تصفیه آب به روش اسمز معکوس | شرکت مهندسی شاران صنعت

تصفیه آب reverse osmosis

تصفیه آب به روش اسمز معکوس

تصفیه آب به روش اسمز معکوس

مروری بر فرایند و کارکرد سیستم اسمز معکوس

چکیده

اسمز معکوس فرایندی غشایی می‌باشد که به منظور خالص‌سازی آب با روش جداسازی مواد محلول از جریان آب ورودی استفاده می‌شود و در نهایت در خروجی دارای جریان آب permeate و جریان آب reject است. آب تصفیه شده این سیستم برای کاربردهای گوناگونی استفاده می‌شود. در مطالعات دیده شده است که از این تکنولوژی برای از بین بردن مواد جامد محلول، رنگ، مواد آلی و نیترات از جریان ورودی استفاده شده است. از این رو تکنولوژی اسمز معکوس برای تصفیه آب و آب‌های خطرناک، فرایند جداسازی در مواد غذایی، صنایع نوشابه‌سازی و کاغذسازی و بازیابی مواد آلی و معدنی در فرایندهای شیمیایی به عنوان یک روش مناسب جایگزین استفاده می‌شود. این مقاله در نظر دارد تا دید کلی در زمینه تکنولوژی اسمز معکوس به عنوان یک روش جایگزین برای تصفیه فاضلاب در صنایع مختلف را بدهد. این مرور کوتاه نشان می‌دهد سیستم اسمز معکوس دارای توانایی و ظرفیت برای تصفیه جریان‌هایی از صنایع نوشابه‌سازی، آب مصرف‌شده برای تقطیر، آب‌های زیرزمینی، بازیابی ترکیبات فنولی و احیا فاضلاب می‌باشد؛ همچنین استفاده از این سیستم برای آب دریا نشان‌دهنده کارایی و توانایی تکنولوژی سیستم اسمز معکوس می‌باشد.

۱-۰ مقدمه

اسمز معکوس فرایندی است که از غشاهای نیمه تراوا spiral wound به منظور جداسازی و حذف مواد جامد محلول، مواد آلی، پیروژن‌ها، مواد کلوئیدی میکرونی، رنگ، نیترات و باکتری از آب استفاده می‌شود. آب ورودی تحت فشار از طریق غشا نیمه تراوا عبور می‌کند و پس از عبور از حفره‌های بسیار کوچک بر روی غشا آب خالص شده که آب permeate نامیده می‌شود از آن خارج می‌شود. ناخالصی در جریان آب دفع شده تجمع می‌یابد و به عنوان آب reject در زهکش‌ها تخلیه می‌شود. این غشاها نیمه تراوا هستند و به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهند در حالیکه یون‌های نمکی را دفع می‌کنند. موادی که از آن‌ها برای غشاهای اسمز معکوس استفاده می‌شود از جنس سلولز استات، پلی آمیدها و دیگر پلیمرها هستند. غشاهایی که در تصفیه به کار می‌روند شامل hollow-fiber و spiral-wound می‌باشند که با توجه به ترکیبات آب ورودی و پارامترهای عملکردی تصفیه خانه مورد استفاده قرار می گیرند. اسمز معکوس روشی مبتنی بر استفاده از غشاها می‌باشد که برای نمک‌زدایی استفاده می‌شود. امروزه استفاده از فرایندهای غشایی برای بازیابی فاضلاب و نمک‌زدایی از آب دریا به منظور افزایش منابع آب و کاهش کمبود آب بسیار مورد توجه قرار گرفته است. رایج‌ترین فرایندهای غشایی شامل سیستم‌های اسمز معکوس و الکترو‌دیالیز می‌باشد که برای نمک‌‌‌‌زدایی از آب های لب شور مورد استفاده قرار می‌‎گیرند اما، تنها روش اسمز معکوس می‌تواند برای نمک زدایی از آب شور دریا  با روشهای متداول نمک زدایی رقابت کنند.

