การวิเคราะห์กระบวนการของเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชันในการบำบัดน้ำ (ตอนที่ 2)

คุณภาพน้ำประปา การปรับแต่ง

【การปรับอุณหภูมิน้ำประปา】

ความสามารถในการซึมผ่านของ เยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชันอัตราการซึมผ่านมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิ โดยทั่วไปแล้ว อัตราการซึมผ่านของโมดูลเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันจะทดสอบด้วยน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 25℃ อัตราการซึมผ่านของเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันแปรผันตรงกับอุณหภูมิ โดยมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิประมาณ 0.02/1℃ นั่นคือ สำหรับทุกๆ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 1℃ อัตราการซึมผ่านจะเพิ่มขึ้นประมาณ 2.0% ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิของน้ำที่จ่ายต่ำ (เช่น

【การปรับค่า pH ของน้ำประปา】

เยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันที่ทำจากวัสดุต่างกันจะมีช่วง pH ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เยื่อเซลลูโลสอะซิเตตเหมาะสำหรับ pH 4–6 ในขณะที่เยื่อ PAN และ PVDF สามารถใช้ได้ในช่วง pH 2–12 หากน้ำเสียที่ไหลเข้ามี pH เกินช่วงนี้ จำเป็นต้องปรับค่า pH โดยทั่วไปแล้ว สารปรับค่า pH ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ กรด (HCl และ H₂SO₄) และด่าง (NaOH) เนื่องจากเกลืออนินทรีย์ในสารละลายสามารถซึมผ่านเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันได้ จึงไม่มีปัญหาเรื่องการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดหรือการเกิดตะกรันที่เกิดจากเกลืออนินทรีย์ ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วผลกระทบของเกลืออนินทรีย์ต่อเยื่อกรองจึงไม่ถูกนำมาพิจารณาในระหว่างกระบวนการปรับคุณภาพน้ำก่อนการบำบัด จุดสำคัญคือการป้องกันการก่อตัวของชั้นคอลลอยด์ การอุดตันของเยื่อกรอง และการอุดตันของท่อ

การควบคุมและใช้งานพารามิเตอร์การทำงานอย่างถูกต้อง พารามิเตอร์การทำงานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานที่เสถียรในระยะยาวของเครื่องอัลตร้าระบบกรองพารามิเตอร์เหล่านี้โดยทั่วไปประกอบด้วย: อัตราการไหล ความดัน การลดลงของความดัน อัตราการปล่อยสารเข้มข้น อัตราส่วนการฟื้นตัว และอุณหภูมิ

ก.

อัตราการไหล: อัตราการไหลหมายถึงความเร็วเชิงเส้นของสารละลายป้อน (น้ำที่จ่าย) ที่ไหลผ่านพื้นผิวเมมเบรน เป็นพารามิเตอร์การทำงานที่สำคัญในระบบอัลตราฟิลเทรชัน อัตราการไหลสูงไม่เพียงแต่สิ้นเปลืองพลังงานและทำให้เกิดแรงดันตกมากเกินไป แต่ยังเร่งการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพการแตกตัวของเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันอีกด้วย ในทางกลับกัน อัตราการไหลต่ำจะเพิ่มความหนาของชั้นขอบเขตที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวเมมเบรน ทำให้เกิดการโพลาไรเซชันของความเข้มข้น ซึ่งส่งผลต่อทั้งอัตราการผ่านและคุณภาพของสารละลายที่ผ่านเมมเบรน อัตราการไหลที่เหมาะสมจะถูกกำหนดโดยการทดลอง

เยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดเส้นใยกลวง เมื่อความดันน้ำขาเข้าต่ำกว่า 0.2 MPa จะมีอัตราเร็วการไหลเพียง 0.1 m/s ที่ความดันภายใน ซึ่งบ่งชี้ถึงรูปแบบการไหลแบบราบเรียบอย่างสมบูรณ์ ส่วนเยื่อกรองแบบใช้ความดันภายนอกสามารถให้อัตราเร็วการไหลที่สูงกว่าได้ สำหรับเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันชนิดท่อแคปิลลารี เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีถึง 3 มม. อัตราเร็วการไหลสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างเหมาะสม ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดชั้นขอบเขตความเข้มข้น

