สาเหตุของการปนเปื้อนของแผ่นมิดเดลฟิลเตรชัน

Thread Content

　　ข่าวจากเว็บไซต์ Chemical Engineering 707: การปนเปื้อนของแผ่นมิดเดล หมายถึงการที่อนุภาคขนาดเล็ก อนุภาคโคลลอยด์ หรือโมเลกุลขนาดใหญ่ที่อยู่ในสารละลายที่สัมผัสกับแผ่นมิดเดล เกิดปฏิกิริยาทางฟิสิกส์และเคมีกับแผ่นมิดเดล หรือเนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้น ทำให้ความเข้มข้นของสารบางชนิดที่ผิวแผ่นมิดเดลสูงเกินความสามารถในการละลาย นอกจากนี้ ยังมีปัจจัยทางกลที่ทำให้เกิดการดูดซับหรือการตกตะกอนบนผิวแผ่นมิดเดลหรือภายในรูของแผ่นมิดเดล ส่งผลให้ขนาดของรูในแผ่นมิดเดลลดลงหรืออุดตัน ซึ่งทำให้คุณสมบัติในการกรองและการแยกสารของแผ่นมิดเดลเปลี่ยนแปลงไปอย่างไม่สามารถกู้คืนได้ 　　การที่สารมลพิษ โดยเฉพาะโปรตีนและโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ ไปจับกับพื้นผิวของเยื่อหุ้มและภายในรูของเยื่อหุ้มนั้น ส่งผลให้ปริมาณสารที่สามารถผ่านเยื่อหุ้มได้ลดลง และความสามารถในการแยกสารก็ลดลงด้วย ซึ่งนี่คือสาเหตุหลักที่ทำให้ปริมาณสารที่ผ่านเยื่อหุ้มลดลง แต่ปัญหาการลดลงของอัตราการไหลที่เกิดจากการปนเปื้อนของม่านกั้นนั้น มักจะเกิดขึ้นควบคู่ไปกับปรากฏการณ์การลดลงของอัตราการไหลที่สามารถกู้คืนได้ ซึ่งเกิดจากความแตกต่างของความเข้มข้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการแยกด้วยม่านกั้นลดลงไปอีก 　　สาเหตุของการปนเปื้อนของแผ่นมิดเดลการซึมผ่านแบบกลับ ในระหว่างการทำงานของระบบการซึมผ่านแบบกลับ ไอออนโลหะ จุลินทรีย์ สารตกตะกอนที่ละลายยาก สารมลพิษทางอินทรีย์ สิ่งสกปรกที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต คอลลอยด์ และไขมันต่างๆ ในน้ำเสียจะสัมผัสกับแผ่นมิดเดลเป็นเวลานาน ซึ่งจะก่อให้เกิดการปนเปื้อนของแผ่นมิดเดล ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการซึมผ่านและความสามารถในการแยกสารลดลงอย่างเห็นได้ชัด และความดันที่ใช้ในการทำงานก็จะเพิ่มขึ้นด้วย สาเหตุหลักๆ มีดังนี้:
1) ปรากฏการณ์ความแตกต่างของความเข้มข้น
ในระบบการกำจัดเกลือด้วยวิธีโอสโมซิส คุณสมบัติการผ่านของเยื่อหุ้มทำให้โมเลกุลของน้ำสามารถผ่านเยื่อหุ้มได้อย่างต่อเนื่องจากด้านที่มีความดันสูง ในขณะที่โมเลกุลของสารละลายยังคงอยู่ในสารละลายเดิม ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างสารละลายที่อยู่บนพื้นผิวเยื่อหุ้มกับสารละลายที่เข้ามา ในกรณีที่รุนแรง อาจเกิดความแตกต่างของความเข้มข้นที่สูงมาก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “ปรากฏการณ์ความแตกต่างของความเข้มข้น” การเกิดปรากฏการณ์โพลาริไซส์จากความแตกต่างของความเข้มข้น ทำให้ความดันออสโมติกของสารละลายเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงผลักดันในการซึมผ่านลดลง และทำให้อัตราการซึมผ่านของน้ำและอัตราการกำ 　　2) การเกิดตะกอนของไอออน สารประกอบที่มีค่าความสามารถในการละลายต่ำ เช่น CaCO3, CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaF2 และ SiO2 อาจตกตะกอนขึ้นมาได้ในระหว่างกระบวนการฟิลเตรชันแบบกลับด้าน เนื่องจากน้ำถูกทำให้เข้มข้นจนเกินค่าความสามารถในการละลาย ส่งผลให้เกิดตะกอนที่สะสมอยู่บนพื้นผิวของแผ่นมิเรอร์และในช่องทางน้ำที่ไหลเข้ามา ซึ่งก็คือการเกิดตะกอนนั่นเอง J.H. Bruus และคณะพบว่า เมื่อมีการสกัด Ca2+ ออกจากตะกอนโคลน จะทำให้จำนวนอนุภาคขนาดเล็กเพิ่มขึ้น และทำให้แรงต้านในการกรองเพิ่มขึ้นด้วย 　　3) การตกตะกอนของออกไซด์โลหะ โดยทั่วไปแล้ว น้ำบาดาลในบริเวณที่มีความเค็มสูง มักจะมีไอออนเหล็กและไอออนแมงกานีสในปริมาณสูง น้ำประเภทนี้มีคุณสมบัติในการออกซิเดชันต่ำ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการอุดตันของแผ่นม่าน โดยเฉพาะเมื่อเหล็ก อะลูมิเนียม และแมงกานีสมารวมตัวกันเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่ไปอุดตันบนพื้นผิวของแผ่นม่าน ค่า pH ที่จำเป็นสำหรับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของเหล็กนั้นมีค่าต่ำ ทำให้ระบบโอสโมซิสก่อให้เกิดปัญหาการอุดตันจากเหล็กได้บ่อยครั้ง สารมลพิษที่อาจก่อให้เกิดการสะสมของเหล็กไอออนสองตัวและเหล็กไอออนสามตัวบนพื้นผิวฟิล์ม อาจมาจาก: ออกซิเจนที่เข้าไปในน้ำที่มีเหล็กไอออนสองตัวอยู่; น้ำที่มีความเป็นด่างสูงซึ่งทำให้เกิด FeCo3; เหล็กที่ทำปฏิกิริยากับซิลิกอน จนก่อให้เกิดซิลิเกตของเหล็กที่ละลายยาก; การออกซิเดชันโดยแบคทีเรียที่สามารถลดสภาพของเหล็กได้ ซึ่งจะยิ่งกระตุ้นให้เกิดการเจริญเติบโตของฟิล์มชีวภาพและการสะสมของตะกอนเหล็ก; การเปลี่ยนแปลงของสารเร่งตกตะกอนที่มีเหล็กอยู่ ซึ่งทำให้เกิดเหล็กในรูปแบบโคลลอยด์; ส่วนลักษณะของมลพิษจากโลหะอย่างเหล็ก อลูมิเนียม และแมงกานีส คือ ปริมาณน้ำที่ได้จะลดลง และความแตกต่างของความดันจะเพิ่มขึ้น 　　4) การเกิดสลักฝุ่นทางชีวภาพ เมื่อพื้นผิวของม่านปกคลุมไปด้วยสลักฝุ่นจากจุลินทรีย์ที่มีชีวิตชีวา โซเดียมและเกลือต่างๆ ที่ม่านกรองออกมาก็จะติดอยู่ในชั้นเหนียวนั้น ทำให้ไม่สามารถถูกน้ำพัดพาไปได้ ซึ่งก็เป็นแหล่งสารอาหารที่ดีสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ นอกจากนี้ สารที่ใช้ป้องกันการเกิดตะกอน เช่น โพลีมาลิกแอซิด อะมิโนทริมีทิลฟอสเฟต เป็นต้น รวมถึงสารที่ใช้ทำให้น้ำมีความอ่อนนุ่ม ก็ยังช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์อีกด้วย สารที่ละลายได้ทั้งชนิดอินทรีย์และไม่อินทรีย์ รวมถึงอนุภาคต่างๆ สามารถถูกกำจัดออกไปได้ด้วยการปรับสภาพวัสดุก่อนการใช้งาน แต่สำหรับเชื้อจุลินทรีย์ที่สามารถเพิ่มจำนวนได้นั้น แม้ว่าหลังจากการปรับสภาพแล้วจะเหลือเพียง 0.01% เท่านั้น