آب شیرین کن – مقایسه روش های پیشرفته تصفیه آب

قبل از شروع این فصل به دو نکته اشاره می شود :

• منظور از روش های پیشرفته دستگاه آب شیرین کن ( تصفیه آب )،تقدم زمانی آنها نیست بلکه روش هایی هستند که میتوانند منجر به تهیه آب تقریبأ خالص شوند. به همین خاطر ،تقطیر هر چند خیلی قدیمی تر از روش آهک زنی است ولی به عنوان روش پیشرفته دستگاه آب شیرین کن ( تصفیه آب )مطرح می شود اما آهک زنی چون منجر به تصفیه کامل آب نمی شود در این فصل مورد بحث قرار نمی گیرد.
• هر چند تقطیر به عنوان یک روش پیشرفته دستگاه آب شیرین کن ( تصفیه آب )مطرح است ولی در این کتاب مورد بحث قرار نگرفته است و این نه به خاطر آن است که اهمیت ندارد بلکه به این دلیل است که در صنایع ایران تقطیر به عنوان یک روش تهیه آب صنعتی پر دردسر مطرح است و از آن استقبال چندانی نشده است.

اکنون روش پیشرفته دستگاه آب شیرین کن ( تصفیه آب )را از چهار دید مقایسه می کنیم .اول در مورد هزینه تصفیه ،دوم در مورد کیفیت آب تصفیه شده ، سوم در مورد کیفیت آب ورودی و بالاخره چهارم موارد کاربرد هر یک از روش ها.

• هزینه تصفیه

از نظر ترمودینامیکی ، هر روش تصفیه ای که برای جداسازی بکار رود مستلزم مصرف یک حداقل انرژی است اما در عمل بعلت بر گشت ناپذیر بودن فرایند ها ، مصرف انرژی بسیار بیشتر از حداقل انرژی است.

برای حذف یون ها از آب علاوه بر الکترودیالیز روش های دیگری مثل اسمزمعکوس ،رزین های تعویض و تقطیر هم مطرح هستند . هر چند که از نظر تئوری در هر یک از این فرایند ها ملزم به مصرف یک حداقل انرژی واقعی مورد نیاز بستگی به درجه برگشت ناپذیر بودن هر یک از فرایندها دارد . در شکل زیر اصول کار اسمز معکوس و الکترودیالیز رسم شده است.

آب شیرین کن

با توجه به شکل بالا دیده می شود که در اسمز معکوس ، ملکول های آب هستند که از غشاء ( ممبرین – ممبران )  عبور می کنند در حالیکه در الکترودیالیز یون های ماده حل شده ( نا خالصی ) هستند که از غشاء ( ممبرین – ممبران )  عبور می کنند . چون اتلاف انرژی ناشی از برگشت ناپذیری فرآیند بیشتر بعلت اصطلاک یون ها با دیواره حفره های غشاء ( ممبرین – ممبران ) می باشد بنابراین می توان انتظار داشت که هر چه نا خالصی بیشتر باش اتلاف انرژی در الکترودیالیز بیشتر از اسمز معکوس است چون در اسمز معکوس ناخالصی ها از غشاء ( ممبرین – ممبران )  عبور نمی کنند .در شکل زیر اثرات کیفی غلظت نا خالصی ها روی اتلاف انرژی در دو فرآیند اسمز معکوس و الکترودیالیز رسم شده است.

آب شیرین کن

اگر بخواهیم فرآیندهای مختلف کاهش ناخالصی های آب را با هم مقایسه کنیم بهتر است که از محلول نمک طعام استفاده شود چون بعضی از فرآیند ها به نوع ناخالصی زیاد حساس نیستند . به عنوان مثال ،در فرآیند تقطیر،نا خالصی چون یون باشد و چه ذرات بدون بار ، تفاوتی پیش نمی آید . در حالی که الکترودیالیز فقط قادر به جداسازی یون ها می باشد. در شکل زیر هزینه نمک زدایی به چهار روش رزین تعویض یونی ، الکترودیالیز، تقطیر و اسمز معکوس مقایسه شده اند.

