شیرین سازی آب و انواع آب شیرین کن ها

بیش از 97 درصد آب روی زمین به دلیل شوری برای مصرف انسان نامناسب است. اکثریت قریب به اتفاق (حدود 99٪) از این مقدار، آب دریا است و مابقی از آب های زیرزمینی شور تشکیل می شود. آب شیرین، یک نیاز اساسی است و بنابراین تصفیه فاضلاب و نمک زدایی آب شور برای دسترسی بیشتر به آب آشامیدنی برای جمعیت مورد نیاز مهم است. این فرآیند نمک اضافی را از بین می برد و همچنین میزان مواد معدنی را از آب کاهش می دهد. در این مقاله، با جزئیات فرآیند شیرین سازی آب و روش‌های مختلف آب شیرین کنی آشنا می شویم.

فرآیند نمک زدایی چیست؟

فرآیند نمک زدایی شامل حذف نمک های محلول از آب دریا، فاضلاب های شور، فاضلاب شهری و حتی آب های زیرزمینی با محتوای مواد معدنی بالا است. این فرآیند آب را برای مصارف انسانی، آبیاری، کاربردهای صنعتی و غیره مناسب می کند. فرآیندهای نمک‌زدایی صنعتی گاهی گران هستند و فقط در مواردی مفید هستند که از نظر اقتصادی به‌دست آوردن آب شیرین، از راه دیگری مقرون به صرفه نباشد.

اهمیت شیرین سازی آب

 با افزایش روز افزون جمعیت انسان، نیاز به آب شیرین افزایش می یابد. مناطق خشک و بدون دسترسی به آب شیرین متکی به باران و منابع آب زیرزمینی هستند که باز هم محدود هستند. با ادامه استخراج، آب از منابع زیرزمینی به طور فزاینده‌ای شور می‌شود. با توجه به اینکه مردم به دنبال آب شیرین هستند، نمک‌زدایی بسیار مهم‌تر می‌شود. 30 درصد از مناطق تحت آبیاری جهان، شور هستند و نیاز به شیرین سازی دارند. به همین دلیل، شیرین کردن آب می تواند با تولید آب، مشکلات را حل کند.

انواع روش های شیرین سازی آب دریا

روش ها برای نمک زدایی آب دریا، شامل روش های غشایی، حرارتی و غیره به شرح زیر است:

• اسمز معکوس
• تقطیر خورشیدی
• الکترودیالیز
• نانو فیلتراسیون
• تشکیل هیدرات گازی

فناوری های تقطیر غشایی معمولا نسبت به سیستم‌های حرارتی انرژی کم‌تری مصرف می‌کند. سه فرآیند غشا اصلی برای شیرین سازی آب و روش های نمک زدایی عبارتند از: الکترودیالیز(ED)؛ معکوس الکترودیالیز (EDR)؛ شیرین سازی آب با اسمز معکوس(RO).

مزایا و معایب شیرین سازی آب

شیرین سازی آب، دارای چندین محاسن و معایب است. از جمله مزایای آن می توان به فراهم کردن آب آشامیدنی قابل دسترس و کیفیت و حفاظت از زیستگاه اشاره کرد. اما معایب آن شامل هزینه های بالا برای ساخت و بهره برداری و اثرات زیست محیطی آن است.

فن آوری های حرارتی

روش‌های مبتنی بر فرآیندهای حرارتی برای انجام نمک زدایی به انرژی گرمایی و حرارت نیاز دارند و روش‌‌های تقطیر غشایی از نیرو محرکه فشار هیدرولیکی استفاده می‌کنند. سه فرآیند عمده و حرارتی در مقیاس بزرگ، تقطیر فلش چند مرحله ای، تقطیر چند اثر و تقطیر فشرده سازی بخار است. روش حرارتی دیگر، تقطیر خورشیدی است که برای نرخ تولید بسیار کم استفاده می شود.

