مفهوم اسمز معکوس (RO)
اگر در دو ظرف جداگانه که یکی از آب خالص پر شده و دیگری دارای یک محلول آب با TDS بالا با حجم مساوی، که توسط یک غشای نیمه تراوا با هم مرتبط شوند پس از گذشت مدتی ملاحظه میگردد که آب خالص به سمت محلول نمکی حرکت کرده و محلول نمکی رقیق تر میگردد. انتقال آب خالص به سمت محلول نمکی تا وقتی که فشار اسمزی طرفین مساوی شود ادامه مییابد. در صورتیکه فشار توسط عاملی در قسمت محلول نمکی زیاد شود در اینصورت آب خالص از محلول نمکی جداسازی شده و به سمت تولید آب خالص حرکت میکند.
اساس کار اسمز معکوس
غشای نیمه تراوا یا ممبران ، نوعی غشا یا فیلتر میباشد که ملکولهای آب به راحتی از آن عبور کرده اما عبور املاح و نمکهای آب از آن امکان پذیر نمیباشد.
در فرآیند اسمز معکوس آب محلول شور با فشار تنظیم شده با عبور از غشا نیمه تراوا نسبت به آب از نمکهای موجود در محلول جدا میشود. اختلاف فشار ایجاد شده بین فشار آب ورودی و آب حاصل باعث عبور جریان آب از غشا میشود و برای فشار اولیه آب ورودی انرژی زیادی لازم است میزان فشار لازم جهت انجام عمل نمکزدائی برای آبهای شور از 400-250 psi و برای آب دریا از ۸۰۰ تا ۱۰۰۰Psi میباشد.
در عمل آب ورودی به یک محفظه بسته در برابر غشا، پمپ تا فشارش تنظیم شود. با عبور آب حاصل از غشا، آب ورودی باقیمانده و محلول شور مدام غلیظتر میشوند و بهمنظور کاهش غلظت املاح محلول باقیمانده باید بخشی از این محلول ورودی غلیظ شده شور از محفظه خارج شود. اگر این املاح تخلیه نشوند غلظت املاح موجود در آب ورودی افزایش مییابد و برای غلبه بر فشار اسمزی که بهطور طبیعی افزایش یافته نیاز به انرژی ورودی زیادی میباشد. روش اسمز معکوس دارای چهار فرآیند مهم میباشد:
1) پیش تصفیه ۲) تنظیم فشار ۳) جداسازی غشایی ۴) پس تصفیه
پیش تصفیه
آب ورودی به وسیله خارج کردن ذرات جامد معلق، تنظیم PH و قرار دادن یک مانع برای جلوگیری و کنترل گرفتگی منافذ غشائی به وسیله ذراتی نظیر: سولفات کلسیم، از پیش تصفیه میشود تا متناسب با اندازه منافذ غشاها شود.
تنظیم فشار
پمپ فشار آب ورودی را به اندازهای بالا میبرد تا مناسب با منافذ غشاء و میزان نمک موجود در آب ورودی شود.
جداسازی
آب حاصل از فرآیند نمکزدائی از غشاهای نفوذپذیر عبور میکنند در حالی که این غشاها منابع عبور نمکهای محلول میشوند. عبور آب ورودی از غشا منجر به تولید جریان آب شیرین و جریان آب شور تغلیظ شده میشود. از آنجائی که غشاها نمیتوانند کاملاً مانع عبور نمکهای محلول در آب شوند، درصد ناچیزی از نمک از غشا عبور میکند و در آب حاصل باقی میماند. نحوه قرار گرفتن غشاهای مارپیچی و رشتهای کوچک تو خالی از رایجترین غشاهای مورد استفاده میباشند.
معمولاً غشاها را از استات سلوز، پلیآمیدهای آروماتیک و یا امروزه از ترکیبات با لایه نازکی از پلیمر میسازند. از هر دو نوع غشا برای نمکزدائی آبشور و آب دریا استفاده میشود گرچه نوع غشا و ساختمان مجرای فشار بسته به فشارهای عملیاتی مختلف مورد استفاده برای همه دو نوع آب متفاوت میباشد.
پایانی
قبل از انتقال آب حاصل از غشا به سیستم توزیع و مصرف آن بهعنوان آب آشامیدنی باید PH آن تنظیم و گاز زدائی شود. آب حاصل از میان ستون تهویه عبور میکند و PH آن تقریباً از ۵ به ۷ افزایش مییابد. در بیشتر مواقع آب حاصل در مخزن ذخیره میشود تا بعدها مورد استفاده قرار گیرد.
در روش اسمز معکوس میتوان املاح موجود در آب خام را تا 99 درصد کاهش داد و باکتریها، ویروسها و دیگر میکرواورگانیزمها را بطور کامل حذف نمود.