  • کاربرد اسمز معکوس (تصفیه آب ro)

این فرایند برای تصفیه فاضلاب شهری به کار گرفته شده است. با توجه به اینکه سیستم‌های متداول تصفیه فاضلاب شهری مواد جامد محلول را حذف نمی‌کنند، از فرایند اسمز معکوس برای حذف مواد جامد محلول استفاده می‌شود. استفاده از اسمز معکوس به عنوان تکنیک جداسازی در مهندسی شیمی و محیط‌زیست به منظور حذف آلاینده‌های آلی و معدنی موجود در فاضلاب رو به گسترش است. مطالعات کتابخانه‌ای نشان می‌دهند که فرایند اسمز معکوس به صورت گسترده در جداسازی و تغلیظ (بازیابی) مواد محلول در زمینه‌های متفاوتی کاربرد دارد.

استفاده از اسمز معکوس در تصفیه جریان‌های شیمیایی، پتروشیمی، الکتروشیمی، غذایی، صنایع دباغی و همچنین تصفیه فاضلاب شهری گزارش شده است و توسط بسیاری از محققان مورد بررسی قرار گرفته است. حذف آلاینده‌های آلی توسط سیستم اسمز معکوس ابتدا توسط Chain و همکاران بیان شد. Murthy  و Choudhari (2008) مطالعه‌ای در زمینه تصفیه آب مصرف شده مقطرسازی به وسیله غشاهای UF و RO به منظور خالص سازی فاضلاب و حذف رنگ و آلاینده‌ها انجام دادند. مطالعات زیادی نیز به منظور بررسی عملکرد سیستم‌های اسمز معکوس در حذف مواد آلی مانند مواد شیمیایی، افزودنی‌های پلاستیک، آفات، ترکیبات فعال دارویی (Phac’s)، بنزن و تولوئن انجام شد. غشاهای سولوز استات و  پلی آمیدی دارای حذف نمک مناسبی برای نمک‌های معدنی مانند NaCl و Na2SO4– می‌باشند. اگرچه برای مواد آلی میزان حذف پایین‌تر و در بازه گسترده ۹۶/۰- ۳/۰ قرار می‌گیرد.

  • آپشن‌های تصفیه در سیستم اسمز معکوس (تصفیه آب ro)

در هند، از فرایند مقطرسازی به عنوان تصفیه اولیه، ثانویه و ثالثیه فاضلاب استفاده می‌شود. واحدهای مورد استفاده در فرایند شامل آشغال‌گیر و متعادل‌ساز به همراه فرایند بیومتاناسیون می‌باشد. در یک مطالعه موردی در تصفیه تقطیر غلات روش مورد استفاده جداسازی dwgs، سوزاندن و بیومتاناسیون می‌باشد. جریان تولیدی بعد از حذف مواد جامد داری TDS بالا، دمای بالا، کربوهیدرات، اسیدهای آلی و سلول های مخمر سوخته (dead yeast cell) می باشند که می‌توانند بر فرایند تخمیر اثر گذار باشند. فرایند چگالیده شده (condenstat) از اواپراتور دارای دمای بالا، چگالی کم و حاوی اسیدهای معدنی است. این جریان می تواند توسط سیستم اسمز معکوس تصفیه و در فرایندها مورد استفاده قرار گیرد.

  • جزئیات فرایند اسمز معکوس (تصفیه آب ro)

فرایند اسمز معکوس فرایندی ساده از لحاظ طراحی است که شامل آب ورودی (feed water)، آب تصفیه شده (permeate) و جریان خرجی (reject stream) می‌باشد. برای آب ورودی (feed) فراهم‌سازی پیش‌تصفیه به منظور حذف مواد معدنی جامد و مواد جامد معلق بسیار ضروری بوده و سپس با استفاده از پمپ فشار قوی از غشاهای نیمه تراوا عبور می‌کند. با توجه به کیفیت آب permeate نیاز به پس تصفیه بررسی می‌شود. در دیاگرام زیر تصویر شماتیک فرایند اسمز معکوس نشان داده شده است.

