مقاله کاربرد تکنولوژی اسمز معکوس در تصفیه آب

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه یکی از نیازهای اساسی زندگی انسان، نیاز به آب است. با توجه به استفاده بیرویه از آب، این نعمت الهی رو به پایان است و انسان در آیندهای نه چندان دور با کمبود آب مواجه خواهند شد. از آن جایی که نیاز بشر به آب به سرعت در حال افزایش است و منابع آب شیرین موجود نمیتوانند همه نیازها را برآورده سازند، استفاده از آبهای نامتعارف برای جلوگیری بحران آب ضروری است. یکی از روشهای نوین تصفیه آب که امروزه در اکثر نقاط جهان رو به گسترش است و قادر است حدود استانداردهای جدید تعیین شده را تامین نماید، تکنولوژی اسمز معکوس است.

اسمز معکوس یکی از فرایندهای غشایی است و برای نمکزدایی آبهای شور، حذف ترکیبات آلی طبیعی، کنترل تشکیل ترکیبات جانبی ناشی از گندزدایی، حذف آلایندههای خاص و نرمسازی آب به کار میرود. در این روش از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمهتراوا استفاده میشود. روش اسمز معکوس دارای چهار فرآیند مهم پیش تصفیه ، تنظیم فشار، جداسازی غشائی و پس تصفیه میباشد.

پایین بودن هزینه نصب و نگهداری و راهاندازی سیستم، از بین بردن تمامی آلایندهها از قبیل آلایندههای آلی، غیر آلی و میکروبی از مزایای این روش هستند. با این حال یکی از مشکلات عمده در استفاده از این روش، گرفتگی غشاهاست که دلیل اصلی آن پیشتصفیه نامناسب است. بسیاری از غشاهای مورد استفاده در فرآیند اسمز معکوس، غشاهای کامپوزیتی لایه نازک میباشند که از دو لایه نازک - معمولاً از جنس پلیآمید - به عنوان لایه جداکننده و یک زیر لایه متخلخل - معمولاً از جنس پلی سولفون و پلی اتر سولفون - به عنوان لایه تراوا تشکیل شدهاند. در این مطالعه به بررسی تکنولوژی اسمز معکوس جهت تصفیه آب پرداخته شده است.

-1مقدمه

یکی از روشهای نوین تصفیه آب که امروزه در اکثر نقاط جهان رو به گسترش است و قادر است حدود استانداردهای جدید تعیین شده را تامین نماید، استفاده از فرآیندهای غشایی است. در بین این فرآیندها به خصوص روش اسمز معکوس به طور قابل ملاحضهای در حذف آلودگی آب موثر است. در هر صنعتی که به جداسازی مواد حل شده از حلال آن نیاز باشد، فناوری تصفیه آب اسمز معکوس متداول شده است.

در صنعت از اسمز معکوس برای تولید آب با خلوص بالا و تصفیه پساب صنعتی استفاده میشود. بیشترین موفقیت فناوری اسمز معکوس، به دلیل صرفه اقتصادی و سادگی کار با آن است.[1] این روش در مقایسه با دیگر روشهای حذف نمک،نسبتاً ارزان و ساده است و همچنین این روش نیاز به انرژی زیاد و مصرف حجم زیادی از اسید و باز مانند روشهای تقطیر و سامانههای تبادل یونی ندارد.[1]

با توجه به قابلیتهای بالای سیستم اسمز معکوس در مقایسه با سایر روشهای معمول تصفیه آب، امروزه از این سیستمها بطور گستردهای در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاههای حرارتی، صنایع فولاد، تولید آب مورد نیاز صنایع داروسازی و تولید مواد آرایشی و بهداشتی استفاده میشود.[2] از این رو فرایند اسمز معکوس در سالهای اخیر در تصفیه آب بسیار کاربرد یافته به طوریکه به عنوان تکنولوژی قرن 21 شناخته شده است.

