يشير ضغط الغشاء (TMP) إلى متوسط القوة الدافعة المطلوبة لدفع الماء (أو التخلل) عبر غشاء الترشيح الفائق من جانب التغذية (خارج ألياف الغشاء) إلى الجانب المتخلل (داخل ألياف الغشاء أو غرفة التجميع). إنها القوة الدافعة الأساسية لعملية فصل الغشاء.
يعكس TMP الضغط الإجمالي المطلوب للتغلب على المقاومة الكامنة في الغشاء، وطبقة استقطاب التركيز، ومقاومة طبقة الكعك (الملوث).
في الترشيح الفائق للضغط الخارجي، يتدفق ماء التغذية ويتم ضغطه خارج ألياف الغشاء، بينما يمر المتخلل عبر جدار الغشاء إلى القنوات المجوفة داخل الألياف للتجميع. لذلك، يكون الضغط المطبق في المقام الأول على السطح الخارجي لألياف الغشاء، في حين يكون الضغط المتخلل عادةً قريبًا من الضغط الجوي أو أعلى قليلاً فقط (اعتمادًا على تصميم النظام).
يتطلب حساب TMP للترشيح الفائق للضغط الخارجي فهمًا لبنية قناة التدفق الفريدة وتوزيع الضغط. ويكمن المفتاح في حساب متوسط فرق الضغط عبر حاجز الغشاء (جدار الغشاء).
1. النموذج المبسط المثالي
افترض وحدة غشاء ضغط خارجي مثالية مع جميع ألياف الغشاء متوازية وموحدة. يتم توزيع مياه التغذية بشكل موحد وتتدفق خارج حزمة الألياف الغشائية. يتدفق المتخلل عبر خيوط الغشاء باتجاه أنبوب التجميع، مع مقاومة ضئيلة على طول الطريق (أو ضغط ثابت). يتم إهمال استقطاب التركيز والتلوث (أي للأغشية الجديدة أو تلك التي يتم تنظيفها مباشرة بعد التنظيف).
في ظل هذه الظروف المثالية، يمكن تقريب TMP على النحو التالي: TMP ≈ Pfeed - Ppermeate
Pfeed: الضغط عند مدخل مياه التغذية لوحدة الغشاء (يمثل متوسط الضغط خارج خيوط الغشاء).
النافذ: الضغط عند مخرج النافذ لوحدة الغشاء (يمثل متوسط الضغط داخل خيوط الغشاء).
لماذا هو "تقريبي"؟ في النموذج الموحد المثالي، يتناقص الضغط خارج خيوط الغشاء تدريجيًا على طول مسار التدفق (من المدخل إلى المخرج) بسبب المقاومة على طول الطريق. بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن فرق الضغط الذي يعمل على كل خيوط غشاء يختلف باختلاف المواقع. يمثل Pfeed متوسطًا "مبالغًا فيه" لضغط المدخل، في حين أن Ppermeate منخفض عادةً ولا يختلف كثيرًا. يُستخدم هذا التبسيط غالبًا في التقديرات الأولية أو عمليات التدفق المنخفض-.
2. طريقة الحساب الهندسي
لتعكس بشكل أكثر دقة تأثير انخفاض الضغط على طول ألياف الغشاء أثناء التشغيل الفعلي، يتم حساب TMP بشكل شائع باستخدام متوسط ضغوط المدخل والمخرج على جانب التغذية/الاحتجاز لوحدة الغشاء. الصيغة هي كما يلي:
TMP=[(Pfeed + Pretenate) / 2] - نفاذية
Pfeed: الضغط المطلق عند مدخل التغذية/الاحتجاز لوحدة الغشاء (يتم قياسه عادةً بمقياس الضغط).
التظاهر: الضغط المطلق عند مخرج المياه المرفوضة/المعاد تدويرها لوحدة الغشاء (يتم قياسه عادةً بمقياس الضغط). بالنسبة إلى ترشيح النهاية الميتة - (بدون تفريغ رفض)، فإن Pretentate يساوي نظريًا Pfeed (مع تجاهل الحد الأدنى من الخسائر على طول الطريق). ومع ذلك، في ترشيح التدفق المتقاطع - (مع إعادة التدوير أو التفريغ المرفوض)، تكون مادة Pretenate أقل بكثير من Pfeed.
المادة المتخللة: الضغط المطلق عند مخرج المادة النفاذة لوحدة الغشاء (عادةً ما يكون قريبًا من الضغط الجوي، ويتم قياسه بمقياس الضغط أو تقديره). إذا كان نظام تجميع التخلل يحتوي على صمام ضغط خلفي أو مضخة رفع، فيجب قياس الضغط الفعلي في هذا الموقع.
(Pfeed + Pretente)/2: يحسب هذا الحساب متوسط الضغط خارج خيوط الغشاء (جانب التغذية/المثبط) على طول اتجاه تدفق المياه. هذا هو التحسين الأساسي للحساب بأكمله.
Pfeed هو أعلى ضغط عند نقطة بداية خيوط الغشاء. Pretente هو أدنى ضغط عند نقطة نهاية خيوط الغشاء (في وضع التدفق المتقاطع -).
إن أخذ متوسط هاتين القيمتين بشكل أكثر دقة يمثل متوسط الضغط الخارجي الذي يعمل على طول طول خيوط الغشاء بالكامل. وهذا أقرب إلى متوسط القوة الدافعة الفعلية من مجرد استخدام Pfeed.
النافذ: يقوم هذا الحساب بخصم الضغط داخل فتيل الغشاء (الجانب المتخلل). نظرًا لأن المتخلل يتدفق عبر القنوات داخل خيوط الغشاء، يكون ضغطه منخفضًا بشكل عام ويكون الانخفاض على طول الطريق في حده الأدنى (بسبب القنوات القصيرة ومعدلات التدفق المنخفضة نسبيًا). لذلك، فإن استخدام ضغط مخرج النافذ كمتوسط ضغط لجانب النافذ بالكامل يعد تقديرًا تقريبيًا معقولًا.
لماذا هذه الطريقة أكثر دقة؟
يعكس تدرج الضغط: يتناقص الضغط خارج خيوط غشاء الترشيح الفائق للضغط الخارجي خطيًا (تقريبًا) من المدخل إلى المخرج. يمثل متوسط ضغوط الدخول والخروج متوسط بيئة الضغط عبر منطقة الغشاء النشط بأكملها بشكل أفضل من ضغط نقطة واحدة -.
ينطبق على أوضاع التشغيل الرئيسية التالية:
ترشيح النهاية الميتة-: Pfeed ≈ Pretentate (صمام الفراشة مغلق أو معدل التدفق منخفض للغاية). تتحول المعادلة إلى TMP ≈ Pfeed - Ppermeate، والتي تتوافق مع النموذج المبسط.
ترشيح التدفق المتقاطع-: التظاهر < Pfeed. متوسط القيمة (Pfeed + Pretentate)/2 أقل بكثير من Pfeed، مما يعكس بشكل أكثر دقة انخفاض متوسط الضغط خارج الغشاء بسبب خسائر مقاومة التدفق.