1. تقطیر فلش چند مرحله ای MFD:

تقطیر فلاش چند مرحله ای فرآیندی است که آب خوراک شور را از طریق محفظه های متعدد ارسال می کند. در این محفظه ها آب گرم و تا دمای بالا و فشار زیاد فشرده می شود. با عبور تدریجی آب از محفظه ها، فشار کاهش می یابد و باعث می شود آب به سرعت بجوشد. بخار، که آب شیرین است در هر محفظه از جوشیدن تولید می شود و سپس متراکم و جمع می شود.

2. تقطیر با چند اثر MED:

تقطیر با چند اثر همانند فرآیند تقطیر چند مرحله ای فلاش از اصول اولیه استفاده می کند با این تفاوت که به جای استفاده از چندین محفظه و یک لوله، MED از لوله های پی در پی استفاده می کنند. این فرآیند آب شیرین کن توسط مراحلی به نام اثر (Effect) کار می‌کند. در این فرآیند، آب ورودی بر روی لوله‌هایی که در راستای افقی یا عمودی هستند اسپری و گرم می‌شود تا تبدیل به بخار شود. سپس بخار تولید شده برای گرم کردن مقدار بیشتری از آب دریا استفاده می‌شود. در این نوع از فناوری نمک زدایی با محدودیت‌هایی مانند بیشینه دما و بیشینه تعداد اثر مواجه هستیم.

3. تقطیر فشرده سازی بخار VCD:

تقطیر فشرده سازی بخار هم می تواند به طور مستقل عمل کند و هم در ترکیب با یک فرآیند تقطیر حرارتی دیگر استفاده شود. از گرمای حاصل از فشرده سازی بخار برای تبخیر آب تغذیه استفاده می کند. واحدهای VCD معمولا برای تولید آب شیرین برای مقاصد کوچک تا متوسط ​​مانند تفرجگاه ها، صنایع و سایت های حفاری نفت کار می کنند.

4. تقطیر خورشیدی

نمک زدایی خورشیدی معمولا برای عملیات در مقیاس کوچک استفاده می شود. اگرچه طراحی واحدهای تقطیر خورشیدی بسیار متفاوت است، اما اصول اولیه آن با سایر روش ها یکسان است. در این فرآیند آب شیرین کن، خورشید انرژی را برای تبخیر آب شور فراهم می کند. سپس بخار آب حاصل از فرآیند تبخیر روی شیشه یا پلاستیک پوششی شفاف متراکم و به صورت آب شیرین در مجرای میعانات جمع می شود. نمک و آب تبخیر نشده ای که در حوضه ساکن باقی می ماند، محلول نمک را تشکیل می دهد که باید به طور مناسب دور ریخته شود.

پیشنهاد می کنیم مقالات زیر را مطالعه بفرمایید:

♣ کنترل رشد میکروارگانیسم ها در سیستم RO

♣ تصفیه و ضدعفونی آب و فاضلاب

فن آوری های غشایی

یک فرآیند آب شیرین کن یا نمک زدایی غشایی از یک مانع فیزیکی و یک نیروی محرک استفاده می کند. نیروی محرکه می تواند یک پتانسیل الکتریکی باشد، که در الکترودیالیز و معکوس الکترودیالیز یا گرادیان فشار در اسمز معکوس استفاده شود. چهار مولکول یونی رایج در آب نمک، سدیم، کلرید، کلسیم و کربنات است.

1. معکوس الکترودياليز و الکترودياليز

غشاهای مورد استفاده طوری ساخته شده اند تا عبور یون های دارای فقط بار مثبت و یا فقط منفی را امکان پذیر کنند. معکوس الکترودياليز و الکترودياليز از نيروی محرکه يك پتانسيل الكتريكی براي جذب و جابجايی كاتيون های مختلف يا آنيون ها از طريق غشای نفوذ پذير استفاده می كند و در طرف دیگر آب شيرين توليد می كند. کاتیون ها جذب الکترود منفی می شوند و آنیون ها جذب الکترود مثبت می شوند. وقتی غشاها فقط به کاتیون یا فقط به آنیون ها اجازه عبور دهد، این فرآیند می تواند به طور موثری مواد تشکیل دهنده را از آب خوراک خارج کند.

