کارشناسی مفهوم علمی ۱۵ شهریور ۱۳۹۶ زمان خواندن: ۷ دقیقه

با روش های تصفیه و شیرین کردن آب دریا آشنا شوید

در این پست می‌خوانید:

در این پست ابتدا فناوری های مختلف شیرین کردن آب دریا را برمی شماریم سپس در ادامه روش های مختلف معمول برای شیرین سازی آب دریا را به اختصار توضیح می دهیم بنابراین با ما همراه باشید.

طی سال هاي اخیر ، هزینه تولید آب بوسیله دستگاه هاي نمک زدایی تا حد قابل توجهی کاهش یافته ، اما هزینه تولید آب به کمک آنچه تحت عنوان روش هاي سنتی نامیده می شود، افزایش پیدا کرده است.

این افزایش قیمت به واسطه بهره برداري بیش از حد از منابع زیر زمینی آب ، نفوذ نمک و افزایش آلودگی آنها بوجود آمده است .

منابع آب شیرین حاصل از رودخانه ها و منابع آب زیرزمینی محدود است و با سرعت فزاینده ای درحال تهی شدن است و زنگ خطر را در بسیاري از مناطق جهان به صدا در آورده است.

از این رو از فرآیندهاي شیرین سازي آب دریا، جهت تامین آب شیرین مورد نیاز استفاده می شود.

فناوری های شیرین کردن آب

فرآیندهاي شیرین سازي، فرآیندهایی به منظور خالص سازي آب دریا براي مصارف آشامیدنی می باشند.

یک سیستم آب شیرین کن به طور کلی آب شور را به دو جریان تقسیم می کند، یکی جریان آب خالص با درصد بسیار کمی از نمک و املاح و دیگري جریانی که حاوي نمک املاح باقیمانده می باشد.

جداسازي نمک از مخلوط آب نمک، یک فرآیند ترمودینامیکی است که نیاز به انرژي دارد، یک فرآیند ایده آل آب شیرین کن به عنوان یک فرآیند جداسازي برگشت پذیر محسوب می شود.

فناوری ھای آب شیرین کن از لحاظ تغییر فاز به دو دسته تقسیم می شوند:

فرآیندهایی که در آنها تغییر فاز صورت می گیرد که عبارتند از :

(Multi effect distillation (MED
(Multi stage flash distillation (MSF
(Vapor compression distillation (VCD

فرآیندهایی که در آنها شیرین سازي آب بدون تغییر فاز انجام می پذیرد که عبارتند از :

(Reverse osmosis (RO
(Electro dialysis (ED

کارایی هر کدام از این فرآیندها بستگی به غلظت نمک در آب تغذیه و همچنین ارزش هزینه آب دارد.

هر یک از فناوري هاي آب شیرین کن براي انجام فرآیند جداسازي به انرژي احتیاج دارند که این انرژي می تواند از طریق انرژي گرمایی ، مکانیکی یا الکتریکی تامین شود.

روش های مختلف شیرین کردن آب دریا

پنج فناوري عمده به منظور زدودن نمک و دیگر مواد جامد غیرقابل حل از آب وجود دارد که عبارتنداز:

تقطیر
اسمز معکوس
الکترودیالیز
تبادل یونی
نمک زدایی انجمادی

شیرین کردن آب دریا با روش تقطیر

اکثر راه هاي معمول نمک زدایی آب شامل فرآیندهای جوشش و تبخیر م یباشد.

در یک دستگاه تقطیر، آب به جوش می آید و بخار تولید می شود که از چگالش این بخار آب خالص تولید می شود.

تقطیر آب هنوز بهترین و مرسوم ترین روش شیرین سازی آب دریا است.

دراین فرآیند از تبخیر آب شور و چگالش آب به آب خالص میرسیم، با این تکنولوژی به خاطر اطمینان بیشتر و مصرف انرژي کمتر به طور گسترده اي طی 10 سال اخیر گسترش یافته است.

فرآیندهاي خالص سازي آب به روش تقطیر نسبت به فرآیندهاي غشایی داراي کیفیت بالاتري است.

فرآیندهاي تقطیر هنوز سهم بزرگی را در صنعت شیرین کردن آب دریا داراست.

روش تقطیر زمانی به صرفه است که بخار با انرژي حرارتی پایین به عنوان منبع اصلی انرژي در دسترس باشد.

دلایلی که هنوز روش تقطیر بهترین انتخاب براي شیرین سازي آب دریا به خصوص درایستگاه هاي قدرت می باشد به شرح زیراست:

فرآیندهاي تقطیر آب با کیفیت بالا تولید می کنند ( با باقیمانده نمک 1 تا 2 ppm ) و به شوري آب دریا بستگی ندارند در صورتی که فرآیندهاي غشایی، کاملا به ذرات جامد حل شده و ترکیب آب دریا بستگی دارند و آب با کیفیت پایین تر تولید می کنند.
انرژي مصرفی در واحدهاي تقطیر آب دریا، حرارت ورودي به وسیله بخار با سطح حرارتی پایین است که معمولاً به ارزانی در ایستگاه های توان حرارت و در خروجی توربین هاي بخار قابل دسترس است.
شیرین سازي به روش تقطیر نسبت به نوع غشایی کمتر به کیفیت آب دریا حساسیت دارند درحالی که پیش تصفیه آب دریا درمورد نوع غشایی حتما باید صورت گیرد.
هزینه هاي عملیاتی و تعمیر و نگه داري با وجود یک نیروگاه حرارتی، به طور عمومی براي تقطیر پایین تر از واحدهای غشایی است.

