انواع روشهای تصفیه آب

• تصفیه آب به روش سیستم تبادل یونی
فرایند تبادل یونی یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است، که در آن فاز سیال در تماس با فاز جامد جاذب قرار می‌گیرد. طی این تماس برخی از اجزای موجود در فاز سیال جذب فاز جامد شده و از سیال جدا می‌گردند. فرایند تبادل یونی فرایندی برگشت پذیر است که طی آن یون های خارجی موجود در آب جذب گروه های عاملی قرار گرفته بر روی شبکه پلیمری (فاز جامد) می‌گردند و بدین ترتیب آب عاری از هرگونه ناخالصی یونی حاصل می‌گردد.
پس از اشباع شدن گروه های عاملی، سیستم تحت عملیات بازیابی و شستشوی شیمیایی قرار گرفته و مجدداً مورد استفاده قرار می‌گیرد.
از سیستم های تبادل یونی به دو منظور سختی گیری و همچنین تولید آب با خلوص بالاتر استفاده می شود که به طور جداگانه در ذیل اشاره می گردد.

الف) سیستم های تبادل یونی به عنوان سختی گیر آب مورد نیاز صنعت به لحاظ استاندارد با آب مورد نیاز شرب بسیار متفاوت می‌‌باشد.
نکته‌‌ای که در آب مورد نیاز اکثر صنایع حائز اهمیت می‌‌باشد، حذف املاحی است که می توانند در صورت فراهم آمدن شرایط رسوب نمایند.
یکی از بیشترین مصارف آب در صنعت تولید بخار می‌‌باشد که در صورت وجود عوامل رسوب کننده در آب می‌‌توانند باعث کاهش عمر این تاسیسات گردند.
این عوامل رسوب کننده بیشتر با عنوان سختی شناخته می‌‌شوند. در تعریف علمی کلیه کاتیون های با ظرفیت الکتریکی بیشتر از یک را سختی گویند. لذا در اکثر صنایع فقط حذف سختی آب مد نظر می‌‌باشد که هزینه آن نسبت به حذف کل یون های آب بسیار پایین تر می باشد.
در این میان سیستم های تبادل کننده یونی خاصی برای این منظور تولید شده اند که به رزین های پایه سدیمی معروفند.
در واقع این رزین ها، سختی آب مانند یون های کلسیم، منیزیم و... را جذب کرده و به جای آن سدیم آزاد می نمایند.
توجه شود که در این روش جمع کل آنیون ها و کاتیون های آب ثابت می ماند و فقط نوع یون ها عوض می شوند. محدودیت این روش این است که برای TDS های بالای ۱۰۰۰جوابگو نمی باشند و باید از روش های دیگری استفاده شود. احیاء این سختی گیرها به وسیله محلول آب و نمک می باشد.

ب)سیستم های تبادل یونی برای تولید آب با درجه خلوص بالا از دیگر رزین های استفاده شده در صنعت تصفیه آب رزین های سیکل اسیدی و بازی هستند که در گذشته در محدوده بسیار وسیع تری استفاده می شدند.
در واقع این روش می تواند نیاز صنایع به آب فوق خالص را مرتفع سازد این رزین ها به دو نوع قوی و ضعیف تقسیم می شوند و می توانند در آرایش های مختلفی قرار گرفته و آب فوق خالص تولید نمایند.
امروزه از این روش در خروجی آب تصفیه شده توسط RO به منظور تولید آب با EC<0.2 استفاده می شود.

