روش های شیرین سازی آب

 شیرین سازی آب

روش های شیرین سازی آب با ممبران صنعتی :روش های شیرین سازی آب را می توان از چند نگاه دسته بندی کرد. یکی از دسته بندی ها تقسیم کردن روش های شیرین سازی آب به روش های فیزیکی و شیمیایی است که این تقسیم بندی عمومیت ندارد زیرا در اکثر روش های شیمیایی روش فیزیکی نیز استفاده می شود.

دسته بندی دیگر تقسیم به دو روش گرمایی و غشایی است که آن هم خالی از اشکال نیست چون برخی از روش ها در هیچ یک نمی گنجد (مانند روش خازنی) و برخی روش ها در هیچ را نیز در هر دو گروه می توان دید (مانند تقطیر غشایی) و لذا در تقسیم بندی کلی تر در سه گروه غشایی، گرمایی و غیره روش ها را دسته بندی می کنیم.

لازم به ذکر است برخی از روش های مورد اشاره  فقط در حد نظریه بوده  و یا در ابعاد آزمایشگاهی ساخته شده و مورد مطالعه واقع شده است و کاربرد صنعتی گسترده ای ندارد.

روش های شیرین سازی آب

1. روش غشایی
   1. الکترودیالیز معکوس
   2. اسمر معکوس
   3. اسمز مستقیم
   4. تقطیر غشایی
   5. تقطیر دوار
2.  گرمایی
   1. تقطیر چند مرحله ای

1. روش الکترودیالیز(ED)

روش الکترودیالیز برای شیرین سازی آب از سال 1960 به طور تجاری آغاز شد( حدود 10 سال قبل از توسعه روش اسمز معکوس) توسعه روش الکترودیالیز منجر به پیدا کردن راهی برای شیرین سازی آب شور به قیمت پایین  و راندمان بالا گردید.

سیستم الکترودیالیز بر پایه این سه اصل طراحی و اجرا می شود:

• اکثر نمک های حل شده در ـآب یونی بوده و به صورت مثیت (کاتیون) یا منفی (آنیون)شارژ می شوند.
• -این یون ها جذب الکترود هایی با بار مخالف می شوند.
• غشاء هایی برای کنترل عبور کاتیون یا آنیون می توان ساخت.

یون های موجود در آب شور از کلسیم(++) ، سدیم(+)و کربنات (--) تشکیل شده است. وقتی الکترود ها از طریق یک منبع خارجی مانند باتری جریان الکتریکی را به داخل آب منتقل می کنند یون ها به سمت الکترودی که دارای بار مخالف است جذب می شوند.

بنا به اینخاصیت طبیعی آب شور، غشاء هایی ساخته شده اند که اجازه عبور یون های مثبت یا منفی را می دهند(نه هر دو را). این غشاها به طور متناوب جداکننده آنیون و کاتیون چیده می شوند.

الکترود قطب منفی(کاتد) آنیون ها را به سمت خود می کشاند و چون غشاء نزدیک الکترود کاتیونی می باشدو لذا اجازه عبور نمی دهد،  در نتیجه آنیون ها از سمت دیگر به مجرای آب شور کشیده می شوند که در شکل فوق در وسط دو کانال قرار دارد. مطابق همین اصل کاتوین ها هم از اب جدا می شوند.

با این چیدمان، محلول تغلیظ شده و در فضای بین غشاء ها جمع می شود که این فضا توسط دو غششاء کاتیونی و آنیونی محصور شده است و سلول نامیده می شود.

هر واحد از دو سلول تشکیل می شود:

1. سلولی که یون ها از آن خارج می شوند(رقیق شدن آب ) ئ خروجی آن آب شیرین است.
2.  سلولی که یون ها تغلیظ می شوند و آب دور ریز از آن خارج می شود.

یک واحد الکترودیالیز از چند صد جفت سلول که با هم چیده شده اند تشکیل می شود. آب شور در مسیر های موازی از این سلول ها عبور می کند تا یک جریان دائم آب شیرین تولید کند.

در بسیاری از واحد ها ، مواد شیمیایی مختلفی برای جلوگیری از رسوب به جریان آب اضافه می شود.

اجزای اصلی سیستم الکترودیالیز

• واحد پیش تصفیه
• توده غشاء ها
• پمپ چرخش آب
• منبع تامین جریان مستقیم
• پس تصفیه

آب خام به جهت دارا بودن املاح جامد غیر محلول می تواند باعث صدمه زدن به غشاهاو گرفتگی روزنه باریک آن شود و لذا قبل از ورود به دستگاه الکتردیالیز یک مرحله پیش تصفیه شود.

توده غشاء ها:از جفت های سلولی تشکیل شده است که وظیفه و کار کرد آن در بالا توضیح داده شد.

پمپ کم فشار: انرژی لازم برای غلبه بر مقاومت غشاء ها در عبور آب مهیا می کند.

رکتفایر: برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می شود.