แต่เชื้อเหล่านี้ก็ยังสามารถใช้สารที่สามารถย่อยสลายได้ในน้ำเพื่อเพิ่มจำนวนของตนเองได้อยู่ดี นี่จึงเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดมลพิษในระบบต่างๆ 　　5) มลพิษจากสารคอลลอยด์ น้ำใต้ดินและน้ำผิวดินมีส่วนประกอบต่างๆ เช่น เหล็ก อลูมิเนียม ซิลิกอน และสารอินทรีย์ สารเหล่านี้รวมถึงสารที่ใช้ในการปรับสภาพน้ำ เช่น สารช่วยในการตกตะกอน สารป้องกันการเกิดตะกรัน เป็นต้น จะมารวมตัวกันเป็นสารคอลลอยด์และไปสะสมอยู่บนพื้นผิวของม่านกรอง ส่งผลให้เกิดมลพิษจากสารคอลลอยด์ โคลอยด์ของซิลิกาเมื่ออยู่ในน้ำจะเกิดการสลายตัวเป็น Si(OH)4 และภายใต้เงื่อนไขบางอย่างก็จะเกิดปฏิกิริยาการรวมตัวกัน โดย mSi(OH)4-(SiO2)m + 2mH2O จะก่อให้เกิดนิวเคลียสของซิลิกา และจะเกิดการแยกตัวของประจุ ทำให้เกิดประจุลบในโคลอยด์นั้น 　　มลพิษจากสารคอลลอยด์นั้นยากต่อการกำจัด เนื่องจากสารเหล่านี้มีประจุแบบเดียวกัน ทำให้มีความเสถียรสูง ไม่ง่ายต่อการตกตะกอน และยังสามารถทำให้เกิดมลพิษกับม่านกรองน้ำได้ ส่งผลให้ปริมาณน้ำที่สามารถไหลผ่านได้ลดลง โดยทั่วไปแล้ว แนวโน้มดังกล่าวจะถูกประเมินโดยใช้ดัชนีมลพิษ (SDI) โดยปกติแล้ว เมื่ออยู่ในสถานะ SDI3 จะเกิดการอุดตันขึ้น 　　6) ปรากฏการณ์ “น้ำกระแทก” สำหรับระบบโอสโมซิส อาจเกิดปรากฏการณ์นี้ได้เนื่องจากการออกแบบที่ไม่เหมาะสม หรือในช่วงการตั้งค่าระบบใหม่ ภายในตัวเครื่องที่ใช้บรรจุแผ่นม่านมีอากาศอยู่เป็นจำนวนมาก เมื่อของเหลวที่จะนำมาผ่านการกรองเข้าไปในตัวเครื่องอย่างรวดเร็ว อากาศซึ่งมีคุณสมบัติสามารถถูกบีบอัดได้ ก็จะไม่สามารถถูกขับออกไปได้หมดในทันที เมื่ออากาศมีความดันสูงขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง ก็จะระเบิดออกมา ส่งผลให้เกิดการชนกัน การบีบอัด และการเคลื่อนที่ของของเหลวภายในตัวเครื่อง ซึ่งก็คือปรากฏการณ์ “น้ำกระแทก” นั่นเอง ในระบบโอสโมซิส อันตรายจากปรากฏการณ์ “วอเตอร์ฮัมเมอร์” ก็คือการทำให้ชิ้นส่วนของแผ่นม่านโอสโมซิสได้รับความเสียหายอย่างไม่สามารถฟื้นฟูได้ 　　7) มลพิษจากอนุภาคลอยน้ำ ในกรณีที่ตัวกรองมีข้อบกพร่องหรือเกิดการขัดข้อง ทำให้สารที่ใช้ในการกรอง ชิ้นส่วนที่เกิดจากการกัดกร่อน และสิ่งแปลกปลอมต่างๆ เช่น เส้นใยขนสัตว์ขนาดเล็ก รั่วไหลออกมา หรือในกรณีที่การล้างตัวกรองหลังจากการใช้งานครั้งแรกไม่สะอาดพอ ก็อาจทำให้ชิ้นส่วนของม่านกรองเกิดมลพิษได้ ส่งผลให้ช่องทางการไหลของน้ำถูกอุดตัน และเกิดตะกอนที่ไม่ใช่ผลึกบนพื้นผิวของม่านกรอง สถานการณ์แบบนี้พบได้ไม่บ่อยนัก。 　　8) มลพิษที่เกิดจากปัจจัยอื่นๆ ไฮโดรคาร์บอนและน้ำมัน/ไขมันที่มีโครงสร้างคล้ายซิลิคอนสามารถเคลือบอยู่บนพื้นผิวของฟิล์มได้ ส่งผลให้ฟิล์มเกิดมลพิษ นอกจากนี้ การสลายตัวของฟิล์ม การกัดกร่อนจากสารละลายอินทรีย์ และสารออกซิไดซ์ก็สามารถทำให้โครงสร้างของวัสดุฟิล์มเปลี่ยนแปลงไปได้เช่นกัน