Προτεινόμενος σχεδιασμός οικιακών μονάδων αντίστροφης ώσμωσης τύπου tap water, μοντέλο λειτουργίας και σύστημα SCADA

Εισαγωγή

Οι οικιακές μονάδες αντίστροφης ώσμωσης-κάτω πάγκου-προσπαθούν να ακολουθούν μια πολύ τυπική κατασκευή με μια λογική απόρριψης πέντε μερών νερού και παραγωγής ενός μέρους χωρίς όμως αυτό να συμβαίνει με βεβαιότητα εξ' αιτίας του σχεδιασμού τους.
Ο σχεδιασμός μιας μονάδας αντίστροφης ώσμωσης περιλαμβάνει κάποια στάδια προφίλτρανσης του ακατέργαστου ύδατος, τις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης και τα στάδια της μετεπεξεργασίας.
Τα στάδια της προφίλτρανσης σκοπό έχουν τη μείωση των αιωρούμενων στερεών, των κολλοειδών και τη δέσμεση του ελεύθερου χλωρίου.
Σε μια απλοποιημένη εικόνα μπορούμε να πούμε οτι οι μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης τροφοδοτούνται με το προ-φιλτραρισμένο νερό και το χωρίζουν σε δύο κλάδους. Ο κλάδος του παραγόμενου νερού είναι το καθαρό νερό με μειωμένα διαλυμένα στερεά σε σχέση με το νερό εισόδου, ενώ ο κλάδος της άλμης είναι το απορριπτόμενο νερό που περιέχει αυξημένα διαλυμένα στερεά σε σχέση με το νερό εισόδου. Ο κλάδος της άλμης διαθέτει σύστημα περιορισμού ροής ώστε να επιτευχθεί συγκεκριμένη ποσότητα απορριπτόμενης άλμης και πίεση λειτουργίας της μεμβράνης.
Ο κλάδος του παραγόμενου νερού κατόπιν οδηγείται στο στάδιο της μετεπεξεργασίας που μπορεί να περιλαμβάνει φίλτρο πρόσδοσης σκληρότητας, φίλτρο post carbon, σύστημα απολύμανσης κλπ.

Τι πραγματικά συμβαίνει

Η μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης έρχεται από τον κατασκευαστή με μερικά χαρακτηριστικά και ένα πρωτόκολλο δοκιμής. Για παράδειγμα η μεμβράνη FILMTEC™ BW60-1812-75 στο φυλλάδιο προϊόντος αναφέρει τα εξής:
Maximum Operating Temperature 113°F(45°C), η μεμβράνη επίσης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μακροπρόθεσμα με νερό πάνω από 35°C εφόσον το pH εισόδου είναι μεγαλύτερο από 10.
Maximum Operating Pressure 150 psig(10 bar)
Maximum Feed Flow Rate 2.0gpm(7.6lpm)
pH Range, Continuous Operation 2 – 11
Maximum Feed Silt Density Index(SDI) SDI 5, ο παράγοντας αυτός εξαρτάται από την καθαρότητα του νερού εισόδου και την επιτυχία των σταδίων της προφίλτρανσης. 
Free Chlorine Tolerance < 0.1 ppm, ο παράγοντας αυτός εξαρτάται από την ικανότητα των φίλτρων ενεργού άνθρακα ή άλλων μέσων αποχλωρίωσης να απορροφήσουν την ποσότητα του ελεύθερου χλωρίου που μπορεί να υπάρχει στο νερό.

Η μεμβράνη αυτή έχει δοκιμαστεί σε πολύ συγκεκριμένες συνθήκες:
Ο κατασκευαστής δοκίμασε τη μεμβράνη στα 50 psig(3,4 bar) με νερό τροφοδοσίας 250ppm ως TDS αποσκληρυμένο, στους 77°F(25°C) και πέτυχε παραγωγή 75GPD (12LPH, 284LPD) σε ανάκτηση 15% και με απόρριψη αλάτων 99%, κατ' ελάχιστο η απόρριψη αλάτων μπορεί να είναι 96% και η παροχή παραγόμενου μπορεί να είναι +/-20% της ονομαστικής.

