دانلود مقاله نمک زدایی

بخشی از مقاله

نمك زدايي

-1. مقدمه اي بر نمك زدايي:
روش نمك زدايي آب مدت مديدي است كه توسط كشورهاي مختلف در سراسر جهان براي توليد يا افزايش ذخاير آب آشاميدني مورد بهره برداري قرار گرفته است.
همانطور كه مي دانيم روش نمك زدايي يك فرايند طبيعي و هميشگي است و بخش اساسي چرخه آب است. باران به روي زمين ريزش مي‌كند و پس از آن به سوي دريا حركت مي‌كند و در مسير حركت مواد معدني و مواد ديگر را در خود حل مي‌كند و به همين دليل بسيار شور شده است، هنگامي كه آب به اقيانوسهاي جهان مي رسد و يا در نقاط پست ديگر جمع مي شود،

بخشي از آب با انرژي خورشيد تبخير مي شود كه اين تبخير، نمك را بر جاي مي گذارد و بخارهاي موجود مجدداً به صورت باران به زمين بر مي گردد و اين چرخه ادامه دارد و آب شور در اقيانوس ها باقي مي ماند.
آغاز اين پديده (نمك زدايي) به قرن چهارم قبل از ميلادميسح، زماني كه سربازان يوناني عمل تبخير را براي تقطير آب دريا به كار مي بردند بر مي گردد.
در گذشته مردم سعي مي كردند كه آب شور را طوري عمل بياورند كه براي آشاميدن و كشاورزي قابل استفاده باشد. از كل آبهاي كره زمين، 94 درصد آن آبهاي شور اقيانوسها و درياها هستند و تنها 6 درصد آن آب خالص است كه از اين ميزان آب خالص هم 27 درصد آن به صورت كوه يخ است و تنها 73 درصد آن آبهاي زير زميني قابل استفاده مي باشد.

با آنكه آب شور براي صيد .ماهي و حمل و نقل كشتي بسيار حائز اهميت است ولي براي مصارف انساني و كشاورزي بسيار شور است، كه روش هاي نمك زدايي باعث افزايش منابع آبي قابل مصرف براي مردم جهان شده اند، امروزه تكنولوژي نمك زدايي با بيش از 50 سال تجربه روش هاي متعددي را براي اين صنعت در جهان به وجود آورده است.
شهرها، دهكده ها و كارخانجات صنعتي اكنون در بسياري از مناطق خشك و كم آب جهان جايي كه نزديك آب دريا يا آب شور مي باشد. توسعه يافته اند و با روش هاي نمك زدايي، آب مورد نياز خود را تامين مي نمايند. اين فرايند در بخش هايي از آسياي شرقي، شمال ‏آفريقا و بعضي از جزاير كاريبين جايي كه كمبود آب خالص است بسيار قابل توجه است.

امروزه آزمايشگاههاي تقطير در سراسر جهان ظرفيت توليد بيش از 6 بيليون گالون آب را در روز دارا هستند. اوج پيشرفت در زمينه نمك زدايي در سال 1940 در طول جنگ جهاني دوم، هنگامي كه بسياري از نظاميان در مناطق خشك براي سيراب كردن سربازانشان به آب نياز داشتند بود. به همين دليل پس از جنگ اين موضوع بسيار مورد اهميت قرار گرفت و در بسياري از كشورها اين روش ادامه پيدا كرد. دولت آمريكا پس از توليد و تاسيس مركز آب شور (OSW) در اوايل سال 1960 و سازمانهاي اداره تكنولوژي و تحقيق آب (OWRT) فعاليت هاي گسترده اي را در اين زمينه صورت داده است. حدود 30 سال است كه دولت آمريكا به طور فعال تحقيق و توسعه خود را در زمينه نمك زدايي انجام داده و حدود 300 ميليون دلار در اين رابطه خرج كرده است كه اين پول بيشتر براي تحقيقات اساسي و توسعه تكنولوژي هاي مختلف مصرف شده است.
در اواسط سال 1960 واحدهاي تجاري در حدود 2 ميليون گالن در هر روز در آمريكا توليد آب خالص مي كردند كه اين واحدهاي صنعتي به صورت رانش- گرما به طور عمده براي نمك زدايي آب دريا به كار مي رفتند، ولي در سال 1970، مراحل غشايي تجاري مثل الكترودياليز (ED) و اسمز معكوس (RO) در همه جا كار مي رفت.
در ابتدا، مراحل تقطير براي نمك زدايي آب شور و آب دريا به كار مي رفت ولي اين روش هم گران بود و هم در خواستهاي نمك زدايي براي اهداف شهري را محدود مي كرد. هنگامي كه ED معرفي شد، نمك زدايي آب شور را از لحاظ اقتصادي نسبت به تقطير مقرون به صرفه تر كرد و بسياري از درخواستها به آن متكي شد و در آمريكا از آن استقبال زيادي شد و از آن به عنوان وسيله اي براي تهيه آب شهري استفاده مي گرديد.

