آب شیرین کن(RO)
شیرین کردن آب
نمک زدایی فرآیندی است که مواد و نمک های معدنی را از آب حذف می کند. از آب شور موجود در کره زمین پس از فرآیند نمک زدایی برای تولید آب مناسب برای مصرف انسان یا آبیاری استفاده می شود. آب شیرین کن در بسیاری از کشتی های دریایی و زیردریایی ها نیز استفاده می شود. با استفاده از آب شور دریا ها، می توان کمی بحران کمبود آب شیرین را کنترل کرد. آب شیرین کن های در مقیاس یزرگ عموما هزینه بر هستند.
روش های شیرین کردن آب
برای شیرین کردن آب چندین روش وجود دارد که هر کدام مزایا و معایبی به همراه دارند. این روش ها را می توان به روش های مبتنی بر غشاء به عنوان مثال اسمز معکوس و مبتنی بر حرارتی به عنوان مثال تقطیر چند مرحله ای تقسیم کرد. تقطیر فرایند سنتی نمک زدایی است، یعنی جوشاندن و چگالش مجدد آب دریا برای حذف نمک و ناخالصی ها، در ادامه به بررسی انواع روش های شیرین کردن آب می پردازیم.
1- تقطیر خورشیدی: این روش چرخه آب طبیعی را تقلید می کند که در آن خورشید آب دریا را به اندازه کافی گرم می کند تا تبخیر رخ دهد. پس از تبخیر، بخار آب روی یک سطح خنک متراکم می شود. تعدادی از روش های مورد استفاده برای شیرین کردن آب در ادامه بیان شده است.
2- تقطیر خلاء: در تقطیر خلاء فشار اتمسفر کاهش می یابد و بنابراین دمای لازم برای تبخیر آب کاهش می یابد. پس از رخ دادن فرآیند تبخیر، بخار آب کندانس می شود.
3- نمک زدایی با استفاده از انجماد: نمک زدایی با استفاده از انجماد برای از بین بردن نمک درون آب استفاده می شود. آب نمک در طی شرایط انجماد درون یک لنت که یک تکه یخی در آن قرار دارد پاشیده می شود.
4- اسمز معکوس: بهترین نوع فرآیند نمک زدایی روش اسمز معکوس (RO) است که در ادامه به بررسی آن می پردازیم. اسمز معکوس از یک غشاء کامپوزیت با فیلم نازک استفاده می کند که شامل یک فیلم نازک و باریک پلی آمید آروماتیک است. در این فرآید از یک نیروی فشار برای غلبه بر فشار اسمزی استفاده می شود. آب به خودی خود در اسمز از سمت غلظت پایین نمک به سمت غلظت بالای نمک جریان می یابد اما در اسمز معکوس، این موضوع بر عکس است. پس از عبور آب از این غشا نمک های معدنی در یک طرف غشا نیمه تراوا می ماند و در نهایت در یک طرف غشا نیز آب شیرین باقی می ماند. کارایی غشا ها به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله آلودگی یونی (کلسیم، منیزیم و ….). DOC، باکتری ها ویروس ها کلوئید ها و ذرات نامحلول و سوخت های زیستی. در موارد آسیب شدید، غشاهای RO از بین می روند. برای کاهش این آسیب ها مراحل پیش تصفیه معرفی می شوند. اسمز معکوس (RO) در سیستم آب شیرین کن به کار می رود.
عملکرد اسمز معکوس
5- غشای الکترودیالیز
الکترودیالیز از پتانسیل الکتریکی برای جابجایی نمک ها از طریق جفت غشاهای شارژ شده استفاده می کند، که در کانال های متناوب نمک را به دام می اندازند.
آب شیرین کن
آب شیرین کن سیستمی است که از فرآیند اسمز معکوس (RO) برای تصفیه آب استفاده میکند که از یک غشای نیمه تراوا تشکیل شده است تا بتواند میزان زیادی از یون ها، مولکول های ناخواسته و ذرات بزرگتر را از آب آشامیدنی حذف کند. در اسمز معکوس، از فشار اعمال شده برای غلبه بر فشار اسمزی استفاده می شود. اسمز معکوس می تواند بسیاری از انواع مواد شیمیایی محلول و معلق و همچنین گونه های بیولوژیکی (باکتری ها) را از آب خارج کند و این فرآیند در هر دو مسیر تصفیه آب صنعتی و تولید آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می گیرد. در اسمز نرمال، مایع و املاح از سمت غلظت کمترنمک به سمت غلظت بیشترنمک می روند و در اسمز معکوس این فرآیند معکوس می شود. عمده مکانیسم حذف و جذب املاح در فیلتر غشایی موجود در دستگاه صورت می گیرد. منافذ فیلتر غشایی عموما 0.01 میکرومتر یا کوچک تر هستند. البته در نانو فیلتراسیون از نانو فیلتر ها با منافذ 0.001 میکرومتر استفاده می شود.