علیرغم نیاز این روش به نیروی متخصص و کنترل و نگهداری ویژه و همچنین مصرف بالای برق که در مسائل اقتصادی در صنعت نقش به سزایی ایفا میکند، به دلیل راندمان بالای حذف TDS و نیترات، کاربرد این روش افزایش یافته است.[3] اسمز معکوس فرایندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمهتراوا استفاده میشود23]، 24 و .[ 25 اگر یک غشای نیمهتراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونه طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایینتر به غلظت بالاتر جریان مییابد23]، 24 و .[25 این پدیده تا هنگامی که پتانسیلهای شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت.

در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختﻻف فشار اسمزی است23]، 24 و .[25 اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظتر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتیکه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید23]، 24 و .[25 در این روش آب با فشار از میان غشایی گذرانده میشود که آلودگی را فیلتر میکند23]، 24 و .[25 نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی میماند که به عنوان آب پسمانده دور ریخته میشود23]، 24 و .[25 سیستمهای اسمز معکوس با کارآیی بالا از فشارهای در حد یک میلیون پاسکال استفاده میکنند .[1]

در واقع اسمز معکوس یک فرآیند فیزیکی جداسازی است که در این فرآیند محصول و جریان آب تغلیظ شده تقسیم میشود.[1] طی این فرآیند آب خام - تصفیه نشده - توسط پمپ به داخل محفظهای که دارای غشا نیمه تراوا میباشد، رانده میشود. طبق مطالعات انجام شده سیستم اسمز معکوس به طور عمده قادر به حذف 99 درصد تمامی املاح موجود در آب، 95-97 درصد ترکیبات آلی و بیش از 98 درصد مواد کلوئیدی میباشد.[1]

تحقیقات در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا توسط رید و بوترن با تشریح خاصیت نمکزدایی ممبرین استات سلولز آغاز شد.[4] گسترش تکنولوژی اسمز معکوس توسط لوب و سوریرجان با ایجاد نخستین ممبرین استات سلولز نامتقارن ادامه پیدا کرد. تحقیق در مورد این پیشرفت منجر به ایجاد پیکربندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس گردید.[4] بطوریکه این صنعتاکثراً اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر تو خالی را تولید میکند.

در اوایل 1980 تحقیق و بررسی در لابراتورهای دولتی امریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلیآمید مرکب شد. این ممبرینهاعمدتاً نسبت به ممبرینهای سلولزیک، از جریان تراوش و نمکزدایی بالایی برخوردارند.[4] از اولین آزمایشاتی که در سال 1950 انجام شد که طی آن در هر ساعت چند قطره آب تولید میشد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 17/1 گالن در هر روز رسیده است.[4]

تحقیقات انجام شده حاکی از آن است که 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 به هایپراسین - hyper - filtration نیز معروف میباشد.[4] لذا با استفاده از این روش ذراتی به کوچکی یونها را نیز میتوان جدا نمود این فرآیند به کاربرد آن در نمکزدایی معروف است، اما از دهه 1970 از این فرآیند در جهت تصفیه آب تازه برای موارد استفاده پزشکی، صنعتی و خانگی نیز استفاده شده است.[4]

نتایج حاصل از پژوهشی که توسط غلامی و همکاران در سال - 1387 - به منظور ارزیابی عملکرد غشای اسمزی در حذف کروم از پساب صنایع با هدف جلوگیری از ورود کروم و خطرات زیستمحیطی ناشی از آن نشان داد که روش اسمز معکوس در مقایسه با سایر روشها، از راندمان بالاتری جهت حذف کروم برخوردار است و روش مذکور میتواند در مقیاس میدانی بعنوان یک گزینه موثر بکار گرفته شود.[5] در تحقیقی که توسط شرکت کالیگان در سال 1977 صورت گرفت، از دستگاه اسمز معکوس جهت نیتراتزدایی آب شهر کانزاس استفاده شد. با استفاده از این دستگاه سطح نیترات به مقدار قابل توجهی کاهش یافت.[4]