Ένα σημαντικό στοιχείο που δίδεται στο συγκεκριμένο φυλλάδιο είναι οτι οι προδιαγραφές που τίθενται πρέπει να τηρούνται και ΔΕΝ ΑΝΑΦΕΡΕΤΑΙ ΠΟΥΘΕΝΑ εκτιμώμενος χρόνος ζωής της μεμβράνης ή προληπτική αντικατάσταση. Ο λόγος είναι οτι όταν τηρούνται οι προδιαγραφές και οι διαδικασίες η μεμβράνη δεν έχει κανένα λόγο να χαλάσει και ως εκ' τούτου να αντικατασταθεί. Όμως οι περισσότεροι κατασκευαστές "σπιτικών μονάδων" έρχονται να περιγράψουν μια μονάδα μιας μεμβράνης με ανάκτηση 20 ή 30 ή και 40% και υποχρέωση αλλαγής της μεμβράνης κάθε χρόνο, αν αντέξει.

Οι μεμβράνες δεν δουλεύουν με μαγικό τρόπο. Κάθε παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση της μεμβράνης ποιοτικά και ποσοτικά επιδρά με σχεδόν γραμμικό τρόπο. Οι παράγοντες αυτοί είναι:
1. η συγκέντρωση διαλυμένων στερεών που περιέχονται στο νερό τροφοδοσίας 
2. η πίεση λειτουργίας
3. η θερμοκρασία λειτουργίας

Επειδή οι παράγοντες αυτοί επιδρούν γραμμικά ως προς το αποτέλλεσμα, εφόσον υπάρχει ένα σημειο δοκιμής εκ του κατασκευαστή, είναι εφικτό να εκτιμηθεί με σχετικά απλά μαθηματικά το σημείο λειτουργίας και αν αυτό είναι εντός προδιαγραφών.

Μοντέλο λειτουργίας μεμβράνης

Το μοντέλο πρόβλεψης της λειτουργίας μιας μεβράνης λειτουργεί με πέντε υπολογισμούς. Επειδή στα φυλλάδια των κατασκευαστών συνήθως οι τιμές που αναφέρονται είναι PSI και GPD διατηρούμε αυτές τις μονάδες και στους παρακάτω υπολογισμούς:
Βήμα 1 Osmotic Pressure Correction Factor
(]ppm ως TDS νερού εισόδου] - [ppm ως TDS νερού δοκιμής])/100 = [O.P.C.F psi]
Πχ. (815ppm-250ppm)/100=5.65psi

Βήμα 2 Corrected Pressure
[Πίεση λειτουργίας psi] - [O.P.C.F psi] = [C.P psi]
Πχ. 60psi-5.65psi=54.35psi

Βήμα 3 Pressure Compensated Flow
[Ρυθμός παραγωγής δοκιμής GPD]  * [C.P psi] / [πίεση δοκιμής psi] = [P.C.F GPD]
Πχ. 75GPD * 54.35psi / 50 psi = 81.52GPD

Βήμα 4 Temperature Correction
[P.C.F GPD] * [Temperature Correction Factor T.C.F] = [Actual Permeate GPD]
Πχ. Για νερό στους 28 βαθμούς T.C.F.=1,094
81.52GPD*1.094=89.19GPD

Πίνακας 1. Temperature Correction Factors
°C     T.C.F.
5 0,521
6 0,54
7 0,56
8 0,578
9 0,598
10 0,62
11 0,64
12 0,661
13 0,684
14 0,707
15 0,73
16 0,754
17 0,779
18 0,804
19 0,83
20 0,857
21 0,884
22 0,912
23 0,941
24 0,97
25  1     <Δοκιμή κατασκευαστή
26 1,031
27 1,063
28 1,094
29 1,127
30 1,161
31 1,196
32 1,232
33     1,267
34     1,304

Βήμα 5 Recovery
( [Actual Permeate GPD] / [Ροή τροφοδοσίας GPD] )*100=[Recovery]
Με flow restrictor 300 lpm (114GPD)
Πχ. [89.19GPD/(114GPD+89.19GPD)]*100=43.89%

Βήμα 6 Expected Quality
[ppm ως TDS νερού εισόδου] * (100 - [salt rejection%]) /100 = [permeate quality TDS ppm]
Πχ. Για minimum salt rejection 96%, ας πούμε στη χειρότερη περίπτωση
815ppm*(100-96)/100=32,6ppm

Με απλά μαθηματικά μπορούν επίσης να προσδιοριστούν και η ποσότητα-ποιότητα της άλμης αφού ισχύει:
[ppm ως TDS νερού εισόδου] * [Ροή τροφοδοσίας GPD]=[ppm ως TDS παραγόμενου] * [Ροή παραγόμενου GPD] + [ppm ως TDS άλμης] * [Ροή άλμης GPD]

Το παραπάνω μοντέλο έχει βρεθεί σε παρουσίαση του αγνώστων λοιπών στοιχείων Mils-Water και έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά με πολύ κοντινά αποτελλέσματα.

Τα προβλήματα που ανακύπτουν από τον τρέχοντα εμπειρικό σχεδιασμό

Στον τυπικό σχεδιασμό μια μονάδας αντίστροφης ώσμωσης κάτω πάγκου 75GPD (284LPD) προβλέπεται flow restrictor 300 (0,3LPM).
Για το νερό της πόλης της Χίου στις αρχές Σεπτέμβρη που βρίσκεται στα 815ppm ως TDS και για μια τυπική πίεση δικτύου πόλης στα 60PSI η μεμβράνη παράγει 89GPD (338LPD) στους 28 βαθμούς κελσίου, εφόσον λόγω του flow restrictor απορρίπτει περί τα 114GPD (434 LPD), αυτό σημαίνει οτι από το δίκτυο καταναλώνει 203GPD (772LPD). Η ανάκτηση της μιας και μοναδικής μεμβράνης είναι 43,8% την ώρα που από τον κατασκευαστή προδιαγράφεται για 15%!!!
Ακόμα και με Flow restrictor 420 η ανάκτηση βρίσκεται κοντά στο 36%, ενώ για flow restrictor 550 η ανάκτηση είναι 29,9%. Το αποτέλλεσμα αυτής της πρακτικής είναι η σταδιακή ποσοτική και ποιοτική υποβάθμιση του παραγόμενου νερού και της μεμβράνης.
Για να δουλέψει η μεμβράνη σωστά σε αυτό το νερό θα έπρεπε να συνοδεύεται από flow restrictor 1330, όμως λίγες μέρες μετά η ποιότητα του νερού μπορεί να καλυτερέψει ή να χειροτερέψει, η θερμοκρασία του να αλλάξει δραμματικά και στη μονάδα θα πρέπει εκ νέου  να μπορεί να ρυθμιστεί η πίεση λειτουργίας και η παροχή απόρριψης προκειμένου να διατηρηθεί η ανάκτηση στο προβλεπόμενο 15%. Το όφελος από μια τέτοια πρακτική είναι η μακροβιότητα των μεμβρανών, εφόσον η προφίλτρανση λειτουργεί σωστά και η σταθερή παραγωγή ποιοτικά και ποσοτικά.

Μεγαλύτερη ανάκτηση, μεγαλύτερος χρόνος ζωής μεμβρανών - Αντίστροφη ώσμωση με περισσότερα στάδια μεμβρανών.

Η ανάγκη μεγαλύτερης ανάκτησης ίσως μπορεί να εξυπηρεθηθεί από συστοιχία μεμβρανών όπου η μια θα τροφοδοτείται από την άλμη της προηγούμενης, ακριβώς όπως συμβαίνει στις βιομηχανικές ωσμώσεις. Έτσι δύο μεμβράνες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε 30% ανάκτηση(15%+15%) εφόσον όμως μπορούν να τηρούνται οι προδιαγραφές λειτουργίας. Ακριβώς κατά τη λογική σχεδιασμού των μεγάλων μονάδων μπορούν να δημιουργηθούν προβολές διαφόρων σημείων λειτουργίας προκειμένου να επιτευχθεί μια σταθερή επίλυση.

Έχοντας κατα νού μερικές σχεδιαστικές καινοτομίες καθώς και τα φυλλάδια κατασκευαστών μεμβρανών, σχεδιάστηκε και μελετήθηκε μοντέλο που περιλαμβάνει πρώτο στάδιο ώσμωσης με μεμβράνη 50GPD και δεύτερο στάδιο ώσμωσης με μεμβράνη 75GPD που τροφοδοτείται από την άλμη του πρώτου σταδίου. Με τροφοδοσία 1090ml/min προφιλτραρισμένου νερού και με ρύθμιση πίεσης ανάλογα με τη θερμοκρασία και την ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, το σύστημα μπορεί να παράγει 280-290ml/min με ένα βαθμό ανάκτησης 26-27% χωρίς να ξεφεύγει από τα όρια λειτουργίας των μεμβρανών.

