بخشی از مقاله
چکیده
رشد روز افزون جمعیت و قرار گرفتن کشور ایران در کمربند خشک و نیمهخشک جهان، مردم این سرزمین پهناور را با مسأله کمبود آب مواجه ساخته است. بهترین راهکار در شرایط حاضر ارائه راهکارهای نوین در مبحث مدیریت منابع آب است. شیرین سازی آب دریا، یک استراتژی کلیدی برای تضمین تولید آب شیرین در مناطق خشک و ساحلی است، که تا حد زیادی با توجه به هزینههای بالای این فرآیند که مربوط به انرژی زیاد آن و هزینه تجهیزات وابسته به فشار سیستم، یا رسوب غشایی آن است، بینتیجه باقی مانده استاخیراً. نانوفیلتراسیون - NF - ، بهعنوان یک مؤلفه کلیدی بهمنظور کاهش هزینههای مربوط به فشار و رسوب، در فرآیند شیرینسازی بهکار رفته است.
فرآیندهای شیرینسازی آب دریا با هزینه کمتر، با تلفیق NF با انواع مختلف فنآوریهای شیرینسازی از جمله روش اسمز معکوس - RO - ، الکترودیالیز - ED - ، تبخیر ناگهانی چند مرحلهای - MSF - ، تبخیر چند مرحلهای - MED - ، تقطیر غشایی - MD - و تبادل یونی - IX - توسعه داده شده است. در این مقاله، سعی در بررسی پیشرفتهای اخیر در توسعه کاهش هزینههای فرآیندهای شیرینسازی آب دریا با استفاده از فنآوریهای NF و ارائه دیدگاههای آینده برای فنآوریهای NF را داریم. برای نمونه فرآیند NF-RO کاهش قابل توجه % 30 را در هزینههای شیرینسازی آب نشان داد؛ همچنین سیستم HIX-NF توانست %50 در مصرف انرژی نسبت به سیستم RO صرفهجویی کند.
کلمات کلیدی: نانوفیلتراسیون، کاهش هزینه، شیرین سازی آب دریا، فرآیندهای تلفیقی.
مقدمه
تنها در حدود 0/5% از کل آب جهانی بهصورت آب شیرین موجود است؛ در حالی که آب دریا در مجموع حدود %97 آنراتشکیل میدهد. حدود %41 از جمعیت جهان در مناطق خشک زندگی میکنند. بنابراین، کمبود آب شیرین یک مشکل جهانی شده است. صرفنظر از تفاوتهای آشکار منطقهای توزیع مکانی آب و نزولات جوی و طیف گسترده مناطق خشک در کشور، پیشبینیهای متوسط سرانه آب کشور در سالهای آینده، به مفهوم ورود ایران به مرحله تنش آبی و کمآبی خواهد بود. یکی از گزینههای مطرح برای مقابله با این بحران، شیرین کردن آب دریاهاست که راهحلی گران و پرهزینه است و بهمقدار قابل توجهیانرژی نیاز دارد.
اگرچه، تلاشهای زیادی برای بهبود بهرهوری و کاهش مصرف انرژی تکنولوژی شیرینسازی انجام یافته، اما اجرای جهانی شیرینسازی آب دریا هنوز بهخاطر هزینه های عملیاتی بالای آن که بهخاطر فشار سیستمی و مصرف انرژی بالا و رسوب یون دوظرفیتی است، بینتیجه مانده است . - 23 - در نتیجه قبل از آنکه شیرینسازی آب دریا بتواند بهعنوان روش کارآمد در حل بحران کنونی آب معرفی شود، متخصصان باید بر مشکلات و موانعی که این روش را هزینهبر و ناکارآمد میکنند، غلبه یابند. در حال حاضر یکی از موضوعات جدید برای تحقیقات در شیرینسازی، تمرکز بر روی بیشتر کردن راندمان انرژی و کاهش هزینهها میباشد. التایی و همکاران - 2011 - عملکرد فرآیند شیرینسازی NF-NF را با نرم افزار شبیهسازی ROSA بررسی کردند.
در شوری آب ورودی 35000 میلیگرم بر لیتر، TDS نفوذی و انرژی مصرفی سیستم NF90-NF90 به ترتیب 254 میلیگرم بر لیتر و 3/35 کیلووات برمترمکعب بود . - 10 - چن و همکاران - 2005 - فرآیند شیرینسازی تلفیقی RO-NF را برای افزایش کلی بازیابی آب پیشنهاد کردند. در این فرآیند، وقتیکه آب نفوذی به RO برگشت داده شود، آب غلیظ تولیدی بهوسیله فرآیند RO، بهوسیله فرآیند NF بیشتر نمکزدایی میشود. در نتیجه %71 بازیافت آب، هزینه تولید آب 0/57 دلار بر مترمکعب شد، که 20/06% کمتر از فرآیند RO تکمرحلهای است - . - 11 همچنین در مقایسه با فرآیند RO دومرحلهای، فرآیندRO-NF صرفهجویی بیشتری در هزینه سرمایه گذاری و انرژی الکتریکی میکند . - 12 -
در تحقیقی در سال 1390 توسط عبدالمجیدی و همکاران هزینه شیرینسازی آب دریای خزر به روش اسمز معکوس، با استفاده از مدل ارزیابی اقتصادی شیرینسازی DEEP4 بررسی شد و نتایج نشان داد که هزینه تولید یک مترمکعب آب شیرین در سایتی با ظرفیت 280000مترمکعب بر روز و شوری بین 12000 تا 13000 میلیگرم بر لیتر، حدود 0/77 دلار میباشد . - 6 - تحقیقات جدید نشاندهندهاین مطلب است که هزینه روشهای تبخیری به علت وسعت بالای آنها و هزینههای روش اسمز معکوس بهعلت تکنولوژی جدید در روشهای ممبران به سرعت رو به کاهش است . - 16 -
با توجه به اینکه هزینههای شیرینسازی آب دریا بر حسب نوع فناوری و منطقه مورد بررسی متغیر میباشد، بنابراین دقت و حساسیت بالایی در انتخاب تکنولوژی مناسب برای توسعه در مبحث شیرینسازی آب دریا باید لحاظ شود.
