گزارش علمی تصفیه آب شهری به روش اسمز

 

اداره بنادر و کشتیرانی چابهار

 

 

درس:انسان و محیط زیست دبیر:بهمن زهروزئی

 

دبیرستان غیردولتی ولایت

 

 

مقدمه

 

تصفیه آب دریا و آب‌های شور

خاورمیانه یکی از خشک‌ترین مناطق جهان است. میانگین میزان بارش در این بخش از کره زمین سالیانه در حدود ۴۰-۲۰ سانتی‌متر گزارش شده که در مقایسه با میانگین بارش جهانی (۷۲ سانتی‌متر) بسیار کم است. خاورمیانه همچنین با رشد سریع جمعیت روبروست به‌طوری‌که جمعیت این منطقه در ۴۰ سال گذشته سه برابر شده است. به همین دلیل و برخی دلایل دیگر نظیر عدم تصفیه آب مناسب و ضعف در مدیریت منابع آب، منابع آب این منطقه به‌سرعت در حال کاهش است. بیش از ۵۰ سال است که از تصفیه آب صنعتی و شیرین‌سازی آب دریا به کمک دستگاه‌های آب شیرین کن به‌عنوان نخستین قدم برای مقابله با بحران کم‌آبی در برخی از کشورهای خاورمیانه استفاده می‌شود. بیش از ۵۰% واحدهای تصفیه آب و شیرین‌سازی آب دریا در خاورمیانه و به‌خصوص در حوزه خلیج‌فارس قرار دارند.

 

 

 

 

فصل یک

 

روشهای شیرین سازی آب دریا

 

 

 

 

 

نیاز به آب شیرین یک نیاز اساسی برای بقاست. بیش از ۱٫۵ میلیون کیلومتر مکعب آب، ٪۷۰ سطح زمین را پوشانده است؛ اما ٪۹۷٫۵ این حجم از آب را آب‌های شور تشکیل می‌دهد. ٪۹۹ آب‌های شیرین باقی‌مانده نیز به شکل یخچال‌های طبیعی و یا رطوبت خاک در زمین وجود دارند و استفاده از آنها برای انسان ممکن نیست. ٪۱ باقیمانده به‌عنوان آب مناسب که می‌تواند به مصرف جانداران برسد، در نظر گرفته می‌شود. متأسفانه منابع آب شیرین بر روی کره زمین با سرعتی در حدود ۲۰۰ میلیارد مترمکعب بر روز در حال مصرف است و همین منابع آب شیرین محدود نیز به شکل مناسبی بر روی کره زمین تقسیم‌نشده است.

در حال حاضر بیش از نیمی از جمعیت جهان که از ساکنین بیش از ۸۸ کشور تشکیل می‌شوند، از کمبود منابع آب شیرین رنج برده و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰، این مقدار به بیش از ٪۶۰ برسد. دلیل این امر رشد سریع جمعیت جهان، تغییر در سبک زندگی مردم، افزایش فعالیت‌های صنعتی و افزایش آلاینده‌هاست که منابع آب شیرین را آلوده می‌کند. استفاده از آب ناسالم دلیل بروز بیش از ٪۸۰ بیماری‌هاست و یک‌سوم آمار مرگ‌ومیر در کشورهای درحال‌توسعه به دلیل عدم دسترسی به منابع آب شیرین سالم و کافی اتفاق می‌افتد.

 

 

شیرین سازی و تصفیه آب دریا

شیرین سازی به معنای استخراج آب شیرین از آب دریا و آب‌های لب‌شور است و یک راه مناسب برای تأمین آب شیرین شهرها و کشورهایی است که با مشکل کمبود آب روبرو هستند. در بسیاری موارد مانند بیابان عربستان که بزرگ‌ترین منطقه بدون رودخانه موجود در جهان است، استفاده از صنعت شیرین سازی آب با سرعت زیادی در حال افزایش است. افزایش علاقه‌مندی و اهمیت شیرین سازی آب در سطح جهان نیز روزبه‌روز در حال افزایش است. در سال ۱۹۶۶ میلادی تنها ۵ واحد تصفیه آب دریا در جهان با میزان تولید پنج هزار مترمکعب آب در طول روز فعالیت می‌کردند؛ درحالی‌که این میزان در سال ۱۹۷۷ میلادی به ۱۲۵۰۶ واحد شیرین سازی با میزان تولید ۲۲٫۸ میلیون مترمکعب در طول روز رسید. امروزه از واحدهای آب شیرین کن و تصفیه آب دریا در بیش از ۱۲۰ کشور جهان استفاده می‌شود و کشورهای پیشرو در این زمینه، عربستان سعودی با ٪۲۷، ایالات‌متحده با ٪۱۵، امارات متحده عربی با ٪۱۱ و کویت با ٪۸ حجم بازار هستند.