• دامنه کاربرد تکنولوژی تبادل یونی عبارت است از:
o تولید آب بدون یون (Demineralization)
o حذف سختی آب
o حذف کاتیون های خارجی از آب
o حذف قلیائیت
o بازیابی مجدد آب در صنایع فلزی
o حذف نیترات و سولفات
o بازیابی و یا جداسازی مواد دارویی
o بازیابی فلزات با ارزش در صنایع فلزی

• تصفیه آب به روش سیستم نانو فیلتراسیون :
در همه روش های پیشرفته تصفیه آب مهمترین هدف تصفیه، حذف املاح محلول در آب می باشد ولی نکته مهمی که وجود دارد این است که برای کاربردهای مختلف، آب با درجه خلوص متفاوتی مورد نیاز می باشد برای مثال در صنعت داروسازی و یا تولید سوخت هسته ای آب مورد نیاز، آب فوق خالص (Ultra Pure) می باشد لذا طبیعی است برای تولید آب با درجه خلوص بیشتر باید هزینه بیشتری صرف شود، ولی برای برخی دیگر از کاربردها آب با خلوص بسیار زیاد مورد نیاز نمی باشد.
برای مثال آب استفاده شده در برج های خنک کننده (Cooling Tower ) باید صرفاً از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد.
در چنین کاربردهایی می توان از سیستم‌ هایی با درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود.
یکی از این روش های تصفیه مرسوم در دنیا، روش نانو فیلتراسیون می باشد.
یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند.
نانوفیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون مزایای ویژه‌ای دارد، از جمله آن ‌که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آب حاصله بیشتر از حد معمول است که پیامد آن افزایش قیمت این روش است.
از دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از: حذف نمک‌های چند ظرفیتی (از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کشها)، امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع، از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها، حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان، از بین بردن اثرات مخرب زیست محیطی، حذف کدورت، سختی و شوری آب، پایین بودن هزینه تصفیه و در مجموع همانگونه که اشاره شد عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط زیست و انسان.

• تصفیه آب به روش EDI :
همچنان که در مطالب قبلی نیز قید شد یکی از مهمترین نیازهای صنایع مادر : مانند صنعت هسته ‌‌ای، صنعت داروسازی، صنعت قطعات نیمه رسانا و .... داشتن آبی با خلوص بسیار زیاد می‌‌باشد.
برای تولید چنین آب ‌‌هایی ابتدا آب خام بسته به غلظت املاح موجود در آن توسط یکی از روش‌‌ های پیشرفته مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، EDR و یا تقطیر مورد تصفیه قرار می‌‌گیرد.
خروجی چنین تصفیه‌‌ هایی آبی با خلوص بالای µs/cm 25 می‌‌باشد و هنوز با استاندارد آب فوق خالص فاصله دارد.
لذا آب خروجی در یکی از سیستم‌‌های تبادل یونی یاEDI مورد تصفیه مجدد قرار می ‌‌گیرد تا آب با خلوص بسیار بالا را تولید نماید.
معایب سیستم ‌‌های رزینی مصرف زیاد مواد شیمیایی جهت احیاء و همچنین اشغال فضای زیاد با توجه به حجم آب تولیدی می‌‌باشد.
سیستم EDI ترکیبی از فرآیند تبادل یونی و فیلتراسیون غشایی می‌‌باشد که خروجی آن آبی بدون املاح و با هدایت الکتریکی کمتر از µs/cm 2/0 است.
در سیستم EDI نیز املاح از طریق فرآیند تبادل یونی از آب جدا می شوند. با این تفاوت که ممبرین‌‌ها به طور پیوسته با جریان برق احیاء می‌‌شوند که این امر نیاز به استفاده از مواد شیمیایی جهت احیاء ممبرین ‌‌ها را از بین می برد.
هر واحد EDI متشکل از تعدادی سلول است که بین دو الکترود قرار گرفته اند.

