بخشی از مقاله
چکیده
پساب خروجی از واحدهای شیرین سازی آب، جریانی از آب نمک غلیظ میباشد که وارد شدن آن به آب دریا میتواند یک شوک نمکی و یا گرمایی در منطقه ریزش ایجاد نماید. این شوک نمکی برای آبزیان منطقه ریزش قابل تحمل نیست و لذا ریختن این آب نمک غلیظ، از لحاظ محیط زیستی میتواند اثرات مخربی را بر اکوسیستم دریاها داشته باشد. یکی از راههایی که میتواند باعث جلوگیری از ریزش مستقیم این آب نمک شور به دریا باشد ، تولید نمک و آب شیرین از این آب نمک غلیظ؛ به عنوان دو فرآورده مفید؛ میباشد.
در این تحقیق فرآیند تصفیه پساب خروجی از واحد شیرین سازی آب مورد بررسی قرار گرفته است و سپس تولید نمک طعام به روش تبلور با استفاده از پساب تصفیه شده بررسی شده است. مهمترین بخش تصفیه شیمیایی حذف عناصر سختی زا نظیر کلسیم و منیزیم از آب نمک و بالا بردن درجه خلوص نمک تولیدی میباشد. جهت حذف سختی کل، سولفات آهن، کلرید آهن و سولفات آلومینیم یا آلوم به عنوان لخته کننده ترکیبات مناسبی می باشند که از بین آنها سولفات آهن مناسب تر است و میزان حذف سختی کل را به 99 درصد می رساند. به منظور کاهش بار کریستالیزور خوراک این واحدها باید تا حد امکان غلیظ باشد. لذا در قسمت دوم طرح یک دستگاه تغلیظ کننده آب نمک تصفیه شده مورد مطالعه قرار گرفته است.
-1مقدمه
فرآیندهای تأمین منابع آب از طریق روشهای نمک زدایی از آب دریا، همواره تولید پسابی با غلظت نمک بالا میکند. این شورآب غلیظ از طریق روشهای غشایی قابل تصفیه مجدد نیست و همچنین استفاده از روشهای گرمایشی نیز به دلیل مصرف سوخت بالا مقرون به صرفه نیست. به همین دلیل این آب شور غلیظ معمولاً به محیط زیست برگشت داده می شود.
مهمترین نگرانی محیط زیست از واحدهای شیرین سازی آب نیز پساب خروجی از این واحدها میباشد که با ورود به دریا به دلیل وجود یون های معدنی در آنها یک شوک نمکی و یا حرارتی در منطقه ریزش ایجاد می کند. این شوک نمکی برای آبزیان و موجودات ریز قابل تحمل نیست و لذا ریختن این آب نمک غلیظ، از لحاظ محیط زیستی میتواند اثرات مخربی را بر اکوسیستم دریاها داشته باشد. یکی از این اکوسیستمها، گیاهان هستند که مقادیر عظیمی از اکسیژن و مواد آلی را تأمین میکنند و همچنین در تعادل رسوبات با تشکیل موانع صخرهای دریایی که باعث حفظ پایداری ساحلی و حفاظت از فرسایش سواحل می شوند، شرکت میکنند.
همچنین تخلیه این پساب خروجی به خاک های نفوذپذیر منطقه، بر کیفیت آب های زیر زمینی تأثیر می گذارد و باعث آلودگی آب چاه نزدیک به واحد نمک زدایی می شود. با توجه به اینکه آب نقش مهمی در تنظیم فرایند های طبیعی و حفاظت از محیط زیست در برابر هرگونه تغییرات ناگهانی دارد و با توجه به اینکه اغلب واکنشهای شیمیایی در آب انجام می شود، بنابراین جلوگیری از آلودگی منابع آب و محیط زیست با استفاده از راهکارهای مناسب تصفیه فاضلاب و استفاده مجدد از پساب واحدهای فرایندی دیگر می تواند نقش مهمی در کاهش آلودگی های زیست محیطی ایفا کند.
در سالهای اخیر، مطالعاتی در زمینه تصفیه این شورآب صورت گرفته وکارخانه هایی شکل گرفته اند که از شورآب خروجی واحد های شیرین سازی آب بتوان نمک و انرژی الکتریکی را همزمان تولید نمود.
