نُشر أصلاً بواسطة ووتر تك أونلاين | 07 يوليو 2024 | بقلم جون غودمان
هل يمكن أن يصبح التلوث العضوي غير القابل للإصلاح أمرًا من الماضي بالنسبة لأغشية التناضح العكسي (RO)؟
مع تزايد نقص المياه العذبة عالميًا، أصبح الطلب على استعادة المياه وإعادة استخدامها بشكل مستدام أكثر إلحاحًا. وتتجه الصناعات بشكل متزايد إلى مصادر مياه إضافية، مثل مجاري مياه الصرف الصحي، للحصول على مياه نقية وقابلة لإعادة الاستخدام.
تُعدّ أنظمة التناضح العكسي تقنيةً رئيسيةً في معالجة مياه الصرف الصناعي، حيث تُعالج مليارات الجالونات سنويًا لإعادة استخدامها. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه هذه الأنظمة تحدياتٍ تشغيليةً بسبب ارتفاع مستويات المواد العضوية في مياه الصرف، مما يؤدي إلى تراكم الأوساخ البيولوجية والعضوية على أغشية التناضح العكسي وارتفاع تكاليف التشغيل. يُعزز الطلب المتزايد على إعادة استخدام مياه الصرف الحاجةَ المُلِحّة إلى أغشية تناضح عكسي مبتكرة قادرة على مقاومة الأوساخ والحفاظ على استقرار التشغيل مع الحد الأدنى من فترات التوقف، مما يضمن تحقيق الصناعات لأهدافها الإنتاجية بكفاءة.
القيود التقليدية للتناضح العكسي
لطالما كان التناضح العكسي حلاً محورياً لتنقية المياه في العديد من الصناعات. ومع ذلك، ورغم انتشاره الواسع وخبرة مستخدميه، لا تزال أنظمة التناضح العكسي التقليدية تُشكل تحديات تشغيلية جسيمة. فعشرات الآلاف من أنظمة التناضح العكسي الصناعية المستخدمة اليوم تُعيقها الأوساخ العضوية والبيولوجية، مما يُقلل من مستوى الأداء العام للنظام ويُقصر عمر الغشاء.
غالبًا ما تُجري أنظمة معالجة مجاري مياه الصرف الصحي عالية التلوث عمليات تنظيف كيميائية متكررة للحفاظ على أداء الأغشية. تُسرّع هذه العملية من تدهور الأغشية، مما يُلزم مُشغّلي الأنظمة باستبدال أغشيتهم بشكل متكرر للحفاظ على أداء كافٍ للنظام وتلبية احتياجاته من المياه. لا تقتصر دورة التنظيف والاستبدال هذه على زيادة تكاليف التشغيل فحسب، بل تُؤدي أيضًا إلى توقف طويل، مما يُعطّل عمليات المصنع ويُؤثر على أهداف الإنتاج.
على الرغم من توفر أغشية التناضح العكسي المقاومة للتلوث لسنوات عديدة، إلا أن أدائها يُضاهي أداء أغشية التناضح العكسي القياسية، ولا يزال التلوث البيولوجي والعضوي يُمثل التحدي الأكبر أمام استمرارية تشغيل النظام. يُعدّ حل هذه المشكلات أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أداء النظام وتقليل تكاليف التشغيل الزائدة.
التكاليف الخفية للتنظيف
على الرغم من أن جميع مشغلي أنظمة الأغشية تقريبًا يتفقون على أن التنظيف يُسبب صداعًا ويُعطل تشغيل المصنع، إلا أن معظمهم لا يعرفون بالضبط تكلفة التنظيف، إذ تتفاوت هذه التكاليف وتُعتبر جزءًا من ميزانية التشغيل العامة. تشمل تكاليف التنظيف العمالة، ووقت التوقف عن العمل، ومياه التعويض، ومعالجة مياه الصرف الصحي، والطاقة، والمواد الكيميائية. وبينما تتفاوت التفاصيل (على سبيل المثال، تُعتبر تكلفة وقت التوقف عن العمل أكثر إيلامًا لنظام يُكافح لمواكبة الطلب، كما أن تكلفة المنظفات المُركّبة أعلى من تكلفة المواد الكيميائية العامة السائبة)، فقد وجد تحليل لمشغلي أنظمة التناضح العكسي في أمريكا الشمالية أن متوسط تكلفة التنظيف يبلغ 43.08 دولارًا أمريكيًا لكل عنصر 8040 لكل عملية تنظيف.
وعندما نأخذ في الاعتبار أيضًا أن المستخدمين الذين يقومون بالتنظيف القلوي 12 مرة على الأقل في السنة غالبًا ما يضطرون إلى استبدال أغشية التناضح العكسي كل عامين - وأحيانًا أكثر في تطبيقات مياه الصرف الصحي - يمكننا أن نرى أن سعر الغشاء هو جزء صغير من التكلفة الإجمالية للملكية.
