آب های شور حاوی غلظت بالایی از نمک های حل نشده (عمدتا سدیم کلرید) می باشد. غلظت نمک موجود در آب معمولا برحسب ppm (قسمت در میلیون) و یا ppt (قسمت در هزار) بیان میشود.
سازمان زمین شناسی ایالات متحده آمریکا آب های شور را با توجه به غلظت نمک موجود درآن در سه دسته طبقه بندی می کند. غلظت نمک دسته اول بین ppm1000-3000 (کم نمک)، دسته دوم بین ppm3000-10000 و دسته سوم ppm10000-35000 می باشد. غلظت نمک آب دریا تقریبا ppm35000 معادل 35 گرم نمک در هر لیتر آب است.
در واقع میزان حلالیت نمک بستگی به دمای آب دارد. در دمای 20 درجه سانتیگراد در یک لیتر آب حدود 357 گرم نمک با غلظت 26.3% می توان حل کرد. در حالیکه این میزان در دمای جوش آب (100 درجه سانتیگراد) تا 391 گرم در هرلیتر افزایش می یابد.
بسیاری از فعالیت های انسانی، مانند نوشیدن، کشاورزی، بهداشت، و به ویژه تولید برق، ، نیاز به مقدار قابل توجهی از آب دارد. خوشبختانه، در بسیاری از موارد مراکز جمعیت در نزدیکی منابع آب قابل استفاده قرار می گیرند. این در حالی است که حدود 70 درصد از سطح زمین و 97 در صد از آب های کره زمین (شامل آبهای شور) توسط اقیانوس ها پوشش داده میشوند.
از انجاییکه اب های شور ونمکی مناسب جهت مصارف مختلف بسیاری نیستند می بایست قبل از مصرف نمک زدایی گردند (کاهش یا حذف گردند). در چند سال اخیر، بیش از 13000 کارخانه آب شیرین کن روزانه 12 میلیارد گالن آب را نمک زدایی و قابل استفاده برای مصارف گوناگون می کردند. اما امروزه در بسیاری از صنایع و مناطق مسکونی از انواع دستگاه تصفیه آب صنعتی با ظرفیت های مختلف استفاده می شود.
روش های نمک زدایی
حداقل سه روش اصلی دفع نمک وجود دارد: تقطیر حرارتی، الکترولیز و اسمز معکوس (تحت فشار)
- تقطیر حرارتی: قدیمی ترین روش بمنظور تصفیه آب، تقطیر حرارتی، هزاران سال است که درسرتاسر دنیا مورد استفاده قرار میگیرد. در تقطیر حرارتی، آب جوشانده و سپس بخارحاصل جمع آوری می شود و به این ترتیب نمک از آب جدا میشود. این درحالیست که تغییر فاز (تبدیل مایع به بخار) نیازمند صرف انرژی بسیاری است.
روش های مدرن تر تقطیر از تکنیک های مختلفی نظیر مخازن و لوله های کم فشار استفاده می کنند تا دمای آب جوش و همچنین مقدار انرژی لازم جهت تقطیر را کاهش دهند. - الکترولیز: در دومین روش نمک زدایی، از جریان الکتریسیته جهت جداسازی آب و نمک استفاده می شود.
در این روش با قراردادن الکترود در آب و ایجاد جریان الکتریسیته باعث راندن یونهای سدیم و کلر موجود به سمت کاتد وآند می شود به این ترتیب یونهای نمک از اب جداسازی می شوند. یکی از ویژگی های کلیدی این روش تصفیه آب این است که مقدار انرژی مورد نیاز به مقدار نمک موجود در اب بستگی دارد در نتیجه این روش برای حذف مقدار زیاد نمک مانند نمک موجود در آب نیازمند صرف انرژی بسیاری است. - اسمز معکوس: یکی دیگر از روش های نمک زدایی، روش اسمز معکوس می باشد. در این روش آب تحت فشار از یک غشای نفوذپذیر عبور داده می شود و نمک محلول جداسازی می شود.
همانند جداسازی الکتریکی، مقدار انرژی لازم برای نمک زدایی بستگی به مقدار نمک اولیه آب دارد.
با توجه به این موضوع استفاده از روش اسمز معکوس جهت تصفیه آب دریا همانند الکترولیز آنچنان مقرون به صرفه نیست. علی رغم کشف روش های نوین نمک زدایی، نیاز به انرژی در این روش ها بحث بسیار مهمی به شمار می رود. انرژی مصرفی براساس نوع روش نمک زداییی و همچنین نوع نمک میتواند متفاوت باشد.
برای مثال برای نمک زدایی 12میلیارد گالن آب به صورت روزانه، نیازمند حداقل 84 میلیون کیلووات ساعت انرژی است و برای تامین این میزان انرژی حداقل 2.5 میلیون گالن بنزین (هر گالن بنزین حدودا 33 کیلو وات ساعت انرژی میتواند تولید کند) نیاز است. در حال حاضر اسمز معکوس یکی از روش های نمک زدایی است که مورد توجه بسیاری قرار گرفته است.
تشریح پدیده اسمز و اسمز معکوس
در این پدیده طبیعی محلول حاوی مواد معدنی کم (رقیق) از جمله نمک تمایل به حرکت به سمت محلول با غلظت بالاتر (غلیظ) دارد و این حرکت محلول تا رسیدن دو محلول به تعادل ادامه میابد.