این فرایند بری تهیه آب آشامیدنی از آبهایی که حاوی املاح معدنی زیاد و ناخالصیهای آلی میباشد ، بسیار مناسب است و حتی میتواند از آب دریا با 5000ppm ناخالصی و آبهای شور آب آشامیدنی تهیه کند.
تبادل یونی (Ion Exchange)
در فرایند تبادل یونی یونهای نامطلوب موجود در آب در حین عبور آب در امتداد مواد شیمیایی دانه دار که به آنها رزین شیمیایی مبادل میگویند تبدیل به یونهای مطلوب میگردد. هر چه میزان ناخالصی آب بیشتر باشد رزینهای یونی بیشتری مورد نیاز است.
رزینهای تعویض یونی ذرات جامدیهستند که میتوانند یونهای نا مطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند.
در سال ۱۸۵۰ یک خاک شناس انگلیسی متوجه شد محلول سولفات امینیومی در لایحههای خاک عبور میکند امونیوم خود را با کلسیم عوض کرده و به صورت سولفات کلسیم در میآید که ادامه تعقیبات منجر به شناسایی سیلیکات الومینیوم به عنوان یک ماده تعویض کننده یون گردید .
به رزینهای معدنی زئولیت میگویند که قادرند یونهای کلسیم و منیزیوم را از آب حذف کرده و به جای آن سدیم آزاد کنند از این رو به زئولیتهای سدیمی مشهور شده اند اما زئولیتهای سدیمی قادر به تصفیه سیلیس آب نبودند و این علت دانشمندان را بر آن داشت تا زئولیتهایی در هلند ساخته شود که به جای سدیم فعال هیدروژن فعال داشتند،که به زئولیتهای کاتیونی معروف شدند و میتوانستند تمام نمکهای محلول در آب را به اسیدهای مربوطه تبدیل کنند در حال حاضر رزینهای کاتیونی ضعیف و قوی و همچنین رزینهای آنیونی ضعیف و قوی تولید گردیده است .
بدنه دستگاههای تعویض یونی مورد مصرف در تصفیه آب شبیه به فیلترهای فشاری است که در داخل آن ذرات رزین قرار میدهند . چون برای شستشوی رزینها و نیز در جریان تعویض یون PH داخل دستگاه تغییر میکند از این رو باید اقدامات لازم برای جلوگیری از خوردگی دستگاهها را معمول داشت. برای جلوگیری از خروج رزینها ، در قسمت پایین دستگاه و در زیر رزینها ، چندین لایه شنهای درشت قرار میدهند.
نکته دیگر در دستگاههای تبادل یونی احیای رزینها است که شامل چهار مرحله است:
1- شستشوی معکوس که آب از کف به بالا جریان مییابد و هدف معلق کردن رزینها و رسوبات است.
2- تزریق ماده شیمیایی احیا کننده(اسید یا سود یا نمک به صورت محلولهای رقیق)
3- شستشوی آهسته برای توزیع ماده شیمیایی در سرتاسر بستر رزین
4- شستشوی سریع به خاطر حذف باقیمانده ماده احیا کننده
اصول کار الکترو دیالیز (Electro dialysis)
همان طور که در شکل زیر ملاحظه میکنید بین آند و کاتد غشاهای کاتیونی(فقط کاتیونها میتوانند از غشا عبور کنند) و غشاهای آنیونی ( فقط آنیونها میتوانند از غشا عبور کنند) به ترتیب وجود دارد.
اختلاف ولتاژ آند و کاتد باعث میشود که کاتیونها به طرف کاتد و آنیونها به طرف آند حرکت کنند. اگر یک سلول شامل یک غشای آنیونی و یک غشای کاتیونی را در نظر بگیریم ،کاتیونها باید به سمت کاتد حرکت کنند، کاتیونها بعد از عبور از غشای کاتیونی از غشای آنیونی نمیتوانند عبور کنند همچنین آنیونها نیز باید به سمت آند حرکت کنند ولی از غشای کاتیونی نمیتوانند عبور کنند پس میبینیم که یونها در این سلول افزایش یافتند. اما در سلول مجاور آنیونهایی که میخواهند به سمت آند حرکت کنند از غشای آنیونی سمت چپ عبور کرده و همان طور که توضیح داده شد از سلول خارج میشوند کاتیونها نیز به همین شکل به سلول دیگر راه پیدا میکنند و در نتیجه مشاهده میشود در این روش از یونهای آب در بعضی از سلولها کاسته و در سلول مجاورشان به یونهای آب افزوده میشود.
هر چه تعداد یونهای آب کمتر باشد مقاومت الکتریکی بیشتر و هزینه برق نیز افزایش مییابد بنابراین تهیه آب بدون یون ناخالصی با الکترودیالیز چندان به صرفه نخواهد بود.