2. تفاوت معکوس الکترودياليز و الکترودياليز

روند معکوس الکترودياليز همانند فرآيند الکترودياليز عمل مي کند. تنها تفاوت این است که در روند معکوس، قطب یا بار الکترودها به صورت دوره ای تغییر می کنند. این برگشت جریان یون ها به حذف پوسته پوسته شدن و سایر بقایای غشاها کمک می کند، که باعث افزایش عمر سیستم می شود.

3. اسمز معکوس

آب شیرین کن صنعتی RO از گرادیان فشار به عنوان نیروی محرکه برای انتقال آب تغذیه شور با فشار بالا از طریق غشایی استفاده می کند که از عبور یون های نمک جلوگیری می کند. چندین فرآیند درمان غشایی وجود دارد، از جمله اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون اندازه منافذ غشاها با توجه به نوع فرآیند متفاوت است. از آنجا که غشای RO دارای چنین منافذ کوچک است، آب تغذیه باید قبل از عبور از آن، به اندازه کافی پیش تصفیه شود.

انواع آب شیرین کن صنعتی

آب شیرین کن های صنعتی شامل روش های اولترافیلتراسیون UF، نانوفیلتراسیون NF، اسمز معکوس RO، سختی گیر رزینی و سیستم تقطیر MED می باشند. از مهمترین انواع آب شیرین کن صنعتی، می توان به سیستم شیرین سازی آب با اسمز معکوس اشاره کرد. در این سیستم واحد پیش تصفیه، مسئولیت حذف ذرات معلق، کدورت، عوامل آلی و میکروبی را برعهده دارد و واحد اسمز معکوس که شامل ممبران های غشایی است، املاح محلول و شوری آب TDS را کاهش می دهد.

روش های رایج شیرین سازی آب

مهمترین شکل دستگاه آب شیرین کن صنعتی با استفاده از روش اسمز معکوس تولید می شود. در اسمز معکوس، غشا نیمه تراوا با قطر حفرات کمتر از نانو متر، باعث جدایی مولکول های آب از مولکول یون ها و ارگانیزم ها می شود. یک دستگاه آب شیرین کن صنعتی یا تصفیه آب صنعتی از اجزای مختلفی تشکیل می شود که شامل موارد زیر می باشد:

• سیستم پمپ خوراک برای تامین فشار مورد نیاز واحدهای پیش تصفیه اسمز معکوس
• سیستم فیلتراسیون شنی که با استفاده از ذرات شن و سیلیس و آنتراسیت عوامل کدورت و گل و لای و ذرات معلق را جداسازی می کند.
• فیلتر کربن فعال که به عنوان یک جاذب مواد آلی و کلر آزاد آب عمل می کند.
• سیستم میکروفیلتراسیون برای کاهش کدورت آب است و در آخرین مرحله پیش تصفیه قرار می گیرد.
• واحد اسمز معکوس که به کمک پمپ فشار قوی می تواند مولکلولهای آب را به صورت گزینشی از صفحات خود عبور دهد و در نتیجه آب با کیفیت مناسب تولید کند.
• بخش شستشوی در محل یا همان CIP نیز از تجهیزات جانبی هر دستگاه آب شیرین کن صنعتی است.

همچنین بخوانید:

♣ سیستم CIP و عملکرد آن

♣ آب سالم و تصفیه فاضلاب

شکل گیری رسوب و روش های رسوب زدایی در سیستم های آب شیرین کن

تشکیل رسوب یا رسوب گذاری یکی از معمول ترین مسائل بهره برداری در سیستم تقطیری است. با تبخیر شدن آب خالص از آب شور، مقدار نمک های با قابلیت انحلال ناچیز افزایش یافته و در نتیجه به صورت رسوب سخت بر سطح های انتقال حرارت ته نشین می شوند. حضور رسوبات باعث کاهش اجتناب ناپذیر میزان راندمان و سطح کارایی سیستم می شوند.

