پاکسازی‌های فیزیکی و شیمیایی انتخابی، بیوفیلم را در تقطیر غشایی آب دریا بدون ایجاد خیس شدن منافذ حذف می‌کنند.

تقطیر غشایی (MD) یک فرآیند نوظهور با توانایی اثبات شده برای بازیابی آب شیرین از نهرهای با طیف وسیعی از شوری است. با این حال، MD حساس به رسوب زیستی است. این مطالعه به بررسی کارایی استراتژی‌های مختلف تمیز کردن در حذف بیوفیلم در طول MD آب دریا می‌پردازد. تمیز کردن هیدرولیک و تمیز کردن شیمیایی با 0.3% ww -1 اتیلن دی آمین تترا استیک اسید (EDTA)، 0.3% w w -1 NaOCl و 3% w w -1 اسید سیتریک مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که بازیابی شار نفوذی به ترتیب تمیز کردن هیدرولیک <3% w w -1 اسید سیتریک <0.3% w w -1 NaOCl ≈0.3% w w -1 EDTA افزایش یافته است. تمیز کردن غشاء به طور قابل توجهی ضخامت لایه بیوفیلم باقیمانده را کاهش داد و غلظت باکتری و مقاومت آن را در برابر فشار بخار کاهش داد. رسانایی تراوا پس از تمیز کردن کم بود و این نشان می‌دهد که پروتکل‌های تمیزکننده به کار گرفته شده باعث خیس شدن منافذ غشای ریز متخلخل پلی‌تترا فلوئورواتیلن آبگریز (0.22 میکرومتر) نمی‌شوند و خواص رد غشاء ثابت می‌ماند.

معرفی

تقطیر غشایی (MD) ، یک فناوری جداسازی حرارتی، به طور فعال در مجموعه‌ای از کاربردهای تصفیه آب، از نمک‌زدایی آب دریا تا احیای فاضلاب و مدیریت آب نمک مورد بررسی قرار گرفته است . اگرچه تاریخچه MD چندین دهه را شامل می شود، اما عمدتاً به دلیل هزینه های پایین نفت و گاز که آنها را گزینه های مقرون به صرفه تر کرده است، زیر سایه نمک زدایی معمولی قرار گرفته است. با این حال، به دلیل افزایش مداوم قیمت نفت و گاز و کاهش احتمالی آنها، نمک‌زدایی معمولی، مانند تقطیر چند مرحله‌ای و چند اثره، پرهزینه می‌شود و توسعه فناوری‌های جایگزین نمک‌زدایی را ضروری می‌کند که می‌تواند بر محدودیت‌های نمک‌زدایی آب دریا غلبه کند. گیاهان

در MD، جریان شور گرم شده در تماس با یک غشای ریز متخلخل آبگریز قرار می گیرد و بخار آب در سطح مشترک سطح غشاء از طریق منافذ غشای خشک تبخیر می شود و در سمت نفوذ کننده متراکم می شود . در عین حال، نیروهای مویرگی از ورود مایعات آبدوست به منافذ غشا جلوگیری می کنند . مزایای MD شامل فشردگی، دمای عملیاتی پایین تر ، فشارهای عملیاتی محیط، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و کم عیار، نیازهای پیش تصفیه پایین تر، دفع یون بالا، و اتکای اندک به شوری خوراک است . با توجه به این مزایا، فرآیند MD می‌تواند به پایداری آب جهانی به عنوان یک فناوری نمک‌زدایی مقرون‌به‌صرفه با استفاده از منابع انرژی با عیار پایین، به‌ویژه در مناطق ساحلی خشک و نیمه‌خشک که دارای پیش‌روی آب و کمبود حوضه‌های آب شیرین داخلی هستند، کمک کند.

رسوب غشایی یک پدیده پیچیده است که به عنوان تجمع، جذب، یا رسوب اجزای آب خوراک روی سطح غشاء یا درون منافذ آن توصیف می‌شود . رسوب غشایی باعث کاهش شار نفوذی، مصرف انرژی بالا، خیس شدن منافذ و کیفیت پایین نفوذ می شود 10 ، 11 . در بین انواع رسوب، رسوب زیستی یکی از شدیدترین و فراگیرترین رسوب 12 ، 13 ، 14 است . بیوفیلم با تشکیل یک فیلم تهویه بر روی یک سطح غشایی که شامل طیف وسیعی از ترکیبات آلی است و به دنبال آن اتصال سلول‌های میکروبی یا خوشه‌هایی که توسط مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) سیمان شده‌اند، پدیدار می‌شود. در نهایت، یک ساختار بیوفیلم رسیده چندلایه متشکل از سلول‌های زنده و مرده به دام افتاده در ماتریس EPS تشکیل می‌شود .

شدت رسوب زیستی توسط شرایط عملیاتی و یک کنسرسیوم میکروبی از آب خوراک خاص تعیین می شود 16 ، 17 ، 18 . مطالعات قبلی نشان می‌دهد که عملکرد سیستم MD فراتر از دمای بهینه رشد باکتری‌ها، استرس گرمایی را القا می‌کند که منجر به آزادسازی بیش از حد EPS 19 و آپوپتوز سلولی و تشدید رسوب / پوسته‌گیری آلی می‌شود . این عوامل باعث تشدید رسوب زیستی و شار متراکم نفوذ می شود. اخیراً، توسعه گسترده بیوفیلم و تا 79 درصد کاهش شار نفوذی در فرآیند MD با استفاده از آب دریای سرخ، یعنی در شرایط تحمل بالای میکروارگانیسم‌های دریایی به دمای بالا، گزارش شده است . یک توالی جامعه میکروبی قابل توجهی که ساختار بیوفیلم را با افزایش زمان عملیات MD تحت تاثیر قرار داد گزارش شد 23 . فعل و انفعالات قوی بین سلول‌های تاژک‌مانند غالب ممکن است چسبندگی میکروارگانیسم‌ها به سطح غشاء را مستحکم کند و رسوب‌های موجود در سطح غشای MD را با ساختن ساختاری شبه تار عنکبوت، که به طور قابل‌توجهی رسوب زیستی را تشدید می‌کند، تثبیت کند .

از آنجایی که رسوب زیستی سیستم‌های MD اجتناب‌ناپذیر است، توسعه استراتژی‌های موثر تمیز کردن غشاء برای به حداقل رساندن رشد بیوفیلم، حفظ شار نفوذ پایدار و اطمینان از کیفیت بالای آب تولیدی مورد نیاز است. تمیز کردن غشاء به تمیز کردن فیزیکی که رسوب برگشت پذیر را حذف می کند و تمیز کردن شیمیایی که رسوب های چسبیده به سطح غشاء را از طریق پیوند شیمیایی از بین می برد، متمایز می شود . شستشوی معکوس با فرکانس بالا یا تقویت کننده شیمیایی 25 که دائماً رسوب زیست توده را مختل می کند و از این رو از تشکیل بیوفیلم در اولترافیلتراسیون (UF) جلوگیری می کند، اگر در MD اعمال شود، منجر به پر شدن منافذ غشایی با مایع بک واش می شود که نیاز به مرحله خشک کردن اضافی برای رفع خیس شدن منافذ دارد. روش دیگر ، چندین مطالعه، شستشوی معکوس هوا را برای شارژ مجدد هوا در سطح مشترک هوا-مایع و حذف مایع از منافذ غشاء بررسی کردند . با این حال، کارایی آن در شرایط شوری آب خوراک بالا به دلیل کاهش قابل توجه فشار ورودی مایع غشاهای خشک شده به شدت کاهش می یابد، و این روش تمیز کردن را در تصفیه آب نمک قابل اجرا نمی کند.

تمیز کردن شیمیایی برای کنترل وقوع بیوفیلم در واحدهای اسمز معکوس تجاری (RO) 28 ، 29 و UF 25 مورد نیاز است . علیرغم گروهی از مطالعات که با پوسته پوسته شدن غشاء و مرطوب شدن منافذ مقابله می کنند، کنترل رسوب زیستی در MD توجه کمی به خود جلب کرده است. ظاهراً، دومی برای سیستم‌های MD از اهمیت یکسانی برخوردار است زیرا توسعه بیوفیلم می‌تواند شار نفوذ را بدتر کند. با وجود این، ادبیات موجود هنوز کمیاب است. دنباله ای از NaOH در pH ~ 12 و 40 درجه سانتی گراد، اتانول 70 درصد، و خشک کردن خلاء برای از بین بردن رسوبات باکتریایی و بازیافت غشاء در آزمایش های بعدی MD استفاده شد . دنباله ای از افزایش غلظت محلول های HCl برای استخراج بیوفیلم از سطح غشاء و تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی آن استفاده شد . با این حال، تا آنجا که ما می دانیم، کاهش رسوب زیستی در MD، حوزه اولیه هیچ یک از مطالعات مربوط به رسوب زیستی نبوده است.

