EN |

Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.

فرایندهای تصفیه آب – نمک زدایی آب

فهرست مطالب

فهرست مطالب

نمک زدایی معمولاً امروزه برای غلبه بر کمبود آب شیرین در برخی از مناطق جهان در صورت وجود آب شور مورد استفاده قرار می ­گیرد. در قرن گذشته انواع مختلفی از فناوری ­ها ارائه شده است. این مقاله، فناوری ‌های تجاری فعلی مانند تقطیر فلش چند مرحله ‌ای (MSF)، تقطیر چند اثر (MED) و اسمز معکوس (RO) و فناوری­ های جدید با هدف بهره برداری از منابع تجدیدپذیر انرژی مانند انرژی باد، خورشید و بیومس را نشان می ‌دهد. در این موارد، تجهیزات شیرین سازی آب شور همانند تجهیزات متدوال هستند و تنها تفاوت آن­ ها در استفاده از انرژی تجدیدپذیر است. بنابراین، طبقه‌بندی‌ ها ابتدا با در نظر گرفتن اصول کار، ورودی اصلی انرژی مورد نیاز برای تصفیه و پتانسیل استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر معرفی می ‌شوند. نحوه عملکرد فرآیند و برخی از داده­ ها در مورد وضعیت توسعه نیز گزارش شده است.

مقدمه

جهت برآوردن تقاضای روزافزون آب شیرین به دلیل رشد جمعیت و مسائل رفاهی، اولین سیستم ­های نمک­ زدایی در اواخر دهه ۱۹۵۰ نصب شدند. اولین فناوری‌ ها به دلیل هزینه کم سوخت‌ های فسیلی از انرژی حرارتی استفاده می­ کردند. با افزایش تدریجی هزینه انرژی، تحقیقات زیادی به منظور به حداقل رساندن هزینه کل شیرین سازی آب انجام شده است. این تحقیقات با دو هدف (۱) افزایش بهره­ وری انرژی فناوری­ های تجاری متداول و (۲) بررسی و ارائه راهکارهای جدید انجام می­ شود. به ­عنوان مثال، در مورد اول، تعداد مراحل تقطیر فلش چند مرحله­ای (MSF) (Multi-Stages Flash distillation) به تدریج از ۸ تا ۱۲ به ۲۰ افزایش یافته است. در مورد پیشنهاد راه حل ­های نوآورانه، معرفی غشاهای نیمه تراوا نشان دهنده یک تغییر اساسی در بحث نمک زدایی است. در واقع امروزه اسمز معکوس (RO) (Reverse Osmosis) پرکاربردترین فناوری برای این منظور است.

اصطلاح نمک زدایی به فرآیند تکنولوژیکی مورد استفاده برای استخراج آب شیرین از آب شور اشاره دارد. آب دریا اغلب منبع آب خامی است که برای تامین این فرآیند استفاده می ­شود. از لحاظ تاریخی، ایده پشت فرآیند نمک‌ زدایی توسط نیروی دریایی سلطنتی (نیروی جنگ دریایی بریتانیا) در پایان قرن هجدهم با هدف افزایش استقلال ناوبری بدون ذخیره آب بیشتر در کشتی‌ ها مطرح شد. از آنجایی که در آن دوره کشتی­ ها به موتورهای بخار مجهز بودند، اولین فناوری نمک ‌زدایی تقطیر تک فلش بود که در سال ­‌های بعد به MSF کارآمدتر ارتقا یافت.

اولین نوع واحد نمک زدایی در سال ۱۸۸۵ در گلاسکو (اسکاتلند) ساخته شد. تا جنگ جهانی دوم ساخت واحد نمک­ زدایی در انحصار این شرکت که بعدها به Weir Westgarth معروف شد، بود. در سال ‌های بعد، دستگاه‌ های نمک ‌زدایی در سراسر جهان برای اهداف عمرانی نصب شدند. در سال ۱۹۰۷، یک شرکت هلندی اولین کارخانه آب شیرین کن را در کشورهای حاشیه خلیج فارس در شهر جده نصب کرد. همان کارخانه در سال ۱۹۲۸ جایگزین شد و دو واحد تولید شده توسط Weir Westgarth (با ظرفیت کل ۱۳۵ متر مکعب در روز) نصب شد.