در سال 1980 تكنولوژي نمك زدايي پيشرفت بيشتري كرد و تكنولوژي تقطير از تجربيات قبلي واحدهاي صنعتي استفاده كرده و روش هاي جديدي را ارائه كرده است و در سال 1990 بود كه روش هاي جديدي براي نمك زدايي در نقاط مختلف براساس موفقيت تجاريشان توسعه يافت.

نمودار ظرفيت كل تغييرات نمك زدايي

1-1-1. پذيرش جهاني:
رشد و توسعه ممتد نمك زدايي بعد از سالها از طريق تعدادي از فهرست هاي موجود در IDA نشان داده شده است. يكي از اين فهرست ها در سال 1998 توسط كالائوس وانگينك نوشته شده است كه اين فهرست نشان مي دهد كه كل ظرفيت واحدهاي صنعتي نمك زدايي حدود 7/22 ميليون بوده و حدود 70 درصد بيشتر از گزارش سال 1990 مي باشد كه اين رشد ناگهاني را شامل مي شود. تجهيزات نمك زدايي اكنون در بيش از 100 كشور جهان به كار مي رود.

طبق فهرست موجود، 10 كشور حدود 75 درصد كل ظرفيت موجود را تشكيل مي‌دهند، بيش از نصف اين ظرفيت نمك زدايي براي آسياي شرقي و شمال آفريقا به كار مي رود.
عربستان سعودي اولين رتبه از كل ظرفيت (حدود 24 درصد ظرفيت جهان) دارا مي باشد كه بيشتر آن از واحدهاي نمك زدايي از آب دريا مي باشند. ايالت متحده آمريكا (U.S.A) رتبه دوم در كل ظرفيت، در حدود 16 درصد ظرفيت جهان را دارا مي باشد. بيشتر ظرفيت در ايالت متحده شامل واحدهاي صنعتي است كه روش اسمز معكوس (RO) براي عمل آوري آب شور به كار مي رود.

فهرستها نشان مي دهد كه ظرفيت كل جهان بيشتر از تقطير سريع چند مرحله اي و روشهاي اسمز معكوس مي‌باشد. اين دو روش حدود 86 درصد كل ظرفيت را تشكيل مي دهند، باقيمانده 13 درصد است كه روش هاي متراكم كردن بخار، ED و تاثير چندگانه تقطير را تشكيل مي دهد. در حالي كه روش هاي فرعي حدود كمتر از يك درصد را تشكيل مي دهد. براساس اين آمار، روش هاي گرمايي و غشايي تقريباً يكسان هستند.

ظرفيت تقطير به روش هاي مختلف

1-1-2. نمك زدايي چيست؟
نمك زدايي فرآيندي است براي خارج كردن نمك و مواد معدني محلول ديگر، همچنين ضايعات ديگري مثل فلزات غير قابل حل، راديونوكليدها، موادآلي و باكتريايي كه ممكن است توسط برخي روش هاي نمك زدايي جدا شوند.
به علاوه فرايند نمك زدايي براي بهبود كيفيت آب سنگين (غلظت بالاي منيزيم و كلسيم) نيز كاربرد دارد.
اساساً روش نمك زدايي آب را به دو حالت جدا مي‌كند. يكي با غلظت پايين نمك هاي حل شده (آب خالص) و ديگري باقيمانده نمك هاي حل شده (آب شور و غليظ) كه اين روش براي عمل نيازمند انرژي است و مي تواند روشهاي متفاوتي براي جداسازي به كار رود.