Με τη χρήση ενός φύλλου excel πραγματοποιήθηκαν προβολές λειτουργίας των μεμβρανών σε τουλάχιστον πέντε θέσεις λειτουργίας σε συνδυασμούς νερού εισόδου από 250 έως 2500ppm ώς TDS στους 18-29 βαθμούς κελσίου. Οι ρυθμίσεις πίεσης σε αυτά τα σημεία ήταν από 2,5-4,5bar.

Τελικά η χρήση ενός τέτοιου συστήματος απαιτεί τακτικές μετρήσεις ποιότητας και θερμοκρασίας του νερού εισόδου. Από τις μετρήσεις και με χρήση πινάκων ή γραφημάτων ο χρήστης θα μπορεί να ρυθμίζει τακτικά την πίεση των μεμβρανών μέσω βελονοειδούς βαλβίδας.

Ο κλάδος του παραγόμενου στο σχεδιασμό μας γεμίζει με ελεύθερη ροή δεξαμενή (όχι δοχείο διαστολής!!!)

Σε ποιότητες ακατέργαστου ύδατος χειρότερες των 2000ppm ως TDS και συνεχή λειτουργία, η χρήση αντικαθαλατωτικού σε μικρή δόση μπορεί να αποτρέψει την πιθανότητα εμφάνισης καθαλατώσεων ειδικά στο δεύτερο στάδιο. Αυτή η περίπτωση εξετάζεται...

Διάγραμμα Proccess-Instrumentation για οικιακή μονάδα αντίστροφης ώσμωσης

Συμβουλευτική από λογισμικό SCADA

Η συνεχής ρύθμιση μια μονάδας βάσει οργάνων δεν είναι ακατόρθωτη αλλά αφήνει αρκετά περιθώρια λάθους χειρισμού, δεδομένου οτι ο χρήστης της μονάδας δεν είναι εξειδικευμένος. Μια ενδεχόμενη λύση για το πρόβλημα αυτό θα ήταν η παρακολούθηση της λειτουργίας μέσω συστήματος SCADA.

Για να συμβεί κάτι τέτοιο πρέπει να εγκατασταθούν ηλεκτρονικοί αιθητήρες όπως: αισθητήρας πίεσης νερού εισόδου μεμβρανών, αισθητήρας ροής νερού εισόδου μεμβρανών και αισθητήρας TDS-θερμοκρασίας νερού εισόδου. Με αυτό το minimum σετ αισθητήρων μπορεί κάποιος να επιτύχει την σε πραγματικό χρόνο εύκολη παρακολούθηση της λειτουργίας της μονάδας από σύστημα SCADA προκειμένου να επιτευχθεί ρύθμιση εντός ορίων λειτουργίας.

Στη συγκεκριμένη μονάδα δοκιμών εγκαταστάθηκε ηλεκτρονικός αισθητήρας πίεσης πριν και μετά την αντλία ώσμωσης, ηλεκτρονικό paddlewheel flow meter στον κλάδο τροφοδοσίας των μεμβρανών και αγωγιμόμετρα/μετρητές θερμοκρασίες κλάδου τροφοδοσίας και κλάδου παραγωγής νερού. Εκτός των υπολοίπων εγκαταστάθηκε χωρητικό φλοτέρ σε δεξαμενή παραγόμενου 10λίτρων προκειμένου να σταματά τη μονάδα.