إعادة اختراع التناضح العكسي
شهدت تقنيات التناضح العكسي تطورات تدريجية على مدى السنوات الخمس والأربعين الماضية. وتركزت معظم هذه التطورات على تحسين تقنيات التصنيع وإضافة مواد مضافة، مما أدى إلى زيادة كفاءة فصل الأملاح وخفض استهلاك الطاقة. ومع ذلك، ظلت الفروقات بين موردي أنظمة التناضح العكسي ضئيلة. ومع تزايد توجه الشركات نحو تقليل احتياجاتها من المياه العذبة عبر معالجة مياه الصرف الصناعي لإعادة استخدامها، تبرز الحاجة المُلحة إلى حلول معالجة مبتكرة.
لتلبية المتطلبات والتحديات المتزايدة التي تواجهها الصناعات الحديثة، لا بد من إحداث تحول جذري في كيمياء أغشية التناضح العكسي. وقد حققت شركة ZwitterCo هذا الابتكار من خلال دمج تقنيتها الجديدة المقاومة للرواسب مع أغشية التناضح العكسي التجارية المُجرّبة. والنتيجة هي أغشية تتطلب تنظيفًا أقل بكثير لاستعادة الأداء بالكامل، مما يضع معيارًا جديدًا للأغشية المقاومة للرواسب.
صُممت هذه الأغشية لتحل محل أغشية التناضح العكسي التقليدية و/أو المقاومة للتلوث، والتي تعاني من التلوث العضوي أو البيولوجي الناتج عن مصادر التغذية، مثل مياه الصرف الصحي والمياه السطحية والمياه المعالجة. وإدراكًا منها لسهولة التنفيذ، تُعدّ عناصر التناضح العكسي من ZwitterCo بدائل سهلة التركيب، ولا تتطلب أي تعديلات على النظام. تتوفر هذه العناصر بتصميمات منخفضة الطاقة وعالية الرفض وعالية الضغط.
تنظيف أقل تكرارا
تبدو بعض فوائد تنظيف الأغشية بشكل أقل وضوحًا، بينما تبدو أخرى أقل وضوحًا. إحدى طرق تقييم هذه الفوائد هي تصنيفها ضمن الفئات التالية: الأداء، والتشغيل، والاقتصاد. ولا تنسَ الاستدامة.
يؤدي التنظيف الكيميائي إلى تدهور أغشية التناضح العكسي. لا يقتصر التلوث على انخفاض الأداء بشكل لا رجعة فيه (وهو السبب الرئيسي للحاجة إلى عوامل الأداء في برامج إسقاط شركات التناضح العكسي)، بل إنه مع تنظيف الأغشية، تُمرر المزيد من المواد المذابة، مما يؤدي إلى موصلية نفاذية أعلى. بالنسبة للمشغلين الذين يستخدمون تقنيات التلميع اللاحقة، مثل التأين الكهربائي (EDI) أو راتنجات التبادل الأيوني، فإن المرور الأسرع يعني تجديدًا أكثر تكرارًا وتكاليف تشغيل أعلى.
التنظيف الأقل له فوائد تشغيلية عديدة. لنكن صريحين، التنظيف مُرهق. إطالة الفترة بين عمليات التنظيف تزيد من وقت التشغيل، وتساعد المُشغّلين على تحقيق أهدافهم الإنتاجية - من حيث الكمية وجودة المياه - وتجنّب الحاجة إلى موظفين إضافيين أو ساعات عمل إضافية. صُممت أنظمة التناضح العكسي للعمل بسلاسة مع أقل قدر ممكن من التدخل المباشر. إن تقليل وتيرة التنظيف يُسهّل حياة الجميع.
بالطبع، سيُحقق ما سبق فوائد اقتصادية. فبالإضافة إلى خفض تكلفة المواد الكيميائية، ومياه إعادة التعبئة، ومعالجة مياه الصرف الصحي، ومتطلبات الطاقة والعمل الإضافي، قد تتحقق فوائد اقتصادية من زيادة وقت التشغيل أو تقليل فترات التوقف غير المخطط لها. ومن الفوائد الرئيسية الأخرى إطالة عمر الأغشية. وكما ذُكر سابقًا، يُؤدي التنظيف إلى تلف الأغشية. وبخفض وتيرة التنظيف، تدوم الأغشية لفترة أطول، مما يُقلل من تكلفة استبدالها الباهظة.
إن كل هذه التخفيضات (استخدام المواد الكيميائية، ومياه الصرف الصحي الناتجة، وإرسال الأغشية القديمة إلى مكبات النفايات) تشكل أخبارًا جيدة للبيئة.