آب شیرین کن

در شکل بالا مشاهده می شود که رزین های تعویض یونی برای حذف نمک در محلول های فوق العاده رقیق ، ارزان ترین روش هستند. اما هزینه این روش با افزایش غلظت نمک به سرعت افزایش می یابد .در غلظت حدود۵۰۰PPm الکترودیالیز ، اقتصادی ترین روش نمک زدایی است ولی در غلظت حدود ۵۰۰PPm اسمز معکوس در اولویت قرار می گیرد ودر غلظت های  ۱۰۰۰۰۰PPm به بالا تقطیر اقتصادی ترین روش حذف ناخالصی ها از آب می باشد . هزینه هر متر مکعب آب آشامیدنی که از آب های نیمه شور تهیه می شود حدود ۲/۰ تا ۵/۰ دلار است.

• کیفیت آب تصفیه شده

الف-تقطیر: این روش تنها روش تصفیه آب است که به طور صددر صد،تمام عوامل بیماری زا (باکتری، ویروس و غیره )را از آب ورودی حذف می کند .از نظر تئوری ، تقطیرقادر به حذف تمام مواد می باشد اما در عمل به خاطر حمل ذرات مایع توسط بخار ممکن است مقداری دی اکسید کربن یا آمونیاک وجود داشته باشد . هدایت الکتریکی ویژه آب تصفیه شده با روش تقطیر حدود    در  می باشد.

ب- رزین های تعویض یونی : در این روش می توان آب با هر کیفیت دلخواهی تهیه کرد . آب با درصد خلوص زیادی که می توان از این روش تهیه کرد عملأ حتی با چندین بار تقطیر هم نمی توان تهیه کرد.

ج-اسمز معکوس : این روش می تواند کل مواد جامد محلول در آب را تا نود و نه درصد کاهش دهد . در عمل حذف تا نود پنج درصد معمول است . حذف باکتری،ویروس و میکروب های دیگر صددرصد است اما در عمل به خاطر آب بندی نبودن قسمت مختلف ، ممکن است اندکی از این مواد در آب تصفیه شده دیده شوند.

ه- الکترودیالیز : می تواند  آب ورودی را تا حدود ۵۰۰PPm به صورت اقتصادی کاهش دهد اما تا خالصی های غیریونی و کلوییدی آب باقی می مانند.

• کیفیت آب ورودی:

الف-تقطیر: در این روش می توان از هر نوع آبی (آب شیرین ، آب شور ، آب دریا ) استفاده کرد . برای جلوگیری از ایجاد رسوبسخت درداخل دستگاه معمولأ تصفیه مقدماتی آب ورودی برای حذف سختی توصیه می شود و نیز برای حذف یون های فلزی می توان از رزین های تعویض یونی به عنوان تصفیه مقدماتی استفاده کرد.

ب- رزین های تعویض یونی : پس از تصفیه مقدماتی آب ورودی ، آب هایی که کل مواد جامد محلول آنها از ۷۰۰PPm کمتر باشد و نیز نا خالصی های آلی و بیولوژیکی آب بسیار کم باشد را می توان به صورت موثر و اقتصادی با این روش تصفیه کرد.

وقتی که مواد آلی محلول در آب و BOD آب ورودی زیاد باشد در آن صورت  حتما باید آب ورودی را تصفیه مقدماتی کرد که کار پر دردسر و پر هزینه ای است .

اگر غلظت مواد جامد محلول بیشتر از  باشد استفاده از روش های دیگر چون اسمز معکوس و الکترودیالیز توصیه می شود.