มีประเด็นสำคัญสองประการที่ต้องชี้แจง: ประการแรก ความเร็วการไหลไม่สามารถกำหนดได้ตามอำเภอใจ เนื่องจากมีความสัมพันธ์กับความดันขาเข้าและอัตราการไหลของของเหลวป้อน ประการที่สอง สำหรับเยื่อใยกลวงหรือเยื่อแคปิลลารี ความเร็วการไหลจะไม่สม่ำเสมอที่ปลายทางเข้า เมื่ออัตราการไหลของสารเข้มข้นเป็น 10% ของอัตราการไหลของของเหลวป้อน ความเร็วการไหลออกจะอยู่ที่ประมาณ 10% ของความเร็วการไหลเข้า ยิ่งไปกว่านั้น การเพิ่มความดันจะเพิ่มอัตราการไหลของสารที่ผ่านเยื่อ แต่มีส่วนช่วยในการเพิ่มความเร็วการไหลเพียงเล็กน้อย ดังนั้น การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของแคปิลลารีและการเพิ่มอัตราการระบายสารเข้มข้น (อัตราการไหลเวียนซ้ำ) อย่างเหมาะสม สามารถปรับปรุงความเร็วการไหลได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการทำให้เข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน เช่น การกู้คืนสีด้วยกระบวนการอิเล็กโทรโฟเรซิส ซึ่งสามารถเพิ่มอัตราการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ภายในช่วงแรงดันที่อนุญาต การเพิ่มปริมาณน้ำและการเลือกอัตราการไหลสูงสุดจะเป็นประโยชน์ต่อการรับประกันประสิทธิภาพของเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชันแบบเส้นใยกลวง

บี.

แรงดันและการลดลงของแรงดัน: ช่วงแรงดันใช้งานของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันชนิดเส้นใยกลวงอยู่ที่ 0.1–0.6 MPa ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงแรงดันใช้งานที่ใช้ในการบำบัดสารละลายภายในขอบเขตที่กำหนดของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน การแยกสารที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกันจำเป็นต้องเลือกเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันที่มีค่าตัดน้ำหนักโมเลกุลที่สอดคล้องกัน ดังนั้นแรงดันใช้งานจึงแตกต่างกันด้วย โดยทั่วไป สำหรับเยื่อกรองแบบเส้นใยกลวงที่มีแรงดันภายในและมีเปลือกพลาสติก ความต้านทานแรงดันของเปลือกจะน้อยกว่า 0.3 MPa และความต้านทานแรงดันของเส้นใยกลวงโดยทั่วไปก็น้อยกว่า 0.3 MPa เช่นกัน ดังนั้นแรงดันใช้งานควรน้อยกว่า 0.2 MPa และความแตกต่างของแรงดันข้ามเยื่อกรองไม่ควรเกิน 0.1 MPa เยื่อกรองแบบเส้นใยกลวงที่มีแรงดันภายนอกสามารถทนต่อแรงดันได้ถึง 0.6 MPa แต่สำหรับโมดูลเยื่อกรองแบบแรงดันภายนอกที่มีเปลือกพลาสติก แรงดันใช้งานก็คือ 0.2 MPa เช่นกัน ต้องชี้แจงว่า เนื่องจากแผ่นเมมเบรนรับแรงดันภายในมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า เมื่อนำมาใช้เป็นแผ่นเมมเบรนรับแรงดันภายนอก จึงแบนและฉีกขาดได้ง่ายบริเวณจุดเชื่อมต่อ ทำให้เกิดความเสียหาย ดังนั้น แผ่นเมมเบรนรับแรงดันภายในและภายนอกจึงไม่สามารถใช้แทนกันได้

เมื่อต้องการความดันระดับหนึ่งสำหรับสารกรองพิเศษที่จะใช้ในกระบวนการถัดไป ควรใช้โมดูลเมมเบรนกรองพิเศษแบบหุ้มด้วยสแตนเลส โมดูลเมมเบรนกรองพิเศษแบบเส้นใยกลวงนี้สามารถทำงานได้ที่ความดัน 0.6 MPa ในขณะที่จ่ายสารกรองพิเศษที่ความดัน 30 เมตรคอลัมน์น้ำ หรือ 0.3 MPa อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของความดันระหว่างภายในและภายนอกของเมมเบรนกรองพิเศษแบบเส้นใยกลวงจะต้องไม่เกิน 0.3 MPa

ในการเลือกแรงดันใช้งาน นอกจากการพิจารณาความต้านทานแรงดันของเมมเบรนและปลอกหุ้มแล้ว ยังต้องพิจารณาความสามารถในการบีบอัดและความต้านทานการอุดตันของเมมเบรนด้วย แรงดันที่สูงขึ้นส่งผลให้การไหลของสารละลายผ่านเมมเบรนมากขึ้น แต่ก็ทำให้มีการสะสมของสารที่ติดอยู่บนพื้นผิวเมมเบรนมากขึ้นเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นและอัตราการไหลผ่านที่ลดลง นอกจากนี้ อนุภาคที่เข้าไปในรูพรุนขนาดเล็กของเมมเบรนมีแนวโน้มที่จะอุดตันช่องทางได้มากขึ้น กล่าวโดยสรุป การเลือกแรงดันใช้งานที่ต่ำกว่าเมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้จะเป็นประโยชน์ต่อการใช้ประสิทธิภาพของเมมเบรนอย่างเต็มที่

การลดลงของความดันในโมดูลเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันแบบเส้นใยกลวง หมายถึงความแตกต่างระหว่างความดันที่ทางเข้าของน้ำป้อนและความดันที่ทางออกของสารเข้มข้น การลดลงของความดันมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอัตราการจ่ายน้ำ อัตราการไหล และอัตราการระบายสารเข้มข้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันแบบเส้นใยกลวงหรือแบบแคปิลลารีที่มีความดันภายใน ความเร็วการไหลและความดันบนพื้นผิวเมมเบรนจะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางการไหลของน้ำ ยิ่งปริมาณน้ำที่จ่าย ความเร็วการไหล และปริมาณสารเข้มข้นที่ระบายออกมากเท่าใด การลดลงของความดันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้ความดันบนพื้นผิวเมมเบรนด้านล่างไม่ถึงความดันใช้งานที่ต้องการ ซึ่งจะส่งผลต่อปริมาณน้ำที่ผลิตได้ทั้งหมดของโมดูลเมมเบรน ในการใช้งานจริง ควรควบคุมการลดลงของความดันเพื่อหลีกเลี่ยงระดับที่สูงเกินไป เมื่อเวลาใช้งานเพิ่มขึ้น การอุดตันจะเพิ่มความต้านทานการไหล ทำให้การลดลงของความดันมากขึ้น เมื่อการลดลงของความดันเกินค่าเริ่มต้น 0.05 MPa จำเป็นต้องทำความสะอาดและขจัดสิ่งอุดตันในทางเดินน้ำ

ซี.

อัตราการฟื้นตัวและปริมาณน้ำเข้มข้นที่ระบายออก: ในระบบอัลตราฟิลเทรชัน อัตราการฟื้นตัวและปริมาณน้ำเข้มข้นที่ระบายออกเป็นปัจจัยที่จำกัดซึ่งกันและกัน อัตราการฟื้นตัวหมายถึงอัตราส่วนของน้ำที่ผ่านเยื่อกรองต่อน้ำที่ป้อนเข้า ในขณะที่ปริมาณน้ำเข้มข้นที่ระบายออกหมายถึงปริมาณน้ำที่ระบายออกก่อนการผ่านเยื่อกรอง เนื่องจากปริมาณน้ำที่ป้อนเข้าเท่ากับผลรวมของปริมาณน้ำเข้มข้นและน้ำที่ผ่านเยื่อกรอง ดังนั้นปริมาณน้ำเข้มข้นที่ระบายออกมากจะส่งผลให้อัตราการฟื้นตัวต่ำ เพื่อให้มั่นใจว่าระบบอัลตราฟิลเทรชันทำงานได้อย่างปกติ ควรระบุปริมาณน้ำเข้มข้นที่ระบายออกขั้นต่ำและอัตราการฟื้นตัวสูงสุดของโมดูล

โดยทั่วไป ในโครงการบำบัดน้ำเสีย อัตราการฟื้นตัวของโมดูลเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันแบบเส้นใยกลวงอยู่ที่ประมาณ 50-90% การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงองค์ประกอบและสถานะของสารละลายป้อน ปริมาณสารที่สามารถกักเก็บได้ ความหนาของชั้นสิ่งสกปรกที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวเมมเบรน และผลกระทบต่ออัตราการไหลของน้ำที่ผ่านเมมเบรน ในหลายกรณี สามารถใช้อัตราการฟื้นตัวที่ต่ำกว่าได้ โดยปล่อยสารเข้มข้นกลับเข้าไปในระบบป้อนน้ำ วิธีนี้จะเพิ่มปริมาณการหมุนเวียน ลดความหนาของชั้นสิ่งสกปรก และทำให้เพิ่มอัตราการไหลของน้ำที่ผ่านเมมเบรนได้ บางครั้งโดยไม่ต้องเพิ่มการใช้พลังงานต่อหน่วยการผลิตน้ำที่ผ่านเมมเบรน

ง.

อุณหภูมิในการทำงาน: ความสามารถในการซึมผ่านของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น โดยทั่วไป ความหนืดของสารละลายในน้ำจะลดลงตามอุณหภูมิ ทำให้ความต้านทานการไหลลดลง และอัตราการซึมผ่านเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ควรพิจารณาอุณหภูมิที่แท้จริงของสารละลายที่จ่ายเข้ามา ณ สถานที่ใช้งานในการออกแบบทางวิศวกรรม

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล ควรพิจารณาการควบคุมอุณหภูมิเมื่ออุณหภูมิต่ำเกินไป มิเช่นนั้น อัตราการซึมผ่านอาจเปลี่ยนแปลงได้ประมาณ 50% ตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ นอกจากนี้ อุณหภูมิที่สูงเกินไปก็จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของเมมเบรนเช่นกัน ภายใต้สภาวะปกติ อุณหภูมิในการทำงานของเมมเบรนอัลตราฟิลเตรชันแบบเส้นใยกลวงควรอยู่ที่ 25±5℃ หากต้องการสภาวะอุณหภูมิที่สูงกว่านี้ สามารถเลือกใช้วัสดุเมมเบรนและวัสดุเปลือกที่ทนต่ออุณหภูมิสูงได้