تصفیه آب اسمزمعکوس

در قرن گذشته فناوری های شیرین کننده آب، بسیار مورد توجه بوده اند. بسیاری از کشورها، شهرداری ها، نیروهای مسلح و کشتی ها به دلیل عدم وجود منابع طبیعی آب شیرین، نیاز به تولید آب شیرین از طریق دستگاه هایی که به روش تصفیه آب اسمزمعکوس باعث نمک زدایی آب دریا می‌شدند داشتند.

فناوری نمک زدایی آب از طریق ایجاد آب شیرین باعث توسعه صنعتی و تجاری مناطقی از جهان شده است که در صورت عدم استفاده از این فناوری بی ثمر باقی می ماندند. این مناطق از طریق فناوری شیرین کردن آب نه تنها توسعه یافته اند بلکه مهمتر از آن با تأمین منابع آب شیرین بهداشتی، سلامتی و رفاه بسیاری از مردم جهان بهبود یافته است.

تصفیه آب اسمزمعکوس

احتمالا اولین سیستم های تصفیه آب اسمزمعکوس توسط نیروهای دریایی ایجاد شدند. این سیستم ها از فناوری تقطیر استفاده می‌کنند و در بیشتر مواقع با به کارگیری گرمای زاید (Waste heat) موتورهای کشتی کار می کنند. سیستم هایی که با استفاده از تقطیر آب را شیرین می کنند به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند و به همین دلیل  تنها در صورتی که انرژی های ارزان در دسترس باشد، استفاده از تقطیر از نظر اقتصادی امکان پذیر است.

در اواخر دهه 1960 ، از اسمز معکوس (RO) برای شیرین کردن منابع آب شور استفاده شد. اسمز معکوس بر اصل اسمز استوار است و برای جدا کردن نمک از آب به یک غشا نیاز دارد. با توجه به این که فن آوری اسمز معکوس به مراتب به انرژی کمتری نسبت به تقطیر نیاز داشت به نظر می رسید که استفاده از این فناوری در مناطقی از جهان که دچار کمبود آب هستند، آب شیرین را در دسترس تعداد بیشتری از مردم قرار خواهد داد.

در واقع از اسمز معکوس در تصفیه آب نه تنها برای مصارف آشامیدنی بلکه در فرایند های صنعتی با خلوص بالا مانند: ساخت قطعات الکترونیکی، دارویی، شیمیایی، آب تغذیه دیگ بخار، کاربردهای پزشکی و سیستم های بازیافت فاضلاب صنعتی و شهری نیز استفاده میشود. با این حال در اوایل فرآیند تجاری کردن اسمزمعکوس مانند هر فناوری جدید دیگری، هیچ سابقه ای برای طراحی و هیچ اطلاعاتی در مورد عملکرد آن در دسترس نبود و مشکلات زیادی به وجود آمدند.

بنابراین در سال های اولیه استفاده از غشاهای اسمزمعکوس ، بسیاری از مالکان و اپراتورها خرابی های پرهزینه ای را که ناشی از عدم تجربه مهندسین، فروشندگان و غیره بود تجربه کردند. از آنجاکه هم غشاها و هم برنامه های مهندسی با گذشت زمان پیشرفته‌تر شدند، به مرور سیستم های تصفیه آب اسمزمعکوس با موفقیت بیشتری نصب و راه اندازی شدند.

امروزه با شناخت کافی که از شرایط منبع آب تغذیه (Feedwater)، پیش تصفیه های مورد نیاز و مهندسی سیستم وجود دارد، میتوان از اسمزمعکوس تقریبا در هر نوع آب شیرین کن سطحی استفاده کرد. پیشرفت ها در زمینه تولید غشاها و برنامه های مهندسی، اسمز معکوس را به عنوان یک فرآیند پیشرو در بازار آب شیرین کن ها در سراسر جهان مطرح کرده است.