• تصفیه آب به روش (EDR (Electro dialysis Reverse:
کلمه Dialysis در لغت به معنی جدا کردن مواد از یک محلول می باشد و روش EDR در واقع بیانگر جدا کردن املاح از آب با استفاده از انرژی برق می‌‌باشد.
در این روش با استفاده از جریان برق DC و همچنین غشاهای آنیونی و کاتیونی، عملیات جداسازی املاح از آب صورت می ‌‌پذیرد.
کلمه Reverse در انتهای این روش بدین معنی می باشد که در اثر عبور آب از ممبرین ‌‌های سیستم، یکسری از املاح بر روی ممبرِین‌‌ ها رسوب می‌ نمایند.
در روش های سنتی که به ED معروف بود از تزریق اسید و آنتی اسکالانت و اسید سولفوریک برای جلوگیری از رسوب استفاده می ‌‌شد ولی در این روش به ازای حدوداً هر ۱۵ دقیقه کار سیستم، پلاریته سیستم یا همان جای قطب‌‌های مثبت و منفی تعویض می‌‌گردد و املاح رسوب کرده بر روی سیستم از آن جدا می‌‌شوند.
نکته‌‌ ای که در مورد روش EDR قابل توجه می باشد این است که در هر مرحله از تصفیه تنها ۵۰% از املاح می ‌‌تواند دفع گردد لذا برای رسیدن به خلوص بالاتر باید آب در چندین مرحله تصفیه شود.
روش EDR بیشتر برای تولید آب شرب در دنیا استفاده می شود.
از آنجایی که TDS مناسب آب شرب بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ می‌‌باشد وTDSخروجی این روش بالاتر از۱۰۰ می‌باشد، این روش بهترین روش تولید آب شرب در حجم‌‌ های بالا می باشد.
حداقل حجم آب تولیدی به روش EDR حدود ۱۵ متر مکعب در شبانه روز می باشد.

o معایب روش EDR
حداکثر TDS ورودی به سیستم ۱۲۰۰۰ PPM می باشد .
ماکسیمم درصد حذف املاح در هر مرحله ۵۰% می باشد در حالی که در روشRO، ۹۹% می باشد.
این روش فقط توانایی حذف عناصری را دارد که از لحاظ الکتریکی خنثی نیستند.
مثلاً اگر شکر در آب حل شود یون های سازنده آن از لحاظ الکتریکی خنثی می باشند، لذا اگر آب شیرین بارها و بارها از این سیستم عبور نماید به هیچ وجه املاح آن حذف نمی ‌‌گردد.
همچنین این روش توانایی حذف میکرو ارگانیزم های موجود در آب مانند باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها و ویروس ها را به علت اینکه از لحاظ الکتریکی خنثی می باشند را ندارد.

o مزایای روش EDR
یکی از مهمترین مزیت ‌‌های روش EDR ریکاوری بالای سیستم می باشد که تا حد ۹۴% می ‌‌تواند افزایش یابد این بدین معنی است که این سیستم می‌‌تواند ۹۴% آب ورودی را تصفیه نماید و فقط ۶% آن را به صورت پساب دفع نماید.
مزیت دوم سیستم، عمر ممبرین‌‌ های استفاده شده می‌‌باشد که حدود ۱۰ سال می‌‌باشد .
فشار کاری این سیستم کم می‌‌ باشد، لذا هزینه های نگهداری اتصالات و پایپینگ آن بسیار پایین می ‌‌باشد و برای جلوگیری از خوردگی می‌‌توان از اتصالات UPVC در کل سیستم استفاده نمود.
هزینه نگهداری این دستگاه نسبت به RO بسیار پایین‌‌ تر می ‌‌باشد.
تزریق مواد شیمیایی برای جلوگیری از رسوب که مواد گران قیمتی هم می باشند نیاز نمی باشد.

• تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس ( RO )

o اسمز معکوس چیست :
اسمز معکوس، تکنولوژی مدرنی است که آب را برای مصارف متعددی از جمله نیمه رساناها، خوراک پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری، تصفیه می نماید.
از اولین آزمایشاتی که در سال ۱۹۵۰ انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از ۷/۱ میلیون گالن در هر روز رسیده است.
با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص (تصفیه شده) ، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن اینده با افزایش روبه رو خواهد شد.

o پیشینه تاریخی :
تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال ۱۹۵۰ در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرین استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.
لوب و سوریرجان، گسترش تکنولوژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرین استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.
تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکربندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس شد، به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می کنند. دراوایل سال ۱۹۸۰ تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلی آمیر مرکب شد. این ممبرین ها عمدتاً نسبت به ممبرین های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند.
امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر نمک، به افزایش ۲۰ دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرین های سلولزیک اصلی رسیده است.