همچنین در پژوهش دیگری روی واحد های نمک زدایی متشکل از تقطیر چند منظوره و تراکم مکانیکی بخار، روزانه تا 100 متر مکعب آب شیرین و نمک خشک می توان تولید کرد.
یا در فرایند ترکیبی دیگر متشکل از یک فرایند غشایی و یک فرایند تقطیر غلظت نمک در شورآب افزایش یافته و برای مرحله تولید بلور آماده می شود. با استفاده از این فرایند ترکیبی، غشاهای فیبر تو خالی سطح تماس مناسبی را برای تقطیر آماده می سازند. بنابراین این عملیات در دماهای پایین 40 تا 50 درجه سانتیگراد نیز قابل انجام است و انرژی مصرفی این فرایند را کاهش می دهد.
از جنبه دیگر و با توجه به پدیده گازهای گلخانه ای در سالهای اخیر، اهمیت آب و لزوم توجه به این مایع حیاتی بیش از هر زمانی باید مورد توجه قرار گیرد. از راهکارهای مقابله با کمبود منابع آبی می توان به استفاده مجدد از شورآب و پسابهای صنعتی در بسیاری از موارد اشاره کرد. لذا تصفیه شورآب خروجی از واحد های شیرین سازی آب باید صورت گیرد و از آن به عنوان یک منبع آب پایدار استفاده شود.
-2نا خالصی های آب نمک
حذف ناخالصیهای موجود در آب نمک غلیظ خروجی از واحدهای آب شیرین کن، سبب خلوص نمک تولیدی میشود که به ارزش آن افزوده میشود. این ناخالصیها شامل بیکربناتها ، کلریدها و ترکیبات فلزات کلسیم ، منیزیم ، آهن و آلومینیم میباشند.
از آنجایی که در میان این ناخالصیها، سولفات کلسیم و سولفات منیزیم از مهمترین ناخالصی های موجود در آب نمک غلیظ خروجی از واحد آب شیرین کن میباشند و همچنین به مقدار زیادتری نسبت به ناخالصیهای دیگر موجود میباشد، حذف این دو ناخالصی موجود در آب نمک از اهمیت بیشتری برخوردار است که بخش تصفیه شیمیایی در واحدهای شیرین سازی آب برای حذف همین ناخالصیها به کار گرفته می شود.
-3فرآیند تولید نمک و آب شیرین
این فرآیند در دو مرحله برای تولید آب شیرین و نمک کریستالی طراحی شده است. ابتدا آب نمک غلیظ خروجی از واحدهای شیرین سازی آب که دارای مقدار زیادی ناخالصی میباشد، توسط دو راکتور همزن دار در فرآیند تصفیه شیمیایی ، تصفیه شده و سپس آب نمک غلیظ تصفیه شده به سمت چرخه تراکم بخار هدایت میشود.
به منظور کاهش بار دستگاههای کریستالیزور میبایست خوراک این واحدها تا حد امکان غلیظ باشد. لذا در این قسمت از فرآیند یک دستگاه تغلیظ کننده آب نمک تصفیه شده مورد مطالعه و بررسی قرار میگیرد.
-3-1فرآیند تصفیه شیمیایی آب نمک
هدف از تصفیه شیمایی آب نمک غلیظ خروجی از پساب های آب شیرین کن ، حذف ناخالصیهایی است که عمدهترین آنها کلسیم و منیزیم میباشد.اصولاً برای تصفیه آب نمک غلیظ روشهایی وجود دارد که از جمله این روشها می توان به فرآیند ته نشین کردن و جداسازی ناخالصیها نام برد. جداسازی این مواد طی فرآیند مذکور توسط دو راکتور همزن دار و یک جداکننده صورت میگیرد. نمودار ساده طرح سیستم فرآیند تصفیه آب نمک در شکل - 1 - نشان داده شده است. جریان خروجی از این بخش حدود 7 درصد نمک و عاری از یونهای تشکیل دهنده سختی خواهد بود.
ابتدا آب نمک غلیظ خروجی از واحدهای آب شیرین کن به عنوان خوراک اصلی به رکتور اول وارد میشود. اولین قدم جهت حذف و جدا کردن منیزیم و کلسیم استفاده از هیدروکسید سدیم و کربنات سدیم جهت رسوب دادن آنها میباشد.[7] که با اضافه کردن این مواد به راکتور اول واکنشهای زیر صورت میگیرد.