به طور کلی به تولید آب شیرین از آب دریا توسط دستگاه تصفیه آب اسمزمعکوس، شیرین کردن آب (نمک زدایی) گفته میشود. با این حال، این اصطلاح معمولا توسط مهندسان برای توصیف نمک زدایی از آبهایی که شوری کم و یا متوسطی هم دارند و به عنوان آب لب شور(Brackish water) شناخته می‌شوند، استفاده میشود. در ادامه این بحث، ما اصطلاح شیرین کردن آب را طبق تعریف قبلی، فرآیند نمک زدایی از آب دریا در نظر می‌گیریم.

اصول اسمز معکوس (RO)

برای شیرین کردن آب به کمک سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس به یک غشای اسمزی احتیاج دارید. آب با سرعت بسیار بیشتری نسبت به نمک های محلول، از درون غشای اسمزی عبور کند. غشاهای اسمزی به طور طبیعی در موجودات زنده و در همه جا وجود دارند. به غشاهای اسمزی، غشا نیمه تراوا هم گفته می شود زیرا این قابلیت را دارند که به برخی از اجزا اجازه بدهند تا از آن ها عبور کنند و در عین حال مانع از عبور اجزای دیگر می شوند.

زمانی که محلول رقیق از طریق یک غشا نیمه تراوا به سمت محلول غلیظی که در طرف دیگر غشا است حرکت می کند، پدیده اسمز اتفاق می افتد. فرآیند اسمز معکوس دقیقا برعکس اسمز است. در اسمز ، آب حلال از غشا عبور میکند تا جایی که اختلاف فشار در غشا با فشار اسمزی برابر باشد (تقریبا 350 psig برای رابط آب شیرین و آب دریا ).

در فرآیند نمک زدایی در تصفیه آب اسمزمعکوس ، فشاری بیشتر از فشار اسمزی بر روی آب شور اعمال می شود و همین امر باعث می شود که آب شیرین از طریق غشا به سمت دیگر جریان یابد اما املاح (نمک ها) در پشت غشا بمانند. هرچه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، میزان آب شیرینی که از طریق غشا به سمت دیگر جریان می یابد، بیشتر می شود.

هنگام طراحی سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس برای آب دریا، فاکتورهای زیادی باید در نظر گرفته شوند. اولین نکته که بسیار هم مهم است منبع آب تغذیه (feedwater) است. آب دریا یا از یک منبع آب سطحی، یا از طریق یک سیستم چاه که بخش اصلی و وجوه جانبی آن در ساحل است یا یک سیستم چاه لوله ای تامین می شود.

به طور معمول، ترجیح بر این است که از سیستم چاه استفاده شود زیرا این روش، آب تغذیه ای را فراهم می کند که گل آلودی کمتری دارد، در نتیجه نیاز به پیش تصفیه کمتری هم دارد. با این حال حتی کیفیت آب دریا در چاه های مختلف با توجه به این که چاه از چه لایه هایی ساخته شده باشد، متفاوت است. هنگامیکه بهترین منبع آب تغذیه (وضعیتی که سیستم به کمترین میزان پیش تصفیه نیاز داشته باشد) انتخاب و مشخص شد، سیستم پیش تصفیه باید هم از نظر شیمیایی و هم از نظر فیزیکی به منظور ایجاد شرایط بهینه ای که بر عملکرد و کارایی غشا موثر است طراحی شود.

با در اختیار داشتن منبع با کیفیتی از آب تغذیه ای (حاوی مقدار اندکی از: کلوئید، میکروارگانیسم، مواد آلی و ​​آهن) ، یک سیستم اسمز معکوس آب دریا برای پالایش فقط به کارتریج 5 میکرونی برای پیش تصفیه نیاز دارد. آب تغذیه با کیفیت پایین تر احتمالا به موارد بسیار بیشتری از جمله ترکیبات زیر برای پیش تصفیه نیاز خواهد داشت.

• انعقاد آلودگی
• شفاف سازی
• تصفیه چند رسانه ای
• جداسازی و پراکنده کردن مواد شیمیایی
• کارتریج پنج میکرونی فیلتراسیون

پس از سیستم پیش تصفیه که در تصفیه آب اسمزمعکوس برای حذف جامدات معلق و ناخالصی ها استفاده میشود، یک پمپ که فشار را تنظیم میکند شوری آب و نرخ بازیافت را تنظیم میکند. کل مواد جامد محلول (TDS) آب دریا به طور معمولی بین 28000 تا 35000 ppm  است. گرچه برخی از آبهای سطحی شور از جمله دریای سرخ مقادیر بالاتری را بین 40000 تا 45000 ppm نشان می دهند.

پس از آن آب تغذیه وارد سیستم غشایی می شود که در آن آلاینده های آلی و غیر آلی به شکل دو جریان که شامل: جریان آب تولید شده و جریان آب غلیظی که شامل فضولات است، جدا می شوند. عملکرد بهینه با سرعت تعادل هیدرولیکی و جریان های آب در امتداد و درون سطوح غشایی به دست می آید. در شکل 2 نمونه ساده ای ارائه شده است. نرخ بازیافت آب سیستم برای آب تغذیه ای معمول 36000 ppm به ترتیب از 20 تا 40 درصد برای سیستم های کوچک تا بزرگ متغیر است.

اگر دستگاهی به صورت مناسب از نظر منبع آب تغذیه، پیش تصفیه و تعادل هیدرولیکی طراحی شده باشد، تمایل به رسوب گذاری آلی، معدنی و بیولوژیکی در غشا کاهش می یابد و در نتیجه نیاز به تمیز کردن غشا به حداقل می رسد. گفتن این که غشا دستگاه هرگز به تمیز کردن احتیاج نخواهد داشت، بیان دقیقی نیست.

بنابراین، تمام دستگاه ها باید دارای یک سیستم تمیز کننده باشند تا در صورت نیاز به عنوان یک سیستم ضدعفونی کننده عمل کنند. در سیستم های کشتی ها به خصوص در قایق های بادبانی و قایق های کوچک فضای بسیار محدودی وجود دارد. بنابراین سیستم های تمیز کننده غشا به همراه سیستم های آب شیرین کن فروخته نمی شوند. در عوض، غشاها باید هر سال به طور کلی تعویض شوند.

پمپ ها در سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس

دو مولفه اصلی در سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس آب دریا، پمپ تغذیه فشار قوی و غشاهای اسمز معکوس هستند. این مولفه ها قلب هر دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس را تشکیل می دهند که با انتخاب و استفاده دقیق عملکردی موفقیت آمیز خواهند داشت. در این سیستم‌ها دو نوع دستگاه پمپاژ فشار بالا وجود دارند: پمپ های سانتریفیوژ و پمپ های ضربه ای جابجایی مثبت (PD).

از آنجایی که پمپ های ضربه ای (plunger pumps) با راندمان بسیار بالاتری کار می کنند (88 درصد در مقابل 50 تا 75 درصد)، در بیشتر مواقع از این نوع پمپ ها برای دستگاه های کمتر از 150000 gpd و در جاهایی که هزینه های انرژی بالا است استفاده می شود.

در کارخانه های بزرگتر، اغلب از پمپ های سانتریفیوژ استفاده می شود زیرا این پمپ ها حدودا می توانند به راندمان 80 درصدی برسند، کم هزینه تر هستند و به تعمیرات و نگهداری کمتری نیاز دارند. گرچه، اکثر سیستم های نمک زدایی اسمز معکوس در محدوده ظرفیت 1000 تا 100000 gpd  قرار دارند. پمپ های جا به جایی مثبت (PD) به دلیل عدم دسترسی به فشار بیشتر و جریان کم سانتریفیوژ متداولتر هستند.

پمپ های ضربه ای به دلیل این که به صورت متقابل و رفت و برگشتی عمل می کنند، واریانس فشار خروجی (پالس) زیادی ایجاد می کنند که این امر به ارتعاش تبدیل می شود. این ارتعاش نه تنها می تواند به طور بالقوه باعث آسیب به پمپ شود بلکه به سایر اجزای سیستم به ویژه به لوله کشی، ابزارها و بدنه سیستم هم آسیب می رساند. به منظور به حداقل رساندن آسیب های ارتعاش در اجزای سیستم، پمپ نیاز به یک تخلیه کننده ضربه گیر و در برخی موارد به یک تثبیت کننده مکش (بسته به انرژی acceleration head منتسب به لوله کشی سیستم های تغذیه) دارد.

عامل مهم دیگر سرعت پمپ در RPM است. هرچه سرعت پمپ کندتر باشد، ارتعاش کمتری انتقال می یابد. همچنین به کارگیری طراحی مکانیکی برای عایق بندی ارتعاش، نکته ای کلیدی در به حداقل رساندن آسیب های ناشی از ارتعاشات مربوط به سیستم پمپاژ است.

از آنجا که پمپ های سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس آب دریا می‌توانند فشارهایی بیش از 1000 psig را تولید کنند، توصیه میشود که در طراحی حتما یک کلید ایمنی به همراه یک دریچه کاهش فشار قرار داده شود. اگر فشار پمپ از مقاومت مواد اولیه ای که از آن ها در طراحی اسمز معکوس استفاده شده است، بیشتر باشد ممکن است باعث ایجاد جراحت یا آسیب جدی شود.

غشاها

غشاها بزرگترین عامل هزینه بر مصرفی، در سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس هستند. بنابراین افزایش عمر غشاها به میزان قابل توجهی باعث کاهش هزینه های عملیاتی خواهد شد. غشاها غالبا به دلیل کاهش ظرفیتشان که در بیشتر موارد مربوط به رسوب کلوئیدی و یا بیولوژیکی است، نیاز به تعویض پیدا می کنند. رسوب گذاری نتیجه مستقیم استفاده از منبع تغذیه نامناسب یا تجهیزات پیش تصفیه نامناسب است. همانطور که قبلا هم ذکر شد به کارگیری منبع تغذیه و سیستم پیش تصفیه درست، در به حداقل رساندن مواد زائد حیاتی است.

همچنین این نکته نیز بیان شد که معمولا منبع تغذیه از نوع چاه، بهترین منبع برای کاهش محتوای کلوئیدی در آب تغذیه است. با این وجود، در برخی شرایط به دلیل هزینه توسعه چاه و یا عدم نفوذپذیری ساختار زمین، استفاده از سیستم چاه امکان پذیر نیست و نیاز به سیستم های ورودی سطحی خواهد بود. هنگامی که از آبهای سطحی به عنوان منبع تغذیه استفاده می شود، سیستم های پیش تصفیه می توانند برای کاهش بار کلوئیدی آبهای تغذیه بزرگتر و گسترده تر شوند. گرچه حتی در این صورت، شرایط آب و هوایی طوفانی به دلیل افزایش گل آلودی منبع تغذیه، عملکرد دستگاه اسمز معکوس را دچار مشکل می کند.

تمایل به رسوب گذاری کلوئیدی غشای سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس به شاخص چگالی نمک آب تغذیه (SDI) که یک روش ASTM برای اندازه گیری بار ذرات کوچک یا بار کلوئیدی در آب است، وابسته است. سیستم چاه های استوانه ای معمولی که بطور صحیح ساخته شده اند SDI های کمتری از 3.0 و حتی در بسیاری از مواقع کمتر از 1.0 ایجاد می کنند. چاههای ساحلی اصلی و جانبی SDI های کمتری از 3.0 ایجاد کرده اند.

با این حال، توصیه می شود برای سیستم های چاه ساحلی انتظار طیفی از 2 تا 5 را داشته باشید. آبهای سطحی SDI ها بسیار بیشتر از 5 تولید می کنند و با استفاده از یک سیستم پیش تصفیه عالی، می توان این میزان را به 3 تا 5 کاهش داد. با این حال شرایط نامساعد آب و هوایی و نارضایتی از سیستم های شفاف سازی می تواند این سیستم های ورودی آبگیری را غیر قابل اعتماد جلوه دهد. باید بر سیستم های آبگیری ورودی، پیش تصفیه وSDI تاکید فراوان شود زیرا عمر و گارانتی غشاها به طور مستقیم با این پارامترها در ارتباط هستند. غشاهای مارپیچ دارای حداکثر SDI عملیاتی مجاز 5.0 هستند و اغلب به همین دلیل انتخاب می شوند.

آخرین مورد درباره ی طول عمر تجهیزات دستگاه تصفیه آب اسمزمعکوس که نیاز به بحث دارد خوردگی مواد است. سیستم باید در هر جایی که ممکن است از پلاستیک و اجزای غیر آهنی ساخته شود. کلیه اجزا در فشار کم باید از PVC، فایبرگلاس یا به طور کلی از پلاستیک ساخته شده باشند. اجزا در فشار قوی نیاز به استفاده از فلزات دارند و باید از آلیاژهایی که برای موقعیت و کاربرد آنها در سیستم مناسب است، ساخته شوند.

محیط آب دریا بسیار خورنده است و فقط بالاترین کیفیت مواد قابل قبول است. به عنوان نمونه، لوله جوش داده شده نباید حتی درجه ای از فولاد ضد زنگ آستنیتی ممتاز کمتر باشد. هزینه سرمایه گذاری برای تجهیزات سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس آب دریا از 10 دلار برgpd ظرفیت تولید تا 2 دلار بر gpd ظرفیت برای سیستم های مختلف از 500 تا 1.0 میلیون گالن در روز متغیر است.

با توجه به این که یک منبع آب سطحی از 0.50 تا 2.00 دلار به ازای هر گالن به هزینه سرمایه سیستم که در آن هزینه های پیش تصفیه غالب است اضافه میکند، هزینه های ورودی آبگیری و پیش تصفیه قابل توجه است. هزینه های ورودی آبگیری و پیش تصفیه برای یک سیستم چاه از 0.20 تا 0.80 دلار در هر گالن به هزینه ها اضافه ها خواهد کرد و این در حالی است که هزینه های ورودی آبگیری غالب است.

سیستم های تصفیه آب اسمزمعکوس که می‌توانند از یک منبع تغذیه خوب که SDI 3 یا کمتر تولید میکند استفاده کنند، سیستم هایی هستند که به حداقل سرمایه نیاز دارند. هزینه های عملیاتی با هزینه های مختلف انرژی که در بالا در مورد آن بحث شد، تغییر می کند. هزینه های عملیاتی معمول از 2 دلار بر Kgal محصول تا 8 دلار بر Kgal  محصول برای سیستم هایی که در زمین مستقر هستند، متغیر است.

اگر از تجهیزات بازیابی انرژی در آن استفاده شده باشد، کلیه هزینه های عملیاتی تقریبا 20 تا 30 درصد کاهش می یابند. هزینه عملیاتی شامل مواد مصرفی سیستم مانند: انرژی، کارتریج فیلتر، مواد شیمیایی، غشاهای اسمز معکوس و موارد مورد نیاز برای تعمیر و نگهداری مکانیکی می باشد و شامل هزینه استهلاک نیروی کار یا دستگاه نمی شود.

بازار تصفیه آب اسمزمعکوس

به طور منطقی بازار سیستم های تصفیه آب اسمزمعکوس هر جایی است که با کمبود منابع آب شیرین مواجه هستند، مقدار کمی آب لب شور(brackish water) برای عملیات اسمز معکوس کم فشار آب لب شور دارند و در آن جا به راحتی به آب دریا دسترسی دارند.

این موضوع به ما میگوید که مناطقی از جهان که با کمبود آب مواجه بوده اند و در عین حال رشد و توسعه یافته اند، نامزد استفاده از اسمز معکوس برای شیرین کردن آب هستند. از قدیم بازار جهانی در مناطق استوایی، محیط های خشک و جوامع ساحلی جزیره ای بوده است.

استفاده از این فناوری برای توسعه تفرجگاه های که در دور دست قرار داشته اند از زمان گذشته متداول بوده است، اما هرچه منابع آب با کیفیت کمیاب تر می شود، هم صنعت و هم شهرداری ها بیشتر به نیازشان به سیستم تصفیه آب اسمزمعکوس برای شیرین کردن آب پی میبرند. در کالیفرنیا، فلوریدا، کارائیب، آمریکای مرکزی و جنوبی، مدیترانه، خاورمیانه و حاشیه اقیانوس آرام (هرجایی که اقیانوس و نیاز به آب شیرین وجود دارد)، آب شیرین کن اسمز معکوس یک منبع پایدار برای نیازهای مربوط به تولید آب شیرین در جهان است.