پس تصفیه: به منظور مهیا کردن آب مناسب برای توضیع، پس تصفیه  اجرا می شود. در این مرحله اغلب گاز هایی مانند سولفید هیدروژن از آن جدا می شود و همچنین PH آب تنظیم می شود.

سیستم الکترو دیالیز در سال 1970 به صورت EDR توسعه پیدا کرد. در سیستم تکمیل شده  EDR جریان اکتریکی در موقع  لزوم معکوس شده و امکان شست و شوی اتوماتیک غشاء ها را مهیا می کند.

در حال حاضر به دلیل اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به طور گسترده مورد استفاده  قرار می گیرد.

از چندی قبل مدل تکامل یافته این روش به نام EDI مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به ساختار آن، آب محصول دارای درجه خلوص بسیار بالایی است. در این سیستم از غشاء هایی استفاده می کنند که علاوه بر جدا کردن نمک ها، املاحی مانند کربن دی اکسید ، سیلیکا، امونیکا و بور را نیز جدا می کند.

عمده مزیت این روش به سایر روش های جداکننده یونی، قیمت پایین آن و همچنین عدم وجود خطرات استفاده از مواد شیمیایی است.

مزایا:

1. توانایی تولید آب با درصد بازیافت بالا بین 94 -85 درصد.
2. توانایی تصفیه آب در سطح بالا و با حداقل  ذرات معلق
3. عدم نیاز به یپش تصفیه مجهز و فقط با افزودن مقداری مواد شیمیایی عمل پیش تصفیه انجام می شود.
4. مصرف انرژی متناسب با مقدار نمک های جدا شده ، به جای حجم آبی که تصفیه شده.
5. عمر فیلتر شایEDR بین 7 تا 10 سال است که بیش از RO می باشد.
6.  در فیلتر های غشاییEDR باکتری رشد نمی کند و همچنین رسوب های سیلکا نیز مشاهده نمی شود.
7. رسوبات به طور مستقیم در حین بهره برداری کنترل می شود و همچنین می توان غشا ها را بهصورت دستی تمیز کرد.
8. توانایی کار کرد در فشار متوسط

معایب:

1. شستشوی دوره ایفیلتر غشایی با مواد شیمیایی الزامی است.
2. نشتی در فیلتر های غشایی زیاد اتفاق می افتد
3. باکتری ها ، مواد غیر یونی و رسوبات در هم د رآب خروجی  باقی می مانند که می بایست در پس تصفیه تز آب جدا شود.

2.روش اسمز معکوس

مطابق  لغت نامه مریام وبمستر، اسمز یعنی جابه جایی محلول با غلظت کنتر از طریق غشاء  نیمه تراوا به سمت محلول با غلظت بالا به جهت ایجاد تعادل و برابر شدن  غلظت طرفین.

غشاء نیمه تراوا

غشاء نیمه تراوا غشایی است که اجازه عبور به بعضی اتم ها  و یا مولکول هایی که از اندازه یک  اندازه بزرگتر باشد را نمی دهد. در صنعت از لایه های پلیمری، الیاف کربنی، سرامیک ها و حتی فلزات متخلخل برای ساخت این غشاء ها استفاده می کنند.

همان طور که در شکل فوق دیدید، غشاء نیمه تراوا اجازه می دهد مولکول های آب به راحتی عبور کنند اما اجازه عبور به مولکول های نمک را نمی دهد. همچنین در سمت شور غشاء، درزهای ریز با مولکول های نمک گرفته می شود ولی در سمت آب شیرین این طور نیست و. آب به راحتی عبور می کند. این عبور آب آنقدر ادامه می یابد تا این که یا غلظت نمک در طرفین غشا برابر شود و یا این که ارتفاع ستون اب در لوله با فشار اسمز آب برابر شود.

روده انسان و یا حتی دیواره سلول ها مانند غشاء نیمه تراوا عمل می کنند.. نکته قابل توجه این که وقتی اسنان از آب شور ( مانند آب دریا) برای آشامیدن استفاده می کند، با وارد شدن آب به داخل معده، فشار اسمزی باعث بیرون راندن آب خالص از معده شده و نمک ها داخل معده جمع می شود و آب بدن رفته رفته غلیظ تر شده و در نهایت فرد به خاطر از دست دادن آب بدن می میرد

3.اسمز معکوس

 در اسمز معکوس با ایجاد فشار مصنوعی به سمت آب شور، جریان آب را (که در حالت طبیعی از سمت شیرین به سمت شور است ) معکوس می کنیم به طوری که آب خالص از غشاء عبور کرده و نمک ها در سمت دیگر می مانند.

غشاهای نیمه تراوا  مورد استفاده در این روش 95 تا 99 درصد جامدات حلال در اب (شامل نمک و سایر املاح آلی و معدنی و غیره) و تا 99 درصد باکتری ها را از آب جدا می کند.

