انواع روش های 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 یونهای خارجی موجود در آب جذب گروههای 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 گروههای 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 گیریو 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 کاتیون‌‌های 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 یونهای آب بسیار پایین تر می‌‌باشد.

در این میان دستگاه تصفیه آب تبادل کننده یونی خاصی برای این منظور تولید شده اند که به رزین های پایه سدیمی معروفند.

در واقع این رزینها، سختی آب مانند یونهای کلسیم، منیزیم و... را جذب کرده و به جای آن سدیم آزاد می‌‌نمایند.

توجه شود که در این روش جمع کل آنیون‌‌ها و کاتیون‌‌های آب ثابت می‌‌ماند و فقط نوع یون‌‌ها عوض می‌‌شوند. محدودیت این روش این است که برای TDS های بالای 1000جوابگو نمیباشند و باید از روش‌‌های دیگری استفاده شود. احیاء این سختی‌‌گیرها به وسیله محلول آب و نمک می باشد.

ب)سیستم های تبادل یونی برای تولید آب با درجه خلوص بالا از دیگر رزین‌‌های استفاده شده در صنعت تصفیه آب رزین‌‌های سیکل اسیدی و بازی هستند که در گذشته در محدوده بسیار وسیع‌‌تری استفاده می‌‌شدند.

در واقع این روش می‌‌تواند نیاز صنایع به آب فوق خالص را مرتفع سازد این رزینها به دو نوع قوی و ضعیف تقسیم می‌‌شوند و می توانند در آرایش‌‌های 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:

تولید آب بدون یون (Demineralization)

حذف سختی آب

حذف کاتیونهای خارجی از آب

حذف قلیائیت

بازیابی مجدد آب در صنایع فلزی

حذف نیترات و سولفات

بازیابی و یا جداسازی مواد دارویی

بازیابی فلزات با ارزش در صنایع فلزی

تصفیه آب به روش سیستم نانو فیلتراسیون :

در همه روش‌های پیشرفته تصفیهٔ 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 هستهای 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 برجهای خنک کننده (Cooling Tower ) باید صرفاً از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد.

در چنین کاربردهایی می توان از سیستم‌هایی با درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود.

یکی از این روشهای 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 آن‌که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آبِ حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامدِ 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 میکروارگانیزمها، 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 هسته‌‌ای، صنعت داروسازی، صنعت قطعات نیمه رسانا و .... داشتن آبی با خلوص بسیار زیاد می‌‌باشد.

برای تولید چنین آب‌‌هایی ابتدا آب خام بسته به غلظت املاح موجود در آن توسط یکی از روش‌‌های پیشرفته مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، EDR و یا تقطیر مورد تصفیه قرار می‌‌گیرد.

خروجی چنین تصفیه‌‌هایی 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 می‌‌گیرد تا آب با خلوص بسیار بالا را تولید نماید.

معایب سیستم‌‌های 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 ممبران‌‌ها به طور پیوسته با جریان برق احیاء می‌‌شوند که این امر نیاز به استفاده از مواد شیمیایی جهت احیاء ممبران‌‌ها 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 روشEDR 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 می‌‌پذیرد.

کلمه Reverse در انتهای این روش بدین معنی می باشد که در اثر عبور آب از ممبران‌‌های سیستم، یکسری از املاح بر روی ممبرِین‌‌ها رسوب می‌نمایند.

در روشهای سنتی که به ED معروف بود از تزریق اسید و آنتی اسکالانت و اسید سولفوریک برای جلوگیری از رسوب استفاده می‌‌شد ولی در این روش به ازای حدوداً هر 15 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.

نکته‌‌ای که در مورد روش EDR قابل توجه می باشد این است که در هر مرحله از تصفیه تنها 50% از املاح می‌‌تواند 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 آنجاییکه TDS مناسب آب شرب بین 100 تا 500 می‌‌باشد وTDSخروجی این روش بالاتر از100 می‌باشد، این روش بهترین روش تولید آب شرب در حجم‌‌های بالا می باشد.

حداقل حجم آب تولیدی به روش EDR حدود 15 متر مکعب در شبانه روز می باشد.

معایب روش EDR

حداکثر TDS ورودی به سیستم 12000 PPM می باشد .

ماکسیمم درصد حذف املاح در هر مرحله 50% می باشد در حالی که در روشRO، 99% میباشد.

این روش فقط توانایی حذف عناصری را دارد که از لحاظ الکتریکی خنثی نیستند.

مثلاً اگر شکر در آب حل شود یونهای 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 نمی‌‌گردد.

همچنین این روش توانایی حذف میکرو ارگانیزم های موجود در آب مانند باکتریها، قارچها، جلبکها و ویروسها را به علت اینکه از لحاظ الکتریکی خنثی می باشند را ندارد.

مزایای روش EDR

یکی از مهمترین مزیت‌‌های روش EDR ریکاوری بالای سیستم می باشد که تا حد 94% می‌‌تواند افزایش یابد این بدین معنی است که این سیستم می‌‌تواند 94% آب ورودی را تصفیه نماید و فقط 6% آن را بصورت پساب دفع نماید.

مزیت دوم سیستم، عمر ممبران‌‌های استفاده شده می‌‌باشد که حدود 10 سال می‌‌باشد .

فشار کاری این سیستم کم می‌‌باشد، لذا هزینه های نگهداری اتصالات و پایپینگ آن بسیار پایین می‌‌باشد و برای جلوگیری از خوردگی می‌‌توان از اتصالات UPVC در کل سیستم استفاده نمود.

هزینه نگهداری این دستگاه تصفیه آب نسبت به RO بسیار پایین‌‌تر می‌‌باشد.

تزریق مواد شیمیایی برای جلوگیری از رسوب که مواد گران قیمتی هم می باشند نیاز نمی باشد.

تصفیه آب به روش سیستم اٌسمز معکوس ( RO )

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 1950 انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 7/1 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.

پیشینه تاریخی :

تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرن استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.

لوب و سوریرجان، گسترش تکنولژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرن استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.

تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکر بندی 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 1980 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرن پلی آمیر مرکب شد. این ممبرن ها عمدتاً نسبت به ممبرن 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 20 دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرن های سلولزیک اصلی رسیده است.

نیمه تراوا چیست :

نیمه تراوا به ممبرنی اشاره می کند که بطور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور میدهد در حالیکه الباقی گونه ها باقی می مانند.

در واقع بیشتر گونه ها از ممبرن خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه.

در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول (نمکها) از ممبرن ها عبور میکنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید میشود، پیامد نهایی این است که تفکیک حلال حل شده روی می دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می شود.

اسمز چیست :‌

اسمز یک روش و شیوه نرمال(طبیعی) شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرن نیمه تراوا می باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرن نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرن نیمه تراوا ایده آل در فشار و دما برابر از میان ممبرن 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 ممبرن 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 ممبرن است.

اسمز معکوس چیست :

در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرن حرکت می کند تا تعادل برقرار شود. بکارگیری 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.

اسمز معکوس چگونه کار میکند:

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