بخشی از مقاله
شیرین سازی آب به روش الکترودیالیز
چکیده
روشهای مختلفی مانند روشهای حرارتی و غشایی در عملیات شیرینسازی آب استفاده میشود. به دلیل ارزش افزاینده انرﮊی، روشهای با مصرف کم انرﮊی مانند روشهای غشایی، روش های مناسبی برای شیرینسازی آب میباشند. از میان روشهای غشایی، اسمز معکوس (Reverse Osmosis, RO) و الکترودیالیز (Electrodialysis, ED) معمولترین روشها برای شیرینسازی آب میباشند. در این تحقیق شیرینسازی آب به روش ED مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته است. پیش بینی می شود که چهار عامل دما، ولتاﮊ، دبی و غلظت آب شور بیشترین تأثیر را بر روی راندمان فرآیند داشته باشند . به منظور بررسی این عوامل برای عامل دما سطوح ۵۲، ۰۴، C ۵۵، برای عامل ولتاﮊ سطوح ۵، ۷، V ۹، برای عامل دبی سطوح ۷۰/۰%، ۳۱/۰، s mlit ۲۲/ ۰ و برای عامل غلظت سطوح ۰۰۰۰۱، ۰۰۰۰۲، ppm۰۰۰۰۴ ر نظر گرفته شده است. به منظور صرفه جویی در زمان و هزینه از روش آماری طراحی آزمایش تاگوچی (آرایه (L9 استفاده و بعد از تحلیل نتایج خام آزمایش های ۹ گانه با ابزارهای آماری تأثیر هر عامل تعیین شده است. بهترین راندمان جداسازی در کمترین غلظت ppm) ۰۰۰۰۱)، بیشترین ولتاﮊ ( V ۹)، کمترین دبی ( s mlit ۷۰/۰ ) و بیشترین دما C ۵۵) به دست آمده است. عامل غلظت بیشترین تأثیر را در میزان نمک زدایی آب شور، ۴/۲۸%، و دما کمترین میزان تأثیر را، ۵/۱% دارد.
کلید واﮊه: نمکزدایی، الکترودیالیز، طراحی آزمایش، روش تاگوچی
۱- مقدمه
شیرینسازی آب به فرآیندی اطلاق می شود که در آن مواد معدنی محلول در آب از جمله نمک از منابع آبـی نظیـر آب دریـا و آب شور جدا میگردد. انتخاب روش شیرینسازی آب به عوامل مختلفـی از جملـه میـزان شـوری آب، انـرﮊی قابـل دسترسـی، کیفیت آب خروجی، ظرفیت، فرآیندهای مقدماتی و غیـره بـستگی دارد. فرآینـدهای نمـکزدایـی بـه سـه دسـته طبقـهبنـدی میشوند]۱:[
۱- فرآیندهایی که اساس آنها تغییر فیزیکی در حالت آب است (تقطیر یا انجماد). ۲- فرآیندهای غشایی RO) یا .(ED
۳- فرآیندهایی که اساس آنها عمل روی باندهای شیمیایی است (تعویض یونی).
نمک زدایی حرارتی بر اساس تغییر فیزیکی، یک فرایند ساده ولی مصرف انرﮊی بالایی دارد. در این فرایند ابتدا آب گرم شده تا به صورت بخار در آید، سپس در فرایند میعان به آب شیرین تبدیل می شود. فرایند تعویض یونی زمانی استفاده می شود که آب با غلظت نمک پایین در دسترس باشد و آب با کیفیت بالا به خصوص برای مصارف صنعتی در نظر باشد.
۲- شرح مختصری از عملکرد واحد ED
شیرینسازی آب در این تحقیق براساس روش غشایی ED مورد بررسی قرار گرفته است. در ED از آب شور تحت تأثیر ولتاﮊ جریان مستقیم به عنوان نیرو محرکه فرآیند قرار می گیرد. یک محفظه (Stack) فرآیند ED شامل تعداد زیادی سل می باشد که آب شور برای نمکزدایی به درون این سل ها پمپ میشود و یونها از طریق غشاﺀ و تحت تأثیر میدان الکتریکی موجود در سل ها جدا می گردند. برخی از غشاهای مورد استفاده رد ED ن س بت به یون های مثبت (کاتیونها) و بعضی دیگر نسبت به یون های منفی (آنیونها) نفوذپذیر هستند. در اثر عبور یونهای مثبت و منفی از غشاهای مناسب بخشهای (Compatment) غنی از یون (Concentrate) و عاری از یون (Dilute) را تشکیل میدهند. باکتریها و ذ رات غیریونی ممکن است از آب جدا نشوند، در این حالت استفاده از فرآیندهای تکمیلی برای بدست آوردن آب مطلوب ضروری است.