تصفیه آب به روش اسمز معکوس

مروری بر فرایند و کارکرد سیستم اسمز معکوس

  • لازمه‌های سیستم اسمز معکوس 

واحد ‌نمک‌زدایی سیستم اسمز معکوس شامل ۴ واحد اصلی است: الف) سیستم پیش‌تصفیه ب) پمپ‌های فشار قوی ج) سیستم‌های غشایی و د) پس تصفیه. سیستم پیش‌تصفیه به منظور حذف همه مواد جامد معلق می‌باشد تا ته‌نشینی نمک و رشد میکروبی بر روی غشاها رخ ندهد. فرایندهای پیش‎تصفیه ممکن است شامل روش‌های معمول مانند تزریق شیمیایی (chemical feed) و در ادامه  انعقاد/ لخته‌سازی/ ته‌نشینی و فیلتر ماسه‌ای یا فرایندهای غشایی مانند میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) باشد. پمپ‌های فشار قوی، فشار مورد نیاز برای عبور آب از غشا و حذف نمک را تامین می‌کنند. فشار مورد نیاز در حدود ۱۷ تا ۲۷ بار برای آب لب‌شور و ۵۲ تا ۶۹ بار برای آب دریا می‌باشد. سیستم‌های غشایی شامل محفظه فشار (pressure vessel) و غشای نیمه تراوا در دردون خود می‌باشد که اجازه می‌دهد آب ورودی از آن عبور کند. غشاهای اسمز معکوس برای نمک‌زدایی به دو دسته Spiral wound و  Hollow fiber تقسیم می‌شوند. بر اساس کیفیت آب permeate و کاربرد آن، پس تصفیه ممکن است شامل تنظیم pH و فرایند ضدعفونی کردن باشد.

۱-۵-  ویژگی‌های غشاها

غشاها باید ارزان قیمت، دارای طول عمر بالا و مفید باشند و همچنین به راحتی تولید و راندمان حذف نمک بالایی داشته باشند. آنها باید دارای فلاکس بالای آب و تمایل کم به رسوب‌گذاری داشته باشند. همچنین، آن‌ها باید اجازه عبور جریان بسیار زیاد آب از طریق غشاها را متناسب با حجم اشغالی بدهند. غشاها باید از نظر شیمیایی، فیزیکی و دمایی در آب‌های شور پایدار باشند. همچنین باید به قدری مقاوم باشند تا در برابر فشارهای بالا و کیفیت‌های متفاوت آب ورودی مقاوم باشند.

۱-۶- مزایای سیستم اسمز معکوس

در ادامه به مزایای فرایند اسمز معکوس که باعث جذابیت این سیستم جهت رقیق‌سازی فاضلاب در تصفیه فاضلاب شده است پرداخته می شود:

  • سیستم‌های اسمز معکوس دارای طراحی و اجرای ساده هستند، تجهیزات نگهداری کمی نیاز دارند، در طبیعت مدوله هستند و گسترش سیستم‌های آن آسان می‌باشد.
  • آلاینده‌های آلی و معدنی می‌توانند با فرایند غشایی اسمز معکوس حذف شوند.
  • سیستم‌های اسمز معکوس اجازه recovery و recycle جریان‌های آب هدر رفته را بدون هیچ گونه تاثیری بر مواد مورد بازیابی قرار گرفته شده می‌دهد.
  • سیستم‌های اسمز معکوس نیاز به انرژی مصرفی کمتر در مقایسه با تکنولوژی‌های دیگر دارد.
  • فرایند اسمز معکوس می‌تواند به صورت قابل ملاحظه‌ای حجم جریان‌های هدر رفته (waste stream) را کاهش دهد. بنابراین این سیستم دارای راندمان بالاتر و هزینه کمتر نسبت به سایر فرایندها مانند سوزاندن می‌باشد.
  • تصفیه اسمز معکوس معمولا در دمای محیط کار می‌کند، در نتیجه تشکیل رسوب و مشکلات خوردگی را به دلیل استفاده از آنتی‌اسکالانت و biodispersant کاهش می‌دهد و باعث کاهش هزینه‌های نگهداری می‌شود.
  • ساختار مدولار فرایندهای اسمز معکوس، انعطاف‌پذیری این واحد را در ساخت واحدهای نمک‌زدایی با ظرفیتی گسترده را افزایش می‌دهد.
  • انرژی مخصوص مورد نیاز به صورت قابل ملاحظه‌ای پایین می‌باشد و مقدار آن در بازه kwh/m34/9-3 می‌باشد.
  • فرایند به صورت الکتریکی انجام می‌شود از این رو سیستم به آسانی سازگار با استفاده از توان تولیدی از پنل‌های خورشیدی می‌باشد.