 

فرآیندهای تجاری و صنعتی تصفیه آب دریا و شیرین سازی آن را می‌توان به دودسته اصلی تقسیم کرد:

  • فرآیندهای حرارتی (تقطیری) مانند تبخیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF)، تقطیر چندمرحله‌ای (MED)، فشرده‌سازی حرارتی بخار (TVC) و فشرده‌سازی مکانیکی بخار (MVC).
  • فرآیندهای غشایی نظیر اسمز معکوس (RO)، اسمز مستقیم (FO) و الکترودیالیز (ED).

 

 

 

شیرین سازی و تصفیه آب دریا به روش MSF

 

MSF یک روش شیرین سازی حرارتی آب دریاست که بر پایه تبخیر و میعان استوار است. مراحل تبخیر و میعان در این روش با یکدیگر جفت شده و گرمای نهان تبخیر در آن بازیابی شده تا از آن در پیش‌گرمایش آب ورودی استفاده شود. برای بیشینه کردن بازیابی آب، هر مرحله از یک واحد MSF در یک فشار پایین عمل می‌کند. شاخصه اصلی طراحی یک سیستم MSF، جوشاندن توده‌ای مایع است. این موضوع، اثرات ناشی از تشکیل رسوب در لوله‌های انتقال حرارت را کاهش می‌دهد. در کشورهای حوزه خلیج‌فارس معمولاً واحدهای بزرگ MSF با توربین‌های بخار و یا گازی جفت شده تا از سوخت، استفاده بهتری شود. بخار تولیدشده در دما و فشار بالا براثر مصرف انرژی درون توربین انبساط یافته و برق تولید می‌کند و بخار با دما و فشار متوسط یا پایین خارج‌شده از توربین، به‌عنوان نیروی محرکه جهت فرآیند شیرین سازی به کار می‌رود.

شیرین سازی و تصفیه آب دریا به روش الکترودیالیز (ED)

الکترودیالیز از یک منبع جریان مستقیم و تعدادی کانال جریان که با غشاهای انتخاب‌پذیر آنیونی و کاتیونی به‌صورت یکی در میان از هم جدا می‌شوند برای تصفیه و شیرین سازی آب دریا و جداسازی آب از نمک استفاده می‌کند.

الکترودیالیز چون از الکتریسیته به‌عنوان نیروی محرکه استفاده می‌کند، برخلاف سیستم‌های اسمز معکوس و تقطیری تنها می‌تواند اجزای یونی را از محلول جدا سازد.

در فرآیند الکترودیالیز، آب شور دریا به‌صورت موازی به هرکدام از کانال‌های مجزا وارد می‌شود. سپس کاتیون‌ها و آنیون‌ها با توجه به اختلاف‌پتانسیل اعمالی در جهت مخالف حرکت می‌کنند. به دلیل انتخاب پذیری غشا بر اساس بار ذرات، غلظت یون‌ها در هر کانال افزایش یا کاهش می‌یابد.

 

یک دسته غشا از صدها کانال تشکیل می‌شود. ازآنجاکه مقاومت در یک دسته از بالا تا پایین کاهش می‌یابد، جداسازی در طی مراحل کوچک و متوالی اتفاق خواهد افتاد و فرآیند را مقرون به‌صرفه‌تر و قابل‌کنترل‌تر می‌کند؛ مانند اسمز معکوس، انرژی موردنیاز غشای الکترودیالیز وابسته به رسوب‌گیری است و بنابراین انجام عملیات پیش‌تصفیه نیز نیاز است.

 

 

 

بااین‌وجود چون قرار به عبور آب دریا از درون ساختار غشا نیست، الکترودیالیز می‌تواند آبی را که حاوی ذرات بزرگ‌تر است نیز تصفیه کند.

از الکترودیالیز معکوس (RED) برای جلوگیری از رسوب‌گیری غشا استفاده می‌شود. در این فرآیند، قطبیت غشا در طول یک ساعت چندین بار تغییر داده می‌شود. این کار باعث خواهد شد تا کانال‌های آب شور به آب شیرین و بالعکس تبدیل شوند.