در این مرحله با تزریق هیدروکسید سدیم و کربنات سدیم و اختلاط توسط همزن، انعقاد و چسبندگی مولکولی ذرات اتفاق می افتد. با توجه به اینکه واکنشها به صورت آنی صورت میگیرد ، سرعت واکنش ها بسیار بالا است. در واکنش - 1 - که جهت حذف کلسیم صورت میگیرد، با اضافه نمودن کربنات سدیم، یون کربنات وارد آب گردیده و سپس کربنات کلسیم تولید میگردد. همچنین در واکنش - 2 - که جهت حذف منیزیم صورت میگیرد، با اضافه نمودن هیدرواکسید سدیم، رسوب هیدرواکسید منیزیم تولید میشود.
شکل :1 نمودار جریانی عملیات تصفیه شیمیایی پساب شور
-3-2مرحله لخته سازی
در راکتور همزن دار دوم، فرآیند لخته سازی انجام می شود. پس از فرآیند ته نشینی و حذف سختی پساب، عملیات مربوط به لخته سازی مواد ریز موجود در محلول آب نمک غلیظ و خالص سازی آب نمک، طی مرحلهای در یک راکتور همزن دار صورت میگیرد. جدا شدن ذرات ریز کلوئیدی به زمان طولانی نیاز دارد، بنابراین از مواد لخته کننده شیمیایی برای بزرگ کردن ذرات و کاهش زمان ته نشینی استفاده میکنند.
مواد لخته ساز را به مقدار لازم و کافی به پساب اضافه میکنند تا ذرات کوچک، سبک و غیرقابل ته نشینی به ذرات بزرگتر و سنگین تر تبدیل شده و به آسانی ته نشین شوند . در فرآیند تصفیه شیمیایی آب نمک غلیظ، با اضافه نمودن کربنات سدیم و هیدرواکسید سدیم طی واکنشهای صورت گرفته در راکتور اول ، ذرات ریز و جامدات موجود بر اثر این واکنش و دیگر مواد جامد موجود در محلول آب نمک غلیظ همراه با محلول آب نمک غلیظ، وارد راکتور دوم میشوند که در اینجا با اضافه نمودن مواد لخته کننده، این مواد ته نشین میشوند. در انتخاب مواد لخته ساز باید شرایط و ویژگیهای لازم طبق استانداردهای جهانی در نظر گرفته شود. مواد لخته کننده باید دارای ویژگیهای زیر باشد:
- دارای قدرت انعقاد زیاد
- عدم ایجاد مسمومیت در آب
- مقرون به صرفه از نظر اقتصادی
حذف سختی کل جریان شورآب، علاوه بر مقدار هیدرواکسید سدیم و کربنات سدیم اضافه شده و سرعت اختلاط در راکتور اول، همچنین به میزان ماده لخته ساز افزوده شده در راکتور دوم نیز وابسته است. از جمله مواد لخته کننده می توان به سولفات آهن، کلرید آهن و سولفات آلومینیم - آلوم - اشاره کرد که در مقایسه با ترکیبات دیگر هزینه مناسب تری دارند.[8] این مواد می توانند به صورت جداگانه یا ترکیبی جهت لخته سازی استفاده شوند.
سرعت اختلاط در راکتور اول در شکسته شدن کمپلکس های لخته ساز و انعقاد آنها با عناصر سختی آب مؤثرتر از سرعت در راکتور دوم می باشد. بنابراین شرایط عملیاتی در راکتور اول مهم تر است. با توجه به اینکه در راکتور دوم به دلیل ایجاد لخته های درشت تر باید اختلاط با سرعت کمتر نسبت به راکتور اول صورت گیرد، ولی زمان اختلاط بیشتر از راکتور اول در نظر گرفته می شود. به طور کلی یافتن زمان وسرعت در انعقاد و لخته سازی با توجه به نمونه آب صورت می گیرد.
