بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روشهاي شيرين سازي آب دريا (مطالعه موردي جزيره خارگ )
چکيده
بخش عمده اي از سطح زمين را آب فرا گرفته است . نزديک به ٩٧ درصد اين آب ها شور و غير قابل نوشيدن هستند و باقي مانده نيز بخشي به صورت يخ زده و غير قابل مصرف در قطب ها و بر فراز قله کوه ها وجود دارد. به همين دليل نزديک به يک پنجم جمعيت جهان از کمبود آب آشاميدني رنج مي برد. يکي از گزينه هاي مطرح براي مقابله با اين بحران ، شيرين کردن آب درياها و نمک زدايي از آنهاست که راه حلي گران و پرهزينه است و به مقدار قابل توجهي انرژي نياز دارد. در نتيجه ، با توجه به تلاش کشورها براي کاستن از مصرف انرژي و بحث گرمايش زمين ، ادامه دادن به طرح هاي شيرين سازي آب درياها با استفاده از روش هاي سنتي ، توجيه چنداني ندارد. فناوري هاي شيرين سازي آب دريا را ميتوان به دو گروه کلي تبخيري و فيلتري تقسيم نمود. در فناوري هاي تبخيري به کمک انرژي حاصل از بخار توليد شده در واحد بويلر، آب مقطر توليد ميشود و در مراحل بعد نيز املاح مورد نياز آب به آن اضافه ميشود. در فرايندهاي فيلتري جريان آب به کمک پمپ از ميان فيلترهاي ويژه عبور ميکند تا املاح زائد همراه آب گرفته شود و در نهايت با تنظيم املاح ، آب آشاميدني توليد ميگردد. آب شيرين کن هاي تبخيري به انرژي هاي فسيلي و واحدهاي فيلتري به انرژي الکتريکي نياز دارند. کشورهايي که انرژي الکتريکي ارزان تر و ساده تر دارند از واحدهاي فيلتري (ايالات متحده ) و کشورهايي که منابع انرژي فسيلي ارزان و فراوان دارند از روش هاي تبخيري استفاده ميکنند. (امارت متحده عربي )
واژه هاي کليدي : آب شيرين کن ، اسمز معکوس ، الکترودياليز، شيرين سازي آب دريا، نمک زدايي
مقدمه
در طول نيم قرن گذشته نياز به آب با کيفيت مناسب به سرعت افزايش يافته است . فناوري هاي شيرين سازي گزينه مناسبي براي پيوند فاصله بين ظرفيت آب موجود و نياز رو به رشد آب هستند. رشد فزاينده مصرف آب در بخشهاي خانگي و صنعتي هزينه بالاي شيرين سازي آب دريا، افزايش تقاضا در استفاده از محصولات با کيفيت متنوع ، روند رو به کاهش منابع طبيعي آب شيرين و گسترش استفاده از انواع سيستم هاي شيرين سازي ، بيترديد نيازمند اتخاذ تصميم هاي اساسي جهت انتخاب بهينه فرآيند آب شيرين کن ميباشد. تصميم گيري جهت به کار بردن مناسب ترين سيستم آب شيرين کن بستگي به پارامترهاي متعددي از جمله شرايط ويژه محلي ، پايين بودن هزينه هاي سرمايه گذاري ، سهولت عمليات و قابليت اعتماد بالا به سيستم ، دارد. در حالي که کمبود آب شيرين و قابل دسترسي در جهان به چالش جدي تبديل شده ، روند استفاده از دانش فني ، تکنولوژي روز و ساز و کارهاي اقتصادي جهت شيرين سازي آب در ايران بدون برنامه و به کندي پيش مي رود و ٢٠ درصد از ٦٠ درصد شيرين سازي آب سهم عربستان مي باشد. اما همچنان در کشورمان که با چالش هاي متعدد کمبود آب روبه رو است به اين راهکار به طور تاثيرگذار نگريسته نمي شود تا همچنان شاهد برداشت بي رويه از ذخاير زيرزميني آب کشور و شکسته شدن رکورد آن با ٢٧ برابر برداشت مجاز نسبت به ميزان استاندارد در کشور باشيم .