تقطیر سریع چند مرحلهای (MSF)
یک اواپراتور که تشکیل شده از تعدادی مراحل پی در پی (محفظههای تبخیر) فشاری کاهشی را از مرحله داغ نخستین تا آخرین مرحله سرد برقرار میکند. آب دریا در مجاری مبدلهای حرارتی جریان مییابد جایی که با کندانس بخار تولیدی در هر مرحله گرم میشود. این دما از دمای دریا تا دمای ورودی گرمکن آب شور افزایش مییابد سپس آب دریا در گرمکن آب شور جریان مییابد که گرفتن حرارت برای فرایند الزامی است (معمولاً با چگالش بخار) ، در خروجی گرمکن آب شور هنگامیکه به اولین قسمت وارد میشود آب دریا در مقایسه با مرحله اول بیشتر گرم میشود بنابراین به سرعت حرارتش را از دست میدهد و بدین صورت تا بخار با وضعیت این مرحله به تعادل میرسد بخار تولید شده به آب سالم بر روی مبدلهای لولهای در بالای اتاقک چگالیده میشود. این فرایند دوباره روی میدهد تا هنگامیکه به مرحله دیگر برود و به همین صورت به آخرین و سردترین مرحله برسد، آب سالم انباشته شده که به خاطر تقطیر حاصل شدهاست از سردترین مرحله استخراج میشود، آب دریا از هر مرحله تا مرحله دیگر اندکی تغلیظ میشود و یک جریان خروجی آب شور در مرحله آخر تعبیه شدهاست.
هزینههای فرایند MSF
مهمترین کاربران فرایندهای MSF کشورهای خاورمیانه و شمال آفریقا مانند عربستان سعودی، امارات، کویت و لیبی هستند. نمودار زیر قیمت تمام شده نمکزدایی آب به روش MSF بر حسب کل ظرفیت نصب شده را نشان میدهد. متوسط قیمت تمام شده تولید آب شیرین به روش MSF از 9 دلار در سال 1960 به حدود 1 دلار در سال 2002 رسید که نشان دهنده توسعه و پیشرفت در فناوری MSF است. متوسط نرخ کاهش سالانه قیمت آب در این فناوری حدود 3/5 درصد، طی 40 سال گذشته بوده است.
هزینههای فرایند اسمز معکوس (RO)
فرایند RO در به علت پیشرفت تکنولوژی روشی فراگیرتر بودهاست. هزینههای مربوط به RO به دو دلیل زیر کاهش یافته است:
- غشاهای با جداسازی بالاتر نمک که در فشارهای کمتر و موُثرتر راهبری میشوند
- کاربرد ابزار بازیافت انرژی
در نمودار زیر قیمت تمام شده آب در تأسیسات نمک زدایی RO بر حسب کل ظرفیت نصب شده نشان داده شدهاست. کیفیت آب ورودی نقش مهمی در هزینه نمکزدایی به روش RO ایفا میکند.
در این قسمت به بررسی عومل موُثر بر هزینههای تولید آب شیرین به روشهای مختلف میپردازیم.
اکنون هزینههای شیرین سازی آب دریا حدود 1 دلار به ازای هر مترمکعب میباشد بر همین اساس هزینه شیرین سازی آب لبشور با میزان TDS بیش از 4000 میلیگرم بر لیتر حدود 0.5 دلار بر متر مکعب است
عوامل موُثر بر هزینههای شیرینسازی آب
|
هزینه های سالیانه پیش بینی نشده
(درصدی از هزینه های سرمایه گذاری اولیه) |
آب خام ورودی
(مترمکعب/مترمکعب) |
موادشیمیایی مصرفی
(گرم/مترمکعب) |
انرژی مورد نیاز |
انرژی اولیه مورد نیاز
(مگاژول/مترمکعب) |
حداکثر متداول ظرفیت تولید
(مترمکعب/روز) |
نوع فرایند |
|
گرما
(مگاژول/مترمکعب) |
برق
(کیلووات ساعت/مترمکعب) |
|
2 |
10-5 |
6-4 |
300-185 |
4-3 |
400-120 |
3200 |
MSF |
|
6-4 |
4-3 |
20-10 |
قابل صرفنظر |
6-4 |
65-45 |
6000 تا 30000 |
اسمز معکوس برای آب دریا |
|
6-4 |
1.5-1.2 |
12-6 |
قابل صرفنظر |
3-2 |
33-22 |
3000 تا 20000 |
اسمز معکوس برای آبهای لبشور |
|
هزینه آب تولیدشده
(پوند/مترمکعب) |
هزینههای سرمایهگذاری
(پوند/مترمکعب در روز) |
نوع فرایند |
|
0.8-0.7 |
1500-1000 |
MSF |
|
0.4-0.3 |
500-400 |
اسمز معکوس برای آب دریا |
|
0.6-0.5 |
1200-900 |
اسمز معکوس برای آبهای لبشور |
هزینههای سرمایهگذاری و راهبری تأسیسات بزرگ