مواد لخته ساز بعد از انحلال در آب یونیزه شده و یون های آزاد شده به علت داشتن بار الکتریکی مثبت ، بار منفی ذرات معلق در آب را خنثی کرده و رسوب میدهند. این مواد با قلیاییت موجود در آب، تولید هیدرو اکسید آلومینیم یا هیدرواکسید آهن میکند - بسته به اینکه کدام ترکیب لخته ساز اضافه شود - که خود هسته مرکزی تجمع ذرات می باشند و سبب تولید ذرات درشت تر میشوند.
هرچند چگالی بار الکتریکی سولفات آلومینیم و سولفات آهن برابر می باشند، اما چون جرم مولکولی سولفات آهن از سولفات آلومینیم بیشتر است لذا تمایل سولفات آهن به حذف سختی کل از لخته کننده های دیگر بیشتر است. به طوریکه در صورت استفاده از سولفات آهن میزان حذف سختی کل تا 99 درصد نیز می تواند افزایش یابد. همچنین جرم مولکولی و چگالی بار الکتریکی کلرید آهن در مقایسه با دو لخته کننده دیگر ذکر شده کمتر است.
واکنش های شیمیایی زیر در مرحله لخته سازی برای هر یک از لخته کننده ها به صورت زیر است.
پس از ته نشینی مواد ریز جامد موجود در محلول آب نمک غلیظ ، از یک جدا کننده استفاده می شود که محلول آب نمک غلیظ را از مواد جامد و ته نشین شده جدا میکند و آب نمک غلیظ به صورت خالص و تصفیه شده وارد چرخه تبخیر میشود.
-3-3 تولید نمک و آب شیرین در سیستم چرخه تراکم بخار
این بخش از فرآیند شامل یک تبخیر کننده، یک کریستالیزور، یک متراکم کننده ، و یک سانتریفیوژ میباشد که جهت تولید آب شیرین و نمک خالص کریستال طراحی شده است.
نمودار جریانی ساده شده یک سیستم چرخه تراکم بخار در شکل - 2 - نشان داده شده است. محلول آب نمک غلیظ پس از واحد تصفیه شیمیایی به صورت خالص وارد چرخه مجدد بین کریستالیزور و تبخیر کننده میشود. غلیظترین محلول در کریستالیزور باقی میماند که در اینجا کریستالهای نمک تشکیل میشوند. نمک این کریستالها پس از خروج از کریستالیزور ، به سمت سانتریفیوژ هدایت میشود تا در اینجا توسط این دستگاه آبگیری شود. سپس کریستال شده و به سمت خشک کن هدایت میشود و محلول خروجی به چرخه مجدد قبل از ورود به تبخیر کننده میپیوندد. بخار تولید شده از قسمت بالای کریستالیزور خارج میشود و در جهت متراکم کننده هدایت میشود. که در اینجا فشار و درجه حرارت افزایش مییابد.
این بخار بیش از حد گرم شده و به تبخیر کننده ارسال میشود که در اینجا متراکم شده و جهت استفاده از انرژی گرمایی آن به تبخیر کننده فرستاده می شود که در آنجا برای غلیظ کردن محلول آب نمک مورد استفاده قرار میگیرد.
شکل :2 نمودار جریانی چرخه تراکم بخار
غلظت نمک خروجی از تبخیر کننده در این فرآیند تقریباً 20 درصد میباشد که به عنوان غلیظترین محلول وارد کریستالیزور میشود. فرآیند تبخیر قبل از ورود به کریستالیزور ، به منظور کاهش بار دستگاههای کریستالیزور صورت میگیرد. زیرا خوراک این واحدها باید تا حد امکان غلیظ باشد تا کریستالیزور بازده بالاتری در فرآیند تولید نمک کریستالی داشته باشد. در این فرآیند از بخار تولیدی دستگاه کریستالیزور میتوان به عنوان یک منبع انرژی مجدد برای دستگاه تبخیر کننده و تغلیظ کننده آب نمک تصفیه شده استفاده نمود.
-4 نتیجه گیری
با استفاده از فرآیند تولید نمک از پسابهای خروجی واحدهای شیرین سازی آب میتوان از ریزش مستقیم این آب نمک شور به دریاها و اثرات مخرب این پدیده بر اکوسیستم دریاها و اقیانوسها جلوگیری کرد.
برای تصفیه و کاهش سختی این جریان پساب شور یعنی ترکیبات کلسیم و منیزیم از هیدرواکسید سدیم و کربنات سدیم استفاده میشود.