جذب آب توسط ریشه درخت و یا جذب آب از خون توسط کلیه نمونه هایی از پدیده اسمز هستند.
در پدیده اسمز معکوس محلول حاوی مواد معدنی بیشتر تحت فشار قرارگرفته و از میان غشاهای نیمه تراوا (غشاهایی که تنها مولکولهای آب می توانند عبور کنند) عبور داده می شوند. امروزه از این روش به طور گسترده در شیرین سازی آب دریا، جداسازی مواد آلی و سمی از پساب های صنعتی استفاده می شود.
اسمز معکوس فرایندی فیزیکی است که قادر به جداسازی مواد معدنی وآلی حل شده تا 98% به کمک یک غشاء نیمه تراوا است و محلول تقریبا خالصی را میتوان با این روش تهیه کرد.
نمک زدایی به روش اسمز معکوس
مهمترین و اقتصادی ترین فرایند نمک زدایی، فرایند اسمز مکعوس است که به عنوان یک فرآیند جداسازی در بسیاری از شرکت های تولیدکننده آب شیرین، تصفیه پسابها، صنایع غذایی و داروسازی و… استفاده میشود.
این دستگاه شامل یک پمپ با فشار بالا، ممبران ها، محفظه ممبران ها و مخزن جهت شستشوی دوره ای ممبران ها می باشد.
از انجایی که کلر و مواد معلق باعث تخریب ممبران ها می شوند می بایست آب ورودی به دستگاه RO پیش تصفیه گردد. فیلتر شنی جهت حذف مواد معلق و فیلتر کربنی جهت حذف کلر، بو و رنگ موجود در آب به عنوان مرحله پیش تصفیه درون دستگاه تصفیه آب صنعتی در نظر گرفته می شوند.
ظرفیت دستگاه های RO فروخته شده یا نصب شده در سرتاسر دنیا (بین سالهای 1980-1960) بین 50 تا 600 مترمکعب در روز بوده است. در طول 15 سال گذشته این ظرفیت به دلیل کاهش هزینه ها و پیشرفت های تکنولوژیکی ادامه یافته است.
کاربردهای اسمز معکوس در صنعت تصفیه
- استفاده جهت تصفیه آبهای زیرزمینی
فناوری RO در حال حاضر در آرژانتین و منطقه شمال شرقی برزیل برای نمک زدایی آب های زیرزمینی مورد استفاده قرار میگیرد. غشاهای جدید به گونه ای طراحی شده اند که در فشارهای بالاتر (7 تا 8.5 اتمسفر) و با کارایی بیشتر (حذف 60٪ تا 75٪ نمک وحذف تمام ارگانیسم ها، ویروس ها، باکتری ها و سایر مواد شیمیایی) عمل می کنند.
- استفاده بمنظور تصفیه آب صنایع
بعضی از صنایع مانند صنایع داروسازی، مواد غذایی و حتی ساخت قطعات الکترونیکی نیازمند آب خالص و نمک زدایی شده هستند. در این صنایع دستگاه RO به عنوان یک قسمت از فرایند تولید محسوب می شود
- استفاده بمنظور تصفیه آب در کشاورزی
کشاورزان به منظور نمک زدایی و خالص سازی آب مورد استفاده در آبیاری، (گلخانه، کشت های دیم و حتی هیدروپونیک) به اسنفاده از دستگاه آب شیرین کن (RO) روی آورده اند (آب حاصل از دستگاه RO دارای کمترین میزان باکتری و میکروارگانیسم هاست که این امر به کنترل بیماریهای مربوط به گیاهان و همچنین بهبود کیفیت محصولات تولیدی کمک شایانی می کند).
برای مثال با تغییر آب مورد استفاده در یک گلخانه تولید خیار در یکی از شهرهای آمریکا (ازمنبع آب سطحی آلوده به آب زیرزمینی شور که با استفاده از دستگاه آب شیرین کن نمک زدایی وخالص سازی شده بود) میزان بهره وری از 4 تن در روز به 5.5 تن در روز افزایش یافت.
مزایای تصفیه آب با روش اسمز معکوس
- سیستم پیوسته با تولید شبانه روزی بصورت اتوماتیک و نیمه اتوماتیک
- بالا بودن راندمان در تولید در مقایسه با روش های فیلتراسیون
- حذف 11 % نمک های محلول در آب بر اساس روش کاملا فیزیکی (این روش شیمیایی نیست)
- حذف باکتریها و ویروس و نیترات آب و نیز کنترل SDI و کدورت آب و کلر آزاد در آب
- مصرف انرژی کم و عدم استفاده از مواد شیمیایی و نتیجتا کاهش هزینه های مصرفی و نگهداری
- کاهش مصرف انرژی و صرفه اقتصادی
- سهولت کار و بهره برداری آسان
- امکان استفاده مجدد از آب تغلیظ شده
- حذف آلودگیهای بیولوژیک (ویروس، باکتری و…)
- عمر طولانی دستگاه
- سازگاری با محیط زیست
معایب استفاده از اسمز معکوس در تصفیه آب
- ممبرانها نیاز به شستشوی دوره ای و نگه داری ویژه دارند.
- به منظور افزایش طول عمر ممبرانها، آب ورودی به دستگاه می بایست پیش تصفیه گردد.
- هزینه اجرایی بالا
- نیاز به صرف انرژی