نمک زدایی (Desalination)

امروزه نمک زدایی با استفاده از فناوری های مختلفی قابل انجام است. به طور کلی، یک کارخانه آب شیرین کن شامل فرآیندهای مختلفی برای به دست آوردن آب شیرین است که در این میان واحد نمک ‌زدایی گران ‌ترین جزء از لحاظ مصرف انرژی است. یک کارخانه آب شیرین کن معمولا شامل:

  • ورودی، معمولا از پمپ ­ها و لوله ­ها برای برداشت آب از منبع (مثلا آب دریا) تشکیل شده است
  • پیش تصفیه، شامل فیلتر کردن آب خام برای حذف ذرات جامد و افزودن مواد شیمیایی برای کاهش رسوب نمک و خوردگی داخل واحد نمک ‌زدایی
  • نمک زدایی، که در آن آب شیرین از آب شور استخراج می ­شود
  • اقدامات نهایی، برای تصحیح pH با افزودن نمک­ های لازم برای برآوردن نیازهای مصرف نهایی.

همان طور که قبلا گفته شد، فرآیند نمک زدایی بیشترین مصرف انرژی را در فرایند دارد. به همین دلیل تمرکز این مقاله بر روی این قسمت خواهد بود. قبل از معرفی راه حل ­های مورد استفاده، یک طبقه بندی مورد نیاز است. Alkaisi [5] سه دسته بندی اصلی را پیشنهاد کرده است: تبخیر و تراکم (Evaporation and Condensation)، فیلتراسیون (Filtration) و تبلور (Crystallization). شکل ۱ ارتقای طبقه بندی ارائه شده توسط Alkaisi را نشان می دهد که فناوری های جدیدی را که در حال حاضر در حال بررسی هستند را نیز شامل می شود.

شکل ۱- طبقه بندی فناوری های نمک زدایی بر اساس اصول کار

فناوری ‌­های تبخیر و تراکم اولین تکنیک ‌های نمک‌زدایی هستند که از لحاظ تاریخی برای تولید آب شیرین در مناطق شهری استفاده می ­­شوند. این فناوری به این صورت است که با اعمال انرژی حرارتی، آب دریا به بخار تبدیل می­ شود و سپس متراکم می­ شود. این انرژی را می ­توان با استفاده از گرمای یک فرآیند حرارتی (مثلاً گرمای حاصل ازاحتراق سوخت) یا از طریق یک فرآیند مکانیکی تولید کرد. در مورد اول، متداول­ترین فناوری­ ها MED، MSF، فشرده سازی بخار حرارتی (TVC) (Thermal Vapor Compression) و تقطیر غشایی (MD) (Membrane Distillation) هستند. در حال حاضر روش ­های دیگری در دست بررسی هستند و در میان آنها می ­توانیم چند راه‌ حل جدید ارائه شده توسط انرژی خورشیدی پیدا کنیم: تقطیر خورشیدی (SSD) (Solar Still Distillation)، دودکش خورشیدی (SC) (Solar Chimney) و نمک‌ زدایی رطوبت‌ سازی-رطوبت‌ زدایی (HDH) (Humidification-Dehumidification).

با توجه به فرآیندهای مکانیکی مورد استفاده برای تولید آب شیرین از طریق تبخیر و تراکم آب دریا، تکنیک اصلی فشرده سازی بخار مکانیکی (MVC) (Mechanical Vapor Compression) است.

در مورد فناوری ­های فیلتراسیون، همه راه حل ها اساساً بر اساس یک غشای نیمه تراوا هستند، لایه ­ای که رفتار متفاوتی را با توجه به اندازه یا ماهیت مولکول­ ها نشان می­ دهد. تنها استثنا رزین ­های تبادل یون (IXR) (Ion-Exchange Resins) هستند که در آن از مواد طبیعی یا مصنوعی برای جذب یون های محلول به روش شیمیایی استفاده می شود.