تصفیه آب دریا و آب‌های خیلی شور به روش اسمز مستقیم (FO)

 

 

 

اسمز مستقیم یک فرآیند اسمزی است که از غشاهای نیمه‌تراوا برای جداسازی آب از ذرات محلول استفاده می‌کند. نیروی محرکه این فرآیند اختلاف فشار اسمزی بین یک محلول با غلظت بالا که محلول کِشنده نامیده می‌شود و یک محلول با غلظت کمتر که خوراک نامیده می‌شود، است.

اختلاف فشار اسمزی موجب ایجاد جریانی از آب با غلظت کمتر از طریق غشا به محلول کشنده می‌شود و باعث تغلیظ محلول خوراک که می‌تواند آب دریا، پساب یا آب خیلی شور باشد، خواهد شد.

محلول کشنده می‌تواند از یک یا چند نمک ساده و یا از موادی که به‌صورت اختصاصی برای فرآیند اسمز مستقیم ساخته‌شده‌اند، تشکیل شود.

 

استفاده از فرآیند اسمز مستقیم میزان مصرف انرژی و درنتیجه هزینه انجام عملیات شیرین سازی و تصفیه آب دریا را بسیار کاهش می‌دهد. مشکل بزرگ این فرآیند استفاده از محلول کشنده‌ای است که خود باعث بروز آلودگی‌های زیست‌محیطی نشده و تأمین آن مقرون‌به‌صرفه باشد. در سال‌های اخیر استفاده از این روش در تصفیه آب دریا و آب‌های خیلی شور بسیار موردتوجه قرارگرفته است.

 

 

شیرین سازی و تصفیه آب دریا به روش اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس یک فرآیند جداسازی غشایی است که آب را با ایجاد یک فشار اسمزی بیش از فشار اسمزی آب دریا، از آن جدا می‌کند. ایالات‌متحده آمریکا به‌عنوان یکی از کشورهای بزرگی که از این تکنولوژی برای تصفیه آب دریا، آب لب‌شور و آب‌های سطحی استفاده می‌کند شناخته می‌شود. ممبران اسمز معکوس از عبور نمک از درون خود ممانعت کرده و تنها به آب اجازه عبور می‌دهد. درنتیجه آب دریا پس از تصفیه به دو بخش آب شیرین‌تر و آب شورتر تقسیم می‌شود.

 

 

 

تحت‌فشار قرار دادن آب دریا برای شیرین سازی نیاز به انرژی بالایی دارد؛ چراکه فشار ایجادشده بایستی بیش از فشار اسمزی آب دریا بوده و هر چه شوری آب بیشتر باشد نیاز به ایجاد فشار، بالاتر و درنتیجه مصرف انرژی بالاتر است. در تصفیه آب لب‌شور که شوری آب کمتر است، استفاده از روش تصفیه و شیرین سازی به کمک فیلتر RO می‌تواند بهترین انتخاب باشد. فشار اعمال‌شده در فرآیند اسمز معکوس برای تصفیه آب دریا چیزی در حدود ۸۰-۵۴ بار و برای آب لب‌شور در حدود ۲۵-۱۵ بار است. ازآنجاکه شورابه ایجادشده در فرآیند اسمز معکوس بسیار غلیظ است، نرخ بازیابی آب در این فرآیند پایین بوده و چیزی در حدود ٪۴۰ است.

 

 

بسیاری از هدر رفت انرژی در فرآیندهای اسمز معکوس ناشی از رهاسازی شورابه دارای فشار بالاست؛ بنابراین سیستم‌ها و واحدهای بزرگ تصفیه آب صنعتی دریا به روش RO امروزه با ابزارهایی جهت بازیابی انرژی فشرده‌سازی مکانیکی از جریان شورابه تجهیز شده‌اند که می‌تواند کارایی این سیستم‌ها را تا ٪۹۵ افزایش دهد. در این واحدها انرژی لازم برای شیرین سازی آب دریا چیزی در حدود ۹ کیلوژول به ازای یک کیلوگرم آب تولیدی است.

 

 

 

سیستم‌های اسمز معکوس به pH، اکساینده‌ها، ترکیبات مختلف آلی، جلبک‌ها و باکتری‌ها حساس‌اند؛ بنابراین پیش‌تصفیه آب دریا یک امر ضروری است و تأثیر بسزایی بر هزینه نهایی استفاده از سیستم‌های تصفیه اسمز معکوس دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

 

اساس کار دستگاه اسمز معکوس

 

 

 

 

 

 

اسمز معکوس

مفهوم اسمز معکوس

اسمز معکوس روشی است که در آن آب با افزایش فشار از یک غشای نیمه‌تراوای اسمز معکوس عبور کرده و یون‌ها و مواد معدنی آن حذف می‌شوند.

