پیش تر در مورد روش های نمک زدایی آب دریا و آب های شور به روش حرارتی توضیح داده شد و در ادامه به معرفی فرآیندهای نمک زدایی به روش غشایی و دیگر روش های موجود می پردازیم تا دانش عمومی و بالاخص مهندسان جوان دانش خود را در مورد انواع روش های نمک زدایی به روز کنند.
همچنین به علت محدود بودن آب های سطحی و ذخایر آب شیرین در کشور و وجود سواحل دریای آزاد در شمال و جنوب کشور لازم است به سمت نمک زدایی آب های دریا برای مصارف صنعتی برویم.
فرآیندهای غشایی
در این فرآیندها نمک زدایی آب شور با اعمال فشار از غشاهای نانومتری عبور داده می‌شود. این غشاها مانند یک پالایه عمل می‌کنند و با جدا کردن ذرات ناخالصی موجود در آب، آن را شیرین می‌کنند. آب تولیدی این فرایند کیفیتی نزدیک به آب شرب دارد.
اسمز معکوس که نوعی روش نمک‌زدایی غشایی است، متداول‌ترین روش نمک زدایی در جهان به شمار می رود. مزیت این روش نسبت به روش‌های حرارتی این است که برای شیرین سازی آب به انرژی حرارتی نیازی ندارد، هر چند برق بیشتری مصرف می‌کند. عدم نیاز به املاح افزودنی نیز از دیگر مزایای این روش است. فرآیندهای غشایی بر اساس اندازه کوچک‌ترین ذره که تحت تأثیر نیروی فشاری از غشا عبور می‌کند، به اسامی زیر نامیده می‌شوند:
- میکرو فیلتراسیون (Micro Filtration)
- اولترا فیلتراسیون (Ultra-Filtration)
- نانو فیلتراسیون (Nano Filtration)
- اسمزمعکوس (Reverse osmosis)
در یک فرآیند نمک زدایی غشایی به طور معمول دو فاز به وسیله فاز سوم که غشا است از یکدیگر جدا گردیده‌اند. غشا، تعیین‌کننده پدیده انتقال جرم است. هر کدام از دو فاز به صورت محلولی از جزءهای مختلف است که برخی از این جزءهای عبوری مخفی و دیگر از این جزءها تهی می‌گردد. دو ویژگی اصلی در انتقال که توسط غشاء اعمال می‌شود، عبارتند از:
نفوذپذیری یا تراوایی (Permeability)
انتخاب گری یا پذیرش (Ectivitysel)
روش اسمز معکوس (RO)
اسمز معکوس یکی از فرآیندهای غشایی است و برای نمک زدایی آب‌های شور، حذف ترکیبات آلی طبیعی، کنترل تشکیل ترکیبات جانبی ناشی از گندزدایی، حذف آلاینده های خاص و نرم سازی آب به کار می رود. در این روش از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از تنظیم فشار، جداسازی غشایی و درون یک غشای نیمه تراوا استفاده می‌شود.
روش اسمز معکوس دارای چهار فرآیند مهم پیش‌تصفیه و پس‌تصفیه است. پایین بودن هزینه نصب و نگهداری و راه‌اندازی سیستم، از بین بردن تمامی آلاینده‌ها از قبیل آلاینده‌های آلی، غیر آلی و میکروبی از مزایای این روش هستند. با این‌حال یکی از مشکلات عمده در استفاده از این روش، گرفتگی غشاهاست که دلیل اصلی آن پیش‌تصفیه نامناسب است.
بسیاری از غشاهای مورد استفاده در فرآیند اسمز معکوس، غشاهای کامپوزیتی لایه نازک هستند که از دو لایه نازک (معمولاً از جنس پلی آمید) به‌عنوان لایه جدا کننده و یک زیر لایه متخلخل (معمولاً از جنس پلی سولفون و پلی اتر سولفون) به عنوان لایه تراوا تشکیل شده‌اند. این فرآیندها در سال های اخیر پیشرفت‌های زیادی داشته است. سابقه استفاده از غشا برای صاف کردن به اوایل قرن بیستم باز می‌گردد. در دهه سوم قرن بیستم غشاها برای جدا سازی، خالص‌سازی و یا غلیظ سازی محلول‌ها به ویژه سیال های حاوی میکرو ارگانیزم‌ها مورد استفاده قرار می گرفت.
سیر تکاملی این پدیده با انجام پژوهش‌ها بر روی ساخت انواع غشاها و شناخت فرآیند در طی زمان به گونه‌ای ادامه یافت که در حال حاضر این فرآیند یکی از شیوه‌های اصلی شیرین سازی آب محسوب می‌شود.