1-2. انوع روشهاي نمك زدايي:
اصولاً روش هاي نمك زدايي به دو دسته تقسيم مي شوند: يكي روش هاي اصلي و ديگري روش هاي فرعي. روش هاي اص

روش گرمايي شامل: تقطير سريع چند مرحله اي، تقطير با چندين واكنش و تراكم بخار مي باشد.
روش هاي غشايي: الكترودياليز و اسمز معكوس مي باشد.
روش هاي فرعي هم به سه دسته: فريز كردن (سرد كردن)، تقطير غشايي و رطوبت خورشيدي تقسيم مي شوند.

روش هاي تجاري قابل دسترسي نمك زدايي:

روشهاي گرمايي
1- روشهاي اصلي
روشهاي غشايي

2- روشهاي فرعي

1-2-1. روشهاي گرمايي:
حدود نصف آب مقطر جهان با حرارت دادن به آب دريا و تهيه آب خالص به دست مي آيد. اين روش تقطير به تقليد از همان چرخه طبيعي آب عمل مي‌كند. به اين ترتيب كه آب شور تحت حرارت قرار مي گيرد، بخار آب از آن متصاعد مي شود و بعد بخار آب جمع شده و به صورت آب مقطر تهيه مي شود. در واحدهاي صنعتي و آزمايشگاهي، براي تهيه ميزان ماكزيمم آب خالص، آب در حد نقطه جوش حرارت مي بيند. براي انجام اين كار از لحاظ اقتصادي در واحد صنعتي نمك زدايي، فشار به كار رفته آب جوش براي كنترل نقطه جوش، متعادل مي شود. به خاطر اينكه فشار جوي روي آب در سطح دريا پايين است، مثلاً بخار كه از سطح دريا به ارتفاعات بالاتر مي رود مي تواند در بالاي Mt

به جوش بيايد. آب در ارتفاع 6200 متر (200، 300 فيت) در حدود 16 ( 8/60) بيشتر از سطح دريا به جوش مي آيد. اين كاهش نقطه جوش در سطح دريا در روش تقطير به دو دليل مهم است. 1- مي توان چندين بار جوشش آب داشت و 2- مي توان كنترل جرم كرد. براي جوشيدن آب به دو حالت مهم نياز است: 1- حرارت مناسب مربوط به فشار محيطي و 2- انرژي كافي براي تبخير. وقتي آب در حد نقطه جوش حرارت مي بيند و سپس حرارت دادن قطع مي شود، آب براي جوشش مجدد به مدت زمان خيلي كوتاهي نياز دارد.

جوشش آب هم با اضافه كردن گرماي بيشتر و هم با كاهش فشار محيطي بالاي آب مجدداً ايجاد مي شود. اگر فشار محيطي كاهش يافت، حرارت آب از نقطه جوش بالاتر رفته است (به خاطر كاهش فشار)، سريع بخار آب از آن متصاعد مي شود. اگر بخار بيشتري از آب ايجاد شود و بعد با همان ميزان گرما به صورت آب خالص جمع آوري شود، بسيار بهتر و موثرتر خواهد بود.
براي كاهش ميزان انرژي مورد نياز براي تبخير، در روش نمك زدايي تقطير معمولا چندين جوشش را در لوله هاي متوالي، كه هر كدام در فشار و نقطه جوش پايين تري به جوش مي آيد را انجام مي

دهند. معمولاً 8 تن آب مقطر از 1 تن بخار تهيه مي شود. اين روش كاهش فشار محيطي كه نقطه جوش را افزايش مي دهد كم كم كمتر مي شود. در كنار چندين جوشش، عامل مهم ديگر كنترل درجه حرارت است. با وجودي كه بيشتر مواد در آب گرمتر زودتر حل مي شوند، موادي كم هستند كه در آب سرد حل مي شوند. نمك اسيد كربونيك و سولفات هايي كم در آب دريا يافت مي شوند كه يكي از مهمترين اين مواد سولفات كلسيم است (CaSO4) وقتي درجه حرارت آب دريا به 115( 203) مي رسد، حل مي شود. اين مواد جرم سختي را تشكيل مي دهند كه سطح لوله را مي

