روش های نمک زدایی از آب

برای نمک زدایی، از دو سیستم آب شیرین کن تقطیر حرارتی و تقطیر غشایی استفاده می شود. 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.

از فن آوری های تقطیر حرارتی به طور گسترده ای در خاورمیانه استفاده می شود، دلیل اصلی آن این است که ذخایر نفتی منطقه، هزینه های انرژی را پایین نگه می دارد. سه فرآیند عمده و حرارتی در مقیاس بزرگ، تقطیر چند مرحله ای فلش (MSF)، تقطیر چند اثر (MED) و تقطیر فشرده سازی بخار (VCD) است. روش حرارتی دیگر، تقطیر خورشیدی است که به طور معمول برای نرخ تولید بسیار کم استفاده می شود.

فن آوری های تقطیر غشایی عمدتا در ایالات متحده استفاده می شود و معمولا نسبت به سیستم‌های حرارتی انرژی کم‌تری مصرف می‌کند، که این باعث کاهش هزینه کلی آب شیرین تولیدی می‌شود. سه فرآیند غشا اصلی عبارتند از: الکترودیالیز (ED) ، معکوس الکترودیالیز (EDR) و اسمز معکوس (RO).

فن آوری های حرارتی

تقطیر فلش چند مرحله ای

تقطیر چند مرحله ای فلاش فرآیندی است که آب خوراک شور را از طریق محفظه های متعدد ارسال می کند. در این محفظه ها آب گرم شده 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 شده و جمع می شود.

تقطیر با چند اثر

تقطیر با چند اثر یا MED  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 کند .

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.

می توان برای افزایش کارآمدی این سیستم، واحد نمک زدایی را کنار نیروگاه‌ بنا کرد و سپس از بخار تولید شده در نیروگاه برای گرم کردن آب دریا استفاده کرد.

در این نوع از فناوری نمک زدایی با محدودیت‌هایی مانند بیشینه دما و بیشینه تعداد اثر مواجه هستیم.

پیشنهاد می کنیم مقالات زیر را مطالعه بفرمایید:

♣ کنترل رشد میکروارگانیسم ها در سیستم RO

♣ تصفیه و ضدعفونی آب و فاضلاب

♣ سیستم CIP و عملکرد آن

♣ آب سالم و تصفیه فاضلاب

تقطیر فشرده سازی بخار

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

تقطیر خورشیدی

نمک زدایی خورشیدی معمولاً 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 شده و به صورت آب شیرین در مجرای میعانات جمع می شود. این پوشش هم برای انتقال انرژی تابشی و هم برای متراکم شدن بخار آب در سطح داخلی آن استفاده می شود. نمک و آب تبخیر نشده ای که در حوضه ساکن باقی مانده محلول نمک را تشکیل می دهد که باید به طور مناسب دور ریخته شود.

این روش اغلب در مناطق خشک که آب شیرین سالم در دسترس نیست استفاده می شود.

واحدهای تقطیر خورشیدی، با توجه به طراحی و موقعیت جغرافیایی، مقادیر مختلف آب شیرین تولید می کنند.

آزمایشات اخیر بر روی چهار دستگاه تقطیر خورشیدی توسط سرویس ترویج AgriLife Extension در کالج ایستگاه تگزاس نشان داده اند كه یك دستگاه تقطیر خورشیدی با كمتر از 7.5 فوت مربع سطح می تواند آب کافی برای زنده ماندن یک فرد را تولید كند.

فن آوری های غشایی 

یک فرآیند آب شیرین کن یا نمک زدایی غشایی از یک مانع فیزیکی ( غشا ) و یک نیروی محرک استفاده می کند. نیروی محرکه می تواند یک پتانسیل الکتریکی باشد، که در الکترو دیالیز و معکوس الکترودیالیز یا گرادیان فشار که در اسمز معکوس استفاده می شود ، استفاده شود.

معکوس الکترودياليز و الکترودياليز

غشاهای مورد استفاده در الکترودیالیز و معکوس الکترودیالیز ساخته شده اند تا عبور یون های دارای فقط بار مثبت و یا فقط منفی را امکان پذیر کنند. یون ها اتم ها یا مولکول هایی هستند که دارای بار منفی یا مثبت بوده و یا خنثی هستند. چهار مولکول یونی رایج در آب نمک ، سدیم ، کلرید ، کلسیم و کربنات است.

معکوس الکترودياليز و الکترودياليز از نيروی محرکه يك پتانسيل الكتريكی براي جذب و جابجايی كاتيون های مختلف (يون های با بار مثبت) يا آنيون ها ( يون های با بار منفی ) 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 طوری قرار می گیرند که بعضی از آنها فقط به کاتیون ها اجازه عبور می دهند و برخی دیگر فقط به آنیون ها ، این فرآیند می تواند به طور موثری مواد تشکیل دهنده را از آب خوراک خارج کند که آن را به یک محلول نمکی تبدیل می کند.

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.

اسمز معکوس

اسمز معکوس 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، 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. برای جلوگیری از رشد بیولوژیکی و پوسته پوسته شدن و از نظر فیزیکی، می توان آب را به صورت شیمیایی پیش تصفیه کرد و مواد جامد معلق را از بین برد.

انواع آب شیرین کن صنعتی

آب شیرین کن های صنعتی با توجه به فرایند تولید طبقه بندی می شوند و شامل روش های اولترافیلتراسیون UF، نانوفیلتراسیون NF، اسمز معکوس RO، سختی گیر رزینی و سیستم تقطیر MEDمی باشند که هر کدام از این روش ها بر اساس نوع آب ورودی و همچنین کاربرد نهایی آب تصفیه شده در صنایع به کار می روند.

از مهمترین انواع آب شیرین کن صنعتی، می توان به سیستم اسمز معکوس اشاره کرد. آب شیرین کن صنعتی به روش اسمز معکوس می تواند آبی با کیفیت بسیار بالا و شوری پایین فراهم کند و همچنین هزینه های راهبری و نگهداری پایینی دارد. 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.

آب شیرین کن صنعتی و روش های رایج

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 شده است 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
• سیستم 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 داده ودر 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

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 ( دریا ) ، 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.

تغییرات گسترده و زیادی در قابلیت انحلال نمک های موجود در آب شور ( دریا ) 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 که در طراحی یک سیستم باید مورد توجه قرار بگیرند.

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 ( برای مثال چند سال ) و تشکیل رسوب، همچنان در سطح مورد تائید بهره برداری باشد.

حتی اگر محاسبات طرح نشان دهنده این باشد 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 های MED، گسترش رسوب در سطوح خارجی لوله ها صورت می گیرد.

با افزایش رسوب گذاری، حذف آنها بسیار مشکل می شود حتی در مواردی دیده شده که بعضی از لوله ها در اثر رسوب گذاری تعویض شده اند.

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. قطر این توپ ها 2 تا 3 میلیمتر از قطر لوله ها بزرگتر است و می توانند به وسیله فشار ناشی از سرعت جریان پساب شور وارد درون لوله ها شوند. تزریق کننده ها و یا مکنده های مخصوصی برای اطمینان از باقی ماندن گلوله ها در لوله ها وجود دارد. اجزای دیگری نیز برای کنترل سایش گلوله ها وجود دارد که گوی هایی که ساییده شده و دارای قطر کوچک تری هستند را خارج میکند.