پیش‌تصفیه در روش اسمز معکوس بسیار مهم است زیرا سطح غشاها بایستی تمیز باقی بمانند. بنابراین باید مواد معلق حذف شده و آب پیش‌تصفیه شود تا جایی که ته‌نشینی نمک و یا رشد میکروبی بر روی غشاها اتفاق نیفتد. معمولاً عملیات پیش‌تصفیه شامل فیلتراسیون مناسب و اضافه کردن اسید یا سایر مواد شیمیایی، به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب و رشد میکرو ارگانیزم‌ها است.
یک پیش‌تصفیه معمولی شامل کلر زنی، لخته سازی، افزودن اسید، فیلتراسیون چند بخشی، پالایه کارتریجی میکرونی و کلر زدایی است. نوع پیش‌تصفیه عمدتاً بستگی به خصوصیات خوراک ورودی، نوع غشاء، نرخ بازیافت و کیفیت آب تولیدی دارد. مواد گوناگون شیمیایی اضافه شده به آب هیپوکلریت سدیم جهت جلوگیری از رشد میکرو ارگانیزم‌ها، کلرید آهن به عنوان فلوکولانت یا لخته سازی، اسید سولفوریک برای تنظیم و کنترل PH هیدرولیز و تشکیل رسوب و بی سولفید سدیم برای کلرزدایی، پمپ فشارقوی تأمین‌کننده فشار موردنیاز جهت عبور آب از میان غشاها است.
در طراحی سیستم های اسمز معکوس توجه به فاکتورهای مهمی مانند تأمین سیستم پیش‌تصفیه مناسب به کارگیری طراحی مناسب در انتخاب نوع و تعداد ممبران ها و توجه به شرایط شستشوی سیستم و همچنین رعایت الزامات طراحی و فنی جهت تعیین دما و فشار مناسب به‌منظور افزایش راندمان کلی سیستم ضروری به نظر می رسد. به طور کلی فشار و دمای سیستم از مهم‌ترین پارامترهای مؤثر در طراحی و راهبری سیستم اسمز معکوس هستند که افزایش دمای سیستم به ریکاوری بالاتر کمک نموده و هم‌زمان نمک عبوری را افزایش می‌دهد و جهت حفظ محدوده کیفی و TDS و هدایت پذیری مورد نیاز باید به تأثیرات این افزایش دقت نمود. با افزایش فشار در سیستم نیز می‌توان شاهد دفع بالاتر نمک و کاهش هدایت‌پذیری آب پرمیت و همچنین افزایش فلاکس آب عبوری بود.
مزایای فرآیند اسمز معکوس:
قادر به حذف ۹۹/۵ درصد جامدات محلول موجود در آب است. علاوه بر مواد محلول در آب سایر مواد را نیز از آب جدا می‌کند.
قابلیت اطمینان بسیار بالایی در تأمین آب آشامیدنی دارد.
فضای کمی را اشغال می‌کند.
معایب
هزینه راه‌اندازی متوسط، هزینه بهره‌برداری متوسط، برگشت آب تغلیظ شده به دریا
الکترو دیالیز (ED)
الکترو دیالیز یکی از روش‌های غشایی نمک‌زدایی است که به علت مصرف انرژی کمتر در قیاس با روش‌های گرمایی، روشی مطلوب به شمار می‌رود.
این فرآیند یک تکنیک الکتروشیمیایی را ارایه می‌دهد که بر اساس آن آلودگی‌های یونی از محلول آبی حذف می‌گردند. بر اساس این روش دو جریان جدید تولید می‌شود که یکی از آن‌ها جریان شور است که می‌تواند به سیکل الکترودیالیز و یا فرایندهای صنعتی بازگردانده شود و دیگری جریان تقریباً آب شیرین است.
الکترو دیالیز (ED) از جریان الکتریکی مستقیم جهت حذف نمک ها و دیگرگونه‌های یونی از طریق غشاهای انتخاب پذیر آنیونی و کاتیونی استفاده می نماید. قاعده کلی الکترو دیالیز در شکل زیر نشان داده شده است که یک شماتیک از آرایش معمول پیل های الکترو دیالیز شامل یک سری از غشاهای انتخاب پذیر آنیونی و کاتیونی در یک الگوی متناوب میان یک آند و کاتد جهت تشکیل پیل های منحصربه‌فرد است.