یک واحد الکترودیالیز شامل چند زوج سل است و الکترودها در طرفین قرار دارند. آب ورودی همزمـان از میـان فـضای مـوازی سلها عبور نموده و یک جریان پیوسته آب نمکزدایی شده و آب شور بوجود میآورد. برحسب طراحی سیستم، مـواد شـیمیایی ممکن است به جریان در محفظه اضافه شوند تا امکان رسوب جرم را کاهش دهند. پیش تصفیه آب به منظور حذف مـواد مـضر برای غشاﺀ و رفع گرفتگی کانالهای باریک در سلها لازم است. اخیراﹰ پیشرفت در تکنولوﮊی ED به صورت الکترودیالیز معکـوس (Electrodialysis Reversal, EDR) اتفاق افتاده است. فرآیند EDR شامل یک جریان معکوس آب می باشد به این صـورت که جرمها، لج ن یا لعاب و مواد مخرب باقیمانده در سلها به منظور جلوگیری از چون گرفتگی شستشو مـی دهـد. در سیـستم EDR نیاز به پیش تصفیه با مواد شیمیایی نیست و بنابراین هزینـه هـا کـاهش مـییابـد. ED یـا EDR معمـولاﹰ بـرای آبهـای آشامیدنی شور با شوری حداکثر lit mg ۰۰۰۲۱ مناسب هستند. آبهای شورتر، هزینه های این سیستم را نـسبت بـه روشـهای جداسازی دیگر افزایش می دهد ]۲.[ غشاهای EDR معمولاﹰ برای از حذف نمکهای خاص مثل نیتراتها استفاده میشـوند ]۳.[ سیستمهای ED و EDR توسط شرکت Ionics در آمریکا ساخته میشوند ]۴.[
۳- انجام آزمایشها
در این تحقیق با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی ابتدا آزمایش هایی که باید انجام شوند، توسط آرایه L9 طراحی می شود و سپس داده های حاصل از آزمایش ها تج زیه و تحلیل می شوند. تعیین اثرات اصلی عامل ها یکی از ابزار های مهم جهت ارزیابی نتایج حاصل از آزمایش ها است و می توان با آن عامل هایی را که بیشترین تاثیر را بر پاسخ دارند، شناسایی نمود و سطوح بهینه ی آن ها را جهت دستیابی به پاسخ مطلوب تعیین کرد. آنالیز واریانس هم، جهت مشخص نمودن معنی دار بودن اثرات در تحلیل های آماری به کارگرفته می شود. آنالیز واریانس نمایش دهنده این واقعیت است که تغییرات مشاهده شده در پاسخ، ناشی از تغییر سطوح عامل مورد نظر است یا این تغییرات صرفاﹰ به دلیل خطاهای تصادفی اندازه گیری ها بوجود آمده است. علاوه بر این می توان با رسم منحنی و یا تنظیم جداولی به کمک روش طراحی آزمایش، میزان تاثیر عامل ها ی مختلف را تابع هدف (در این تحقیق درصد نمک زدایی) مورد بررسی قرار داد.
برای انجام آزمایشهای یک واحد آزمایشگاهی ED شامل تانک خوراک که آب نمکدار در آن نگـه داری مـی شـود، یـک پمـپ (Motojen p=0.37KW) و سل غشایی شامل یک جفت غشاﺀ تبادل یونی (غشاﺀ کاتیونی با نـام تجـاری CR67,MK111 بـه رنگ کهربایی و غشاﺀ آنیونی با نام تج اری AR204SXR412 به رنگ زرد)، یک رکتیفـایر (RST Spastell TRED) کـه بـرق مستقیم را با ولتاﮊهای مختلف تأمین میکند، راه اندازی گردید. سطح مؤثر هر غشاﺀ لmm ۵۶ ×۰۶ است. فاصله بـین غـشاها در بخش رقیق mm ۴ و ضخامت هریک از ق سمتهای غلیظ چپ و راست mm ۳ میباشد. پتانسیل الکتریکی توسط الکترودهـا تأمین میشود. هر دو الکترود از جنس پلاتین خالص و سطح هر الکترود لmm ۲/۴×۲/۴ میباشد.
به علت عدم امکان پیش تصفیههای لازم، محلولهایی با غلظتهای متفاوت مورد نیاز انجام آزمایشها با اسـتفاده از نمـک کلـرور سدیم ساخت شرک ت مرک در آزمایشگاه تهیه شدند (لازم به ذکر است که آب شور حاوی نمکهای متفاوتی می باشـد. عملکـرد عبور یونها از غشاﺀ براساس بار و جرم مولکولی آنها، متفاوت است و از آنجا که این تفاوت، تأثیر زیادی در نتایج آزمایشها نـدارد، از نمک کلرور سدیم برای انجام مطالعات استفاده شده است ]۵.[
سل آزمایشگاهی از سه محفظه شامل محفظه وسط سل (محفظه رقیق) و دو محفظـه کنـاری (محفظـه غلـیظ) تـشکیل شـده است. کلیه ورودیها به سل از سمت پایین سل وارد میشوند و طول سل را از پایین به بالا طـی مـیکننـد و از نقـاط خروجـی تعبیه شده در بالای سل خارج میشوند. این روش عبور سیال از درون سل موجب میشود که زمان اقامـت سـیال درون محـل افزایش یابد و یونها فرصت جدا شدن از آب نمک و عبور از غشاﺀ را داشـته باشـند. نمـایی از PFD واحـد آزمایـشگاهی ED در شکل ۱ ارائه شده است.
شکل ۱- نمایی از PFD واحد آزمایشگاهی ED
سیالی که از سل وسطی خارج میشود، رقیق و شیرین شده است و به کمک هدایتسـنج، غلظـت نمـک آن تعیـین مـیشـود. سطوح عوامل مورد بررسی در این آزمایشها در جدول ۱ ارائه شده است.
جدول۱- سطوح انتخابی برای عوامل مورد بررسی در انجام آزمایشهای ED
۴- بحث و نتیجه گیری
در همه آزمایشها مقدار (Total Dissolved Solid, TDS) در آب توسط هدایت سنج ( HANA, model HI 8633, made (in Portugal اندازهگیری شدهاست. هدایت محلول آبی بطور مستقیم با غلظت نمک موجود در آن متناسب است که نمودار کالیبراسیون هدایت محلول در برابر غلظت نمک موجود در آن در شکل ۲ نمایش داده شده است.
شکل٢- منحنی کالیبراسیون هدایت سنج محلول کلرید سدیم
با استفاده از پاسخ های به دست آمده از آزمایش، نتایج آماری محاسبه شده در جدول ۲ ارائه شده است.