شیرین کردن آب دریا با روش اسمز معکوس

فرآیند غشایی به شیوه هاي فیزیکی براي جداسازي حلال از نمک هاي محلول در آن با استفاده از غشاهاي نیمه تراوا اطلاق میشود.

این فرآیندها در سالهاي اخیر پیشرفت هاي زیادي داشته است.

سابقه استفاده از غشا براي صاف کردن به اوایل قرن بیستم باز میگردد.

در دهه سوم قرن بیستم غشاها براي جداسازي، خالص سازي و یا غلیظ سازي محلول ها به ویژه سیال هاي حاوي میکرو اورگانیزم ها مورد استفاده قرارگرفت.

سیر تکاملی این پدیده با انجام پژوهش ها بر روي ساخت انواع غشاها و شناخت فرآیند در طی زمان به گونه اي ادامه یافت که درحال حاضر این فرآیند یکی از شیوه هاي اصلی شیرین سازي آب محسوب می شود.

فرآیندهاي غشایی بر اساس اندازه کوچکترین ذره که تحت تاثیر نیروي فشاري از غشا عبور می کند به نام هاي زیر نامیده میشوند.

میکرو فیلتراسیون
اولترا فیلتراسیون
نانو فیلتراسیون
اسمز معکوس

شناخت پدیده اسمز معکوس نیازمند شناسایی خاصیت اسمزي است.

به طور کلی انتقال جرم از یک محیط به محیط دیگر در اثر اختلاف غلظت یا به عبارت دیگر در اثر اختلاف پتانسیل شیمیایی به وجود می آید.

به عنوان مثال ظرف آبی را درنظر بگیرید که یک قطعه بلور نمک طعام به درون آن انداخته می شود.

در بخشی از ظرف که بلور نمک وجود دارد غلظت نمک زیاد و غلظت آب ناچیز است و در بخش دیگر ظرف غلظت نمک صفر و غلظت آب بسیار زیاد است.

در اثر اختلاف غلظت مولکول هاي بلور نمک، نفوذ به بخش دیگر را که آب است آغاز می نماید و از سوي دیگر مولکول هاي آب نیز به بخش بلور نمک نفوذ میکند.

این عمل تا یکسان شدن غلظت آب و نمک در دو بخش ادامه می یابد.

خاصیت اسمزي به عبور یک حلال از بخش محلول رقیق به بخش محلول غلیظ از درون یک غشاء نیمه تراوا گفته میشود.

تئوري اسمز معکوس با یک مثال در زیر آمده است.

در ظرف سمت چپ شکل 1، یک لوله در آب غوطه ور شده است همان طور که میبینید سطح آب داخل لوله و بیرون آن برابر است.

در شکل میانی لوله دهانه غوطه ور را با یک غشاء نیمه تراوا می پوشانیم و داخل آن را آبشور میریزیم، پس از چند لحظه سطح آب داخل لوله به علت حرکت آب شیرین به سمت آب شور براي ایجاد تعادل بالا می رود.

این عمل را خاصیت اسمزي و ارتفاع آب داخل لوله را برابر فشار اسمز می نامند.

شکل 1- شماتیک عملکرد روش اسمز معکوس

برخی از کاربردھای روش اسمز معکوس

تهیه و تولید آب شرب از آب هاي شور (مصارف شرب)
تهیه و تولید آب مورد نیاز جهت رشد سریع دام و طیور
تامین و تولید مناسب جهت مصارف کشاورزي، گلخانه اي
تامین و تولید آب کارخانه هاي داروسازي و لوازم بهداشتی
تامین و تولید آب کارخانه هاي پتروشیمی، نساجی، کاغذسازي و رنگسازي
تولید آب مصرفی نیروگاه هاي بخار و سیکل ترکیبی
تامین و تولید آب دستگاه هاي دیالیز بیمارستان ها
بازیافت پسابهاي صنعتی

شیرین کردن آب دریا با روش الکترودیالیز

فرآیند الکترودیالیز بصورت تجاري از اوایل دهه 60 به بازار عرضه شد.

طراحی و ساخت سیستم الکترودیالیز راه موثري براي کاهش هزینه در فرآیند نمک زدایی آب هاي کم نمک ابداع کرد و در این زمینه موفقیت قابل ملاحظه اي بدست آورد.

فرآیند الکترودیالیز به اصول کلی زیر بستگی دارد :

اکثر نمک هاي محلول در آب، به شکل یون بوده و بصورت مثبت ( کاتیون ) یا منفی ( آنیون ) باردار میگردند.
آنیونها بوسیله بار الکتریکی مخالف الکترود، جذب آنان می شوند.
غشاها را می توان طوري ساخت که بصورت انتخاب شده عبور آنیون ها یا کاتیون ها را امکان پذیر کنند.

اجزاء محلول شده یونی در یک محلول نمکی مثل سدیم + ، کلر – ، کلسیم + و کربنات – در آب توزیع و بخش می گردند و بطور موثر بارهاي منفرد خود را خنثی میکنند.

وقتی الکترودها به یک منبع جریان مستقیم مثل باطري متصل میگردند، در داخل یک ظرف حاوي محلول آب نمک قرار گرفته ، جریان الکتریکی از میان محلول ( الکترولیت ) عبور میکند.

در این حالت یون ها سعی می کنند به سمت الکترود با بار مخالف حرکت کنند.