 

 

 

 

طرح واره‌ای از یک سیستم اسمز معکوس (آب شیرین کن)
۱:جریان ورودی از آب دریا،
۲: جریان آب تصفیه شده )۴۰٪)
۳:جریان تغلیظ شده )۶۰٪(
۴:جریان آب دریا )۶۰٪(
۵: مواد ته مانده (فاضلاب)
A: پمپ فشار بالا،
B: پمپ گردش آب،
C:واحد اسمز به همراه غشا،
D: مبدل فشار

اسمز معکوس به انگلیسی:( Reverse osmosis) فرایندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود.

اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونه طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتی‌که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.

در این روش آب با فشار از میان غشایی گذرانده می‌شود که نیترات و سایر مواد معدنی را فیلتر می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسمانده دور ریخته می‌شود. سیستم‌های اسمز معکوس با کارایی بالا از فشارهای در حد یک میلیون پاسکال استفاده می‌کنند.

 

 

همچنین بهترین روش نمک زدائی از آبهای لب شور استفاده از فرایند اسمز معکوس می‌باشد، زیرا سیستم پیچیده‌ای نداشته و راهبری آن قابل کنترلتر از دیگر روش‌ها می‌باشد و با توجه به توسعه روش‌های پیشرفته تولید غشاهای پلیمری، به‌کارگیری این روش، توجیه بیشتری دارد.

 

 

 

صنایع امروز برای تصفیه آب مورد استفاده در بخش‌های تولید بخار و فرایند خود از سیستم اسمز معکوس استفاده فراوانی می‌برند. اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور ملکولهای غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده‌است.

این غشاءها به صورتی ساخته شده‌اند که ملکولهای خنثی را براحتی از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریباً خالص تبدیل می‌گردد. در سیستم اسمز معکوس، جریان ورودی یا خوراک (Feed) به دو جریان آب تصفیه شده (Permeate) و پساب غلیظ (Concentrated) یا (Brine) تبدیل می‌شود.

اساس کار اسمز معکوس

فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک (۱) ودیگری حاوی آب خالص (۲) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده وهر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یونهای سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یونهای نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکولهای آب از آن عبور کنند، یونهای نمک اجازه عبور نخواهند داشت؛ لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) انتقال می‌یابد و این عمل تا آنجا ادامه می‌یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) را ندهد. این فشار را فشار اسمزی می‌گویند و طبق قانون Vant Hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو طرف غشاء.

 

مهم ترین و حساس ترین قسمت دستگاه

در سیستم اسمز معکوس غشاء مهم‌ترین و حساسترین قسمت دستگاه می‌باشد. زیرا فشار عملیاتی مورد نیاز ارتباط مستقیم با ضخامت غشاء و قطر سوراخهای آن دارد. همچنین غشاء به علت تماس مداوم با مواد شیمیایی افزوده شده به آب، بایستی مقاوم بوده و با مواد بازدارنده و ضد رسوب‌گذار و زیست کشها (Biocides) واکنش ندهد.

عوامل مؤثر در مقایسه غشاءها عبارتند از:

  1. قطر سوراخ‌ها
  2. ضخامت
  3. مقاومت در مقابل مواد شیمیایی
  4. قیمت
  5. افت فشار
  6. شرکت سازنده

سعی می‌شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتماً تصفیه مقدماتی گردد؛ ولی با این حال لازم است پیش از انتخاب غشاء عملیت پایلوتی صورت پذیرد. به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، به جای بکارگیری سیتمهای تعویض یونی استفاده می‌کنند. زیرا مبادله‌کننده‌های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می‌باشند.

 

 

 

 

 

 

 

فصل سوم

 

کاربردهای دیگر دستگاه اسمز معکوس

 

 

 

 

 

 

 

 

تصفیه آب و فاضلاب

آب باران جمع‌آوری شده از تخلیه طوفان با استفاده از پردازشگرهای اسمز معکوس و برای آبیاری چشمگیر و صنعتی در لس آنجلس و دیگر شهرها به عنوان یک راه حل برای مشکل کمبود آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در صنعت، اسمز معکوس مواد جامد را از دیگ بخار در نیروگاه‌ها حذف می‌کند. آب چند بار دفع می‌شود. آب باید تا آنجا که ممکن است خالص باشد، بنابراین ته نشینی را در ماشین آلات کاهش و یا باعث خوردگی نمی‌کند.