من يمكنه المساعدة في هذا؟
يحتاج مستخدمو أنظمة التناضح العكسي (RO) الذين يعملون في مياه تغذية ذات محتوى عضوي مرتفع أو ذات احتمالية عالية للتلوث الحيوي، بشدة إلى أغشية مقاومة للتلوث. وهذا شائع في مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف المعالجة، والمياه السطحية، وتدفقات العمليات الصناعية. ومن بين القطاعات الأكثر تأثرًا: توليد الطاقة، وصناعات العمليات الكيميائية، والتكرير، والأغذية والمشروبات.
يُعد الحفاظ على كميات المياه في توليد الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لضمان فعالية العمليات. في دورة البخار، تحدث خسائر طبيعية في الماء والبخار، عادةً نتيجة التبخر أو استخدام العمليات. ويجب تعويض هذه الخسائر بمياه تعويضية مُعالجة بشكل كافٍ. وكما أن الحفاظ على كميات المياه أمر بالغ الأهمية لتوليد الطاقة، فإن جودة المياه كذلك.
تتطلب محطات توليد الطاقة أغشية التناضح العكسي لتنقية المياه بكفاءة لاستخدامها في عمليات مختلفة، وخاصةً مياه تغذية الغلايات. يُعدّ الماء النظيف والنقي أمرًا بالغ الأهمية لتجنب الترسبات والتآكل، مما قد يُقلل من الكفاءة ويزيد من تكاليف الصيانة. ونظرًا لأن العديد من هذه المحطات تُنقّي المياه السطحية لتعويضها، فإن عنصر التناضح العكسي، مثل ZwitterCo RO، سيوفر تدفقًا نفاذًا وجودة ثابتة حتى في عمليات التغذية ذات المحتوى الكربوني الكلي المرتفع. وبفضل كيمياء الأغشية الزويتريونية، تتطلب عناصر ZwitterCo RO عمليات تنظيف كيميائية أقل تكرارًا، مما يُتيح تشغيلًا موثوقًا به لمحطات الطاقة مع تقليل وقت تعطل النظام بشكل ملحوظ.
يُعدّ رشح مكبات النفايات مثالاً على تطبيقات مياه الصرف الصحي، حيث يُستخدم التناضح العكسي على نطاق واسع لتقليل الأمونيا، ومركبات PFAS، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) قبل التصريف. عادةً ما تتضمن أنظمة التناضح العكسي عدة تمريرات باستخدام مياه البحر أو عناصر غشائية أخرى عالية الضغط لتقليل حجم التركيز مع تلبية متطلبات التصريف. في عمليات التمريرات المتعددة، يُنقّى السائل المتخلل، أو الماء الناتج، من نظام المرور الأول بواسطة نظام المرور الثاني (وهكذا). مع وجود مواد عضوية مغذية مثل الرشح، غالبًا ما تتسخ الأغشية في المرور الأول بسرعة وتتطلب تنظيفًا متكررًا، قد يصل إلى يوم واحد.
استُخدمت تقنية ZwitterCo RO في عنصر عالي الضغط، مُصممة للعمل حتى 1,200 رطل/بوصة مربعة، لمعالجة رشح مكبات النفايات عالي القوة في المرحلة الأولى من عملية متعددة المراحل. تُقلل هذه الأغشية من التنظيف المطلوب، ومن المتوقع أن تُضاعف عمر الغشاء (أو أكثر). وقد أسفر تحليل اقتصادي لهذا المستخدم عن وفورات محتملة تزيد عن 1,450 دولارًا أمريكيًا سنويًا لكل عنصر 8040، وذلك بفضل تقليل التنظيف وإطالة عمر الغشاء.
لطالما كان تطوير أغشية أكثر مقاومةً للتلوث هدفًا لصناعة التناضح العكسي لعقود. ورغم التحسينات التدريجية في كيمياء الأغشية، وتصميمات فواصل التغذية، والمبيدات الحيوية، ومواد التنظيف الكيميائية، وتشغيل وتصميم الأنظمة، إلا أن التلوث لا يزال السبب الأكثر شيوعًا لاضطرابات الأنظمة واستبدال الأغشية. هذا التحول في ابتكارات علوم المواد لا يوفر فقط وفورات في التكاليف ويقلل من وقت التوقف عن العمل، بل يُسهم أيضًا في الانتقال إلى ممارسات تشغيلية أكثر كفاءةً واستدامة.
زويتركو
عن المؤلف
جون جودمان | نائب الرئيس للتطوير التجاري في ZwitterCo
تعكس مسيرة جون غودمان المهنية الممتدة لـ 35 عامًا في مجال الأغشية شغفه بحل التحديات الحرجة. ويوظف خبرته في المبيعات وإدارة السوق وتطوير الاستراتيجيات في قيادة جهود التطوير التجاري لشركة ZwitterCo. سبق لجون توسيع نطاق العمليات التجارية لشركة TriSep/Microdyn-Nadir/Mann+Hummel وشركة FilmTec Membranes (التي كانت آنذاك جزءًا من شركة Dow Chemical). يركز جون على تسريع نمو تقنية الأغشية المبتكرة من ZwitterCo واعتمادها في السوق.