بههمین دلیل توسعه فناوریهای متناسب با شرایط کشور برای پیشبرد و استفاده عملی از نتایج طرح الزامی میباشد. بدین منظور در این مقاله سعی بر این است که با تکیه بر اطلاعات پژوهشی و تحقیقات موجود در زمینه شیرینسازی، نقش فرآیندهای ترکیبی، به منظور انتخاب بهترین روشهای کم هزینه برای شیرینسازی آب شور معرفی شود. در ادامه، پس از معرفی فرآیندهای متداول شیرین-سازی، مبحث تلفیق فناوری نانو در صنعت شیرینسازی در دو بخش غشایی و حرارتی پی گرفته میشود؛
تلفیق NF با فرآیندهای شیرینسازی بر پایه غشایی
فرآیندهای شیرینسازی NF دو مرحلهای فرآیندهای شیرینسازی تلفیقی NF و RO
فرآیندهای شیرینسازی تلفیقی NF و ED
تلفیق NF با فرآیندهای شیرینسازی بر پایه حرارتی
فرآیندهای شیرینسازی تلفیقی NF و MSF فرآیندهای شیرینسازی تلفیقیNF و MED
فرآیندهای شیرینسازی تلفیقی NF و MD/MC
تلفیقNF با فرآیندهای تبادل یونی
مواد و روشها
فرآیندهای متداول شیرینسازی
حذف نمک و یونهای گوناگون معدنی از آب شور برای تولید آب سالم را شیرینسازی گویند. فرآیند شیرینسازی از اوایل دههی 80 میلادی رونق پیدا کرد. شیرینسازی یک ابزار فنی است برای افزایش منابع آب شیرین، چه در مناطقی که منابع آب محدود است و یا در مناطقی که منابع آب آنها شور یا لب شور است . - 1 - در حالت کلی روشهای شیرینسازی به دو دسته تقسیم میشوند: الف - روشهای حرارتی - توأم با تغییر فاز - ب - روشهای غشایی - بدون تغییر فاز - . کارایی هر کدام از این فرآیندها بستگی به غلظت نمک در آب تغذیه و همچنین ارزش هزینه آب دارد.در عملیات حرارتی ابتدا آب را میجوشانند و پس از دوباره متراکم و سرد کردن بخار، آب حاصل نسبتاً خالی از نمک و املاح میباشد.
روشهای حرارتی نسبت به روشهای غشایی به انرژی بیشتری نیاز دارند اما اگر از گرمای تلف شده در نیروگاهها - جاهایی که تولید همزمان توان وآب دارند - برای تبخیر آب استفاده شود روشهای حرارتی مقرون به صرفه میشود.فرآیند غشایی به شیوههای فیزیکی برای جداسازی حلال ازنمکهای محلول در آن، با استفاده از غشاهای نیمهتراوا اطلاق میشود. عدم تغییر فاز در طول فرآیند جداسازی موجب میشود که جداسازی با صرف انرژی کمتری صورت گیرد. این فرآیند در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی داشته است. سیر تکاملی این پدیده با انجام پژوهشها بر روی ساخت انواع غشاها درطی زمان به گونهای ادامه یافت که درحال حاضر این فرآیند یکی از شیوههای اصلی شیرینسازی آب محسوب میشود . - 7 - فرآیندهای حرارتی و غشایی، که برای شیرینسازی آب دریا توسعه یافتند، شامل تبخیر ناگهانی چندمرحلهای - MSF - ، تبخیر چندمرحلهای - MED - ، اسمز معکوس - RO - و ... میباشند.
روش تبخیرناگهانی چند مرحلهای
تبخیر ناگهانی چندمرحلهای - MSF - تکنولوژی شیرینسازی حرارتی ساده، با کاربرد آسان، توسعه یافته، قابل اعتماد و قوی است و مدت طولانی است که بهطور گسترده در کشورهای حومه خلیج فارس بهکار میرود. حدود 44 درصد شوری زدایی آب دنیا توسط این روش صورت میگیرد. در منطقه خلیج فارس، برای استفاده بهتر از انرژی سوخت،معمولاً دستگاههای