وضعيت آب و هوايي ايران
ايران به دليل قرار گرفتن ٨٩.٧ درصد از وسعتش در قلمرو سرزمين هاي خشک ، دچار تنگناها و دشواري هاي طبيعي است . از جمله اينکه ضريب انحراف تغييرات سالانه آب سطحي آن از ميانگين بسيار زياد بوده ، دوره هاي خشکسالي طولاني و غير قابل پيش بيني داشته و استعداد تبخير و تعرقش از متوسط جهاني به طرز محسوسي بالاتر است . چنين ويژگي هايي سبب شد تا ميانگين دريافت هاي آسماني اين کشور در حدود يک سوم ريزش هاي سالانه جهاني باشد و از ديرباز، فزوني يا کمبود آن نقش کليدي در دوام يا فناي تمدن ها و آباد بوم هاي ايران ايفا کرده است [١].
تجربه هاي موفق بين المللي
از بزرگترين واحد تبخيري جهان با ظرفيت ٤٥٠٠٠٠ مترمکعب در روز در عربستان سعودي نصب شده است و بزرگترين واحد فيلتري جهان با ظرفيت ٣٠٠٠٠٠ مترمکعب در روز، در سرزمين هاي اشغالي فلسطين نصب شده است .
واحدهاي فيلتري عمدتا در کشورهايي مورد استقاده قرار ميگيرند که توليد برق به کمک منابعي غير از انرژي فسيلي نيز به صورت گسترده صورت ميگيرد. کشورهاي حاشيه خليج فارس نيز عمدتا به صورت مستقيم براي توليد آب از منابع سوخت فسيلي استفاده نميکنند بلکه از اين واحدها در کنار نيروگاه هاي بخاري يا سيکل ترکيبي استفاده ميکنند زيرا بخار خروجي از اين واحدها، در واحدهاي شيرين سازي قابل استفاده است . بررسي هاي کارشناسي اثبات ميکند که تجميع واحدهاي توليدي باعث کاهش هزينه توليد خواهد شد. اين موضوع در مورد توليد آب شيرين نيز صدق ميکند[١]. در کشور ما بزرگترين واحد نمک زدايي با ظرفيت اسمي ١٥ هزار مترمکعب در روز در چابهار نصب شده است (حدود يک سي ام بزرگ ترين واحد در عربستان سعودي ). اين در حاليست که بخشي از نياز استان هرمزگان به آب شرب ، توسط ١٧ دستگاه آب شيرين کن تأمين ميشود.
تعريف نمک زدايي
نمک زدايي عبارت است از اعمال چندين مرحله متفاوت روي آب شور يا بد مزه جهت زدودن نمک اضافي و بقيه مواد معدني از آن و يا به طور کلي تر نمک زدايي شامل زدودن نمک ها و مواد معدني است . آب به گونه اي به آب شيرين برگردانده ميشود که جهت مصرف يا آبياري مناسب باشد. بيشترين توجه در نمک زدايي بر روي راه هاي مؤثرتر تهيه آب شيرين متمرکز شده است و البته براي استفاده بشر و در نواحي که در آنجا دسترسي به آب محدود است [٤].
اساسا تاسيسات نمک زدايي، آب شور را به دو جريان تقسيم مي نمايند. يکي با غلظت پايين از نمک هاي محلول (جريان آب شيرين ) و ديگري حاوي نمک هاي محلول باقيمانده (جريان شور يا تغليظ شده )، اين تاسيسات براي راهبري به انرژي نياز دارند. درطبيعت غشاها نقش مهمي در جدا سازي نمک ها ايفا مي کنند که شامل فرآيندهاي الکترودياليز و نيز اسمزي است که در بدن اتفاق مي افتد غشاها در دو فرايند مهم تجاري نمک زاديي، الکترودياليز و اسمز معکوس استفاده مي شوند. هر فرآيند از توانايي غشاها در جدا سازي نمک ها و آب بطور انتخابي و متفاوت استفاده مي کند. گرچه غشاها بطور متفاوت در هر کدام از اين فرآيندها استفاده مي شوند.
الکترودياليز از پتانسيل الکتريکي در حذف نمک ها به طور انتخابي ازميان غشا استفاده مي کند و آب نمک باقيمانده همان آب محصول است . در فرايند اسمز معکوس از فشار براي جداسازي به وسيله اجازه دادن عبورآب نسبتا خالص ازغشا و باقيماندن نمک ها در پشت غشا استفاده مي شود هر دو اين پديده ها توسط دانشمندان از ابتداي قرن حاضر ابداع شده اند اما نوع تجاري آن براي نمک زدايي آب براي اهداف شهري فقط در ٣٠ سال گذشته استفاده شده است .