نیروی محرکه برای انتقال یون در فرایند الکترو دیالیز پتانسیل الکتریکی اعمال شده میان آند و کاتد است. هنگامی که یک میدان الکتریکی توسط الکترودها اعمال می‌شود، آند به طور مثبت و کاتد به طور منفی شارژ می‌گردند. میدان الکتریکی اعمال شده سبب مهاجرت یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) به کاتد و یون‌های منفی (آنیون‌ها) به آند می‌گردد. در حین فرایند مهاجرت، آنیون‌ها از غشاهای انتخاب پذیر آنیونی گذر می‌کنند اما توسط غشاهای انتخاب پذیر کاتیونی بازگردانده می‌شوند؛ عملی مشابه توسط کاتیون‌ها نیز رخ می‌دهد. نتیجه‌ی کلی، افزایش هم‌زمان غلظت یون در بخش های متناوب و تهی شدن در دیگر بخش‌ها است. در انتها محلول تهی شده به‌عنوان رقیق و محلول‌های تغلیظ شده به‌عنوان آب‌شور یا غلیظ شناخته می‌شوند.
ویژگی‌های کاربردی فرآیند الکترو دیالیز:
نسبت به مواد معلق موجود در آب حساسیت کمتری دارد تا ۹۰ درصد جامدات محلول موجود در آب را حدف می کند، معمولا به صورت چند مرحله ای طراحی و احداث می شود، قادر به حذف مواد غیر یونی مانند ذرات آلی و میکرو ارگانیسم ها نیستند.
تبادل یونی IX
در این روش نمک‌زدایی که یکی از رایج‌ترین سختی گیرها و حذف‌کننده املاح و کاتیون‌ها و آنیون‌های آب است، با استفاده از رزین‌های تبادل یونی، کاتیون‌های آب مثل کلسیم و منیزیم با یون سدیم و یا گروه‌های H+ و OH- جایگزین می گردد.
یون‌های هیدروژن و هیدروکسید جایگزین شده نیز پس از ترکیب با یکدیگر به مولکول آب تبدیل می‌شوند. استفاده از این روش در استحصال آب شیرین مصرفی صنایع بیشتر معمول است. رزین‌های تازه دارای یون سدیم به شکل فعال هستند. بر اساس نوع واکنش جانشینی و گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین، رزین‌های تبادل یونی به گروه‌های مختلف رزین‌های آنیونی قوی و ضعیف و کاتیونی قوی و ضعیف تقسیم می‌شوند. این رزین‌ها باید به‌طور متناوب احیاء گردند تا از رسوب املاح آب در آن‌ها جلوگیری شود. این کار با عبور دادن آب نمک از رزین صورت می‌گیرد.
به طور کلی رزین‌های قوی در یک محدوده وسیع pH و رزین‌های ضعیف در یک محدوده کمتر pH در تصفیه آب عمل می‌نمایند. البته استفاده از رزین های ضعیف، منجر به صرفه جویی قابل‌توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون‌های موجود در آب می‌شود ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیون‌هایی هستند که به قلیائیات آب مرتبط است.
فرآیندهای هیبریدی
در این روش‌ها سعی شده است با ترکیب روش‌های حرارتی و غشایی از مزایای هر کدام در نمک زدایی استفاده شود. مزایای این روش‌ها عبارتند از:
الف) اطمینان از تولید آب در مواقعی که به دلیل خارج از مدار بودن بخشی از نیروگاه امکان استفاده از فرآیند حرارتی نیست. در این مواقع می‌توان از روش‌های غشایی برای تولید آب استفاده کرد.
ب) کاهش چشمگیر املاح افزودنی در فرآیندهای حرارتی به دلیل امکان ترکیب آب تولیدی از فرآیند غشایی با آب تولیدی از فرآیند حرارتی
ج) دمای پایین‌تر آب و پساب تولیدی در روش هیبریدی نسبت به روش حرارتی
د) بهره گیری از برق مازاد در شب که برای فرآیند غشایی در مواقعی که نیاز به آب دارد، ضروری است.
از این روش در کشورهای حاشیه خلیج فارس بسیار استفاده شده است. واحد نمک زدایی جده، الجبیل و ینبوع در عربستان سعودی و فجیره در امارات متحده عربی از این نوع هستند. در کشور ما نیز استفاده از این روش مدتی است در دستور کار قرار گرفته است. به‌عنوان نمونه شرکت مپنا طرح هایی برای احداث واحدهای هیبریدی با ترکیب روش RO و MED در سواحل جنوبی کشور ارایه کرده است.
بر اساس مزایایی که برای روش هیبریدی بر شمرده شد و با توجه به وجود سواحل طولانی در جنوب ایران، گزینه بهینه برای تولید آب شیرین در مناطق جنوبی کشور، شیرین سازی آب در کنار نیروگاه های برق با استفاده از روش های هیبریدی است.
بیشتر بخوانید
روش های مختلف نمک زدایی آب دریا (قسمت اول)
مجله اینترنتی تحلیلک