نکات زیر در رسوب زدایی از سیستم های آب شیرین کن باید در نظر گرفته شود:

• تغییرات گسترده و زیادی در قابلیت انحلال نمک های موجود در آب شور موجود است. برخی از نمک ها قابلیت انحلال زیادی دارند و طی فرایند نمک زدایی از آب، به ندرت به کمترین میزان حلالیت خود می رسند و در نتیجه عمل رسوب اتفاق نمی افتد.
• برخی دیگر از نمک ها قابلیت انحلال پایینی دارند و با در نظر گرفتن ضریب تغلیظ سازی آنها در طی مراحل تغلیظ سازی و دماهای بالا در واحدهای تقطیری تمایل به رسوب گذاری دارند.
• از نمک های با قابلیت انحلال کم می توان به کربنات کلسیم (CaCO₃)، هیدروکسید منیزیم (MgOH) و سولفات کلسیم (CaSO₄) اشاره کرد.
• همه واحدهای تقطیری با در نظر گرفتن قابلیت تشکیل رسوب در آنها باید به صورتی طراحی شوند که دارای سطح انتقال حرارت اضافی در سیستم باشند، تا واحد تقطیر پس از یک دوره زمانی کارکرد و تشکیل رسوب، همچنان در سطح مورد تائید بهره برداری باشد.
• حتی اگر محاسبات طرح نشان دهد که مقادیر قابلیت انحلال از حد مجاز زیاد نیست، اما باز هم در سطوحی که دارای مقادیر غلظت کمی بیشتر یا دمای کمی بالاتر می باشند، خطر احتمال رسوب گذاری وجود دارد. با ته نشین شدن رسوب در این سطوح، هسته ای برای تشکیل بیشتر رسوب شکل می گیرد.

کنترل تشکیل رسوب در سیستم های آب شیرین کن

کنترل تشکیل رسوب در سیستم ها بیشتر به وسیله کارکرد سیستم با میزان بازیافت کمتر برای دستیابی به میزان غلظت کمتر نمک ها در پساب شور یا با استفاده از به کارگیری روش های مکانیکی کنترل و حذف رسوب و یا با افزودن مواد شیمیایی بازدارنده، انجام می گیرد.

• از بین بردن رسوبات سخت پس از خاموش کردن سیستم و به صورت دستی امکان پذیر می باشد.
• از بین بردن رسوبات از سطوح با اسپری کردن آب با فشار زیاد، شستشو با برس های مخصوص، عبور فنر از لوله ها، وارد کردن تراشه یا سنگریزه به درون لوله ها، یا توسط مته می تواند انجام بپزیرد. ولی متاسفانه این روش ها به نیروی کارگر و زمان زیادی نیاز داشته و همچنین ممکن است در موارد شدید موثر نباشد.
• در سیستم هایMED، گسترش رسوب در سطوح خارجی لوله ها صورت می گیرد.
• با افزایش رسوب گذاری، حذف آنها بسیار مشکل می شود حتی در مواردی، بعضی از لوله ها در اثر رسوب گذاری باید تعویض شوند.
• در واحدهای CIP، جهت جلوگیری از ته نشین شدن رسوبات نرم، از گوی های اسفنجی سیستم MSF استفاده می شود. با در نظر گرفتن ته نشینی رسوبات در دیواره داخلی لوله ها، این گوی های اسفنجی جهت پاکسازی رسوبات، از داخل لوله ها عبور داده می شوند.

کلام آخر

نمک زدایی، با حذف نمک و سایر مواد جامد از آب دریا یا آب شور، آب شور را به آب آشامیدنی تبدیل می کند. تصفیه آب شور دریا، به کمک دو سیستم آب شیرین کن تقطیر حرارتی و تقطیر غشایی، امکان پذیر است. شیرین سازی آب با اسمز معکوس، رایج ترین روش حذف نمک است. غشاهای اسمز معموس پس از نمک زدایی، به تمیز کردن و ضدعفونی دوره ای نیاز دارند. شرکت آرال شیمی، با هدف حفاظت از محیط زیست، محصولات ارگانیک در حوزه ضدعفونی سیستم های RO را تولید می کند. اگوسیب بر پایه پراستیک اسید 15%، یک محلول گندزدای قوی برای از بین بردن پاتوژن های درون غشا و از این رو کاهش دهنده BOD و COD در سیستم است.

⇐ بروز رسانی شده در اردیبهشت 1403