ممبران اسمز معکوس چیست؟
اولین غشاء مصنوعی سنتز شده در سال 1867 توسط موریتز تروبو 19 ساخته شد. موفق ترین غشاهای او فیلمی رسوبی از فروسیانید مس بود که او برای مطالعه مورد استفاده قرار می داد. امروزه ممبران اسمز معکوس مورد استفاده در آب شیرین کن (RO)، به طور کلی از پلی آمید ساخته شده اند که در درجه اول به دلیل نفوذ پذیری آن ها در برابر آب و نفوذ ناپذیری نسبی نسبت به ناخالصی های مختلف محلول از جمله یون های نمکی و سایر مولکول های کوچک، برای فیلتراسیون مورد استفاده قرار می گیرند.
فرآیند اسمز معکوس (RO) (reverse osmosis)
فرآیند اسمز معکوس، فرآیندی است که در آب شیرین کن (RO) مورد استفاده قرار می گیرد و بدین صورت است که، از فشار و نیرویی برای مقابله با فشار اسمزی استفاده می شود تا املاح و نمک های موجود در آب توسط ممبران اسمز معکوس ( غشای نیمه تراوا) به دام بیفتند و در نهایت آب باقی مانده، املاح و نمکی نداشته باشد.
غشای نیمه تراوا چیست؟
غشای نیمه تراوا نوعی غشای پلیمری، بیولوژیکی یا سنتزی است که به مولکول ها یا یون های خاص اجازه می دهد تا از آن عبور کنند. در واقع عبور از این غشا ها بسته به سایز حفرات و قطر ذرات صورت می گیرد. عبور املاح و همچنین آب بستگی به فشار، غلظت و دمای مولکول ها یا املاح موجود در هر طرف، اندازه املاح، حلالیت، خصوصیات شیمیایی و همچنین نفوذپذیری غشاء نسبت به املاح بستگی دارد. توجه داشته باشید که غشا نیمه تراوا را با غشا نفوذ گزینشی اشتباه نگیرید. در غشا نفوذ گزینشی مثل پوسته سلول، سایز ذرات مهم نیست و فقط یک ماده یا چند ماده خاص می تواند وارد شود اما در غشا نیمه تراوا نوع ماده مهم نیست و فقط سایر آن حائز اهمیت است. در آب شیرین کن (RO) از غشا نیمه تراوا استفاده می شود.
اجزای اصلی دستگاه اسمز معکوس
1- مخازن تحت فشار و غشاها
بدیهی است که یک سیستم اسمز معکوس RO)) بدون فیلتر غشایی کاربردی ندارد. غشا ها بر اساس نوع کاربرد و مواد محلول در آب متفاوت هستند.
2- اسمز معکوس اسیدوز
بهترین راه برای دوام هر چه بیشتر سیستم Reverse Osmosis استفاده از قاب فولاد کربنی با روکش پودری است که برای نصب تمام اجزای سیستم استفاده می شود. این فرآیند باعث می شود تا کل پکیج در آب شیرین کن (RO) در برابر لرزش سنگین پمپ های فشار قوی طول عمر کافی داشته باشد.
3- فیلتر کارتریج
اکثر سیستم های اسمز معکوس با فیلتر کارتریج همراه هستند تا اطمینان حاصل شود که هیچ ذره ای به اندازه کافی بزرگ برای آسیب رساندن به غشاها به جایی نزدیک آنها نیست. کارتریج در یک محفظه بادوام قرار می گیرد که می تواند فشار حاصل از پمپ های اصلی تغذیه یا تقویت کننده را تحمل کند.
4- پمپ فشار قوی اسمز معکوس
برای اینکه بتوان بر فشار اسمزی سیستم غلبه کرد، پمپ فشار قوی نیاز است. بنیان انجام اسمز معکوس در در آب شیرین کن (RO) همین مورد است.
5- کنترل پنل
سرانجام ، سیستم Reverse Osmosis باید توسط یک اپراتور انسانی کنترل شود
توجه داشته باشید که سیستم اسمز معکوس می تواند تعدادی از اجزای دیگر را نیز به عنوان اجزای اضافی به همراه داشته باشد.