در این زمینه RO بیشترین فناوری مورد استفاده برای نمک زدایی است. الکترودیالیز (ED) (Electrodialysis) و رزین تبادل یونی برای تولید آب با غلظت بسیار محدود نمک استفاده می شود. سایر تکنیک ها مانند اسمز پیشرو (FO) (Forward Osmosis)، نانو فیلتراسیون (NF) (Nanofiltration) و دی یونیزاسیون خازنی (CDI) Capacitive Deionization)) در مرحله توسعه هستند.

در نهایت، دسته تبلور شامل تکنیک ­هایی است که یخ آب شیرین را به عنوان محصول میانی استخراج می­ کند. تکنیک ­های اصلی عبارتند از: نمک زدایی با مبرد ثانویه (SRF) (Secondary Refrigerant Freezing)، هیدراسیون (HY) (Hydration) و انجماد در خلاء (VF) .(Vacuum Freezing) البته این نکته قابل ذکر است که همه این رویکردها در حال بررسی هستند و در مرحله تحقیقاتی قرار دارند. سیر تکامل فرایند نمک زدایی در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل ۲- سیر تکامل تکنیک های نمک زدایی

طبقه بندی مفید دیگری را می ­توان با در نظر گرفتن نوع انرژی مورد نیاز برای اجرای فرآیند، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، تحقق بخشید. این دسته بندی جهت انتخاب منابع انرژی تجدیدپذیر برای تامین انرژی نمک ‌زدایی مهم است. برای این دسته بندی، چهار نوع انرژی در نظر گرفته شده است:

  • انرژی حرارتی
  • انرژی مکانیکی
  • انرژی الکتریکی
  • انرژی شیمیایی

در اولین دسته بندی انرژی با استفاده از سوزاندن سوخت، گرمای خورشیدی یا منبع انرژی زمین گرمایی تامین می­ شود که شامل فناوری های MSF، MED، TVC، MD، SC، HDH و SSD است. مخصوصا، سه تکنیک آخر برای این طراحی شده ­اندکه مستقیما از انرژی خورشیدی استفاده کنند.

گروه تکنولوژی­ هایی که به انرژی مکانیکی به عنوان ورودی نیاز دارند عبارتند از: MVC، RO، NF، SRF و HY. همه این تکنیک ­ها به پمپ و کمپرسور نیاز دارند که بخش اعظمی از انرژی کل مورد نیاز برای این تجهیزات مصرف می ­شود.

دو گروه آخر کاربردهای محدودی دارند. ED و CDI مستلزم ایجاد میدان الکتریکی بین دو الکترود است که توسط یک غشای آنیونی و یک غشای کاتیونی جدا شده ­اند (غشاهای انتخابی که به ترتیب به یون ­های مثبت و منفی اجازه عبور می ­دهند). در این مورد، انرژی الکتریکی تنها راه تامین انرژی فرایند است.

در مورد رزین تبادل یونی، اصول کار بر پایه جایگزینی شیمیایی یون­ های مثبت و منفی است. در مورد FO، جایگزینی املاح برای استخراج آب از محلول نمک رخ می­ دهد.

لازم به ذکر است که انرژی مکانیکی و الکتریسیته را می ­توان به راحتی با راندمان بالا به یکدیگرتبدیل کرد. به عنوان مثال، فناوری­ هایی که نیاز به ورودی انرژی مکانیکی، از طریق پمپ ­ها یا کمپرسورها دارند، با استفاده از موتورهای الکتریکی رایج به راحتی توسط انرژی الکتریسیته اجرا و تامین می­ شوند. به طور مشابه، انرژی مکانیکی می ­تواند توسط دینام­ ها به الکتریسیته تبدیل شود تا فرآیندهای نمک زدایی را که به انرژی الکتریکی به عنوان ورودی نیاز دارند، تامین کند.