به علاوه سیستم‌های اسمز معکوس می‌توانند جایگزین یا در ارتباط با فرایندهای تصفیه دیگر مانند اکسیداسیون، جذب، عریان‌سازی و یا تصفیه‌های بیولوژیکی به منظور تولید آب با کیفیت بالا با قابلیت استفاده مجدد یا تخلیه به محیط، مورد استفاده قرار گیرند.

۲-۰- کاربرد اسمز معکوس

این سیستم دارای مزایایی به دلیل غشایی بودن می‌باشند. از آنجایی که تغلیظ و جداسازی بدون نیاز به تغییر حالت و مواد شیمیایی با انرژی گرمایی انجام می‌شود بنابراین این فرایند از نظر اقتصادی کارامد و مناسب برای فرایندهای بازیابی می‌باشد. مرور Bibliographic، توانایی کاربرد سیستم اسمز معکوس را در تصفیه فاضلاب صنایع نوشابه‌سازی، آب مصرفی در مقطرسازی، تصفیه آب‌های زیرزمینی، بازیابی ترکیبات فنولی و احیا فاضلاب را نشان می‌دهد همچنین تصفیه آب دریا با اسمز معکوس (SWRO) نشان‌دهنده توانایی و کارایی سیستم اسمز معکوس می‌باشد.

۲-۱- آب‌های مصرفی در فرایند تقطیر

آب مصرفی در تقطیر اسیدی می‌باشد و دارای pH در بازه ۹۴/۳ – ۳۰/۴، مایعی با رنگ قهوه‌ای تیره، BOD بالا ۱۰۰۰۰۰-۴۵۰۰۰ میلی‌گرم بر لیتر و COD 210000-90000 میلی‌گرم بر لیتر و بوی بسیار بد و غیرسمی می‌باشد. هنگامی که این جریان به آب تخلیه می‌شود تغییر رنگ فوری و تقلیل اکسیژن محلول را در پی دارد و تهدیدی جدی برای گیاهان و آبزیان می‌باشد. روش‌های جداسازی غشایی مانند اولترافیلترسیون، نانو فیلتراسیون، اسمز معکوس و MBR برای تصفیه جریان‌های آب مقطر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. Murthy و Choudhari (2008) تحقیقاتی بر روی تصفیه آب مصرفی واحد تقطیر با استفاده از اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس توسط پایلوتی تشکیل شده از غشای کامپوزیت با فیلم نازک به منظور خالص‌سازی فاضلاب جهت حذف رنگ و آلاینده‌ها پرداختند. نتایج به دست آمده نشان دادند استفاده از اسمز معکوس برای کاهش آب مصرفی توسط recycling آب که در کمینه کردن هزینه‌های دفع پساب و کاهش فشار regulatory موثر است. در این پایلوت راندمان حذف TDS، COD،  BODو سولفات پتاسیم به ترتیب برابر با ۹/۹۷، ۸/۹۶، ۹/۹۷، ۷/۹۹ و ۶۵/۹۴ درصد به دست آمد. نتایج بالا در شرایط جریان ورودی برای با ۱۵ لیتر بر دقیقه و فشار feed برابر با ۲۰ اتمسفر به دست آمد. همچنین میزان TDS در آب permeate کمتر از ppm1000 و COD برابر با ppm 500 بود که در محدوده تعیین شده توسط سازمان بهداشت جهانی محیط زیست قرار گرفته است.