عملکرد اسمز معکوس و محاسبات طراحی
کاربرد رایج اسمز معکوس
استفاده از اسمز معکوس در صنایع غذایی نمونه بارز استفاده از آن است. . از کنسانتره سفیده تخم مرغ، صنایع لبنی، نشاسته و شکر، آب میوه و ژلاتین گرفته تا حذف باکتری ها و آب نمک در گوشت یا حذف الکل.
برخی از کاربرد های اسمز معکوس در ادامه بیان شده اند.
1- تصفیه آب آشامیدنی
در سراسر جهان، از سیستم های تصفیه آب آشامیدنی خانگی، از مرحله اسمز معکوس برای بهبود کیفیت آب برای آشامیدن و پخت و پز استفاده می شود. در واقع آب شیرین کن در خانه ها مورد استفاده قرار می گیرد تا املاح معدنی و نمک ها را از آب آشامیدنی حذف کند.
چنین سیستم هایی ( آب شیرین کن ) معمولاً شامل چندین مرحله هستند:
1- فیلتر رسوب برای به دام انداختن ذرات
2- یک فیلتر رسوب دوم با منافذ کوچکتر به صورت اختیاری
3- فیلتر کربن فعال شده برای به دام انداختن مواد شیمیایی آلی و کلر که به یک غشای کامپوزیت فیلم نازک حمله کرده و تخریب می شود.
4- فیلتر اسمز معکوس که یک غشاء کامپوزیت با فیلم نازک است.
5- یک فیلتر اختیاری کربن دیگر برای گرفتن آن دسته از مواد شیمیایی که توسط غشای اسمز معکوس حذف نشده اند.
6- آخرین مرحله عبور از غشا های نانو سایز است.
در بعضی از سیستم ها پیش فرض کربن حذف شده و از غشای تری استات سلولز استفاده می شود. CTA (تری استات سلولز) یک غشاء جانبی محصول است که به یک لایه مصنوعی وصل شده و ساخته شده است تا امکان تماس با کلر موجود در آب را فراهم کند. غشای تری استات سلولز مستعد پوسیدگی نیست مگر اینکه توسط آب کلر محافظت نشود، در حالی که غشاء کامپوزیت فیلم نازک مستعد شکستن تحت تأثیر کلر است.
2- تصفیه آب روستایی
پردازنده های آب شیرین کن قابل حمل راحت برای افرادی است که در مناطق روستایی و بدون آب تمیز زندگی می کنند. افراد روستایی می توانند خود آب رودخانه یا اقیانوس را فیلتر می کنند زیرا که این وسیله برای استفاده آسان است.
3- تولید آب معدنی
در تولید آب معدنی، آب از یک آب شیرین کن عبور می کند تا آلاینده ها و میکروارگانیسم ها از بین بروند. البته از آن جایی که تمامی باکتری ها و میکروارگانیسم ها از بین نمی روند، باید در نهایت از ازون و اشعه فرابنفش استفاده کرد. اندازه منافذ غشاء بسته به نوع فیلتر می تواند از 0.1 تا 5000 نانومتر متفاوت باشد. میکروفیلتراسیون ذرات 50 نانومتر یا بزرگتر را از بین می برد. اولترافیلتراسیون ذرات تقریباً 3 نانومتر یا بزرگتر را از بین می برد.
4- استفاده برای مراکز نظامی
آب شیرین کن، به عنوان یک واحد تصفیه آب اسمز معکوس، یک تصفیه خانه آب قابل حمل محسوب می شود. در محوطه ها نظامی عموما به دلیل مسافت زیاد با شهر ها، آب تصفیه شده به راحتی پیدا نمی شود.. استفاده از یک سیستم آب شیرین کن (RO) کمک می کند تا آب مناطق نظامی تامین شود.
5- تصفیه آب و فاضلاب
آب باران جمع آوری شده از زهکشی طوفان با پردازنده های آب اسمز معکوس تصفیه شده و برای آبیاری و یا خنک کننده های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.
روش های تصفیه فاضلاب
6- صنایع غذایی
علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک عمل اقتصادی برای تغلیظ مایعات غذایی (مانند آب میوه) نسبت به فرآیندهای معمول عملیات حرارتی است. اسمز معکوس به طور گسترده در صنایع لبنی برای تولید پودرهای پروتئین آب پنیر و شیر غلظت بالا استفاده می شود.
7- تولید شربت افرا
در سال 1946، برخی از تولید کنندگان شربت افرا از اسمز معکوس برای از بین بردن آب موجود در شیره قبل از اینکه جوشانده جوشانده شود استفاده کردند. استفاده از اسمز معکوس باعث می شود حدود 75-90? از آب از شیره خارج شود و باعث کاهش مصرف انرژی و قرار گرفتن شربت در معرض دماهای بالا شود. البته این نکته حائز اهمیت است که آلودگی میکروبی و تخریب غشاء باید کنترل شود.