تئوري اسمز واسمز معکوس
اگر يک غشا نيمه تراوا بين دو محلول با غلظتهاي متفاوت مثل آب شور و شيرين قرار گيرد مقداري از آب شيرين از غشا عبور کرده و به سمت آب شور تراوش مي کند تا محلول را رقيق تر نمايد. اين پديده را اسمز (شکل ٢) مي گويند.
نيمه تراوا به غشايي اطلاق مي شود که براي برخي از اجزاء محلول تراوا و براي برخي ديگر غير تراوا باشد. بر اساس قاعده طبيعي سيستم به سمتي مي رود که تعادل غلظت در دو طرفه برقرار باشد و تنها را ممکن براي رسيدن به چنين سيستمي عبور آب از غشا از سمت محلول رقيق به سمت محلول غليظ است . در اثر اين جريان، محلول غليظ نسبت به محلول رقيق اختلاف سطح پيدا مي کند و اين جريان تا زماني که پيش مي رود که فشار ناشي از اختلاف سطح پديده ي اسمز را متوقف کند. به اين فشار، فشار اسمزي مي گويند. از آنجايي که غشا نسبتا به نمک نا تراوا است در صورتي که نيرو يا فشار بر قسمت محلول غليظ وارد شود؛ جهت جريان آب، بر عکس پديده اسمز از محلول غليظ به سمت محلول رقيق خواهد بود که به آن اسمز معکوس (شکل ١) مي گوييم [٥].
در عمل جهت توليد پيوسته آب شيرين با اين روش يک پمپ فشار بالا (H.P.P) آب خام ورودي را تحت فشار و بطور مداوم به سمت RO وارد مي کند. سيستم RO شامل محفظه ي فشار که حاوي ممبران ها هستند و آب خام را به دو جريان Permeate و Concentrate تقسيم مي کند. جريان Permeate آب تصفيه شده يا محصول بوده و Concentrate آب تغليظ شده است . عملکرد غشا بر حسب فشار و درجه تفکيک تعريف مي شود. فشار مقدار آب خالص بر واحد سطح غشا و درجه تفکيک تغيير نسبي در غلظت از جريان محلول خوراک به جريان آب خالص است .
که در آن SR درصد درجه تفکيک ،CF مقدار نمک در آب خام و CP مقدار نمک در آب خالص است . درصد عبور نمک طبق فرمول زير تعريف مي شود.
مقدار فشار آب تقريبا متناسب با فشار موثر وارد بر غشا است و مقدار فشار نمک از طرف ديگر متناسب با اختلاف غلظت نمک بوده و مستقل از فشار وارده بر غشا عمل مي کند بنابراين بالا بردن فشار کاري ، مقدار آب خالص را بدون تغييري در مقدا نمک حاصله افزايش مي دهد. معمولا مقدار فشار آب خالص و مقدار نمک در عمل همواره کمتر از مقادير آنها بر حسب تئوري مي باشند، بدليل پديده پلاريزاسيون غلظت و گرفتگي غشاها مقدار فشار آب خالص و درصد عبور نمک در عمل همواره کمتر از مقادير آنها بر حسب تئوري مي باشد. و علت آن عبور آب از داخل غشا که همواره لايه هاي روي سطح غشا تشکيل مي دهد. در بعضي از موارد غلظت نمک موجود در اين لايه ها بيش از غلظت نمک در محلول مي شود.
اين پديده پلاريزاسيون غلظت نام دارد و نهايتا به گرفتگي کلوئيدي منجر مي شود[٤].
مزاياي سيستم اسمز معکوس (RO) براي نمک زدايي
از مزاياي اين سيستم مي توان به ارزان بودن ، ساخت سريع و بهره برداري آسان اشاره کرد. بخش هاي معدودي دارد و عمدتا از مواد پلاستيکي با دوام و غير فلزي استفاده مي شود. تنها مشکل عمده ، پيش تصفيه آب ورودي به منظور جلوگيري از گرفتگي غشاها است ، سيستم مي تواند در محدوده ي وسيعي از جريان کار کند. ظرفيت سيستم را مي توان بعدها در صورت لزوم با افزودن مدول هاي اضافي افزايش داد. نيازي به تغيير فاز وجود ندارد و سر و صداي توليدي به مراتب پايين است . انرژي مورد نياز تنها به صورت الکتريکي است و مقدار آن در مقايسه با ديگر سيستم ها پايين مي باشد.
