گروه مهندسی کویر

امروزه از فرآیند اسمز معکوس(RO) به عنوان یک فرآیند جداسازي در بسیاري از صنایع تولید آب شیرین ،تصفیه پسابها ، صنایع غذایی و داروسازي و ... استفاده می‌شود. استفاده از این روش با تولید غشاهاي جدید که می‌توانستند در محدوده وسیعی از pH و دماهاي مختلف عمل کنند و نسبت به بسیاري از مواد شیمیایی و بیولوژیکی موجود در آب مقاومت داشته باشند توسعه چشمگیري یافته است. روشRO نسبت به بسیاري از فرآیندهاي جداسازي دیگر، همانند تقطیر، استخراج، تعویض یونی و جذب داراي مزایاي فراوانی می‌باشد. در این روش به هیچگونه تغییرات فازي شدید انرژي و یا استفاده از محلولهاي گرانقیمت جاذب نیازي نیست .طراحی و عملکرد این روش در مقایسه با بسیاري از روشهاي قدیمی جداسازي راحت‌تر می‌باشد.

 تشریح فرآیند اسمز معکوس:

در صورتیکه یک غشاء نیمه تراوا بین دو محلول با غلظت‌هاي متفاوت قرار گیرد، مقداري از حلال از یک طرف محلول رقیق به سمت دیگر غشاء می‌رود. این پدیده که به نام اسمز معروف است، تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که سیستم به حالت تعادل برسد. در حالت تعادل بین دو طرف غشاء اختلاف فشاري متناسب با غلظت مواد حل شده در محلول وجود دارد که به آن فشار اسمزي می‌گویند. هر چه اندازه مولکولهاي ناخالصی درشت‌تر و درجه یونیزاسیون آنها کمتر باشد، فشار اسمزي کمتر است. فرآیند اسمز معکوس همانگونه که از نام آن نیز مشخص است، عکس فرآیند طبیعی اسمز می‌باشد، که امروزه جزء یکی از جدیدترین و متداول‌ترین روشهاي جداسازي به‌خصوص در تصفیه آبهاي شور محسوب می‌شود. در این فرآیند با قراردادن فشاري بیشتر از فشار اسمزي درسمت محلول غلیظ‌تر (آب شور)، جهت حرکت حلال (آب خالص) عکس شده و به این ترتیب می توان آب را از ناخالصی‌هاي درون آن جدا کرد.

مقدار درصد بازیابی با توجه به نوع غشاء، کیفیت و کمیت آب تصفیه شده و مقدار هزینه‌هاي عملیاتی، تعیین خواهد شد. بالا رفتن بیش از اندازه درصد بازیابی، باعث افزایش املاح و در نتیجه فشار اسمزي در آب پشت غشاها می‌شود، که این امر باعث افزایش انرژي عملیاتی لازم، کاهش دبی و افزایش درصد عبور املاح از میان غشاها می‌شود.

آب خام پس از یک سري مراحل پیش تصفیه، به سمت یک غشاء نیمه تراوا پمپ می‌شود و قسمتی از آن از میان غشاء عبور کرده و به این ترتیب در باقیمانده خوراك غلظت نمک‌ها افزایش خواهد یافت. در همین زمان قسمتی از این آب بدون عبور از میان غشاء از سیستم خارج می‌شود(به دلیل افزایش فشار اسمزي در پشت غشاء، فشار عملیاتی اعمالی از طرف پمپ‌ها براي عبور آب از میان غشاء کافی نیست و در صورت عدم خروج آب شور از سیستم، آب تصفیه شده عبوري از میان غشاء به عقب برگشت خواهد کرد)، که مقدار این آب با توجه به کیفیت آب ورودي و نوع غشاء بین 20‌% تا 70 % متغیر است.

سیستمهاي RO می توانند به صورت تک مرحله‌اي و یا دو مرحله‌اي طراحی شوند. انتخاب هر یک از حالات بالا بستگی به کیفیت مطلوب آب تصفیه شده دارد. در سیستمهاي تک مرحله‌اي آب تصفیه شده خروجی از یک مجموعه از ماژولها به عنوان محصول نهایی از سیستم خارج می‌شود و آب شور باقیمانده دور ریخته می‌شود. اما در سیستمهاي دو مرحله‌اي با توجه به نوع آب خوراك ورودي و کیفیت محصول مورد نظر آب تصفیه شده (درصورتیکه آب تصفیه شده از یک مجموعه از ماژولها وارد مجموعه بعدي شود، این سیستم را Two pass می‌گویند.) و یا آب خروجی (در صورتیکه آب شور خروجی از یک مجموعه از ماژولها وارد مجموعه بعدي شود، این سیستم را Two stageمی‌گویند.) از یک مجموعه از ماژولها وارد مرحله دوم تصفیه می‌شود. از سیستم‌هاي دو مرحله‌اي نیز در تصفیه آبهاي نیمه شور (ppm1000 -5000 TDS =) و براي افزایش درصد بازیابی استفاده می‌شود.