8- تصفیه شیرآبه زباله ها
در تصفیه شیرابه زباله ها به روش اسمز معکوس، عناصر معدنی مانند CaSO4 ، Si ، Fe و Ba از پساب حذف می شوند.
تصفیه آب در آب شیرین کن اسمز معکوس(RO)
آب شهری وارد دستگاه آب شیرین کن می شود و پس از عبور از یک غشا نیمه تراوا که مکانیسم آن در مباحث قبلی به طور کامل بیان شد، نمک ها و املاح معدنی خود را از دست می دهد.
ویژگی
آب شیرین کن از روش اسمز معکوس برای نمک زدایی استفاده می کند. این سیستم یک یا چند غشا نیمه تراوا دارد که هر کدام مانع از ورود موادی به مرحله بعد می شوند. در صورتی که غشا ها مورد بازرسی و ترمیم قرار نگیرند امکان این که دستگاه از رده خارج شود وجود دارد.
کاربرد
استفاده از آب شیرین کن برای مصارف خانگی و صنعتی از جمله صنایع غذایی، مرغداری ها، گاوداری ها، مناطق نظامی و هر مصرفی که نیاز به حذف نمک های معدنی و املاح معدنی از آب را داشته باشد.
مزایا
امروزه بحران کمبود آب شیرین به یک بحران جیدی تبدیل شده است. از طرفی نمی توان برای به دست آوردن آب شیرین هزینه تقطیر را پرداخت. استفاده از آب شرین کن ها کمک می کند تا بتوان با هزینه کمتر، آب را شیرین کرد. در برخی موارد هم افرادی نباید آب دارای املاح را که در لوله کشی آب شهری وارد می شود مصرف کنند. برای مثال کسانی که کلیه و کبد سنگ ساز دارند. تحت این شرایط استفاده از آب شیرین کن بسیار کاربردی است.
محدودیت ها و طول عمر ماژول
عموما ماژول آب شیرین کن، طول عمر بین سه تا هفت سال دارند.
تجهیزات آب شیرین کن
سیستم پیش تصفیه شامل فیلتر شنی و فیلتر کربنی و فیلتر کارتریجی
پیش تصفیه در هنگام کار با غشا های اسمز معکوس و نانوذرات به دلیل ماهیت طراحی مارپیچ زخم آن ها از اهمیت زیادی برخوردار است. این مواد به گونه ای طراحی شده اند که تنها جریان یک طرفه را از طریق سیستم امکان پذیر می سازند. دلیل اصلی پیش تصفیه این است که میزان بسیاری از رسوبات را پیش از رسیدن به غشا اسمز معکوس حذف کند.
1- غربال گری جامدات
این مرحله عموما توسط یک فیلتر شنی انجام می شود. مواد جامد درون آب باید از بین بروند و آب تصفیه شود تا از نفوذ ذرات ریز یا رشد بیولوژیکی روی غشاها جلوگیری شود و خطر آسیب دیدن به اجزای پمپ فشار قوی را کاهش دهد.
2- تنظیم pH: اگر pH آب های خوراکی منجر به پوسته پوسته شدن فیلتر ها شوند، برای کاهش قلیائیت ، اسید و برای کاهش اسیدیته مواد قلیایی به محلول اضافه می شود.
3- فیلتر کارتریجی: برای اینکه کلر موجود در آب یا برخی مواد موجود در آن فیلتر اصلی اسمز معکوس را تخریب نکند از این فیلتر استفاده می شود.
4- فیلتر کربنی: از این فیلتر برای جذب و حذف بازمانده مواد شیمیایی محلول در آب استفاده می شود.
غشا نیمه تراوا (memberan)
آب شیرین کن غشا نیمه تراوا دارد. غشا نیمه تراوا همان طور که قبلا هم بیان شد، برای عبور یک سری مواد با سایز مشخص مورد استفاده قرار می گیرند و تفاوت آن ها با غشا گزینشی در این است که در این غشا نوع ماده مهم نیست و فقط سایز ذرات آن موثر است.
پمپ فشار قوی (high pressure pump)
پمپ فشار قوی، فشار مورد نیاز برای عبور آب از غشا را تامین می کند.
تزریق ماده ضد رسوب
افزودن ماده ضد رسوب یک مرحله پیش تصفیه است که قبل از ورود آب به غشا های RO، به آب ورودی تزریق می شود. حضور این مواد واکنش بین منیزیم وکلسیم با بی کربنات را به تأخیر می اندازد. و نتیجتا در زمان تصفیه آب توسط اسمز معکوس رسوب تشکیل نمیشود. این مواد باید توسط یک پمپ از مخزن ذخیره به محفظه حاوی آب تزریق شوند.