۲-۲- تصفیه آب زیرمینی

 Belkacem و همکاران (۲۰۰۶)، به تحقیقاتی بر روی تصفیه آب زیرزمینی با استفاده از سیستم دو مرحله‌ای مدوله به منظور استفاده در صنعت نوشابه سازی پرداختند. نتایج آزمایش‌های فیزیکو شیمیایی نشان داد که آب خام دریافتی از آب زیرزمینی حاوی مقدار قابل توجهی مواد محلول و معلق (محدوده TDS در حدود ۷۵۷ تا ۹۶۴ میلی‌گرم بر لیتر) بود. ترکیبات آب ورودی نشان می‌دهد که آب خام دارای مقدار زیادی سولفات، کلرید و کلسیم می‌باشد. کیفیت آب تولیدی از سیستم پیش‌تصفیه  نشان‌دهنده کاهش ۸۷ درصدی کدورت از مقدار NTU 3/1 به ۱۷۶/۰ بود. نرخ حذف در بازه ۹۷ تا ۹۸ درصد متغیر بود و همچنین این مقدار در طی فرایند ثابت بود که نشان‌دهنده کیفیت ثابت آب خروجی به همراه کاهش هدایت الکتریکی از       μs/c 1070 به ۳۳ به همراه راندمان حذف بالای ۹۵ درصد یون‌ها می‌باشد. در خصوص حذف باکتری‌ها به منظور حذف میکروارگانیسم‌ها میزان آن‌ها از UFC/100ml 90 به ۵۰ کاهش یافت که نشان دهنده حذف ۴۴ درصدی می‌باشد. همچنین راندمان حذف نیترات نیز ۸۸ درصد بود. بنابراین نتایج به دست آمده نشان‌دهنده توانایی سیستم اسمز معکوس در حذف آب زیرزمینی می‌باشد.

 

۲-۳- بازیابی ترکیبات فنول

 Kurihara و همکاران (۱۹۸۱) از غشای کامپوزیت PEC-1000 (پلی فوران) استفاده کردند و به راندمان حذف ۹۷% برای استون و ۹۹% برای فنول دست یافتند. Koyama و همکاران (۱۹۸۲) و Koyama و همکاران (۱۹۸۴) نتایج جداسازی برخی از ترکیبات آلی قطبی محلول (الکل‌ها، فنول‌ها، کربوکسیلیک اسیدها، آمین‌ها و کتون‌ها) را گزارش کردند. آن‌ها دریافتند فاکتورهای اصلی تاثیرگذار بر حذف شامل وزن مولکولی، انشعابات مولکولی، قطبیت و درجه تفکیک برای ترکیبات یونی می‌باشند.

Bhattachayya و همکاران (۱۹۸۷) و Bhattacharya و Madadi (1988) بر روی حذف و ویژگی‌های فلاکس غشاهای FT30 برای جداسازی آلودگی‌های متفاوت (PAHs، کلرو فنول‌ها، نیرو فنول‌ها) تحقیقاتی انجام دادند و دریافتند راندمان حذف توسط غشاها برای ترکیبات آلی تحت شرایط یونی بیش از ۹۸ % بود. آن‌ها همچنین کاهش قابل توجه فلاکس آب را حتی برای محلول‌های رقیق (کمتر از ۵۰ میلی گرم بر لیتر) آلی غیر یونی و جذب قابل توجه مواد آلی بر روی غشاها را در بعضی موارد مشاهده کردند. Pusch  و همکاران (۱۹۸۹) نتایج جداسازی در غشاهای متفاوت (۴ کامپوزیت و ۲ asymmetric) برای ترکیبات محلول آلی متفاوتی شامل بسیاری از آلاینده‌های آلی را گزارش کردند. میزان حذف بین مقادیر ۲۵% تا ۹۹% بسته بر مواد محلول متفاوت بود در حالت کلی میزان حذف غشاهای کامپوزیتی بالاتر گزارش شد.

