Μελέτη έναρξης και εξέλιξης κρυστάλλωσης του ανθρακικού ασβεστίου σε ημιπερατές μεμβράνες αφαλάτωσης
Authors: Μητρούλη Σουλτάνα 
Published: September 2021

Αντικείμενο της διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της έναρξης και εξέλιξης της κρυστάλλωσης του ανθρακικού ασβεστίου σε ημιπερατές μεμβράνες αφαλάτωσης. Το ανθρακικό ασβέστιο είναι ένα δυσδιάλυτο άλας που συχνά εντοπίζεται στην επιφάνεια, κατά την αυτοψία, των μεμβρανών αφαλάτωσης. Ο καθορισμός των συνθηκών που οδηγούν στην έναρξη των φαινομένων κρυστάλλωσης πάνω στις μεμβράνες, εξαιτίας του υπερκορεσμού των δυσδιάλυτων αλάτων πάνω στην επιφάνειά τους, είναι μεγάλης σημασίας για τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των μονάδων αφαλάτωσης, επειδή κατ’ αυτό τον τρόπο καθορίζεται η μέγιστη δυνατή ανάκτηση καθαρού νερού. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε ειδικά κελιά υψηλής πίεσης με κατά μέτωπο ροή διαμέσου μεμβράνης και απουσία ανάδευσης, όπου τα πειράματα είναι ευχερέστερα και οι συνθήκες καλά ελεγχόμενες. Η μελέτη της έναρξης της κρυστάλλωσης βασίστηκε στην παρατήρηση, μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, των μεμβρανών μετά τα πειράματα μικρής διάρκειας (2-180 λεπτών) αφαλάτωσης και για σχετικά μικρούς αρχικούς λόγους υπερκορεσμού στην τροφοδοσία (S~1-2), θεωρώντας τον ασβεστίτη ως την κύρια μορφή των σχηματιζόμενων κρυστάλλων ανθρακικού ασβεστίου, με σκοπό τον ποσοτικό προσδιορισμό των αναπτυσσόμενων κρυστάλλων (δηλ. την κατανομή μεγέθους τους και την επιφανειακή πυκνότητα των κρυστάλλων πάνω στη μεμβράνη). Παράλληλα, για την ερμηνεία των δεδομένων αυτών μελετήθηκε θεωρητικά η χρονική και χωρική εξέλιξη του φαινομένου, βάσει της κλασικής θεωρίας πυρηνογένεσης και ανάπτυξης. Το μοντέλο είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα για τους μεγαλύτερους λόγους υπερκορεσμού που μελετήθηκαν. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα αφαλάτωσης, και έγινε η αντίστοιχη θεωρητική ανάλυση των φαινομένων, με εφαπτομενική ροή, παρουσία ειδικών ενθέτων (spacers), τα οποία υπάρχουν και στα πραγματικά στοιχεία μεμβρανών σπειροειδούς διαμόρφωσης. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων, γι’ αυτό το πολύπλοκο πεδίο ροής, δεν μπορούσαν να ερμηνευθούν με την κλασική θεωρία πυρηνογένεσης. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μια νέα σειρά πειραμάτων αφαλάτωσης με κατά μέτωπο ροή εφαρμόζοντας ταυτόχρονα ανάδευση του ρευστού, για καλύτερη προσομοίωση των συνθηκών ροής με αυτές στα στοιχεία μεμβρανών. Για τις συνθήκες των πειραμάτων αυτών προετοιμάστηκε κατάλληλο μοντέλο βασιζόμενο στην κλασική θεωρία πυρηνογένεσης και ανάπτυξης κρυστάλλων και έγινε προσπάθεια για συσχετισμό μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και των προβλέψεων της θεωρητικής προσέγγισης. Τα πειραματικά δεδομένα και της περίπτωσης αυτής δεν ήταν σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της λεπτομερούς θεωρητικής ανάλυσης του φαινομένου υποδεικνύοντας ότι πιθανώς ένας μη κλασικός μηχανισμός πυρηνογένεσης/ανάπτυξης επικρατεί στο υπό μελέτη σύνθετο σύστημα. Στο τελευταίο στάδιο διεξήχθησαν βελτιωμένα πειράματα αφαλάτωσης με κατά μέτωπο ροή απουσία ανάδευσης όπου επιβλήθηκαν και μεταβαλλόμενες διαμεμβρανικές πιέσεις, έτσι ώστε να αποκτηθεί καλύτερη κατανόηση του φαινομένου. Για την ανάλυση των νέων δεδομένων, αναπτύχθηκε ένα απλοποιημένο μοντέλο της δημιουργίας επικαθίσεων που περιλαμβάνει τη χρήση μη κλασικής θεωρίας πυρηνογένεσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα συσχετίστηκαν με το μοντέλο και οδήγησαν σε ένα εύρος των παραμέτρων πυρηνογένεσης και ανάπτυξης που είναι αντιπροσωπευτικές για τις υπό εξέταση μεμβράνες. Συνοψίζοντας, τονίζεται ότι η παράλληλη εκμετάλλευση των πειραματικών δεδομένων για σταθερό (πειράματα με εφαπτομενική ροή και κατά μέτωπο ροή με ανάδευση του ρευστού) και αυξανόμενο υπερκορεσμό (πειράματα κατά μέτωπο ροής απουσία ανάδευσης) μπορεί να οδηγήσει σε ανακατασκευή της πλήρους ενεργειακής κατανομής των θέσεων πυρηνογένεσης και κατ’ επέκταση σε κάποιο κινητικό μοντέλο γενικής αξιοπιστίας, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε κώδικες προσομοίωσης των στοιχείων μεμβρανών.