شیرین سازی آب به روش اسمر معکوس که با ممبران تصفیه آب صورت می گیرد و با توجه به کیفیت آب ورودی، به سیستم پیش تصفیه یا پس تصفیه و یا هر دو نیاز دارد. به طور مثال در مقاطی که آب ورودی دارای جلبک باشد،  برای جلوگیری  از  آسیب زدن جلبک ها به غشا نیمه تراوا ، از سیستم جلبک زدایی ( که خود روش های متعددی را شامل می شود) استفاده می کنند.

سیستم اسنز معکوس با توجه به نوع آب به دو دسته اصلی تقسیم  می شود:

1.آب دریا یا به اختصارSWRO شامل آب هایی که مستقیما از  دریا  و یا چاه های لب دریا برداشت می شود که شوری  بیش از 10000 میکروزیمنس بر سلنتی متر دارند.

2. آب لب شور که عمدتا از منابع زیر زمینی یا رودخانه ها به دست می آیدو شوری کمتری ( کمتر از 10000 میکرو زیمنس بر سانتی متر) نسبت به آب دریا دارد.

 با توجه به کیفیت آب خام ، سیستم پیش تصفیه و پس تصفیه متفاوت طراحی می شود  و حتی نوع فیلتر غشایی مورد استفاده در آب دریا و آب لب شور متفوت است و لذا هزینه تولید آب شیرین از آب لب شور نسبت به آب دریا کمتر است.

تاریخچه  فیلتر های RO( غشای نیمه تروا)

اولین کسی که از فیلتر های غشایی برای شیرین سازی آب استفاده کرد آقایReid در دانشگاه فلوریدا در سال 1954 بود. او با استفاده از خاصیت نفوذ پذیری اسکات سلولز CA یک ماده ترموپلاستیک که انعطاف پذیز بوده و بهعنوان پایه وار مغناطیسی در فیلم و سینما کاربرد دارد) غشاء نیمه تراوا ساخت.

در سال 1959 فردی به نام سوریرا جان با همکاری آقای لئو.ب توانست فیلتر های غشایی را توسعه دهد. گام بعدی در توسعه فیلتر ها، استفاده از فیلم نازک  ترکیبی یا به اختصار TFC بود. این فیلتر های جدید از فرم دادم فیلم نازک متراکم که قابلیت دفع نمک را داشت بر روی مواد متخلخل ساخته شده بودند. مواد ترکیبی در این نوع از دوئ گونه متفاوتی بودند اما در نهایت قابلیت دفع نمک را داشت بر روی مواد متخلخل ساخته شده بودند.

مواد ترکیبی در این نوع از دو گونه متفاوتی بودند اما در نهایت  قابلیت عبور جریان زیاد  و نفوذ کم نمک ها را دارا بودند. تصویر زیر سطح بزرگ شده غشای نیمه تراوا CA  و مدل TFC را نشان می دهد.

یکی دیگر از محققات به نام فرانسیس غشاء جدید را با استفاده دو لایه را ارائه کرد. یک لایه زیرین متخلخل و یک پوسته غشایی)  مزیت این نوع جدید، افزایش درجه خلوص آب تولیدی بود. در سال1970 محققی به نام کاروت  وریلی با الگو گرفتن از روش قبلی ، فیلتر های جدیدی با استفاده از لایه پلی سلفون بر روی لایه متخلخل را ارائه کرد.

مزیت های روش RO

1. ارزانی تجهیزات و سرعت عمل  در نصب و بهره برداری.
2.  قابلیت طراحی و بهره برداری در محدوده های متغیر و تنوع از چند لیتر در روز تا میلیون متر مکعب در روز
3. مصرف انرژی پایین
4. مصرف مواد شیمیایی بسیار کم برای شست و شو
5. عدم نیاز به توقف کامل سیستم برای تعمیرات و یا شستو شوی دوره ای با قابلیت بالایی که این سیستم دارد میتواند به صورت موازی ده ها  واحد را طراحی و نصب که هر کدام به صورت مجزا از مدار خارج شده و یا در مدار قرار می گیرند،  اما در سیتم  MSF  یا MED  هر یک از افکت ها را نمی توان بدون توقف کل پروسه تعمیر کرد.
6. 6. استارت و توقف سریع

معایب  RO

1. گرانی فیلتر های غشایی نیمه تراوا و طول عمر پایین بین 2 تا 5 سال.
2. در صورت استفاده از آب دریا برای این سیستم ، در هوای طوفانی باید کار متوفق شود زیرا ذرات معلق در آب افزایش می یابد و ممکن است از مقدار طراحی بیشتر شود.
3.  نیاز به استفاده از مواد  و تجهیزات با استانداد بالا.
4. نیاز به تعمیرات منظم و تجهیزات یدکی
5. قابلیت رشد باکتری در فیلتر های غشایی که روی طعم و بو آب خروجی تاثیر می گذارد.
6. نیاز حتمی به استفاده از پیش تصفیه های متعدد با توجه به کیفیت آب ورودی.
7.  کارکرد در فشار بالا که باعث ایجاد مشکلات مکانیکی می شود.