به عنوان گامی رو به جلو برای ایجاد MD به عنوان یک فناوری نمک‌زدایی پایدار، بررسی حذف بیوفیلم‌ها از غشاهای MD بسیار مهم است. این اکتشاف به ویژه زمانی که کاربرد بالقوه آن برای نمک‌زدایی آب‌های گرم ساحلی مانند آن‌هایی که در خاورمیانه در نظر گرفته می‌شود، بسیار مهم می‌شود. آب دریا از دریای سرخ اغلب حاوی اسپورهای باکتریایی گرمادوست و میکروارگانیسم‌های مزوفیل سازگار است که باعث رشد بیش از حد بیوفیلم بر روی غشاهای MD می‌شوند که دمای آب خوراک از 45 درجه سانتی‌گراد به 65 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد . تکثیر آن میکروارگانیسم های مقاوم به گرما که باعث رسوب زیستی می شوند تا حد زیادی در گذشته نادیده گرفته شده است زیرا اکثر مطالعات قبلی گزارش شده MD از آب های طبیعی از آب و هوای معتدل استفاده می کردند که معمولاً حاوی باکتری هایی با سازگاری با دمای پایین تر هستند 20 ، 23 ، 31 . علاوه بر این، معماری بیوفیلم‌هایی که در سیستم‌های MD رشد می‌کنند، به دلیل شرایط هیدرودینامیکی مختلف و فشارهای اعمال شده، از آن‌هایی که در سیستم‌های RO رشد می‌کنند، متفاوت است. به عنوان مثال، تغییرات در سرعت سیال و تنش برشی متناظر در سطح غشاء تأثیر قابل‌توجهی بر ساختار میکروسکوپی بیوفیلم و مورفولوژی 3 بعدی دارد . یک جریان آهسته، معمولی در MD، به نفع رشد میکروارگانیسم‌ها در جهت عمودی است 32 و همانطور که قبلا نشان داده شد، بیوفیلم‌های ضخیم تشکیل شده بر روی سطوح غشایی در فرآیندهای MD مبتنی بر دما، متخلخل‌تر (یا کمتر فشرده‌تر) از آنهایی بودند که در حالت تحت فشار ایجاد شدند. سیستم های RO به این ترتیب، برهم زدن ساختار بیوفیلم‌هایی که در سیستم‌های MD رشد می‌کنند، می‌تواند به رویکردهای تمیز کردن متمایز نیاز داشته باشد. با این حال، استراتژی‌های جامع حذف بیوفیلم در MD هنوز وجود ندارد. بنابراین، هدف از این مطالعه بررسی سیستماتیک و مقایسه اثر چهار روش تمیز کردن فیزیکی و شیمیایی منتخب بر حذف رسوب‌های زیستی در طی فرآیند تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) با استفاده از آب واقعی دریای سرخ، منبع ضروری آب شیرین‌شده در MENA بود. کشورهای 33 ، 34 . انتخاب پروتکل های تمیز کردن مورد استفاده در این مطالعه بر اساس چندین ملاحظات بود. با توجه به اینکه بیوفیلم های تشکیل شده در فرآیند MD ساختار شلی دارند 20 ، ما انتظار داشتیم که تغییر شرایط هیدرودینامیکی سیستم می تواند به جدا شدن آنها از سطح غشاء کمک کند. دوم، ما توصیه‌های تولیدکنندگان ماژول غشای تجاری را با توجه به مواد شیمیایی مورد استفاده برای کاهش رسوب‌های آلی و زیستی در سیستم‌های RO و UF در نظر گرفتیم اما آنها را تنظیم کردیم. برای مثال، حفظ آبگریزی غشای MD بسیار مهم است که می‌تواند در تماس با سورفکتانت‌های مورد استفاده در فرمول‌های تمیزکننده مختلف تغییر یابد .. مطالعه اخیر ما 36 نشان داد که سدیم دودسیل سولفات، که به عنوان فرمول اولیه برای کنترل رشد بیوفیلم در عناصر RO تجاری توصیه می شود ، باعث خیس شدن منافذ و خاموش شدن فرآیند در MD شد. به این ترتیب، فرمول‌های تمیزکننده آینده نگر در MD نباید باعث خیس شدن منافذ شوند و فقط آن‌هایی که هدایت نفوذی را پس از تمیز کردن غشاء تغییر نمی‌دهند باید اتخاذ شوند. سوم، ما شیمی خاص آب دریای سرخ را در نظر گرفتیم که در همه جا در یون های Ca2 + 34 وجود دارد که به دلیل تشدید رسوب آلی در سطح غشاء شناخته شده است .

بر اساس این ملاحظات، ما چهار روش تمیز کردن مختلف را انتخاب کردیم، تمیز کردن هیدرولیک در سرعت جریان خوراک بالا، و تمیز کردن شیمیایی با 0.3٪ w w -1 EDTA، 0.3٪ w w -1 NaOCl و 3٪ w w -1 اسید سیتریک. EDTA، یک عامل کیلیت قوی 38 ، برای حذف رسوب زیستی توسط DuPont 25 ، 28 و Hydranautics 29 توصیه می شود . NaOCl، یک باکتری کش قوی، برای شستشوی معکوس و تمیز کردن شیمیایی به جای ماژول های پلی وینیلیدین فلوراید UF در پیش تصفیه آب دریا پیشنهاد می شود . اسید سیتریک یک عامل کلات کننده ملایم در محدوده pH 4-8 39 است که همچنین برای تمیز کردن ماژول های غشایی UF و RO تجاری 25 ، 28 ، 29 استفاده می شود . نکته مهم این است که هر سه فرمول قبلاً در تست های تمیز کردن MD 40 ، 41 ، 42 استفاده شده اند .

آزمایش‌های توسعه بیوفیلم در دمای 55 درجه سانتی‌گراد به مدت سه روز (72 ساعت) انجام شد  تا امکان ایجاد بیوفیلم بالغ فراهم شود و پس از تمیز کردن غشا انجام شد. بازیابی شار نفوذی و تغییرات مقاومت بیوفیلم فشار بخار قبل و بعد از تمیز کردن غشا برای هر نوع تمیز کردن تخمین زده شد. در محل توموگرافی همدوسی نوری (OCT) برای نظارت بر توسعه بیوفیلم بر روی سطح غشاء و ارزیابی کارایی حذف زیست توده استفاده شد. ترکیبات بیوفیلم قبل و بعد از تمیز کردن به ترتیب توسط فلوسیتومتری (FCM) و ماتریس سه بعدی تحریک-گسیل فلورسانس (3D-FEEM) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. رسانایی جریان تراوا برای ارزیابی اثر تمیز کردن غشاء بر ترشوندگی منافذ و یکپارچگی غشاء بررسی شد. ما دریافتیم که پروتکل‌های تمیز کردن مورد استفاده در این مطالعه به طور موثر باکتری‌ها و ترکیبات آلی بیوفیلم را از سطح غشاء حذف می‌کنند. استراتژی های تمیز کردن اعمال شده، بازیابی شار نفوذ بالا و کاهش قابل توجهی در ضخامت بیوفیلم و مقاومت در برابر شار بخار را تسهیل می کند. نکته مهم، همه پروتکل‌های تمیز کردن آزمایش‌شده خواص دفع غشا و رسانایی نفوذی را به خطر نینداخته‌اند.

باکتری های دریای سرخ با دمای عملیاتی DCMD بالا سازگار شدند

ما تغییرات در غلظت سلول های باکتریایی در آب خوراک را به عنوان تابعی از زمان عملیات DCMD ارزیابی کردیم (شکل 1 ). غلظت اولیه باکتری در خوراک 1.7 × 10 8  ± 8.5 × 10 6  سلول mL -1 بود و پس از 48 ساعت از DCMD، تعداد کل سلول ها تکثیر شد و به 3.7 × 108 ±  1.8 × 107 سلول  mL -1 رسید . در این مرحله ، سرعت رشد باکتری ها به دلیل کاهش مواد مغذی و تجمع مواد زائد سمی کاهش یافت . در پایان 72 ساعت، تعداد کل سلول های باکتریایی اندکی کاهش یافت و به 3.1 × 10 8  1.5 × 10 7  سلول mL -1 رسید . سلول های دست نخورده بر سلول های آسیب دیده در کل فرآیند DCMD تسلط داشتند، اگرچه تعداد آنها در پایان آزمایش رسوب زیستی کاهش یافت. مطابق با مشاهدات قبلی 22 ، این یافته سازگاری خوب میکروب های آب دریای سرخ (هم مزوفیل و هم گرما دوست) را با دمای بالای آب خوراک MD تأیید کرد.

شکل 1: غلظت سلول های باکتریایی در آب تغذیه به عنوان تابعی از زمان کار در طول تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD).
دمای آب خوراک روی 55 درجه سانتیگراد تنظیم شد. هر آزمایش DCMD تکرار شد، و غلظت سلول های باکتریایی به عنوان مقادیر میانگین ± انحراف استاندارد ارائه شده است.

توسعه بیوفیلم در سطح غشاء باعث کاهش شار شد

سیستم DCMD به مدت 72 ساعت برای دستیابی به یک لایه بیوفیلم قابل توجه بر روی سطح غشاء مورد استفاده قرار گرفت. هر آزمایش رسوب گیری به صورت موازی انجام شد و با یکی از تمیز کردن غشا (هیدرولیک یا شیمیایی) دنبال شد. همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود ، آزمایش‌های رسوب‌گیری قابل تکرار بودند، که امکان مقایسه روش‌های مختلف تمیز کردن را در شرایط سطوح غشایی آلوده‌شده فراهم می‌کرد. کاهش شار نفوذ 75 درصد (از 32 ± 1.6 Lm –  2h -1 به 8 ± 0.5 Lm -2h  - 1 ) اثر قابل توجهی از بیوفیلم بر عملکرد فرآیند DCMD را نشان داد. شکل 3a تصاویر OCT مقطعی بیوفیلم هایی را نشان می دهد که بر روی سطح غشاء به عنوان تابعی از زمان عملیات DCMD ایجاد شده اند. افزایش قابل توجهی کمتر در ضخامت بیوفیلم (10 ± 20 میکرومتر) در 24 ساعت اولیه DCMD در مقایسه با افزایش شدید آن به 15 ± 85 میکرومتر و 30 ± 175 میکرومتر پس از 48 ساعت و 72 ساعت عملیات ثبت شد. به تکثیر باکتری و ترشح EPS 16 . ایجاد یک لایه تهویه با رسوب مواد تشکیل دهنده آب خوراک آلی 44 و رسوب باکتری 30 که توسط جریان مماسی به سطح غشاء آورده می شود، منافذ غشاء را باریک یا مسدود می کند، در نتیجه مقاومت انتقال جرم ایجاد می کند که به شدت جریان نفوذ را در غشاء کاهش می دهد. آغاز فرآیند DCMD

شکل 2: کاهش شار نفوذی در طول توسعه بیوفیلم در تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) و بازیابی شار نفوذی پس از تمیز کردن غشاهای مختلف.
شرایط عملیاتی: دمای خوراک و تراوش به ترتیب روی 55 درجه سانتیگراد و 20 درجه سانتیگراد تنظیم شد و سرعت جریان خطی خوراک و نفوذ به ترتیب روی 0.28 m s- 1 و 0.14 m s -1 تنظیم شد . هر آزمایش DCMD تکرار شد، و شار نفوذ به عنوان مقادیر میانگین ± انحراف استاندارد ارائه شده است.

تصاویر توموگرافی انسجام نوری مقطعی (OCT) از بیوفیلم های توسعه یافته بر روی سطح غشاء در زمان های مختلف عملیاتی ( a ). تصاویر OCT مقطعی از بیوفیلم باقیمانده پس از تمیز کردن غشاهای مختلف ( b ). و درصد (%) کاهش ضخامت بیوفیلم پس از تمیز کردن غشاهای مختلف ( c ). شرایط عملیاتی: دمای خوراک و تراوش به ترتیب روی 55 درجه سانتیگراد و 20 درجه سانتیگراد تنظیم شد و سرعت جریان خطی خوراک و نفوذ به ترتیب روی 0.28 m s- 1 و 0.14 m s -1 تنظیم شد . هر آزمایش DCMD تکرار شد، و ضخامت بیوفیلم به عنوان مقادیر میانگین ± انحراف استاندارد ارائه شده است. نوار مقیاس در تصویر بالا نشان داده شده است (0 ساعت) و برای همه تصاویر یکسان است. نوار مقیاس مربوط به 100 میکرومتر است.

 

برای ارزیابی مکانیسم های رسوب بیوفیلم در مراحل مختلف DCMD، نمودارهایی را ترسیم کردیم که با چهار مدل رسوب گیری کلاسیک (فیلتراسیون کیک، مسدود کردن منافذ کامل، استاندارد یا میانی) در 12 ساعت، 36 ساعت و 72 ساعت از فرآیند DCMD مطابقت داشت (شکل 1). 4 ) که به ترتیب با DCMD اولیه، وسط و انتهای فرآیند DCMD مطابقت دارد. در حالی که یک رابطه خوب بین پارامترهای مدل با مقادیر بالای R 2 پس از 12 ساعت DCMD پیدا شد (شکل 4a-d )، پدیده ای که با تشکیل بیوفیلم مرتبط است و در مدل های کلاسیک در نظر گرفته نمی شود، شروع به ایفای نقش کرد. با افزایش زمان عملیاتی در 36 ساعت (شکل 4e-h ) و 72 ساعت (شکل 4i-l ). این یافته را می توان به شرح زیر توضیح داد. یکی از مفروضات مدل های رسوب گیری کلاسیک این است که رسوب غشایی در اثر رسوب ذرات از آب تغذیه ایجاد می شود . به این ترتیب، تشکیل لایه تهویه بر روی سطح غشاء در مرحله اولیه DCMD (یعنی در 12 ساعت) در نتیجه بارش آلی به اندازه کافی توسط مدل‌های رسوب‌گیری کلاسیک توصیف شده است. اگرچه مقادیر R 2 هر چهار مدل نزدیک به یکدیگر بودند، تصاویر OCT تشکیل یک لایه رسوب را بر روی سطح غشاء نشان داد. به این ترتیب، ما پیشنهاد می‌کنیم که مرحله اولیه توسعه بیوفیلم احتمالاً تحت تأثیر مکانیسم فیلتر کیک ( R2  = 0.9861)، همراه با مسدود کردن منافذ است که همچنین به باریک شدن منافذ کمک می‌کند ( R2 = 0.9884  ). همانطور که DCMD تکامل می یابد، یک لایه بیوفیلم ضخیم تر تشکیل می شود (شکل 3a )، که باعث کاهش بیشتر شار نفوذ می شود (شکل 2 ). بلوغ بیوفیلم منجر به آزادسازی EPS و تکثیر سلول های میکروبی به طور مستقیم بر روی سطح غشاء می شود و در نتیجه وضعیت رسوب ذرات از آب خوراک را به عنوان تنها علت رسوب متوقف می کند. در نتیجه، برازش مدل در 36 ساعت و 72 ساعت در مقایسه با آنچه در 12 ساعت مشاهده شد بدتر شد، به این معنی که مدل‌های کلاسیک دیگر نمی‌توانند مکانیسم‌های رسوب غشایی را توصیف کنند. به طور خلاصه، توسعه بیوفیلم بر روی سطح غشاء باعث کاهش قابل توجهی در شار نفوذی شد. با این حال، مدل‌های رسوب‌گیری کلاسیک کاربردی تنها در آغاز آزمایش‌های رسوب‌زدایی به اندازه کافی توانستند مکانیسم‌های رسوب غشایی را توصیف کنند و اعتبار خود را با افزایش زمان عملیات DCMD از دست دادند.

شکل 4: برازش مدل های رسوب گیری کلاسیک پس از 12 ساعت، 36 ساعت و 72 ساعت تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD).
مدل‌ها مکانیسم‌های زیر را توصیف می‌کنند: فیلتراسیون کیک ( a ، e ، i )، مسدود کردن میانی ( b ، f ، j )، مسدود کردن استاندارد ( c ، g ، k )، و مسدود کردن کامل ( d ، h ، l ).

بازیابی شار بر اساس نوع تمیز کردن غشاء کنترل می شد

نظارت بر تغییرات شار تراوش قبل و بعد از تمیز کردن غشاء یک روش رایج برای ارزیابی کارایی تمیز کردن در نظر گرفته می شود که امکان ارزیابی مستقیم پتانسیل حذف بیوفیلم پروتکل های مختلف تمیز کردن را فراهم می کند. ما بازیابی شار نفوذی را پس از تمیز کردن غشاها با تمیز کردن هیدرولیک با آب Milli-Q و محلول‌های شیمیایی مختلف تخمین زدیم. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود ، راندمان بازیابی شار نفوذی به ترتیب تمیز کردن هیدرولیک <3% w w -1 اسید سیتریک <0.3% w w -1 NaOCl ≈ 0.3% w w -1 EDTA افزایش یافت. اگرچه راندمان تمیز کردن هیدرولیک کمتر از تمیز کردن شیمیایی بود، اما قادر بود بخش قابل توجهی از رسوب زیستی را حذف کند و در نتیجه 3 ± 66 درصد از شار اولیه نفوذ را بازیابی کند. ما پیشنهاد می کنیم که ساختار شل بیوفیلم MD 22 جدا شدن آن از سطح غشاء را تحت شرایط تنش برشی بالا کاهش می دهد. عامل دیگری که ممکن است کارایی تمیز کردن هیدرولیک را بهبود بخشد، غلظت کم فسفر در آب دریای سرخ است. بنابراین، بیوفیلمی که روی سطح غشایی با استفاده از آب دریای سرخ ایجاد شده بود، در مقایسه با بیوفیلمی که از آب تغذیه با غلظت فسفر دو برابر بیشتر رشد می‌کرد، به راحتی از سطح غشای RO در طی تمیز کردن هیدرولیک جدا شد . اثر مشاهده‌شده به کاهش نیروهای چسبنده بیوفیلم‌ها نسبت داده شد که تحت شرایط محدود فسفر آب دریای سرخ توسعه یافته و جدا شدن آن‌ها از سطح غشاء را تسهیل می‌کند.

هنگام مقایسه بازیابی شار نفوذی پس از استفاده از محلول های تمیز کننده شیمیایی مختلف، واضح است که نوع فرمول شیمیایی کارایی تمیز کردن غشاء را تعیین می کند. در حالی که تمیز کردن غشاء با 0.3% w/w EDTA و 0.3% w/w NaOCl بازیابی شار نفوذ بالایی را نشان داد (به ترتیب 5±93% و 4±89%)، اسید سیتریک 3%ww -1 موفقیت‌آمیزتر بود و 76±76% را ارائه کرد. 4 درصد بازیابی شار نفوذی. عملکرد بالای 0.3% w w -1 EDTA را می‌توان به پتانسیل بالای آن برای شکستن پل‌های بین مولکولی بین رسوب‌کننده‌های آلی یا رسوب‌کننده‌ها و سطح غشاء نسبت داد . همانطور که مشخص است، یون های Ca2 + که در آب دریای سرخ فراوان هستند 34 می توانند با گروه های اسیدی آلی آبدوست واکنش دهند تا یک لایه ژل متقابل ایجاد کنند که رسوب غشاء را تشدید می کند و شار نفوذی 50 ، 51 را بدتر می کند . مولکول EDTA به دلیل توانایی های کیلاسیون قوی، کمپلکس های قوی با کاتیون های دو ظرفیتی تشکیل می دهد، به ویژه در شرایط قلیایی که گروه های کربوکسیلیک آن deprotone می شوند . به این ترتیب، EDTA می‌تواند مولکول‌های آلی را در کمپلکس‌هایشان با Ca2 + از طریق تبادل لیگاند جایگزین کند که منجر به پارگی و جدا شدن ساختار بیوفیلم از سطح غشاء می‌شود.

NaOCl یک ماده شیمیایی قوی با توانایی اثبات شده برای کاهش رسوب زیستی از طریق اکسیداسیون و شکستن پلیمرهای زیستی به ترکیبات آبدوست بیشتر با دادن گروه های عاملی با محتوای اکسیژن بالاتر است که چسبندگی بیوفیلم به سطح غشاء را کاهش می دهد . علاوه بر این، NaOCl می‌تواند لخته‌های میکروبی را به مواد آلی محلول و ذرات ریز تجزیه کند که فرآیند اکسیداسیون را تسریع می‌کنند . راندمان تمیز کردن کمتر اسید سیتریک 3% w/w مشاهده شده در مطالعه ما را می توان به ترکیب پیچیده لایه بیوفیلم متشکل از گونه های مختلف میکروبی و اجزای EPS نسبت داد که ممکن است نفوذ آن را از طریق بیوفیلم مختل کند. به طور مشابه، پتانسیل تمیز کردن اسید سیتریک در حذف بیوفیلم با افزایش پیچیدگی و تنوع میکروارگانیسم‌هایی که بیوفیلم را تشکیل می‌دهند کاهش یافت . عامل دیگری که بر راندمان تمیز کردن اسید سیتریک تأثیر منفی می‌گذارد، ثابت‌های پایداری کمتر بین اسید سیتریک و Ca2+، Mg2+ و سایر فلزات در مقایسه با فلزات EDTA 56 است که باعث می‌شود اسید سیتریک راندمان پایینی در تجزیه ساختار بیوفیلم داشته باشد. .

به طور خلاصه، تمیز کردن هیدرولیک به دلیل از بین رفتن معماری بیوفیلم و کاهش نیروهای منسجم موفق به بازیابی شار نفوذی شد. علی‌رغم مکانیسم‌های مختلف حذف بیوفیلم، 0.3w w -1 EDTA و 0.3w w -1 NaOCl به کارایی تمیز کردن برتری دست یافتند و به طور قابل‌توجهی شار نفوذی را بهبود بخشیدند. همچنین ذکر این نکته مهم است که بر خلاف فرآیند RO، که به پیش تصفیه گسترده آب خوراک نیاز دارد ، فرآیند MD از نظر کیفیت آب خوراک کمتر تقاضا دارد. در این مطالعه، آب دریا به طور مستقیم از دریای سرخ از طریق خط لوله دریایی تامین شد و بلافاصله در آزمایشات DCMD مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، همانطور که نتایج این مطالعه نشان می دهد، حذف بیوفیلم در شرایط پیش تیمار بدون خوراک بسیار موثر بود.

تأثیر تمیز کردن غشا بر ساختار بیوفیلم

ضخامت بیوفیلم باقیمانده به دلیل تمیز کردن کاهش یافت

ما بیشتر تصاویر OCT از بیوفیلم باقیمانده را که پس از انواع مختلف تمیز کردن غشا بر روی سطح غشاء باقی مانده بود، ارزیابی کردیم. همانطور که در شکل 3b نشان داده شده است ، ضخامت بیوفیلم باقیمانده از ترتیب زیر پیروی می کند: 0.3% w w – 1 NaOCl < 0.3% w w – 1 EDTA < 3% w w – 1 اسید سیتریک < تمیز کردن هیدرولیک. مطابق با روند بازیابی شار نفوذی، تمیز کردن هیدرولیک کمترین کاهش ضخامت بیوفیلم را ایجاد کرد (3 ± 68٪)، و آن را از 30 ± 175 میکرومتر به 5 ± 55 میکرومتر کاهش داد. همانطور که در شکل 3b به وضوح مشاهده می شود ، استفاده از تمیز کردن شیمیایی ضخامت بیوفیلم را به میزان بیشتری در مقایسه با تمیز کردن هیدرولیک کاهش داده است. ضخامت های بیوفیلم شامل 40 ± 2 میکرومتر، 10 ± 15 میکرومتر و 5 ± 10 میکرومتر برای اسید سیتریک 3% ww- 1 ، 0.3% w w -1 NaOCl و 0.3% w w -1 EDTA است که مربوط به راندمان حذف 1±77٪ است. به ترتیب 6±91% و 3±94% (شکل 3c ). اگرچه حذف بیوفیلم به دست آمده با 0.3% ww -1 NaOCl و 0.3% w w -1 EDTA قابل مقایسه است، مورفولوژی بیوفیلم باقیمانده پس از تمیز کردن آن با 0.3% w/w NaOCl در مقایسه با یک لایه بیوفیلم صاف‌تر، ویژگی‌های قارچ‌مانند متمایزی دارد. پس از تمیز کردن آن با 0.3% w w -1 EDTA روی سطح غشایی باقی ماند . زبری بیوفیلم بالاتر از یک بیوفیلم باقیمانده در مورد 0.3% w w -1 NaOCl می‌تواند نشان‌دهنده پتانسیل رشد مجدد بالاتر آن در چرخه‌های رسوب‌کردن/تمیز کردن DCMD بعدی باشد.

همانطور که با روند بازیابی تراوایی (شکل 2 ) و کاهش ضخامت بیوفیلم (شکل 3 ) مشهود است، استفاده از دوزهای کمتر EDTA و NaOCl در مقایسه با دوزهای توصیه شده توسط سازندگان RO و UF 28 ، 29 ، منجر به تمیز کردن غشا با راندمان بالا شد. اثر مشاهده شده را می توان به مورفولوژی مختلف بیوفیلم هایی که در فرآیندهای جداسازی غشاهای مختلف روی سطوح غشا رشد می کنند نسبت داد. بنابراین، بیوفیلم‌های شلتر که روی سطح MD بدون فشار اعمال شده ایجاد می‌شوند ، امکان نفوذ آسان‌تر محلول تمیزکننده را فراهم می‌کنند . یافته‌های ما تأیید می‌کند که اگرچه تشکیل بیوفیلم یک مانع مشترک برای همه فرآیندهای جداسازی غشایی است، استراتژی‌های کاهش آن توسط یک نوع فرآیند دیکته می‌شود.

تمیز کردن غشاء باعث کاهش غلظت سلول های باکتریایی می شود

شکل 5 غلظت کل سلول های باکتریایی را در بیوفیلم ها پس از 72 ساعت DCMD و پس از پاکسازی های مختلف غشاء نشان می دهد. تعداد سلول های باکتری روی سطح غشاء قبل از تمیز کردن غشاء شامل 1.6 × 10 9  ± 7.9 × 10 7 w w -1 بود و پس از آزمایشات تمیز کردن به طور قابل توجهی کاهش یافت. تمیز کردن هیدرولیک با غلظت سلولی بیوفیلم پس از تمیز کردن 5.3 × 10 8  ± 2.6 × 10 7 سلول cm -2 و راندمان حذف 1 ± 67 درصد کمترین تأثیر را داشت . به دنبال آن 3٪ اسید سیتریک با غلظت سلول های باقی مانده 3.2 × 10 8  1.6 × 10 7 سلول cm -2 و راندمان حذف 1 ± 80٪ بود. به طور همزمان، استفاده از محلول های 0.3% w w -1 NaOCl و 0.3% w w -1 EDTA تعداد سلول های باکتریایی را تقریباً با دو مرتبه قدر به 1.4 × 10 7  ± 7.2 × 10 5  سلول cm -2 و 1.7 × 10 × 7 cm -2 و 1.7 ×  10 کاهش داد. × 105 سلول cm -2 ، به ترتیب، مربوط به راندمان حذف 0.2 ± 91٪ و 0.3 ± 89٪. راندمان پایین حذف سلول های باکتریایی مشاهده شده با تمیز کردن هیدرولیک در مقایسه با پاکسازی های شیمیایی نشان می دهد که اگرچه ساختار بیوفیلم سست حذف بیوفیلم را در شرایط تنش برشی بالا آسان می کند، برهمکنش های شیمیایی بین اجزای بیوفیلم نقش مهمی در حذف بیوفیلم ایفا می کند. به این ترتیب، تمیز کردن شیمیایی در از بین بردن سلول های باکتریایی از سطح غشای MD موثرتر خواهد بود. علاوه بر این، سلول‌های باکتریایی که پس از تمیز کردن غشاء روی سطح باقی می‌مانند می‌توانند به عنوان لنگر برای استعمار مجدد سطح غشاء و ایجاد بیوفیلم عمل کنند.

شکل 5: غلظت کل سلول های باکتریایی در بیوفیلم پس از 72 ساعت توسعه بیوفیلم در تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) و در بیوفیلم های باقیمانده پس از استفاده از انواع مختلف پاک کننده غشا.
شرایط عملیاتی: دمای خوراک و تراوش به ترتیب روی 55 درجه سانتیگراد و 20 درجه سانتیگراد تنظیم شد و سرعت جریان خطی خوراک و نفوذ به ترتیب روی 0.28 m s- 1 و 0.14 m s -1 تنظیم شد . هر آزمایش DCMD تکرار شد، و غلظت سلول های باکتریایی به عنوان مقادیر میانگین ± انحراف استاندارد ارائه شده است.

تمیز کردن شدت پیک های فلورسنت آلی را کاهش داد

تجزیه و تحلیل 3D-FEEM برای ارزیابی ترکیبات آلی بیوفیلم رشد یافته روی سطح غشاء پس از 72 ساعت DCMD و بیوفیلم‌های باقیمانده پس از تمیز کردن غشاء انجام شد. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ، چهار پیک اصلی با شدت فلورسانس متفاوت پس از 72 ساعت DCMD شناسایی شد. دو پیک به پروتئین‌ها نسبت داده شد، یعنی پیک I (تحریک: 250-280 نانومتر، انتشار: <380 نانومتر) و پیک II (تحریک: 220-250 نانومتر، انتشار: 330-380 نانومتر)، و دو پیک دیگر نسبت داده شدند. به ترکیبات اسید فولویک (پیک III؛ تحریک: 220-250 نانومتر، انتشار: > 380 نانومتر) و اسید هیومیک (پیک IV؛ تحریک: > 280 نانومتر، انتشار: > 380 نانومتر) ترکیبات 57 ، 58 . شدت پیک پروتئین I در طیف فلورسانس بالاترین میزان بود که نشان‌دهنده بلوغ بیوفیلم و آزادسازی پروتئین از سلول‌های میکروبی پوسیده است . گونه های پروتئین نقش مهمی در ایجاد یک لایه بیوفیلم بر روی غشای MD به دلیل برهمکنش های افزایش یافته بین سطح غشای MD آبگریز و مولکول های پروتئین ایفا می کنند . این امر چسبندگی پروتئین را بهبود می بخشد و باعث تقویت اتصال سایر اجزای آب و محصولات باکتریایی می شود که رشد بیوفیلم را تشدید می کنند .

ماتریس سه بعدی تحریک-انتشار فلورسانس (3D-FEEM) نمودارهای کانتور ترکیب آلی بیوفیلم پس از 72 ساعت توسعه بیوفیلم در تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) ( a ) و بیوفیلم های باقیمانده پس از تمیز کردن هیدرولیک ( b )، 3% w -1 اسید سیتریک ( c )؛ 0.3% w -1 NaOCl ( d ) و 0.3٪ w w -1 EDTA ( e ). چهار منطقه شناسایی شد: پروتئین های مربوط به پیک I، پروتئین های مربوط به پیک II، ترکیبات اسید مانند فولویک مربوط به پیک III، و ترکیبات اسید هیومیک مانند مربوط به پیک IV.

 

کاهش قابل توجهی در شدت فلورسانس تمام اجزای آلی بیوفیلم نظارت شده برای همه پروتکل‌های تمیز کردن مشاهده شد. مقایسه شدت پیک مربوط به پیک پروتئین I قبل و بعد از تمیز کردن غشاء نشان داد که استفاده از محلول‌های 0.3% w-w -1 NaOCl و 0.3%ww-w -1 محلول EDTA شدت آن را 94% کاهش داد در حالی که هیدرولیک و 3% w/w سیتریک تمیز کردن اسید موثر کمتری بود و منجر به راندمان حذف به ترتیب 81% و 84% شد. در مورد 0.3% ww -1 NaClO، اثر مشاهده شده را می توان به اکسیداسیون پیوندهای دی سولفیدی بین مولکولی مولکول های پروتئین به دام افتاده در لایه EPS نسبت داد که انحلال پذیری آنها را افزایش می دهد 62 . مولکول‌های EDTA می‌توانند پروتئین‌ها را در کمپلکس‌های خود با Ca2 + 63 جایگزین کنند و در نتیجه پروتئین‌های محدود نشده را از سطح غشاء خارج کنند. شایان ذکر است که اگرچه تمیز کردن هیدرولیک کارایی کمتری نسبت به تمیز کردن شیمیایی داشت، اما مقدار قابل توجهی از رسوب ناشی از پروتئین های مربوط به ناحیه I برگشت پذیر بود و بنابراین در شرایط تنش برشی بالا در طول تمیز کردن هیدرولیک حذف شد. حذف پروتئین‌هایی که با ناحیه II مطابقت داشتند ضعیف‌تر بود، شامل 58٪، 59٪، 71٪ و 69٪ برای تمیز کردن هیدرولیک، 3٪ w/w اسید سیتریک، 0.3٪ w w -1 NaOCl و 0.3٪ w w – 1 EDTA. ، به ترتیب.

استفاده از محلول 0.3 درصد وزنی بر وزن EDTA بیشترین تأثیر را در کاهش شدت ترکیبات اسید فولویک (62 درصد) و اسید هیومیک (79 درصد) از طریق شکستن پل های بین گروه های کربوکسیلیک و کلسیم داشت. 2+ یون و متعاقب آن متلاشی شدن سنگدانه های هیومیک 37 ، 64 . اکسیداسیون ترکیبات اسید مانند فولویک و اسید هیومیک توسط 0.3٪ ww -1 NaOCl از طریق برش گروه های عاملی آلیفاتیک و آروماتیک 65 کمتر مؤثر بود (به ترتیب 54٪ و 71٪). اسید سیتریک 3% w w -1 به دلیل PH اسیدی آن در از بین بردن هر دو نوع ترکیبات هیومیک (به ترتیب 50% و 65%) کمترین موفقیت را داشت. اگرچه تمیز کردن هیدرولیک در مقایسه با تمیز کردن شیمیایی (بازده حذف 45٪ و 62٪ برای ترکیبات اسید فولویک و اسید هیومیک به ترتیب) قدرت کمتری داشت، بخش قابل توجهی از هر دو ماده هیومیک به طور برگشت پذیر به سطح غشاء چسبیده بود. راندمان حذف ترکیبات اسید مانند فولویک در مقایسه با ترکیبات اسید هیومیک مانند، به ویژه در مورد تمیز کردن هیدرولیک، به طور قابل توجهی کمتر بود. اثر مشاهده‌شده را می‌توان به تشکیل یک لایه رسوب‌کننده فشرده‌تر روی سطح غشاء در مورد اسیدهای فولویک به دلیل اندازه‌های کوچکتر دانه‌ها در مقایسه با اسیدهای هیومیک 66 نسبت داد که حذف آن با افزایش تنش برشی دشوارتر خواهد بود. در سطح غشاء

یافته‌های ما نشان می‌دهد که راندمان حذف فرمول‌های تمیزکننده آزمایش‌شده توسط نوع ماده تشکیل‌دهنده بیوفیلم کنترل می‌شود. در حالی که 0.3% w w -1 EDTA و 0.3% ww -1 NaOCl در حذف مواد پروتئینی موثر بودند، 0.3% w w -1 EDTA به دلیل خواص کمپلکس‌شوندگی برتر، پتانسیل بالاتری در از بین بردن ترکیبات هیومیک بیوفیلم داشت.

تمیز کردن بر رسانایی نفوذ تأثیر نمی گذارد
در مطالعه ما، رسانایی جریان تراوش روزانه برای ارزیابی اثر توسعه بیوفیلم و تمیز کردن غشاء بر کیفیت تراوا بررسی شد. شکل 7 تغییرات رسانایی تراوا را برای آزمایش‌های رسوب زیستی منفرد DCMD نشان می‌دهد که در شرایط عملیاتی مشابه انجام شده‌اند. اگرچه برخی تغییرات با استفاده از کوپن‌های غشایی مختلف ایجاد شد، رسانایی نفوذ با افزایش زمان عملیاتی افزایش یافت و از 30 ± 2 µS cm -1 تا 39 ± 2 µS cm -1 پس از 72 ساعت DCMD متغیر بود. اگرچه رسانایی تراوا نهایی کم بود، اما افزایش آنها با افزایش زمان عملیات، نشانه ای از خیس شدن جزئی منافذ ناشی از توسعه بیوفیلم است. افزایش رسانایی تراوایی در 24 ساعت اولیه DCMD به دلیل تشکیل یک فیلم تهویه‌ای که بر آبگریزی سطح تأثیر منفی می‌گذارد و باعث عبور قطرات آب از منافذ غشاء می‌شود، بیشتر محسوس بود. توسعه یک لایه بیوفیلم ضخیم سرکوب شد. خیس شدن منافذ که با کاهش سرعت افزایش رسانایی با افزایش زمان کار منعکس می شود.

شکل 7: تغییرات در رسانایی نفوذ در طول توسعه بیوفیلم در تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) و پس از تمیز کردن غشاهای مختلف.
شکل 7
شرایط عملیاتی: دمای خوراک و تراوش به ترتیب روی 55 درجه سانتیگراد و 20 درجه سانتیگراد تنظیم شد و سرعت جریان خطی خوراک و نفوذ به ترتیب روی 0.28 m s- 1 و 0.14 m s -1 تنظیم شد . هر آزمایش DCMD تکرار شد، و رسانایی به عنوان مقادیر میانگین ± انحراف استاندارد ارائه شده است.

پس از 72 ساعت از آزمایش رسوب زیستی، تمیز کردن غشاء انجام شد و فرآیند DCMD با استفاده از 30 گرم در لیتر نمک طعام برای بررسی اثر آن بر یکپارچگی غشا و مرطوب شدن منافذ از سر گرفته شد. شکل 8 نشان می دهد که رسانایی آب نفوذی اندازه گیری شده پس از 1 ساعت از فرآیند DCMD برای هیچ نوع تمیزکاری افزایش نیافته است، به این معنی که پروتکل های تمیز کردن آزمایش شده باعث خیس شدن منافذ و بدتر شدن رد غشاء نشده اند. این نتایج بر اهمیت توسعه پروتکل‌های تمیز کردن مناسب تأکید می‌کند که عملکرد پایدار غشاهای آبگریز را پس از تمیز کردن شیمیایی اعمال شده تضمین می‌کند.

شکل 8: اثر تمیز کردن غشا بر مقاومت بیوفیلم در برابر فشار بخار.
شکل 8
میله های جامد مقاومت غشای بکر، بیوفیلم پس از 72 ساعت تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) و درصد کاهش مقاومت بیوفیلم را پس از تمیز کردن غشاهای مختلف نشان می دهند. میله های برش خورده پس از تمیز کردن غشاهای مختلف، مقاومت بیوفیلم باقی مانده را نشان می دهند.

تصویر در اندازه کامل

یافته‌های ارائه‌شده در این بخش، تغییرات عمیقی را در ساختارهای بیوفیلم باقی‌مانده برای همه انواع پاک‌کننده، از جمله کاهش قابل‌توجه در غلظت کل سلول‌های باکتریایی و شدت پیک‌های فلورسنت که مربوط به اجزای آلی بیوفیلم مانند پروتئین و ماده هیومیک است، نشان می‌دهد. در نتیجه، ضخامت بیوفیلم باقیمانده به طور قابل توجهی در مقایسه با مقادیر از قبل تمیز شده کاهش می یابد، که امکان بازیابی شار نفوذی را در هر شرایط عملیاتی آزمایش شده فراهم می کند.

تمیز کردن مقاومت بیوفیلم در برابر فشار بخار را کاهش داد

در MD، تبخیر از طریق رابط بخار-مایع که در منیسک منافذ غشاء رخ می دهد، حاصل می شود . وجود بیوفیلم بر روی سطح غشاء اثر کلوین را القا می کند که به نوبه خود فشار بخار را در ورودی منافذ 67 کاهش می دهد و مقاومت بیشتری در برابر جریان بخار ایجاد می کند 44,67 . با توجه به اینکه نیروی محرکه فرآیند MD اختلاف فشار بخار در سراسر غشای آبگریز است، مقاومت یک لایه بیوفیلم که بر روی سطح غشاء ایجاد می‌شود، شامل مقاومت‌های فشار بخار و فشار هیدرولیک می‌شود. با در نظر گرفتن تأثیر اندک فشار هیدرولیک بر تغییرات فشار بخار در MD، سهم مقاومت هیدرولیکی به کل مقاومت انتقال جرم بیوفیلم در مقایسه با مقاومت فشار بخار ناچیز خواهد بود. مشابه فرآیند RO که در آن پلاریزاسیون غلظت ناشی از بیوفیلم، به جای مقاومت هیدرولیکی، یک عامل اصلی است که بر شار نفوذی تأثیر می‌گذارد ، پلاریزاسیون دمایی ناشی از بیوفیلم که گرادیان دما را کاهش می‌دهد و شار بخار را در سراسر غشاء کاهش می‌دهد، احتمالاً یک عامل اصلی است . عاملی که انتقال بخار را در MD کنترل می کند. هر دو ترکیبات میکروبی و بیوفیلم EPS به مقاومت بیوفیلم در MD کمک کردند. در حالی که انسداد فیزیکی منافذ غشایی توسط باکتری ها باعث ایجاد یک لایه راکد بر روی سطح غشاء می شود، در نتیجه قطبش دما را تشدید می کند و انتشار به سطح غشاء را کاهش می دهد ، لایه غیر متخلخل پروتئین نیز مقاومت حرارتی و هیدرولیکی بیشتری در برابر بخار ایجاد می کند. جریان 44 . پیشنهاد شد که انتقال همرفتی از طریق بیوفیلم در فرآیند MD با تخلخل آن تعیین می‌شود . این بیانیه قبلی را تایید می‌کند که علیرغم ضخامت ظاهراً بالا، بیوفیلم‌هایی که بر روی غشاهای MD ایجاد می‌شوند، کمیاب هستند و در مقایسه با بیوفیلم‌هایی که در سیستم‌های غشایی تحت فشار رشد می‌کنند و فشرده‌سازی لایه ژل بیوفیلم را تجربه می‌کنند، انسداد کمتری برای جریان بخار ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، مطالعه اخیر ما که مکانیسم‌های توزیع زمانی و مکانی بیوفیلم‌ها را بر روی سطح غشای MD 22 بررسی کرد ، نشان داد که تخلخل بیوفیلم‌ها با محتوای میکروبی و EPS تعیین می‌شود، با غلظت EPS بالاتر و محتوای باکتری کمتر که منجر به فشرده‌تر شدن می‌شود. بیوفیلم‌ها در مقایسه با بیوفیلم‌های شل‌تر که با تعداد سلول‌های باکتریایی بیشتر و غلظت EPS کمتر مشخص می‌شوند.

ما مقاومت بیوفیلم ها را در برابر فشار بخار قبل و بعد از تمیز کردن های مختلف بیشتر ارزیابی کردیم (شکل 8 ). پس از 72 ساعت DCMD، مقاومت فشار بخار بیوفیلم سه برابر، از 4.7 × 10 12  m -1 به 1.52 × 10 12  m -1 افزایش یافت . مقاومت فشار بخار به 8.5 × 10 11  m -1 ، 5.6 × 10 11  m -1 ، 2.3 × 10 11  m -1 و 1.6 × 1011  m -1 برای تمیز کردن هیدرولیک، 3% وزنی ، اسید سیتریک 1-1 کاهش یافت. به ترتیب 0.3% w w -1 NaOCl و 0.3% w w -1 پاکسازی EDTA. به طور مداوم با بازیافت تراوا، بالاترین کاهش مقاومت در برابر فشار بخار با 0.3% w w – 1 EDTA و 0.3 % w w – 1 NaOCl (به ترتیب 97 و 95 درصد) به دست آمد و سپس اسید سیتریک 3 درصد وزنی – 1 ( 88 درصد) ) و هیدرولیک (82%).

گوه و همکاران 67 پیشنهاد کرد که هر دو ترکیبات بیوفیلم آلی آبدوست و آبگریز باعث کاهش فشار بخار در نتیجه توسعه بیوفیلم بر روی غشای MD می شوند. مقایسه انجیر 6 و 8 ، توافق خوبی بین کاهش فشار بخار و کاهش شدت ترکیبات آلی بیوفیلم شناسایی شده با فلورسنت مشاهده کردیم. این نشان می دهد که حذف بخش بیوفیلم آلی در مقابله با رسوب زیستی MD و افزایش گرادیان فشار بخار در سراسر غشاء مهم است.

ما همچنین می‌توانیم انتظار داشته باشیم که سهم سلول‌های باکتریایی که روی سطح غشاء وجود دارند در مقاومت کلی بیوفیلم در برابر جریان بخار به‌دلیل قسمت پایین‌تر آن در حجم کل بیوفیلم و تخلخل بالاتر لایه کیک باکتریایی به طور قابل‌توجهی کمتر باشد . این کاهش مقاومت بالای بیوفیلم را توضیح می‌دهد که در شرایطی مشاهده می‌شود که تعداد قابل توجهی از سلول‌های باکتریایی هنوز روی سطح غشاء پس از تمیز کردن باقی مانده‌اند (شکل 5 ). به طور خلاصه، اگرچه مقاومت فشار بخار بیوفیلم تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد DCMD داشت، تمیز کردن غشاء کاهش قابل‌توجه آن را تسهیل کرد که به خوبی با حذف اجزای بیوفیلم فردی همبستگی داشت.

در نتیجه، مطالعه ما تکنیک‌های مختلف حذف بیوفیلم را در طول فرآیند DCMD با استفاده از آب واقعی دریای سرخ بررسی کرد. چهار پروتکل تمیز کردن فیزیکی و شیمیایی برای کارایی آنها در از بین بردن اجزای باکتریایی و آلی بیوفیلم‌هایی که بر روی سطوح غشاء و منافذ آنها ایجاد شده‌اند مورد ارزیابی قرار گرفت. اگرچه استراتژی‌های موثر کاهش رسوب زیستی توسط تولیدکنندگان تجاری RO و UF پیشنهاد شده‌اند ، با در نظر گرفتن حساسیت بالای غشاهای آبگریز به مرطوب شدن منافذ، بررسی اینکه آیا خواص دفع غشا پس از تمیز کردن شیمیایی تحت تأثیر نامطلوب قرار می‌گیرد یا خیر ، مهم است . داده‌های جمعی ارائه‌شده در این مطالعه نشان می‌دهد که محلول‌های 0.3% w w -1 NaOCl و 0.3% w w -1 EDTA کاندیدهای بهتری برای حذف بیوفیلم در فرآیند MD هستند که در عین حفظ یکپارچگی غشاء پاک‌سازی اعمال شده، به بالاترین درجه بازیابی شار نفوذ دست یافتند. این مواد شیمیایی در غلظت‌های پایین‌تر از غلظت‌هایی که توسط تولیدکنندگان رایج غشاء توصیه می‌شود، مؤثر بودند و گزینه‌های جذاب و مقرون به صرفه‌ای برای کاهش رسوب زیستی هستند. این یک یافته مهم است زیرا، تا همین اواخر، اکثر مطالعات تمیز کردن MD بر روی بررسی پتانسیل تمیز کنندگی اسیدهای معدنی در حذف رسوب در طی فرآیند MD برای تصفیه خوراک مصنوعی 41 ، از جمله آب دریا 71 ، 72 و آب نمک 73 ، 74 متمرکز بوده است . با این حال، همانطور که توسط نتایج این مطالعه مشهود است، اسید سیتریک 3% ww -1 ظرفیت محدودی در حذف بیوفیلم در طول فرآیند DCMD داشت. نتایج ما همچنین بر اهمیت توسعه پروتکل‌های تمیز کردن قابل اعتماد تأکید می‌کند که عملکرد پایدار غشاهای آبگریز را پس از تماس با محیط‌های شیمیایی خشن تضمین می‌کند. ماهیت نوآورانه مطالعه ما نشان می‌دهد که کاهش رسوب زیستی در MD می‌تواند با دستکاری محلول‌های تمیزکننده رایج که به آسانی در کارخانه‌های نمک‌زدایی در دسترس هستند، با موفقیت به دست آید. این امر عملکرد پایدار و پایدار فرآیند MD را تسهیل می کند و در نتیجه زمینه هایی را برای کاهش بیشتر انرژی ایجاد می کند. علاوه بر این، تکنیک‌های تمیز کردن پیشنهادی می‌تواند به طور بالقوه برای هر نوع فرآیند MD قابل استفاده باشد و این فناوری نمک‌زدایی را برای کاربران نهایی صنعتی و شهری قابل دسترس‌تر می‌کند. در نهایت، یافته‌های این مطالعه به توسعه تکنیک‌های پاک‌سازی مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط‌زیست برای مقابله با مسئله رسوب زیستی غشایی که در فرآیندهای غشایی از جمله MD اجتناب‌ناپذیر است، کمک می‌کند و در نتیجه به افزایش مقیاس فرآیند و تجاری‌سازی آن کمک می‌کند.

نتایج عمده این مطالعه به شرح زیر است:

1.
استفاده از تمیز کردن هیدرولیک بخش قابل توجهی از زیست توده را حذف کرد و 66 ± 3٪ از شار نفوذی را بازیابی کرد، که به این معنی است که مورفولوژی شل بیوفیلم که روی سطح غشاء MD ایجاد شده است، کارایی تمیز کردن هیدرولیک را بهبود می بخشد. در میان فرمول‌های شیمیایی آزمایش‌شده، 0.3% ww -1 NaOCl و 0.3% w-w -1 EDTA بالاترین بازیابی شار نفوذ را به ترتیب 4 ± 89 و 5 ± 93 درصد ارائه کردند.

2.
ضخامت لایه بیوفیلم باقیمانده روی سطح غشاء به ترتیب زیر دنبال می‌شود: 0.3% w w -1 EDTA <0.3% w w -1 NaOCl <3% w w -1 اسید سیتریک <تمیز کردن هیدرولیک.

3.
پاک‌سازی‌های مبتنی بر EDTA 0.3% ww -1 NaOCl و 0.3% w w -1 ، تعداد کل سلول‌ها را روی سطح غشاء تقریباً دو مرتبه کاهش دادند. با این حال، بخش قابل‌توجهی از میکروب‌ها روی سطح غشاء باقی ماندند و به‌عنوان لنگر بالقوه برای استعمار مجدد میکروبی و ایجاد بیوفیلم بعدی عمل می‌کردند.

4.
تجزیه و تحلیل 3D-FEEM نشان داد که محلول های پاک کننده 0.3% w w -1 EDTA و 0.3% w w -1 NaOCl به بالاترین حذف هر چهار ترکیب بیوفیلم آلی نظارت شده (پیک های پروتئین I و II، مواد مشابه اسید هیومیک و اسید فولویک) دست یافتند. ).

5.
هیچ افزایشی در هدایت تراوا برای هیچ یک از پروتکل‌های تمیز کردن اعمال شده مشاهده نشد که نشان می‌دهد رد غشاء تأثیر منفی نداشته است.

6.
با توجه به اینکه توسعه بیوفیلم با افزایش دمای آب خوراک تشدید می شود ، بهینه سازی غلظت ترکیب فعال برای دستیابی به تمیز کردن موثر غشاء در شرایط دمایی مختلف مورد نیاز است.

7.
آزمایش‌های طولانی‌مدت با تعداد طولانی چرخه رسوب‌زدایی/تمیز کردن برای بررسی اثر تجمع بیوفیلم باقی‌مانده بر خواص کلیدی غشاء و پیری مواد غشایی مطلوب است.

8.
همچنین ترکیبی از پاک‌سازی‌های فیزیکی و شیمیایی برای به حداقل رساندن غلظت شیمیایی مورد نیاز است که می‌تواند MD را در موقعیت رقابتی با سایر فناوری‌های نمک‌زدایی قرار دهد.

9.
یافته‌های ما نشان می‌دهد که اگرچه تشکیل بیوفیلم یک مانع مشترک برای تمام فرآیندهای جداسازی غشاء است، استراتژی‌های کاهش آن توسط یک نوع فرآیند، شرایطی که در آن رسوب زیستی خاص ایجاد شده است، و ویژگی‌های غشایی دیکته می‌شود.

مواد و روش ها

آب تغذیه DCMD
آب دریای سرخ از طریق خط لوله آبگیر دریایی تامین می شد و بدون هیچ گونه پیش تصفیه بیشتر مورد استفاده قرار می گرفت. اطلاعات دقیق در مورد ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آب دریای سرخ مورد استفاده در این مطالعه را می‌توان در جای دیگری یافت . برای تشدید رشد میکروارگانیسم‌ها، 20 گرم عصاره مخمر Bacto™ (Becton Dickinson، ایالات متحده آمریکا) در 5 لیتر آب واقعی دریای سرخ حل شد و در انکوباتور تکان دهنده (مدل 5000، VWR، USA) در 70 دور در دقیقه و 30 درجه انکوبه شد. C به مدت 24 ساعت پس از انکوباسیون، آب با 15 لیتر آب تازه دریای سرخ رقیق شد تا 20 لیتر به دست آید.

راه اندازی و پروتکل عملیاتی DCMD

نمودار شماتیک سیستم DCMD در شکل 9 نشان داده شده است . آزمایش‌های DCMD با استفاده از یک ماژول سفارشی ساخته شده با سطح غشای موثر 9 سانتی‌متر مربع (6 سانتی‌متر × 1.5 سانتی‌متر) انجام شد. یک غشای ریز متخلخل آبگریز PTFE با یک لایه پشتیبانی پلی اتیلن و اندازه منافذ اسمی 0.22 میکرومتر از Membrane Solutions LLC (چین) در همه آزمایش‌ها استفاده شد. دو پمپ دنده ای (مدل 72211-70، کول پارمر، ایالات متحده آمریکا) برای گردش جریان های تغذیه و نفوذ در یک حالت جریان مخالف با سرعت های جریان خطی 0.28 m s- 1 و 0.14 m s -1 به ترتیب استفاده شد. سرعت جریان خنک‌کننده پایین‌تر برای صرفه‌جویی در انرژی پمپاژ انتخاب شده است، زیرا مطالعه قبلی ما تأثیر کمتری از نرخ جریان مایع خنک‌کننده بر شار نفوذی را در مقایسه با نرخ جریان خوراک 75 نشان داد . با استفاده از حمام های گردشی (Model 600-F, Julabo, USA) دما در طرف خوراک و نفوذ به ترتیب به 1 ± 55 درجه سانتی گراد و 1 ± 20 درجه سانتی گراد تنظیم شد. رسانایی تراوش با استفاده از یک رسانایی سنج قابل حمل (Cond 3210، WTW، USA) هر 24 ساعت کنترل شد. این فاصله زمانی برای ارزیابی تغییرات در رسانایی نفوذپذیر در طول آزمایش‌های رسوب‌گیری DCMD با استفاده از آب واقعی دریای سرخ کافی بود . آب تغذیه به طور مداوم توسط یک همزن سربار (RW 20، IKA، ایالات متحده آمریکا) در 250 دور در دقیقه هم زده شد. افزایش وزن تراوا هر 10 دقیقه با استفاده از ترازوی الکترونیکی (Model ML3002, Metter Toledo, USA) ارزیابی شد و داده ها با استفاده از LabVIEW (National Instruments, USA) ثبت شد. آزمایش‌های DCMD به مدت 72 ساعت به صورت موازی برای اطمینان از تکرارپذیری آنها انجام شد.

شکل 9: نمودار شماتیک سیستم تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD).
شکل 9
سیستم DCMD از حلقه های خوراک و نفوذ تشکیل شده است. آب تغذیه تا دمای مورد نظر از قبل گرم شده و به کانال تغذیه ماژول DCMD عرضه شد. بخار آب از منافذ غشا عبور کرده و در سمت خنک کننده متراکم می شود. افزایش در آب تراوش در طول دوره DCMD توسط تعادل دیجیتال نظارت شد.

تصویر در اندازه کامل
شار تراوش (Lm -2  h -1 ) با توجه به معادله زیر محاسبه شد:

(1)
که در آن W بهره آب نفوذی ( L )، t زمان کارکرد ( h ) و A منطقه موثر غشاء (m2 ) است.

روش تمیز کردن غشاء و فرآیندهای غشایی

تمیز کردن هیدرولیک

تمیز کردن هیدرولیک با گردش 20 لیتر آب Milli-Q (Advantage A10، Millipore) در سمت تغذیه غشا با سرعت جریان خطی 0.67 m s -1 به مدت 1 ساعت انجام شد.

تمیز کردن شیمیایی

فرمول‌های تمیزکننده زیر در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفتند: اسید سیتریک 3% وزنی -1 (سیگما آلدریچ، ایالات متحده آمریکا)، 0.3٪ وزنی وزنی -1 NaOCl (سیگما-آلدریچ، ایالات متحده آمریکا)، و 0.3٪ وزنی وزنی – 1 EDTA (سیگما-آلدریچ) ، ایالات متحده آمریکا). غلظت‌های EDTA ، NaOCl و اسید سیتریک در محدوده‌ای از غلظت‌های گزارش‌شده در مطالعات تمیز کردن قبلی انتخاب شدند . pH محلول EDTA به 11 توسط 1 مولار NaOH (سیگما آلدریچ، ایالات متحده آمریکا) تنظیم شد. یک 20 لیتر محلول تمیز کننده با سرعت جریان 0.28 متر بر ثانیه در حلقه تغذیه به مدت 1 ساعت چرخانده شد. پس از این، حلقه های خوراک و نفوذ با 20 لیتر آب Milli-Q با سرعت 0.28 m s -1 شسته شدند . بازیابی شار تراوش و تغییرات هدایت نفوذ با استفاده از 20 لیتر 30 گرم L -1 NaCl (سیگما آلدریچ، ایالات متحده آمریکا) در دمای 55 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت در شرایط هیدرودینامیکی مشابه در آزمایش رسوب زیستی مورد ارزیابی قرار گرفت.

هر آزمایش رسوب زیستی / تمیز کردن در تکرار انجام شد.

خصوصیات بیوفیلم

نظارت OCT سطوح غشا
یک دستگاه OCT دامنه طیفی (Ganymede II، Thorlabs، ایالات متحده) مجهز به یک لنز اسکن LSM03 برای تجسم بیوفیلم قبل و بعد از تمیز کردن غشاء استفاده شد. تصویربرداری دو بعدی OCT در طول موج مرکزی 930 نانومتر در قسمت میانی کانال تغذیه با وضوح 666 پیکسل × 408 پیکسل مربوط به 4.0 × 1.2 میلی متر از سطح غشاء انجام شد و سپس با استفاده از نرم افزار Fiji (ملی) پردازش شد. موسسه بهداشت، ایالات متحده آمریکا). ضخامت بیوفیلم (μm) با تقسیم کل منطقه بیوفیلم تصویر شده بر طول بیوفیلم مربوطه محاسبه شد.

روش استخراج بیوفیلم

کوپن های غشایی از ماژول DCMD خارج شدند و در یک لوله سانتریفیوژ 50 میلی لیتری غوطه ور شدند. محلول سالین 10 میلی لیتری بافر فسفات (PBS) اضافه شد، و لوله به مدت 2 دقیقه (Fishebrand™ Analog Vortex Mixer، ایالات متحده آمریکا) گرداب شد و سپس 5 دقیقه فراصوت در حمام آب اولتراسونیک (5510MTH، Bransonic®، USA) گرداب شد. ). زیست توده معلق برای تجزیه و تحلیل FCM و 3D-FEEM استفاده شد.

آنالیز فلوسیتومتری

سلول های دست نخورده و آسیب دیده توسط Accuri C6 Plus FCM (BD Biosciences، USA) با استفاده از یک پروتکل رنگ آمیزی استاندارد شده قبلی 77 ، 78 شمارش شدند . به طور خلاصه، نمونه‌ها با SYBR TM Green (SG) (10000x کنسانتره، Invitrogen) یا SG همراه با یدید پروپیدیوم (PI) رنگ‌آمیزی شدند. غلظت نهایی SG و PI در نمونه ها به ترتیب 1x و 4 میکرومولار بود. نمونه‌های رنگ‌آمیزی شده به مدت 2 ثانیه و سپس در تاریکی روی انکوباتور تکان دهنده (VWR، مدل 3500، USA) در 120 دور در دقیقه و در دمای 37 درجه سانتی‌گراد یا 10 دقیقه گرداب شدند. نمونه ها روی صفحه 96 چاهی (سیگما آلدریچ، ایالات متحده آمریکا) بارگذاری شدند و 50 میکرولیتر از هر نمونه با سرعت جریان 35 میکرولیتر در دقیقه به سیستم تزریق شد . شدت انتشار و جمع‌آوری لیزر به ترتیب روی 488 نانومتر و 533 نانومتر تنظیم شد.

تجزیه و تحلیل FEEM

ترکیبات بیوفیلم برای ارزیابی اثربخشی روش‌های مختلف تمیز کردن بر حذف بیوفیلم مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. روش فرمالدئید-NaOH توسعه یافته توسط Liu و Fang 79 برای استخراج بیوفیلم از سطح غشاء استفاده شد. زیست توده های استخراج شده با استفاده از 60 میکرولیتر فرمالدئید 5/36 درصد (سیگما آلدریچ، ایالات متحده آمریکا) در دمای 4 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت و با 4 میلی لیتر NaOH 1 مولار در دمای 4 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت انکوبه شدند. پس از درمان، نمونه ها (75004521-XT، Thermo Fisher Scientific، USA) در 20000 دور در دقیقه به مدت 20 دقیقه سانتریفیوژ شدند. مواد رویی از طریق فیلتر 0.22 میکرومتر فیلتر شده و در کیسه غشایی دیالیز 3500 Da (Thermo Fisher Scientific, USA) به مدت 24 ساعت دیالیز شدند. نمونه های دیالیز شده به مدت 48 ساعت لیوفیلیز شدند و در 10 میلی لیتر آب Milli-Q مجدداً معلق شدند.

3D-FEEM توسط یک طیف سنج Fluoromax-4 (Horiba Scientific، ژاپن) اندازه گیری شد. طول موج برای تحریک و انتشار به ترتیب 240-400 نانومتر و 290-500 نانومتر بود. ولتاژ لوله فتومولتیپلایر روی 700 ولت و سرعت اسکن روی 1500 نانومتر بر دقیقه تنظیم شد.

مقاومت غشایی و بیوفیلم

مقاومت بیوفیلم در برابر فشار بخار طبق مطالعه قبلی 80 محاسبه شد . فشار بخار ( p ، Pa) بر اساس معادله آنتوان تخمین زده شد:

(2)
که در آن T دمای مطلق (K) مایع است.

اختلاف فشار بخار بین دو طرف خوراک و نفوذ با معادله محاسبه شد. ( 3 ):

(3)
که در آن Δ π اختلاف فشار بخار (Pa)، pf و pc به ترتیب فشار بخار (Pa) در طرف تغذیه و نفوذ است.

مقاومت کل ( RT ، m -1 ) شامل مقاومت ذاتی غشاء ( Rm ، m -1 ) و مقاومت بیوفیلم در برابر فشار بخار ( Rb ، m -1 ) بود.

مقاومت ها به شرح زیر تعیین شد:

(4)
(5)
(6)
که در آن J0 شار اولیه نفوذ (Lm -2  h -1 )، J1 شار نفوذی پس از توسعه بیوفیلم است (Lm -2  h -1 ) ، و n ویسکوزیته دینامیکی آب (Pas) است.

مدل های رسوب گیری
چهار مکانیسم رسوب گیری مختلف، یعنی فیلتراسیون کیک (معادل 7 )، مسدود کردن میانی (معادل 8 )، مسدود کردن استاندارد (معادل 9 )، و مسدود کردن کامل (معادل 10 )، در این مطالعه استفاده شد. 45 ، 81 . اگرچه مدل‌های رسوب‌گیری کلاسیک در ابتدا برای فیلتراسیون فشار ثابت با غشای متخلخل توسعه داده شدند، با توجه به اینکه فرآیند MD با نیروی محرکه ثابت با غشاهای متخلخل انجام می‌شود، این مدل‌ها برای ارزیابی رفتار رسوب‌زدایی RO آب دریا و زمین مورد استفاده قرار گرفته‌اند. آب در شکاف هوا MD 82 . در مطالعه خود، ما از آنها برای کشف مکانیسم‌های رسوب بیوفیلم در MD استفاده کردیم.

مدل های رسوب گیری با معادلات زیر توصیف می شوند:

(7)
(8)
(9)
(10)
که در آن J شار نفوذ در هر زمان عملیاتی معین است (L m -2  h -1 )، V حجم تجمعی نفوذ (L) و ضرایب مدل kc است (شیب از
در مقابل V )، k i (شیب از
در مقابل t )، k s (شیب از
در مقابل t )، و k b (شیب از
در مقابل V ).