Srinvasan و همکاران (۲۰۱۰)، آزمایش‌هایی برای بازیابی ترکیبات فنول در مقیاس آزمایشگاهی بر روی مدول اسمز معکوس Spiral Wound پلی آمیدی انجام و پارامترهای مختلفی را مورد بررسی قرار دادند. غشاهایPerma-TFC  پلی‌آمیدی اسمز معکوس در حالت Spiral Wound در مطالعات آن‌ها مورد استفاده قرار گرفت. آن‌ها دریافتند که میزان حذف با افزایش فشار اعمال شده افزایش می‌یابد. میزان ماکسیمم حذف به دست آمده در حدود ۹۰% برای فنول به دست آمد.

۲-۴- احیا فاضلاب

فاضلاب‌های حاوی مواد آلی شامل ترکیبات دارویی، پاتوژن‌ها، محصولات جانبی ضدعفونی کننده‌ها و آفت‌کش‌ها می‎باشند. این مواد کمتر مورد تجزیه بیولوژیکی توسط باکتری‌ها در فرایند لجن فعال قرار می‌گیرند. با توجه به حلالیت آن‌ها، در آب حل می‎شوند و در لجن حذف نمی‌شود و مشکلاتی برای ایمنی آب احیا شده به وجود می‎آورند. بنابراین استفاده از فرایند اسمز معکوس برای جداسازی یک روش کلیدی برای بازیابی ایمن آب از منابع فاضلاب می‌باشد. استفاده‌های اخیر از اسمز معکوس در بازیابی فاضلاب در امکانات GWR در کشور پرتغال برای مصرف غیر مستقیم آب آشامیدنی (Potable Water) انجام شد. از این سیستم در تولید روزانه ۲۸۰۰۰۰ مترمکعب آب آشامیدنی استفاده شده است. اسمز معکوس نقشی اساسی در فرایند تصفیه پیشرفته دارد. در این تصفیه‌خانه؛ فشار کم، دفع بالای غشاهای ESPA2 برای تولید آب permeate با TDS کمتر از ۵۰ میلی‌گرم بر لیتر و قابل استفاده به عنوان آب آشامیدنی استفاده می‌شود.

۲-۵- آب دریا

در واحد اسمز معکوس آب دریا (SWRO)، شرایط عملکردی و اجرایی واحد HFF SWRO آب ورودی خود را از واحد نانوفیلتراسیون دریافت می‌کند. واحد اسمز معکوس آب دریا (SWRO) شامل دو واحد Vessel می‌باشد که به صورت سری به یکدیگر متصل هستند. در طول دوره آزمایش فشار اعمال شده در حدود ۶۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و دما در حدود ۲۳ تا ۳۴ درجه سانتی‌گراد بود. میانگین بازیابی آب permeate از vessel اول و دوم به ترتیب در حدود ۳۰ و ۲۱ درصد بود و در کل میزان بازیابی سیستم در حدود ۴۵ درصد به دست آمد. آنالیز شیمیایی نشان می‌دهد که اکثر یون‌های سخت و دیگر نمک‌های محلول در خروجی شور تغلیظ شدند. تحقیقات نشان می‌دهند که افزایش Temperature TOP Brine از ۱۱۰ تا ۱۳۰ درجه سانتی گراد افزایش ۴۸ درصدی آب تولیدی را در پی خواهد داشت.

۳- جمع بندی

آب خام ورودی شامل ذرات معلق، مواد آلی و همچنین نمک‌های معدنی می‌باشد که ممکن است باعث تجمع بر روی غشاها و رسوب‌گذاری و یا آسیب به غشاها به دلیل فشار وارد شده و سایز ذره‌ها شوند. بنابراین حذف این مواد با پیش تصفیه، کارایی سیستم اسمز معکوس را مشخص می‌کند. از این رو غشاهای اسمز معکوس می‌توانند به منظور جلوگیری از آسیب‌های جبران ناپذیر چک شوند. در واقع موفقیت سیستم اسمز معکوس به کارایی پیش‌تصفیه وابسته است. پس‌تصفیه جریان‌های آب شور یک مشکل بزرگ با توجه به افزایش ظرفیت آب شیرین‌کن به منظور کمینه سازی خسارات وارده بر اکولوژی با توجه به مکان تصفیه خانه می‌باشد.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *