شیرین کردن آب

اهمیت تصفیه آب

چه برای مصارف آشامیدنی و چه برای مصارف صنعتی، معمولا آب طبیعی احتیاج به تصفیه دارد. تصفیه آب برای مصارف آشامیدنی هم آسان‌تر و هم ارزان‌تر از تصفیه آب برا ی مصارف صنعتی است. نگرانی‌های اساسی در مورد آب آشامیدنی عبارتند از:

باکتری‌های بیماری زا (پاتوژن‌ها) در آب
کمبود و یا وجود زیادی غلظت بعضی از یون‌ها که در سلامتی انسان نقش دارند مانند: یون فلوئور
ذرات معلق در آب
بو و مزه‌ی آب

دامنه‌ی نگرانی‌های اساسی در مورد آب‌های صنعتی بستگی به محل مصرف آب دارد. آب به صورت‌های متفاوت در صنایع وابسته مطرح می‌شود:

به عنوان ماده‌ی اولیه برای تهیه محصول نهایی، بدون اینکه تغییر شکل دهد.
به عنوان ماده‌ی اولیه برای شرکت در واکنش شیمیایی تهیه محصول نهایی.
به عنوان حلال موادی که در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند.
به عنوان ماده‌ی واسطه انتقال حرارت از دمای زیر صفر(آب نمک) تا دمای بخار آب.
به عنوان ماده‌ی ذخیره کننده انرژی.
به عنوان ماده‌ی واسطه جهت خارج کردن مواد ناخواسته (زائد).
به عنوان سپر محافظتی در برابر گرما و تشعشع آب سنگین (D2O) مورد استفاده در نیروگاه‌ها.
به عنوان ماده‌ای راحت و ارزان جهت استاندارد ساختن دستگاه‌های اندازه گیری دما، دانسیته و ویسکوزیته.
به عنوان ماد‌ه‌ی اصلی جهت مبارزه با آتش به جز در موارد استثنائی مثل مواد نفتی.
خصوصا در مهندسی شیمی و پترو شیمی، بسیاری از فرایندها همانند نمک زدایی، خشک کردن، تبخیر کردن، کریستالیزاسیون، اختلاط، رزین‌های تعویض یونی، رطوبت زدایی، جذب سطحی و غیره در ارتباط مستقیم با آب هستند.

مطلوب‌ترین آب برای هر صنعتی آب بدون یون می‌باشد، اما هزینه تصفیه آب تا رسیدن به مرحله آب بدون یون بسیار زیاد است. برای هر صنعتی مطلوب‌ترین آب آن است که هزینه تصفیه آب کم‌تر از مخارج درمان عواقب زیان بخش ناخالصی‌ها باشد که برای اکثر صنایع، رسیدن به این امر با تکیه بر استفاده از سیستم اسمز معکوس RO یا (Reverse Osmosis) امکان پذیر می‌باشد.
برخی اثرات زیان بخش ناخالصی‌های آب در صنعت:

تولید رسوب در دستگاه‌های حرارتی و دیگ بخار
تولید بخار با کیفیت پایین
خوردگی بویلرها و دیکر سیستم‌های حرارتی و لوله‌ها
اتلاف مواد شیمیایی مانند صابون
باقی گذاردن لکه روی محصولات غذایی و نساجی

ناخالصی‌های آب

تقریبا هر ماده‌ای در آب محلول است و این حلالیت به دما، فشار، PH، پتانسیل شیمیایی و به غلظت نسبی دیگر مواد در آب بستگی دارد. در طبیعت این عوامل چنان به هم مربوط هستند که کم‌تر می‌توان حلالیت ماده‌ای را در آب به طور دقیق پیش بینی کرد. در واقع آب یکی از مشهورترین حلال‌ها است. مخصوصا مواد قطبی (مثل نمک‌ها) به مقدار زیادی در آب حل می‌شوند. از این رو آب به طور خالص در طبیعت وجود ندارد. آب همیشه در حال انحلال، انتقال و یا رسوب گذاری است. بخار آب موجود در هوا، در اثر میعان به صورت باران در می‌آید که در موقع باریدن مقداری گرد و خاک، اکسیژن، دی‌اکسید کربن و دیگر گازها را در خود حل می‌کند. در روی سطح زمین، آب مقداری از مواد معدنی را در خود حل کرده و همراه مواد دیگر به نقاط مختلف منتقل می‌کند. آب در هنگام نفوذ در لایه‌های مختلف زمین، قسمتی از مواد معلق و میکروب‌ها را در در لایه‌های مختلف زمین از دست می‌دهد.
ناخالصی های آب را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد:

مواد معلق
گازها
نمک‌های محلول
میکروب‌ها خصوصا اشریشیا کلیفرم (کلیفرم روده‌ای (E.coli coliform))

تکنولوژی‌های غشایی

فرآیندهای غشایی از روش‌های نوین جداسازی هستند که بدون استفاده از تغییر فاز، اجزاء مورد نظر را از سیال جدا می‌نمایند.عدم تغییر فاز در طول فرایند جداسازی موجب می‌شود که جداسازی با صرف انرژی کمتری صورت گیرد. دو خصوصیت اصلی غشاها یعنی توانایی قابل توجه در انجام انواع جداسازی‌ها و حداقل مصرف انرژی، عوامل گسترش روزافزون فرایندهای غشایی می‌باشند. غشاها کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف علمی و صنعتی دارند که از جمله می‌توان به شیرین کردن آب دریا، دیالیز خون، تصفیه آب نظیر آب رودخانه، چشمه و چاه، تصفیه پساب‌های خانگی، تصفیه انواع پساب‌های صنعتی مانند تصفیه پساب صنایع نساجی، کاغذ سازی، چرم سازی، الکل سازی، تغلیظ شیر در کارخانجات پنیر سازی، تغلیظ آب میوه، جداسازی میکرو ارگانیسم‌ها، استریل کردن مایعات، جداسازی پروتئین‌ها از آب پنیر، جداسازی گازهای ترش از گاز طبیعی، جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا، جداسازی اتیلن از گازهای خروجی واحد تولید پلی اتیلن، بهینه سازی محیط زیست، صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی اشاره نمود. با توجه به اهمیت روزافزون آشنایی با فرآیندهای غشایی به بررسی و شناخت غشاهای اسمز معکوس می‌پردازیم.

فرآیند اسمز معکوس

سیستم‌های فیلتراسیون غشایی با جریان متقابل از قبیل اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون انتخابات مناسبی جهت جایگزینی با فیلتراسیون‌های سنتی و تیمارهای شیمیایی می‌باشند. با این وجود جهت دستیابی به بهترین عملکرد این سیستم‌ها، توجهات دقیقی باید در مورد شرایط آب ورودی به این سیستم‌ها مبذول داشت. بنابراین باید در مورد ویژگی آب ورودی به سیستم از اطلاعات کافی برخوردار باشیم. ویزگی‌های انواع آب‌ها جهت استفاده از دستگاه‌های اسمز معکوس برای تصفیه آب ابتدا باید خصوصیات آب‌های گوناگون و ناخالصی‌های موجود را شناسایی و مطالعه نمود، لذا در ذیل به ذکر ویزگی‌های انواع آب می‌پردازیم:

الف) ویژگی آب‌های زیرزمینی
مواد معلق در آن‌ها کم است
معمولا مواد آلی بسیار کم دارند
ممکن است دارای ذرات شن باشند
این آب‌ها حاوی آهن محلول و گاهی هم منگنز محلول هستند که وقتی آب در معرض اتمسفر قرار می‌گیرد در اثر اکسید شدن توسط هوا، ذرات زرد-قهوه‌ای در آن‌ها ظاهر می‌شود.
دی اکسید کربن ممکن است در این آب‌ها زیاد باشد و PH این آبها معمولا 9/7 – 9/6 می‌باشد.
آب چاه‌های خیلی عمیق معمولا عاری از میکروب‌ها و دیگر میکرو ارگانیسم‌ها می‌باشد ولی آب چاه‌های کم عمق معمولا آلوده به میکرو ارگانیسم‌ها هستند.
به خاطر انحلال جزیی مواد معدنی، معمولا این آب‌ها دارای املاح زیاد می‌باشند حدود ppm 500 که بیش‌ترین جزء آن بی‌کربنات کلسیم است.
این آب‌ها معمولا سخت هستند ولی سختی آن‌ها موقتی است (سوافات و نیترات کلسیم و منیزیم)


ب) ویژگی آب‌های سطحی
زلال نیستند
PH این آب‌ها حدود 8-7 است
مواد عالی موجود در این آب‌ها در نقات مختلف متفاوت است. ممکن است حاوی دترجنت‌ها، نفت، روغن و فلزات سنگین باشند.
معمولا آلوده به میکرو ارگانیسم‌ها هستند
مقدار آمونیاک، فنل و نیترات این آب‌ها ممکن است زیاد باشد.
اگر آب‌های سطحی از آب‌های کشاورزی ناشی شوند، معمولا دارای نیترات و فسفات قابل توجهی هستند، بویژه در مناطقی که از کودهای شیمیایی استفاده می‌شود.


ج) ویژگی آب‌های شور
مقدار املاح این آب‌ها بسیار زیاد و معمولا بیش‌تر از ppm 1000 می‌باشد.
غلظت یون کلر و سدیم این آب‌ها بسیار زیاد و معمولا بیش از ppm 500 است. پیش تصفیه آب ورودی به سیستم می‌تواند عمر غشاء را طولانی‌تر ساخته، کیفیت آب تولیدی را بهبود بخشد و هزینه‌های نگهداری و پاکسازی سیستم را کاهش دهد. اهمیت شرایط آب ورودی زمانی آشکار می‌شود که شما کارکرد غشاء با جریان متقابل را مورد آزمایش قرار دهید. به زبان ساده، سیستم‌های فیلتراسیون جریان متقابل، جریان درون ریز را به دو جریان برون ریز یعنی Permeate و Concentrate تقسیم و جداسازی می‌کند. Permeate آن قسمت از جریان است که از غشاء نیمه تراوا عبور می‌کند. جریان Concentrate (تلغیظ شده) دربرگیرنده آن اجزایی است که توسط غشاء پس زده شده است. اساسی‌ترین مزیت فیلتراسیون جریان متقابل، قابلیت آن برای کارکرد پیوسته و مداوم با سیستم پاکسازی خود به خود است.

اساس کار اسمز معکوس

اگر یک غشا نیمه تراوا بین دو محلول با غلظت‌های متفاوت قرار گیرد، مقداری از حلال از یک طرف غشا به طرف دیگر منتقل می‌شود. جهت طبیعی حرکت حلال به گونه‌ای است که محلول غلیظ تر رقیق می‌شود، سپس آب خالص از غشا عبور کرده و وارد آب شور می‌شود. اگر به سیستم اجازه رسیدن به تعادل داده شود، در ان صورت سطح اب نمک آن (محلول غلیظ تر) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت. این اختلاف سطح را در دو طرف غشا فشار اسمزی می‌گویند. در اسمز معکوس، آب خام (تصفیه شده) توسط پمپ به داخل محفظه‌ای که دارای غشا نیمه تراوا می‌باشد، رانده می‌شود و چون ناخالصی‌ها قادر به عبور از غشا نیستند از این‌رو در یک طرف غشا، آب تقریبا خالص و در طرف دیگر ان آب تغلیظ شده از ناخالصی‌ها وجود خواهد داشت این فرآیند برای تهیه اب اشامیدنی از آب‌هایی که حاوی املاح معدنی زیلد و ناخالصی‌های آلی می‌باشند، بسیار مناسب بوده و حتی قادر است از آب دریا با (ppm 5000 TDS) و نیز از آب‌های شور، آب آشامیدنی تهیه کند. روش اسمز معکوس قادر به جداسازی مواد غیر آلی حل شده، مواد آلی حل شده، آلاینده‌های میکروبیولوژیکی از قبیل اندوتوکسین‌ها، ویروس‌ها، باکتری‌ها و ذرات می‌باشد. به دلیل این طیف وسیع جداسازی روش اسمز معکوس یک فرآیند مهم در زمینه‌ی تیمارهای آب است. این روش به هایپرفیلتراسین (Hyper Filtration) نیز معروف می‌باشد، بدین ترتیب که با استفاده از این روش ذراتی به کوچکی یون‌ها را نیز می‌توان جدا کرد. جهت زدودن نمک‌ها و سایر ناخالصی‌های آب و بهبود رنگ، طعم و مزه می توان از این روش بهره گرفت. لازم به ذکر است که بیش از یک قن است که این تکنولوژی شناخته شده است ولی تا شصت سال اخیر یعنی تا زمانی که غشاءهای خاص توسعه نیافته بودند، این تکنولوژی گسترش چندانی پیدا نکرده بود. تکنولوژی اسمز معکوس به وفور در صنایع غذایی، تولید آب میوه‌ها، صنایع برق، قدرت، میکروالکترونیک، داروسازی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین این تکنولوژی در دفع باکتری‌ها، پیروژن‌ها و آلودگی‌های آلی بسیار موثر است. همان‌گونه که ذکر شد روش اسمز معکوس به عنوان Hyper Filtration نیز نامیده می‌شود که دقیق‌ترین و ریز ترین سیستم فیلتراسیون شناخته شده می‌باشد. این تکنولوژی از انتقال ذراتی به کوچکی یون‌های منفرد حل شده در محلول نیز جلوگیری می‌کند. سیستم اسمز معکوس قادر به جداسازی باکتری‌ها، نمک‌ها، قندها، پروتئین‌ها، ذرات، رنگ‌ها و سایر موادی است که دارای وزن مولکولی بیش از 250-150 دالتون باشند، لازم به ذکر است که جداسازی یون‌ها با اسمز معکوس به کمک ذرات باردار انجام می‌شود. این مطلب بدین معنی است که یون‌های حل شده که دارای بار می‌باشند مانند نمک‌ها، احتمال آن که توسط غشاء پس زده شوند نسبت به آن‌هایی که دارای بار نمی‌باشند مانند مواد آلی بسیار بیش‌تر است. به علت آن که سیستم اسمز معکوس در مقایسه با سایر روش‌ها در درجه حرارت پایین‌تر و با انرژی مقرون به صرفه‌ای کار می‌کند،کاربردهای فراوانی مانند نمک‌زدایی، تیمار پساب‌ها، بازیافت املاح معدنی، تغلیظ آب پنیر و سایر محصولات غذایی و مهم‌تر از همه در خالص سازی آب دارد. در سال‌های اخیر سیستم اسمز معکوس به میزان فراوان در فرآوری آب مورد نیاز جهت دیالیز در بیمارستان‌ها و جهت کارخانجات تولیدی دارویی و بهداشتی مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر این، روش اسمز معکوس قادر به تولید آبی خالص جهت استفاده در تزریق (Water For Injection) و برای آماده سازی محلول‌های پراگوارشی و پراروده‌ای است.