پارامترهاي موثر بر هزینه هاي عملیاتی یک سیستم RO:

مهمترین فاکتور موثر بر هزینه‌هاي تمام شده یک سیستم RO میزان درصد بازیابی می‌باشد. براي یک سیستم مشخص، اندازه، تجهیزات فرآیندي همانند تجهیزات استفاده شده در سیستم پیش تصفیه، مخازن ذخیره، پمپها، فیلترها و سیستم‌هاي تزریق مواد شیمیایی تابعی از دبی آب خام می‌باشد. با افزایش درصد بازیابی و کاهش دبی آب ورودي‌، اندازه تمام این تجهیزات کاهش یافته و بنابراین هزینه‌هاي سرمایه‌گذاري و عملیاتی سیستم نیز کاهش خواهد یافت.

جدا از هزینه تعویض غشاها و مواد شیمیایی، عمده‌ترین هزینه عملیاتی موثر در یک سیستمRO هزینه انرژي می‌باشد. با افزایش راندمان پمپ‌هاي فشار قوي، استفاده از توربینهاي بازیابی انرژي و یا افزایش درصد بازیابی می‌توان مقدار مصرف انرژي را کاهش داد. براي یک سیستم مشخص‌، از میان پارامترهاي بالا‌، تنها با تغییر درصد بازیابی می‌توان مقدار مصرف انرژي را تغییر داد. با افزایش درصد بازیابی‌، به دلیل کاهش دبی آب خام ورودي‌، میزان مصرف انرژي کاهش می‌یابد.

 اما در صورتیکه میزان درصد بازیابی بیش از اندازه افزایش یابد‌، به دلیل بالا رفتن فشار اسمزي آب در پشت غشاها‌، فشار عملیاتی لازم افزایش یافته و بنابراین مقدار انرژي مصرفی نیز  افزایش می‌یابد. دیگر هزینه‌هاي عملیاتی مرتبط با یک سیستمRO از جمله هزینه‌هاي تعمیرات و نگهداري‌، هزینه جایگزینی غشاها و ... تابع مستقیمی از میزان درصد بازیابی نمی‌باشد. هزینه جایگزینی غشاها با توجه به نوع غشاء و طول عمر مفید آن تغییر خواهد کرد‌، اگر چه افزایش میزان درصد بازیابی به بیش از مقدار بهینه خود باعث‌‌‌ افزایش هزینه‌هاي عملیاتی سیستم خواهد شد.

شرح فرآیند:

لازم است قبل از ورود آب به ممبران‌ها، آب ضدعفونی گردد و همچنین مواد معلق ریز موجود در آب گرفته شوند. بدین منظور، آب ابتدا از بخش پیش تصفیه عبور می‌نماید، آب از طریق بوستر پمپ موجود وارد فیلتر شنی‌- کربنی شده و کدورت و مواد معلق، بو، رنگ ، طعم وکلر احتمالی آن کاهش می‌یابد. سپس از سیستم UV عبور کرده و ضدعفونی می‌گردد.

در راستاي حفاظت بیشتر ممبران‌ها، ماده شیمیایی ضد رسوب نیز تزریق می‌گردد. سپس جهت حذف بیشتر ذرات تا قطر 5 میکرون، آب از فیلترهاي کارتریجی 5 میکرون عبور نموده و سپس وارد پمپ فشار قوي می‌شود. به طور کلی فشار کار پمپ به میزان املاح محلول آب بستگی دارد و هرچه TDS آب بالاتر باشد، فشار اسمزي بالاتر بوده و در نتیجه فشار کار پمپ جهت غلبه بر فشار اسمزي و جداسازي املاح محلول از آب بیشتر خواهد بود. پمپ فشار قوي آب را با فشار بالا داخل ممبرانها می‌فرستد.

بیش از 99 درصد املاح در این قسمت حذف می‌شود. شایان ذکر است از مزایاي این سیستم، کیفیت بسیار بالاي آب تولیدي از لحاظ کدورت، سختی و عدم وجود میکرو‌ارگانیزمها می‌باشد. کدورت و سختی آب به دست آمده برابر صفر است. همچنین راهبري این مجموعه بسیار آسان وکم هزینه است.