تزریق سود سوزآور و اسید
سود سوز آور، برای کنترل pH اسیدی و اسید ها (اسید هیدروکلریک، اسید هیدروفلوئوریک (HF)، اسید نیتریک (HNO3) و اسید سولفوریک (H2SO4)) برای کنترل pH بازی به آبتزریق می شوند. مخازن و پمپ های تزریق این مواد باید مقاومت زیادی در مقابل خوردگی توسط باز ها و اسید ها داشته باشند.
شاسی استقرار
شاسی استقرار، برای نگه داشتن سیستم بر روی زمین یا هر سطح دیگری مورد استفاده قرار می گیرد.
تابلوی توزیع برق و مدار کنترل
هر سیستم آب شیرین کن، نیاز به یک سیستم هدایت و کنترل از راه دور دارد.
سیستم CIP
Clean in place یا همان CIP در اسمز معکوس (RO)، به منظور تمیز کردن غشا ها از مواد انجام می شود.
سیستم تصفیه آب به روش (RO)
مناطقی که یا آب های سطحی شیرین ندارند و یا منابع آن ها محدود است، می توانند با نمک زدایی آب های شور، بحران کم آبی منطقه خود را جبران کنند.
نمک زدایی اسمز معکوس (SWRO) آب دریایی، یک فرآیند غشایی است که از اوایل دهه 1970 از نظر تجاری مورد استفاده قرار گرفته است. اولین استفاده عملی آن توسط Sidney Loeb از دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس در Coalinga ،کالیفرنیا و Srinivasa Sourirajan از شورای ملی تحقیقات کانادا نشان داده شد.
در سیستم آب شیرین کن ، آب از یک غشا نیمه تراوا بر خلاف فشار اسمزی حرکت می کند و تمامی املاح و نمک های معدنی خود را از دست می دهد.
سیستم پیش تصفیه (Pre-Treatment)
در آب شیرین کن ، از یک سری غشای کربنی، شنی، کارتریجی و … استفاده می شود تا قبل از این که آب به غشای اسمز معکوس برسد میزان زیادی از املاح خود را از دست داده باشد. از طرفی در این حین pH آب نیز تنظیم می شود تا فیلتر اسمز معکوس آسیب نبیند.
سیستم تصفیه (Treatment)
در سیستم تصفیه علاوه بر حذف املاح و نمک های معدنی آب به روش اسمز معکوس، باید میکروارگانیسم ها نیز از بین بروند.
شیرین سازی آب با استفاده از ممبران اسمز معکوس
از این روش در آب شیرین کن استفاده می شود. آب توسط یک پمپ فشار قوی که برای مقابله با نیروی اسمزی تهیه شده است، از غشای نیمه تراوا یا غشای اسمز معکوس عبور می کند و املاح و نمک های خود را از دست می دهد.
تصفیه آب صنعتی به روش اسمز معکوس
در صنایعی همچون مرغداری ها، گاوداری ها و … از اسمزمعکوس (RO) برای نمک زدایی آب استفاده می شود.
در صنایع مختلف نیز از اسمزمعکوس (RO) برای شیرین کردن آب دریا به جهت استفاده در سیستم خنک کننده استفاده می شود.
گرفتگی بیولوژیکی (بایوفولینگ ) غشا اسمز معکوس
پس از گذشت مدت زمان و انجام فیلتراسیون، حفرات ممبران اسمز معکوس (RO) توسط میکروارگانیزمها اشغال می شود و راندمان نفوذ آب کاهش می یابد. این پدیده بایوفولینگ (bio- foulig) ممبران نامیده می شود.
تشخیص فیلتر غشا اسمز معکوس
تشخیص فیلتر ممبران اسمز معکوس اصل از فرع کار ساده و آسانی نیست. برای تشخیص جنس خوب فیلتر غشا با مشاوران شرکت تصفیه فاضلاب اوزن تماس حاصل فرمایید.
شست و شوی غشا اسمز معکوس
تمیز کردن غشای RO باید با مواد شیمیایی تمیز کننده با pH بالا و پایین انجام می شود. تمیز کردن pH بالا برای از بین بردن مواد بیولوژیکی یا ارگانیک انجام می شود. برای pH های بالا از مواد بازی و برای pH های پایین از مواد اسیدی استفاده می شود. pH ها به گونه ای هستند که فیلتر را از بین نبرند.