پوشاند. اين جرم مشكلات گرمايي و مكانيكي را به بار مي آورد و اگر اين جرم ها تشكيل شد، كندن آن خيلي مشكل است. يك راه براي جلوگيري از تشكيل اين جرم كنترل ميزان غلظت آب دريا و كنترل حرارت بالا در حين كار است. راه ديگر، اضافه كردن مواد شيميايي به آب دريا است كه از ته نشيني جرم جلوگيري مي‌كند و درجه حرارت را به 110 مي رساند. اين دو روش باعث شده اند كه تقطيرهاي موفقيت آميزي در سراسر جهان انجام بگيرد. روشي كه ظرفيت بيشتري در نمك زدايي از آب دريا دارد، روش تقطير سريع چند مرحله اي است كه معمولا به روش MSF شناخته شده است.
1-2-2. تقطير سريع چند مرحله اي (MSF)
در روش MSF، آب دريا در لوله اي به نام گرما دهنده آب شور، حرارت مي بيند. اين عمل معمولاً بامتراكم كردن بخار روي يك سري لوله هايي كه آب دريا درون آنهاست، انجام مي گيرد. بعد آب دريايي كه حرارت ديده درون لوله ديگري جاري مي شود، جايي كه فشار محيطي پايين تر است و آب فوراً به جوش مي آيد. ورود سريع آب داغ به حفره باعث مي شود كه آب به سرعت به جوش

آيد، كه اغلب با سرعت و به حالت انفجار به بخار تبديل مي شود. معمولا فقط درصد كمي از اين آب به بخار تبديل مي شود و اين بستگي به فشار موجود در اين مرحله دارد، چون وقتي آب سرد شد جوشش آب هم قطع مي شود. طرح تقطير آب در لوله كه با فشار پايين عمل آمده، روشي جديد نيست و حدود يك قرن است كه به كار مي رود. در سال 1950، يك واحد آزمايشگاهي MSF كه يك سري از مراحل را در فشار جوي پايين انجام مي داد، خيلي سريع توسعه يافت. در اين واحد

آزمايشگاهي، مواد معدني آب از يك مرحله به مرحله ديگر عبور مي‌كند و بدون بالا بردن درجه حرارت به سرعت به جوش مي آيد. معمولا، يك واحد آزمايشگاهي MSF مي تواند 15 تا 25 مرحله داشته باشد. با اضافه كردن مراحل، مساحت سطح هم افزايش مي يابد به علاوه هزينه هم افزايش مي يابد. بخار آب با سرعت روي لوله هاي مبادله كننده گرما كه از هر مرحله مي گذرد، با عمل متراكم كردن به آب خالص تبديل مي شود. لوله ها با وارد كردن مواد معدني آب به گرما دهنده آب شور، سرد مي شوند. در عوض مواد معدني آب، گرم مي شوند به طوري كه ميزان

انرژي مورد نياز در گرما دهنده آب شور براي بالا بردن درجه حرارت آب دريا، كاهش مي يابد. واحدهاي صنعتي تقطير سريع چند مرحله اي از سال 1950 ساخته شده اند. اين واحدها معمولا در ظرفيت هاي 4000 تا 5700 (1 تا 15 mgd) ساخته شده اند. واحدهاي صنعتي MSF معمولا بعد از گرما دهنده آب شور 90 تا 110 (194- .F230) بالاي درجه حرارت آب شور، عمل مي كنند.