محاسن سیستم RO

سیستم پیوسته و مداوم 24 ساعت در شبانه روز
قابلیت دریافت ورودی با (TDS کل مواد جامد محلول) بالا (Total Dissolved Solid)
میزان بازدهی بالا در کل سیستم
نرخ بالای بازیافت آب‌های آلوده تا 98 درصد منابع ورودی بر اساس میزلن املاح و ناخالصی‌های موجود
مصرف انرژی پایین
نیاز به حداقل شستشو
جلوگیری از عبور سلیکا تا 90 درصد
سادگی فرآیند
تنها فاکتور پیچیده، کنترل آب ورودی به سیستم جهت به حداقل رساندن احتیاجات مداوم جهت پاکسازی غشاءها می‌باشد.
ظرفیت‌های تولید متعدد
پایین بودن هزینه‌ی نگهداری سیستم
عدم بکار گرفتن مواد زیان بخش برای انسان در این سیستم
مصرف پایین انرژی در سیستم
استفاده از حداقل مواد شیمیایی در سیستم اسمز معکوس
از بین بردن تمامی آلاینده‌ها از قبیل آلاینده‌های آلی، غیر آلی و میکروبی
امکان استفاده از منابع نامتناهی و قابل اطمینان یعنی آب دریاها در این سیستم
عدم تحمیل هر گونه آثار منفی به محیط زیست
پایین بودن هزینه نصب و راه اندازی سیستم
قابلیت جداسازی آلاینده‌هایی که به آب رنگ، مزه و بوی نامطلوبی می‌دهند از قبیل طعم‌های قلیایی و نمکی که بوسیله کلریدها و سولفات‌ها ایجاد می‌گردند.
قابلیت جداسازی پاتوژن فوق العاده خطرناک به نام Cryptosponolium که باعث ایجاد بیماری مهلک و خطرناک می‌شود.
تولید خالص‌ترین آب که آب تولیدی توسط این سیستم مورد تایید NASA قرار گرفته و کاملا با استانداردهای جهانی مطابقت دارد. خاصیت بسیار عالی حلالیت آن، متابولیسم را در بدن بهبود می‌بخشد و این امر باعث می شود که ایمنی بدن در مقابل عفونت‌ها افزایش یافته و باعث دفع سموم و ویروس‌ها گردد. لازم به ذکر است که نوشیدن آب حاصل از سیستم اسمز معکوس به مدت طولانی به بهبود کارکرد سیستم‌های بدن و سلامتی کمک شایانی می‌کند.
قابلیت جداسازی سمی‌ترین عناصر و مواد مضر برای سلامتی انسان از قبیل کادمیوم، سرب، سیانید، آرسنیک و فنل توسط این سیستم