کلیفورد در سال 1978، جهت حذف نیترات از روشهای تبادل یونی و اسمز معکوس استفاده نمود. با استفاده از این دو روش، سطح نیترات به 10 mg/l کاهش یافت.[4] نتایج حاصل از آزمایشات صورت گرفته توسط پیرصاحب و همکاران - - 1388 بر روی یکی از چاههای آب آشامیدنی مشهد به منظور حذف نیترات از آب آشامیدنی نشان داد، میانگین نیترات آب تصفیه شده در سیستم اسمز معکوس به مراتب کمتر از مقادیر استاندارد - 50 mg/l - است و راندمان حذف نیترات توسط این سیستم حدود 91 درصد بدست آمده است.[6]

غفاری و افخمی - 1389 - کارایی واحد اسمز معکوس پالایشگاه اصفهان در تصفیه پسابهای صنعتی بررسی کردند. نتایج نشان داد که بهبود شرایط واحد اسمز معکوس پالایشگاه اصفهان تابع شرایطی چون افزایش تعداد فلاشینگ در روز و تغییر ماده منعقد کننده falfoc6201 با ماده PC- 307 و تزریق ماده بایوسایدPC-11 شرکت نالکو بوده است. این موارد باعث کاهش تعداد شستشوی غشاها و کاهش گرفتگی بیولوژیکی گردیده است.[7] اطلسی و همکاران - 1391 - کارایی سیستم اسمز معکوس در حذف نیترات از آب آشامیدنی و کشاورزی را بررسی کردند.

نتایج نشان دهنده کاهش راندمان حذف از 96 درصد به 91 درصد به ازای افزایش غلظتهای مختلف نیترات و افزایش راندمان حذف برای یک غلظت مشخص شوری در صورت افزایش غلظت نیترات بود و همچنین برای غلظتهای بالای 100 میلیگرم بر لیتر نیترات در شوریهای بالاتر از 1000 میلیگرم بر لیتر، در صورت عبور دو بار از غشا سیستم اسمز معکوس موجود، آب مناسب برای شرب تولید خواهد شد.[8]

محدوده اندازه جداسازی ذرات در فیلترهای اسمز معکوس 0/0001 تا 0/003 میکرومتر میباشد23]، 24 و .[25 راندمان حذف جامدات محلول در این سیستم بیش از 99 درصد میباشد23]، 24 و .[25 علی آبادی و قنبری - 1392 - طراحی سیستم اسمز معکوس و سیستم دفع پساب آن در واحد تولید سوخت مایع از لحاظ اقتصادی ارزیابی کردند.

نتایج حاصل از این تحقیق نشان میدهد با توجه به بازدهی بالای سیستم اسمز معکوس و سهولت نصب آن در مناطق کم آب، هزینه تولید آب جهت استفاده مجدد در واحد تولید سوخت مورد نظر بهمراه سیستم دفع پساب از نوع تزریق در چاه عمیق هزینهی کمتری نسبت به سیستم دفع پساب از نوع حوضچه تبخیری دارد و جهت استفاده در قسمت تصفیه پساب واحد تولید سوخت مایع پیشنهاد میگردد.[9]

در دهه اخیر پیشرفت فنآوری باعث کاهش هزینه عملکرد واحدهای اسمز معکوس شده است. در حال حاضر غشاها دارای گذردهی بالاتر آب، ممانعت بیشتر از عبور نمک، ارزانتر و طول عمر طولانیتری میباشند.[10] عبدالمجیدی و همکاران - 1390 - شیرینسازی آب دریای خزر به روش اسمز معکوس جهت مصرف شرب استان گلستان از لحاظ اقتصادی ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که قیمت تمام شدهی تولید یک متر مکعب آب شیرین در سایتی با ظرفیت 280000 متر مکعب بر روز، 0/77 دلار بر متر مکعب میباشد.