توانايي حذف ساير آلاينده هاي در آب را به مانند نمک دارا مي باشد. ميزان مصرف مواد شيميايي براي شستشو کم مي باشد. به علت طراحي مدول وار تاسيسات نيازي به توقف کل تاسيسات براي برنامه شستشو و نگهداري نيست و راه اندازي و توقف تاسيسات مدت زمان طولاني در بر نمي گيرد[٥].
معايب کاربرد اسمز معکوس (RO) براي نمک زدايي
غشا RO گرانقيمت ترين بخش اين فرايند است و عمر مفيدي برابر با ٢ تا ٥ سال دارد (البته با راهبري بسيار عالي تا ٨ سال نيز گزارش شده است ). در صورتي که تاسيسات از آب دريا استفاده کنند در شرايط طوفاني واحد مي تواند از مدار خارج شود، شرايط طوفاني باعث معلق شدن مجدد ذرات گشته و ميزان جامدات معلق در آب را افزايش مي دهد.
استاندارد کيفي بالايي براي مواد و تجهيزات مورد استفاده در تاسيسات لازم است همچنين لازم است تا ليست وسيعي از قطعات يدکي در انبار نگهداري شود. مخصوصا فيلتر هاي ٥ ميکروني که بدليل عدم قابليت شستشو، نياز به تعويض دارند که عمر آنها با توجه به کيفيت آب ورودي و پيش تصفيه مناسب بين ٢٠ الي ٢٥ روز مي باشد. امکان آلودگي باکتريايي وجود دارد، اين آلودگي در جريان پساب باقي مي ماند. اما رشد باکتريها روي غشاها خود مي تواند باعث طعم وبوي آب محصول شود. اکثريت مشکلات سيستم RO ناشي از پيش تصفيه نامناسب آب ورودي است . پيش تصفيه آب ورودي به منظور حذف ذرات و در نتيجه افزايش عمر غشا لازم است . پيش تصفيه دقيق آب ورودي مخصوصا در صورت تغيير کيفيت آب ورودي لازم است . تاسيسات درفشار بالا راهبري مي شوند و بعضي اوقات مشکلاتي مانند خرابي مکانيکي تجهيزات به علت فشار بالا پيش مي آيد، به عنوان مثال اين فشار بالا در تجهيزات خارگ باعث شکسته شدن شيرهاي پلاستيکي مي شود، براي رهايي از اين مشکلات از شير هاي استيل استفاده مي کنند. هر پمپ فشار بالا وظيفه ي تغذيه تعدادي از مدول ها را دارد که در صورت خرابي يکي از مدول ها و مسدود شدن آن، پمپ خاموش مي گردد، چرا که فشار روي ديگر مدول ها افزايش مي يابد و باعث خرابي غشاهاي ديگر مي شود[٥].
معرفي الکترودياليز
الکترودياليز با علامت مخفف ED نشان داده مي شود. يک فرايند جداسازي غشايي مي باشد که درآن از اختلاف پتانسيل الکتريکي به عنوان نيروي محرکه جهت انتقال يون ها استفاده مي شود. در اين سيستم از غشاهاي پليمري حاوي رزين هاي تبادل يوني استفاده مي گردد. اين رزين ها بر روي پارچه هايي پليمري مانند پلي اتيلن پوشش داده شده اند.
پرده هاي کاتيوني نسبت به کاتيون ها تراوا مي باشند و آنيون ها فقط مي توانند از غشاهاي آنيوني عبور نمايند. فضاي بين دو غشاي غير همنام سل ناميده مي شود. در سيستم هاي پيشرفته دستگاه الکترودياليز به شيوه اي طراحي و بهره برداري مي گردد که در حدود هر ١٥ دقيقه يک مرتبه قطب کاتد و آند جابجا مي شوند و به طور اتوماتيک از رسوب روي الکترودها و گرفتگي غشاها کاسته مي شود. غشاها توسط جدا کننده هاي پليمري از يکديگر مجزا مي شوند به طور معمول ضخامت اين توري ها در فضاي بين غشاها نيم ميلي متر و در کنار الکترودها يک ميلي متر مي باشد[٤]. در شکل زير نحوه عملکرد دستگاه الکترودياليز بصورت ساده نشان داده شده است .