o نیمه تراوا چیست :
نیمه تراوا به ممبرینی اشاره می کند که به طور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور می دهد در حالیکه الباقی گونه ها باقی می مانند.
در واقع بیشتر گونه ها از ممبرین خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه.
در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول (نمکها) از ممبرین ها عبور می کنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید می شود، پیامد نهایی این است که تفکیک حلال حل شده روی می دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می شود.

o اسمز چیست :‌
اسمز یک روش و شیوه نرمال(طبیعی) شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرین نیمه تراوا می باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرین نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرین نیمه تراوا ایده آل در فشار و دما برابر از میان ممبرین ها عبور نمی کند، زیرا اختلاف سطح شیمیایی دو قسمت برابر است.

اگر نمک قابل حل به یک قسمت اضافه شود، اختلاف سطح شیمیایی این محلول نمک کاهش پیدا می کند. استمراراً قسمت آب خالص از میان ممبرین به سمت قسمت محلول نمک حرکت می کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیاء گردد.
در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی اش را در کل سیستم همسان می سازد. تعادل زمانی برقرار می شود که ناهمسانی و تفاوت فشار هیدرواستاتیک ناشی از تغییرات گنجایش حجم در قسمت، با فشار اسمزی برابر می شود. فشار اسمزی، یک تناسب خاصیت محلول به غلظت نمک و استقلال ممبرین است.

o اسمز معکوس چیست :
در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرین حرکت می کند تا تعادل برقرار شود. به کارگیری فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری تعادل خواهد شد.
فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می شود و سبب عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی پائین تری می باشد.
این پدیده اسمز معکوس نامیده می شود.

نیروی محرک شیوه اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیماًً به میزان شوری حلال مربوط می شود. بنابراین، انرژی بیشتری برای تولید مقدار یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است.

o اسمز معکوس چگونه کار می کند:
برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. بر طبق دیکشنری وبستر هریام، اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرین نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرین دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می شود.

در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است. همانطور که انتظار دارید سطح آب در مخزن به اندازه سطح آب در بشر است.
در آنجا، انتهای مخزن به ممبرین نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر منتظره ای روی می دهد.
آب داخل مخزن افزایش می یابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می دهند.
ممبرین نیمه تراوا ممبرینی است که برخی از اتم ها یا مولکول ها را عبور می دهد، اما مانع عبور بقیه می گردد.
ممبرین است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می دهیم، ناتراوا می باشد.
مثال ممبرین نا تراوا، آستر روده های شما یا دیوار سلول است gore-tex از یک ممبرین نیمه تراوا معمول دیگر است.
ساختار gore-tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون ها روزنه کوچک ایجاد کرده اند. روزنه ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند.
ممبرین به غیر از مولکول های نمک به مولکول های آب اجازه عبور میدهد.
یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول های آب را بر روی دو طرف ممبرین تصور کنید.
این تصور در تضاد با Brownian motion است.
بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه ها با اتم های نمک مسدود شده اند اما در قسمت آب خالص چنین چیزی وجود ندارد.
بنابراین آب بیشتری از قسمت آب خالص عبور می کند، چون روزنه های بیشتری برای عبور آب خالص در قسمت آب خالص وجود دارد.

آب موجود در قسمت نمکی افزایش می یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد:
۱٫ غلظت نمک در دو طرف ممبرین مساوی شود، البته در این مورد این حالت روی نمی دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.
۲٫ همانطور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد.
به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور (مثل آب اقیانوس) شما را خواهد کشت. زمانی که آب شور وارد معده تان می شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت می کند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می دهید (آب بدنتان خشک می شود) و می میرید.

در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرین به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده دیگر) عمل نماید.

آب شور روی یک طرف ممبرین گذاشته می شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می شود.

سپس وارونه می شود، یعنی جریان اسمزی روی می دهد، در مجموع این کار فشار زیادی می گیرد و نسبتاً کند پیش می رود اما به هر حال این کار انجام می شود.

پاسخ دهید