ج- اسمز معکوس : پس از حذف مواد معلق و تصفیه مقدماتی ، که بستگی به آنالیز آب خام دارد ،اسمز معکوس قادر است که از آب دریا تا ، آب شور و نیم شور چاه ها ، آب آشامیدنی تهیه نماید.

د-الکترودیالیز :آب های شور تا   را هم می توان با این روش تصفیه کرد اما آب هایی که  آنها حداکثر  است را می توان با راندمان اقتصادی خیلی خوب تصفیه نمود.

برای تهیه آب صنعتی از آب خام موارد زیر قابل توجه است:

• اگر آب ورودی بیشتر از  باشد از اسمز معکوس می توان برای تصفیه مقدماتی آب ورودی به واحد های تعویض یونی استفاده کرد چون باعث کاهش هزینه تصفیه آب می شود .
• اگر آب ورودی کمتر از   نباشد و کاهش  آب تا ۱۰% مورد قبول باشد در آن صورت اسمز معکوس بسیار اقتصادی تر از واحد های تعویض یونی خواهد بود.
• برای آب خام بدون توجه به مقدار ،اگر مقدار مواد آلی بیشتر از  باشد ، اسمزمعکوس می تواند برای تصفیه مقدماتی آب ورودی به واحد تعویض یونی به کار رود.

• موارد کاربرد

الف_تقطیر: برای تهیه آب مقطر در آزمایشگاه ها ،تهیه آب مطلوب در پزشکی و نیزتولید آب آشامیدنی از آب دریا یا شور ،روش تقطیر بکار می رود.

ب_رزین های تعویض یونی: این یک روش ترجیحی برای تهیه آب با کیفیت بالا از آب شهری ،سبک کردن آب ، تهیه آب تغذیه بویلرهای با سوخت فسیلی یا هسته ای ، تهیه آب پالایشگاه ها، صنایع شیمیایی ،صنایع غذایی و آشامیدنی  ، صنایع داروسازی و الکترونیک و نیز در امور پژوهشی است.

ج_اسمز معکوس : هر جا که حذف مواد آلی اهمیت حیاتی داشته باشد (مثلا در پزشکی داروسازی و صنایع

الکترونیک ) روش اسمزمعکوس می تواند جایگزین تقطیر شود،با این مزیت که هم اقتصادی تر است و هم سرعت

کار بیشتر می باشد. امروز اسمز معکوس اقتصادی ترین روش برای تهیه آب آشامیدنی  از آب های نیمه شور است

ه_ الکترودیالیز: نقش الکترودیالیز بیشتر در مواقعی مطرح می شود که بخواهیم از آب های نیمه شور ،آب آشامیدنی  تهیه نماییم . فعلأ تبدیل آب دریا با روش الکترودیالیز به آب شرب مطرح نیست چون اقتصادی نیست.

توجه کنید که:

۱٫غشاءهای آنیونی،کلراید را خیلی راحت تر از سولفات عبور می دهند.ولی بر عکس الکترودیالیز ، دستگاه آب شیرین کن به روش اسمزمعکوس – اسمز معکوس ( RO ) سولفات را خیلی بهتر از کلراید حذف می کند. از نظر غشاء کاتیونی نیز الکترودیالیز یون های یک ظرفیتی را بر دو ظرفیتی ترجیح می دهد در حالیکه دستگاه آب شیرین کن به روش اسمزمعکوس – اسمز معکوس ( RO ) این چنین نیست . خلاصه اینکه  زیاد الکترودیالیز ولی سولفات زیاد ، اسمز معکوس را مطلوب تر است.

2. الکترودیالیز یون های معدنی را حذف می کند. حذف مواد کلوییدی آلی و غیره با این روش مطلوب نیست .
3. الکترودیالیز بیشتر از دستگاه آب شیرین کن به روش اسمزمعکوس – اسمز معکوس ( RO ) به نیروی متخصص نیاز دارد.
4. الکترودیالیز به برق مستقیم با ولتاژ نسبتأ بالا نیاز دارد.