بخش پیش تصفیه:

فیلتر تحت فشار شنی:

به منظور حذف ذرات معلق حل نشدنی‌، گل و لاي آب و کدورت از دانه‌هاي سیلیس درون مخزنی از جنس  (Fiberreinforced Plastic tank) FRP استفاده می‌شود. در فیلتر شنی آب از بستر سنگ سیلیس عبور کرده، ذرات معلق و ناخالص‌هاي حل نشدنی آن تا اندازه 50 میکرون در خلل و فرج بستر شن می‌ماند. این فرآیند در نهایت منجر به حذف کدورت آب می‌شود. فیلترهاي شنی بعد از مدتی نیاز به شست و شوي معکوس (BACK WASH) به منظور خارج کردن ذرات معلق از درون بستر سیلیس پیدا می‌کنند. با توجه به اندازه ذراتی که قرار است حذف شوند ضخامت پایه‌هاي بستر و دانه‌بندي ذرات آن مشخص می‌گردد.

فیلتر تحت فشار کربنی:

در مواد کربن دار با استفاده از بخار و درجه حرارت بالا و یا به صورت شیمیایی خلل و فرج ایجاد می‌گردد و در نتیجه به اصطلاح فعال می‌گردند. این خلل و فرج قابلیت جذب مواد آلی با پایه کربنی را دارا ست، این جذب توسط نیروهاي واندروالسی صورت می‌گیرد.

فیلتر کردن توسط کربن فعال شده در حذف مواد آلی معلق و محلول، طعم، بو، رنگ و نیز جدا کردن کلراین و کلر آمین بکار می‌رود. در نتیجه می‌تواند کمک زیادي در کاهش غلظت آلودگی‌ها داشته باشد بدین ترتیب از دانه‌هاي کربن فعال شده درون مخزنی از جنس(Fiberreinforced Plastic tank) FRP استفاده می‌شود.

میکرو فیلتر:

به منظور حذف هر چه بهتر کدورت و حذف ذرات با قطر کمتر از 5 میکرون از میکرو فیلترها استفاده می‌گردد. مواد کلوییدي تا قطر 5 میکرون که از فیلترشنی- کربنی عبور کرده‌اند در این قسمت از آب گرفته خواهند شد و SDI آب به کمتر از 3 خواهد رسید. بدین ترتیب آب آماده ورود به ممبران‌ها می‌باشد.

بخش اصلی سیستم تصفیه(RO UNIT):

پمپ فشار قوي:

آب براي گذر از سطح غشاءهاي نیمه تراوا (ممبران ها) باید داراي فشار مناسب باشد. هر چه شوري آب بالاتر باشد فشار کار سیستم بالاتر خواهد رفت.

غشاء نیمه تراوا :

غشاها با استفاده از پدیده اسمز معکوس 5/99 درصد املاح محلول آب را حذف می‌نمایند. همچنین کلیه میکروارگانیزمها، مواد معلق و کدورت در این بخش حذف خواهد شد.

پوسته‌هاي تحت فشار:

این پوسته‌ها به منظور قرار‌گیري غشاءها با فشار کار بالا طراحی شده‌اند.

ابزار دقیق:

به منظور کنترل و مانیتورینگ فرآیند، بکارگیري ابزار دقیق مناسب و به تعداد کافی ضروري است. ابزار دقیق مورد نیاز شامل فشار سنج، جریان سنج (Flow meter)، کنترل کننده فشار بالا و فشار پایین و ... می باشد.

تزریق آنتی اسکالانت:

این واحد به منظور تزریق اسید (آنتی اسکالانت) به آب خام ورودي جهت واکنش با یونهاي Ca++  وMg++ و جلوگیري از رسوب ترکیبات ایجادي بر روي فیلترهاي کارتریجی پلیمري و در نتیجه کاهش سختی آب می‌باشد. بازدارنده‌هاي تشکیل رسوب (آنتی اسکالانت) می‌توانند جهت کنترل رسوب کربناته، سولفاته و فلورید کلسیم استفاده گردد. از تزریق بیش از حد باید اجتناب نمود و قبل از تزریق بازدارنده‌هاي آنیونی باید دقت گردد که مقادیر قابل  توجهی از پلیمر‌هاي کاتیونی وجود نداشته باشند. (محل تزریق: قبل از میکرو فیلتر)