يكي از عواملي كه در كارآيي روش گرمايي واحد صنعتي موثر است، تفاوت بين درجه حرارت گرما دهنده خروجي و درجه حرارت آخرين مرحله، يعني سردترين بخش واحد صنعتي مي باشد. عملكرد يك واحد صنعتي در درجه حرارت بالاتر از .C 110 (F230) كارآيي را افزايش مي دهد، ولي نيروهاي پتانسيل براي تشكيل جرم هاي مضر را هم افزايش مي دهد، ضمن اينكه باعث تخريب بيشتر سطح فلز مي شود.ه در طول 10 سال گذشته در اين زمينه ايجاد شده، افزايش اعتبار اين عمليات است، اين اعتبار از توسعه كنترل جرم، توجه و بررسي روزانه به عمليات و ساخت مواد نشأت مي گيرد. به علاوه، افزايش در اندازه واحد اصلي، باعث شده كه در ميزان هزينه سرمايه هم صرفه جويي شود. بسياري از كشورهاي عربي مثل عربستان سعودي، امارات متحده عربي و كويت براي تهيه آب مورد نياز قابل مصرف مناطق شهريشان، روش MSF را به كار مي برد.
عربستان سعودي، كويت، عمان و كشورهاي مجاور آنها، تجهيزات تحقيقاتي مهمي براي نمك زدايي آب و براي تضمين عمليات و اعتبار واحدهاي صنعتي‌شان، به كار مي برند.

شك 2 (يك صفحه land)

1-2-3. روش تقطير با چندين واكنش: (MED)
اين روش تقطير كه به روش (MED) هم شناخته شده براي تقطير صنعتي در مدت زمان طولاني كاربرد دارد. روش هاي سنتي كه در اين روش به كار مي رفت: تبخير آب شيرين از نيشكر براي تهيه شكر بود و به همين ترتيب تهيه نمك از آب شور. بعضي از واحدهاي صنعتي قديمي تقطير، روش MED را به كار مي بردند. ولي واحدهاي صنعتي MSF بخاطر مقاومت بيشتر در مقابل جرم ها، جايگزين اين رو
ش شدند. هرچند، در آغاز سال 1980، طرفداران روش MED افزايش يافتند و تعداد زيادي از طرح هاي جديد براساس، حرارت كمتر، تخريب كمتر فلز و ايجاد جرم كمتر ساخته شد. همانند روش MSF، روش MED هم در يك سري لوله صورت مي‌گيرد و هر دو مراحل تراكم و تبخير را در فشار محيط پايين در واكنش هاي مختلف دارند. اين امر باعث مي شود كه املاح معدني آب دريا بدو

ن نياز به حرارت اضافي بعد از اولين واكنش، به نقطه جوش برسند. معمولا اين طرح شامل يك لوله، مبادله كننده گرما و وسايلي براي انتقال مايعات مختلف بين واكنش ها مي باشد. طرح هاي متعددي براي سطوح مبادله كننده گرما مثل لوله هاي عمودي كه آب شور در آن جاري است و لوله هاي افقي به كار رفته است. چندين روش اضافه كردن املاح معدني به سيستم وجود دارد. اضافه كردن املاح معدني آب به بخش هاي مساوي براي واكنش هاي مختلف، خيلي معمول است. املاح معدني آب يا پخش مي شود يا در روي سطح دستگاه بخار پخش مي شود. سطوح در اولين واكنش با بخار از توربين هاي بخار واحدهاي صنعتي يا از يك دستگاه جوش حرارت مي بينند. سپس بخار روي سطح لوله سردتر متراكم ميشود. اين بخارهاي متراكم شده براي استفاده مجدد دوباره به دستگاه جوش بر مي گردند. تمامي واكنش هاي ديگر با بخار توليد شده در هر واكنش حرارت مي بيند. بخار توليد شده در اخرين واكنش در محل مبادله كننده گرما كه آخرين متراكم كننده نام

دارد، با وارد شدن آب دريا سرد شده و متراكم مي شود. فقط بخشي از آب درياي به كار رفته در سطوح انتقال گرما تبخير مي شود. املاح باقيماندة، آب در هر واكنش غليظ شده آب شور ناميده مي شود كه اغلب به حوضچه شور واكنش بعدي، جايي كه بعضي از آنها به بخار تبديل مي شوند، چاري مي شود. اين بخار هم بخشي از مراحل حرارت است. همه بخارهاي متراكم درون منبع آب خالص تهيه شده است.