Ο αυτοματισμός της μονάδας είναι πραγματικά απλός:

Αν ο διακόπτης λειτουργίας είναι ενεργός, η δεξαμενή παραγόμενου δεν είναι γεμάτη και δεν υπάρχει σφάλμα, η ηλεκτροβαλβίδα εισόδου ανοιγει, μαζί με την ηλεκτροβαλβίδα έκπλυσης για να καθαρίσει τις μεμβράνες με υψή παροχή νερού και να απομακρυνθεί αέρας που πιθανά υπάρχει στο κύκλωμα. Λίγα δευτερόλεπτα μετά η ηλεκτροβαλβίδα έκπλυσης κλείνει και αν υπάρχει πίεση νερού στην είσοδο της αντλίας ώσμωσης, αυτή ξεκινά τη λειτουργία όσο:

  1. Η πίεση εισόδου στην αντλία είναι σε αποδεκτά όρια
  2. Η πίεση εισόδου στις μεμβράνες είναι σε αποδεκτά όρια
  3. Η δεξαμενή παραγόμενου δεν έχει γεμίσει
  4. Ο διακόπτης λειτουργίας είναι ενεργός

Η στάση της μονάδας για οποιοδήποτε λόγο απενεργοποιεί την αντλία ώσμωσης, κλείνει την βαλβίδα εισόδου και ανοίγει την βαλβίδα έκπλυσης για να αποσυμπιεστεί το σύστημα. Μικρή ποσότητα παραγόμενου νερού επιστρέφει στις μεμβράνες μέσω ευθείας ώσμωσης και μειώνει την συγκέντρωση αλάτων στην επιφάνεια των μεμβρανών.

Όσο η αντλία ώσμωσης είναι ενεργή προσμετράται χρόνος λειτουργίας. Εφόσον η δεξαμενή αποθήκευσης έχει συγκεκριμένο όγκο, ο χρόνος λειτουργίας μέχρι να γεμίσει η δεξαμενή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η παροχή του κλάδου παραγόμενου νερού. Για παράδειγμα αν γεμίσει η δεξαμενή των 10 λίτρων σε 35 λεπτά αυτό σημαίνει μέση παραγωγή 107,6GPD (0,283LPM).

Επιπλέον η συλλογή όλων των μετρήσεων σε σύστημα SCADA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επίλυση του μοντέλου σε πραγματικό χρόνο. Με αυτό τον τρόπο κάποιος μπορεί να διαπιστώσει απευθείας αν η μονάδα δουλεύει σε ορθό σημείο λειτουργίας ή απαιτεί ρύθμιση. Ακόμα καλύτερα το μοντέλο θα μπορούσε να προκαλεί αυτόματη ρύθμιση της βελονοειδούς βαλβίδας εξασφαλίζοντας τη βέλτιστη λειτουργία στις εκάστοτε συνθήκες.

Σύστημα SCADA για οικιακή μονάδα αφαλάτωσης τεχνολογίας αντίστροφης ώσμωσης, με μοντέλο προβολής εκτιμήσεων σε πραγματικό χρόνο.

Συμπεράσματα

Η δυνατότητα παραγωγής προβολών είναι ζωτική για κάθε σύστημα Αντίστροφης Ώσμωσης. Η παραγωγή προβολών για οικιακά συστήματα αντίστροφης ώσμωσης επεξεργασίας νερού βρύσης, αποδεικνύει οτι δεν είναι προϊόντα plug and play όπως πωλούνται μέχρι τώρα και εν τέλει μπορεί να μην δουλεύουν σωστά σε όλα τα νερά βρύσης όπως έχουν σχεδιαστεί... Χρησιμοποιώντας προκαθορισμένα σημεία λειτουργίας στα οικιακά συστήματα αφαλάτωσης με σταθερούς περιοριστές ροής είναι επίσης λάθος. Δεν είναι αδύνατο να δωθεί η δυνατότητα και η γνώση στον τελικό χρήστη να ρυθμίζει το σωστό σημείο λειτουργίας της συσκευής του. Στην εποχή του Internet of things ενα μικρό σετ αισθητήρων μπορεί να τροφοδοτεί το μοντέλο λειτουργίας με δεδομένα, σε πραγματικό χρόνο, ώστε να εξασφαλίζεται η βέλτιστη λειτουργία. Στην εποχή του Cloud Computing ο εκάστοτε κατασκευαστής οικιακών μονάδων αφαλάτωσης θα μπορούσε να λαμβάνει δεδομένα απόδοσης από τις μονάδες του και να παρέχει καλύτερες υπηρεσίες υποστήριξης. Αυτό θα μπρορούσε να αποτελλέσει μια ολόκληση νέα σειρά προϊόντων που θα γίνεται καλύτερη και φθηνότερη κάθε χρόνο.