ذخایر داخل یا خارج لوله‌های دیگ بخاطر عدم کارآیی دیگ بخار، کاهش کارآیی آن و همچنین تولید بخار ضعیف، تولید برق ضعیف در توربین می‌شود.

همچنین برای تمیز کردن پساب و آب‌های زیرزمینی سدیم استفاده می‌شود. فاضلاب در حجم‌های بزرگتر (بیش از 500 متر مکعب در دسیالر) باید در یک کارخانه تصفیه فاضلاب اول درمان شود و پس از آن پساب پاکیزه تحت سیستم اسمز معکوس قرار می‌گیرد. هزینه درمان به‌طور قابل توجهی کاهش می یابد و عمر غشایی سیستم اسمز معکوس افزایش می یابد.

 

 

فرآیند اسمز معکوس را می‌توان برای تولید آب دیونیزه استفاده کرد

فرایند اسمز معکوس برای تصفیه آب انرژی حرارتی ندارد. سیستم‌های جریان اسمز معکوس را می‌توان با پمپ‌های فشار بالا تنظیم کرد. بازیابی آب خالص بستگی به عوامل مختلف، از جمله اندازه غشاء، اندازه ذرات غشاء، دما، فشار عملیاتی و سطح سطح غشاء است.

در سال 2002، سنگاپور اعلام کرد که بخش قابل توجهی از برنامه‌های آب آینده خود را یک فرایند به نام NEWater خواهد ساخت. این شامل استفاده از اسمز معکوس برای درمان فاضلاب خانگی قبل از تخلیه مجدد ویتور به مخازن است.

 

 

 

 

صنایع غذایی

علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک عملیات ارزان تر برای تمرکز مایعات غذایی (مانند آب میوه ها) از فرآیندهای معمول حرارتی است.

تحقیقات روی غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده‌است. مزایای آن عبارتند از: هزینه عملیاتی پایین و توانایی اجتناب از فرایندهای پردازش گرما، که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین و آنزیم‌های موجود در اکثر محصولات غذایی مناسب می‌سازد.

اسمز معکوس به‌طور گسترده‌ای در صنعت لبنی برای تولید پودر پروتئین آب پنیر و غلظت شیر ​​برای کاهش هزینه‌های حمل و نقل استفاده می‌شود. در برنامه‌های کاربردی پنیر، آب پنیر (مایع باقی‌مانده پس از تولید پنیر) با اسمز معکوس از 6٪ جامد جامد تا 10-20٪ کل مواد جامد قبل از پردازش اولترافیلتراسیون متمرکز می‌شود. پس از اتمام فرایند اولترافیلتراسیون می‌توان از پودرهای مختلف پنیر، از جمله جدایه پروتئین آب پنیر استفاده کرد. علاوه بر این، نفوذ اولترافیلتراسیون که حاوی لاکتوز است، توسط اسمز معکوس از 5٪ جامد جامد تا 22- 18٪ جامدات جامد متمرکز می‌شود تا هزینه‌های کریستال شدن و خشک شدن پودر لاکتوز را کاهش دهد.

 

 

 

فصل چهارم

 

مشکلات زیست محیطی

 

 

 

 

 

 

 

 

مشکلات زیست محیطی

برای تصفیه آب شور بایستی آب شیرین از نمک و مواد معدنی جدا شود. این فرآیند می‌تواند شورابه‌ای حاوی مقادیر زیادی از نمک‌ها را تولید کند.

ورود این شورابه به هر زیست‌بومی (چه در محیط آبی و چه در خشکی) اثرات مخربی بر روی جانداران حاضر در آن محیط گذاشته و تعادل را در آن زیست‌بوم بر هم می‌زند. دفع بیش‌ازاندازه این شورابه می‌تواند حتی منجر به مرگ بسیاری از جانداران زیست‌بوم پذیرنده شود.

با بررسی جوانب مختلف و نقاط قوت و ضعف تجهیزات تصفیه آب صنعتی مانند دستگاه‌های آب شیرین کن می‌توان دریافت که درنهایت تصفیه آب دریا می‌تواند به سود ما باشد یا خیر. همه ما برای ادامه حیات به آب سالم و بهداشتی نیاز داریم و آب شیرین کن‌ها می‌توانند چنین آبی را برای ما تولید کنند