลายชั้น หลังจากเข้าสู่ระบบบำบัดเบื้องต้นแล้ว เมื่อจุลินทรีย์เหล่านี้เกาะติดกับพื้นผิวของเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชัน พวกมันจะเจริญเติบโตและเพิ่มจำนวนขึ้น จนอาจอุดตันรูพรุนขนาดเล็กและแม้กระทั่งช่องว่างภายในของเส้นใยได้ทั้งหมด

การมีอยู่ของจุลินทรีย์เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดเส้นใยกลวง การกำจัดแบคทีเรียและสาหร่ายออกจากน้ำดิบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในโครงการบำบัดน้ำ มักมีการเติมสารออกซิไดซ์ เช่น NaClO และ O3 ในความเข้มข้น 1–5 มิลลิกรัมต่อลิตร นอกจากนี้ยังสามารถใช้การฆ่าเชื้อด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตได้ ในห้องปฏิบัติการ สามารถฆ่าเชื้อโมดูลเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดเส้นใยกลวงได้โดยการหมุนเวียนสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) หรือโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตในน้ำเป็นเวลา 30–60 นาที

การบำบัดด้วยจุลินทรีย์สามารถฆ่าจุลินทรีย์ได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถกำจัดจุลินทรีย์ออกจากน้ำได้ ทำได้เพียงยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์เท่านั้น

การลดความขุ่นของน้ำขาเข้า

เมื่อน้ำมีสารแขวนลอย คอลลอยด์ จุลินทรีย์ และสิ่งเจือปนอื่นๆ จะทำให้เกิดความขุ่นในระดับหนึ่ง ความขุ่นนี้จะขัดขวางการผ่านของแสง และผลกระทบทางแสงนี้เกี่ยวข้องกับปริมาณ ขนาด และรูปร่างของสิ่งเจือปน โดยทั่วไปแล้ว ความขุ่นจะวัดเป็นองศา โดย 1 มิลลิกรัม/ลิตร ซิลิกา (SiO2) จะทำให้เกิดความขุ่น 1 องศา ระดับความขุ่นที่สูงขึ้นแสดงว่ามีสิ่งเจือปนมากขึ้น

แต่ละสาขามีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับค่าความขุ่นของน้ำประปา ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำประปาทั่วไป ค่าความขุ่นไม่ควรเกิน 5 องศา เนื่องจากการวัดค่าความขุ่นเกี่ยวข้องกับการส่งแสงผ่านน้ำดิบและวัดปริมาณ สี และความทึบแสงของแสงที่สะท้อนจากอนุภาคในน้ำ ขนาด จำนวน และรูปร่างของอนุภาคจึงส่งผลต่อการวัด ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความขุ่นและของแข็งแขวนลอยเป็นแบบสุ่ม ค่าความขุ่นไม่สามารถสะท้อนอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าไม่กี่ไมโครเมตรได้

ในการบำบัดน้ำด้วยเยื่อกรอง โครงสร้างจุลภาคที่แม่นยำของตัวกรองน้ำจะดักจับอนุภาคในระดับโมเลกุลและแม้กระทั่งระดับไอออน ทำให้ความขุ่นเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพน้ำที่ไม่แม่นยำ เพื่อทำนายแนวโน้มการปนเปื้อนของน้ำดิบ จึงได้มีการพัฒนาการทดสอบ SDI (Self-Containing Dissolved Intake) ขึ้นมา

ค่า SDI ใช้เพื่อตรวจวัดปริมาณคอลลอยด์และของแข็งแขวนลอยในน้ำเป็นหลัก และเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของคุณภาพน้ำที่ไหลเข้าสู่ระบบ โดยทั่วไปแล้ว ค่า SDI จะถูกกำหนดโดยใช้เมมเบรนไมโครพรุนขนาด 0.45 μm ภายใต้แรงดันน้ำคงที่ 0.21 MPa ขั้นแรก บันทึกเวลา t0 ที่ใช้ในการกรองตัวอย่างน้ำ 500 มล. จากนั้น ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน น้ำจะไหลต่อไปอีก 15 นาที และบันทึกเวลา t15 ที่ใช้ในการกรองตัวอย่างน้ำอีก 500 มล. จากนั้นคำนวณค่าโดยใช้สูตรต่อไปนี้: SDI = (1 - t0/t15) × 100/15 ขนาดของค่า SDI ในน้ำจะสะท้อนถึงระดับมลพิษของคอลลอยด์โดยประมาณ น้ำบาดาลมีค่า SDI

เทคโนโลยีการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันมีประสิทธิภาพสูงสุดในการลดค่า SDI (ดัชนีความหนาแน่นของของแข็ง) น้ำที่ผ่านการกรองด้วยเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดเส้นใยกลวงจะมีค่า SDI เท่ากับ 0 อย่างไรก็ตาม หากค่า SDI สูงเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออนุภาคขนาดใหญ่เข้าไปอุดตันเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดเส้นใยกลวงอย่างรุนแรง จำเป็นต้องมีการบำบัดเบื้องต้นก่อนกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน การบำบัดเบื้องต้นนี้สามารถทำได้โดยใช้ทรายควอตซ์ ถ่านกัมมันต์ หรือตัวกรองที่บรรจุด้วยวัสดุหลายชนิด ไม่มีสูตรตายตัวสำหรับวิธีการบำบัดเบื้องต้น เนื่องจากแหล่งน้ำที่แตกต่างกันต้องการวิธีการที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำประปาหรือน้ำบาดาลที่มีความขุ่นต่ำ การใช้ตัวกรองละเอียดขนาด 5–10 ไมโครเมตร (เช่น ตัวกรองแบบรังผึ้ง ตัวกรองแบบเป่าละลาย หรือตัวกรองแบบท่อ PE เผาผนึก) โดยทั่วไปสามารถลดความขุ่นลงเหลือประมาณ 5 ได้ ก่อนการกรองละเอียด ต้องเติมสารตกตะกอน และต้องใช้ตัวกรองแบบสองชั้นหรือหลายชั้น โดยทั่วไป อัตราการกรองไม่ควรเกิน 10 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง โดย 7–8 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงเป็นอัตราที่เหมาะสม ยิ่งอัตราการกรองช้าลง คุณภาพน้ำที่กรองได้ก็จะยิ่งดีขึ้น

การกำจัดของแข็งแขวนลอยและสารคอลลอยด์

สำหรับสิ่งเจือปนที่มีขนาดอนุภาคใหญ่กว่า 5 ไมโครเมตร สามารถใช้ตัวกรองที่มีความละเอียดในการกรอง 5 ไมโครเมตรในการกำจัดได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับอนุภาคละเอียดและคอลลอยด์ที่มีขนาดระหว่าง 0.3 ถึง 5 ไมโครเมตร เทคนิคการกรองแบบดั้งเดิมนั้นยากที่จะใช้งานได้ แม้ว่าการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันจะมีประสิทธิภาพในการกำจัดอนุภาคและคอลลอยด์เหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชันแบบเส้นใยกลวง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อนุภาคคอลลอยด์มีประจุไฟฟ้าและเป็นกลุ่มของโมเลกุลและไอออน ความเสถียรของคอลลอยด์ในน้ำส่วนใหญ่เกิดจากการผลักกันระหว่างอนุภาคคอลลอยด์ที่มีประจุเดียวกัน

การเติมสารที่มีประจุ (สารตกตะกอน) ที่มีประจุตรงข้ามกับอนุภาคคอลลอยด์ลงในน้ำดิบ จะทำลายเสถียรภาพของอนุภาคคอลลอยด์ ทำให้ประจุเป็นกลาง และส่งผลให้อนุภาคคอลลอยด์ที่กระจายตัวอยู่รวมตัวกันเป็นก้อนขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถกำจัดออกได้ง่ายโดยการกรองหรือการตกตะกอน สารตกตะกอนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ อิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์ เช่น อะลูมิเนียมซัลเฟต โพลีอะลูมิเนียมคลอไรด์ เฟอร์รัสซัลเฟต และเฟอร์ริกคลอไรด์ ส่วนสารตกตะกอนอินทรีย์ ได้แก่ โพลีอะคริลาไมด์ โซเดียมโพลีอะคริเลต และโพลีอิไมด์ เนื่องจากพอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเหล่านี้สามารถทำให้ประจุบนพื้นผิวของอนุภาคคอลลอยด์เป็นกลางได้ โดยการสร้างพันธะไฮโดรเจนและ "การเชื่อมต่อ" ทำให้การจับตัวเป็นก้อนและการตกตะกอนเสร็จสมบูรณ์อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้คุณภาพน้ำดีขึ้นอย่างมาก ดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สารตกตะกอนพอลิเมอร์จึงมีแนวโน้มที่จะเข้ามาแทนที่สารตกตะกอนอนินทรีย์มากขึ้น

เมื่อเติมสารตกตะกอน สามารถเติมสารช่วยจับตัวเป็นก้อนได้ เช่น สารปรับค่า pH (ปูนขาวและโซเดียมคาร์บอเนต) สารออกซิไดซ์ (คลอรีนและผงฟอกขาว) สารทำให้คงตัว (เส้นใยที่ละลายน้ำได้) และสารดูดซับ (โพลีอะคริลาไมด์) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจับตัวเป็นก้อน

โดยทั่วไป สารตกตะกอนมักเตรียมในรูปสารละลายในน้ำและเติมโดยใช้ปั๊มวัดปริมาณ หรืออาจฉีดเข้าไปในระบบบำบัดน้ำโดยตรงโดยใช้หัวฉีดที่ติดตั้งบนท่อส่งน้ำ

การกำจัดสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้

สารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ไม่สามารถกำจัดออกได้อย่างสมบูรณ์ด้วยวิธีการตกตะกอนแบบฟล็อกคูเลชัน การกรองแบบหลายชั้น หรือการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน ปัจจุบัน วิธีการออกซิเดชันหรือการดูดซับเป็นวิธีที่นิยมใช้กัน

(1) วิธีการออกซิเดชัน: การออกซิเดชันโดยใช้คลอรีนหรือโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaClO) มีประสิทธิภาพในการกำจัดสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ โอโซน (O3) และโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (KMnO4) ก็เป็นสารออกซิไดซ์ที่ดีเช่นกัน แต่มีราคาสูงกว่าเล็กน้อย

(2) วิธีการดูดซับ: ถ่านกัมมันต์หรือเรซินดูดซับแบบมีรูพรุนขนาดใหญ่สามารถกำจัดสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สำหรับแอลกอฮอล์และฟีนอลที่ดูดซับได้ยาก ยังคงจำเป็นต้องใช้การออกซิเดชัน