در روش MED، فشار محيط در تاثيرات مختلف با سيستم خلاء حفظ مي شود. كارآيي روش گرمايي در MED بسته به تعداد واكنش هاست كه ممكن است از 8 تا 16 واكنش باشد. واحدهاي صنعتي MED معمولا در واحدهاي 2000 تا 20000 (5/0 تا 5 mgd) ساخته مي شوند. واحدهاي صنعتي جديد با درجه حرارت بالا براي اين كار ساخته شده‌اند. (حدود 158) كه جرم درون دستگاه را كم مي‌كند. همچنين گرماي اضافي سطوح انتقال كه به اندازه فيزيكي واحد صنعتي اضافه مي شود را افزايش مي دهد. در هندوستان، كاريبين، جزاير كاناري و امارات عربي بيشتر از كشورهاي ديگر روش MED را در واحدهاي صنعتي خود به كار مي برند. با وجودي كه ظرفيت واحدهاي به كار رفته روشهاي MED نسبت به ظرفيت كل جهان هنوز كم است، روز به روز تعداد آنها اضافه مي شود. واحدهاي صنعتي MED حرارت بالا و چند واكنش را در مراحل مختلف بايد داشته باشند و در مواردي كه هزينه هاي انرژي بالاست به كار مي رود. در مواردي كه هزينه هاي پايين بخار در دسترس است، هزينه هاي سرمايه MED به طور خالص كاهش مي يابد. در كاربردهاي ديگر MED، معمولا

يك چرخه تراكم گرمايي بخار به سيستم اضافه مي شود. اين مورد ميزان واكنش ها و سطح مورد نياز براي همان ظرفيت را كاهش مي دهد.

نمودار واحد صنعتي تقطير با چندين واكنش در لوله هاي افقي

1-2-1. تقطير تراكم بخار (VC) :
روش تقطير تراكم بخار (VC) معمولا در تركيب با روش هاي ديگر به كار مي رود. (مثل تركيب آن به روش MED كه توضيح داده شده) و كاربرد اين روش به تنهايي براي نمك زدايي ميزان كمي از آب دريا است. حررات براي تبخير آب بيشتر از تراكم بخار به دست مي آيد. نه از حرارت مستقيم حاصل از بخار آب جوش. واحدهاي آزمايشگاهي كه اين روش را به كار مي برند هم طوري طراحي شده اند كه با كاهش فشار نقطه جوش، حرارتشان هم پايين مي آيد و اين مزيتي براي اين روش به شمار مي آيد. سيستم خارج كننده بخار (تراكم گرمايي بخار) و دستگاه هاي فشار مكانيكي معمولا از طريق برق يا سوخت ديزل به كار مي افتند. واحدهاي VC به شكل هاي مختلفي براي توسعه مبادله حرارت به بخار آب دريا، ساخته شده اند.
نمودار دستگاه تراكم حرارتي بخار

اين طرح روش ساده اي كه يك دستگاه فشار مكانيكي براي توليد گرما به بخار به كار برده را شرح مي دهد. همه بخار با دستگاه فشار مكانيكي از آخرين مرحله واكنش بعد از تراكم، (جايي كه به طرف سرد سطح انتقال گرما است متراكم مي شود) رانده مي شود و آب دريا هم پاشيده مي شود، و يا در غير اين صورت روي آن طرف سطح انتقال گرما، جايي كه آب به جوش مي آيد و كمي تبخير مي شود پاشيده مي شود. براي اينكه دستگاه هاي فشار كم هزينه اي به كار ببريم،

افزايش فشار محدود مي شود، و بنابراين بيشتر واحدهاي صنعتي كوچكتر فقط يك مرحله دارند. در واحدهاي صنعتي بزرگتر و جديدتر، چندين مرحله بها كار مي رود. دستگاه هاي مكانيكي VC با صافي هاي كم در ظرفيت هاي بالاي 3000 (mgd8/0) ساخته مي شوند. آنها مصرف انرژي حدود 7 تا 12 دارند (26 تا ).