شکل ۳- دسته بندی تکنیک های نمک زدایی با استفاده از ورودی انرژی اصلی

انرژی حرارتی بحث متفاوتی است، زیرا به راحتی می ­تواند با استفاده از الکتریسیته، از طریق اثر ژول یا پمپ ­های حرارتی تولید شود. تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی یا الکتریکی با استفاده از ماشین ­های حرارتی قابل انجام است که البته به دلایل ترمودینامیکی و فنی دارای بازدهی کمی نسبت به موارد قبلی است.

این نکته قابل ذکر است که منابع حرارتی در شرایط خاص می­ توانند طوری سازگار شوند که قابلیت تولید انرژی الکتریکی را داشته باشند. به عنوان مثال، در صورت وجود یک منبع زمین گرمایی با دمای بالا، امکان ساخت یک نیروگاه وجود دارد.

بنابراین، به منظور تامین انرژی فرآیند نمک‌ زدایی با منابع انرژی تجدیدپذیر، تشخیص منابع انرژی که می ‌توانند برای تولید الکتریسیته (یا انرژی مکانیکی) از منابع تولیدکننده انرژی حرارتی مورد استفاده قرار گیرند مناسب است. بدین منظور، منابع انرژی تجدیدپذیر را می ­توان با توجه به بازده انرژی که می ­توان تولید کرد در دسته بندی ­های زیر قرار داد:

  • تولیدکنندگان برق، مانند باد، آبی، جزر و مد و موج.
  • تولیدکنندگان انرژی حرارتی و الکتریکی، مانند انرژی خورشیدی، زمین گرمایی و بیومس.

بازدهی انرژی با توجه به ویژگی­ های منبع انرژی محلی انتخاب می ­شود. با ترکیب فناوری­ های استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و روش ­های نمک زدایی، شکل ۴ به دست می ­آید. در ادامه هر یک از این روش ­ها معرفی خواهند شد.

شکل ۴- ترکیب ممکن بین فناوری های نمک‌زدایی و منابع انرژی تجدیدپذیر

تقطیر فلش چند مرحله ­ای (MSF)

یک سیستم تقطیر فلش چند مرحله ­‌ای معمولاً از مجموعه ­­ای از بیست یا تعدا بیشتری محفظه تشکیل شده است که هر کدام با فشار کمتری نسبت به آخرین کار می ‌­کنند. همانطور که آب شور گرم شده از یک محفظه به محفظه دیگر جریان می ­یابد، مقداری از آن به طور سریع تبخیر می­­ شود. این بخار آب از جداکننده ­‌های رطوبت عبور می ­کند که هر قطره ­­ای از آب نمک که درون بخار به دام افتاده است را از بین می ‌­برد. بخار روی لوله ­های تراکم سردتر متراکم می ­‌شود و به عنوان تقطیر به سینی هایی می‌­ چکد که از آنجا به سمت مخزن ذخیره‌ سازی هدایت می ‌­شود.

شکل ۵- طرحی از واحد نمک زدایی تقطیر فلش چند مرحله ‌ای

در سال ­های اخیر یک تغییر کوچک در این فرایند ایجاد شده است. به جای کندانسور یک بخش دفع حرارت که از دو یا سه مرحله فلش تشکیل شده است قرار داده شده است (شکل ۶). به طور دقیق ­تر، آب دریا در این قسمت به عنوان سیال خنک کننده مورد استفاده قرار می ­گیرد. پس از این مرحله قسمتی از آب دریا دفع و قسمت دیگر با قسمتی از آب نمک استخراج شده توسط آخرین مرحله فلش مخلوط می ­شود. این محلول نمک در قسمت اصلی واحد نمک زدایی استفاده می ­شود. این تکنیک برای افزایش راندمان انرژی واحدهای نمک زدایی بزرگ، متشکل از ۱۹-۴۰ مرحله فلش و ۲-۳ واحد گرمایی استفاده می ­شود.

شکل ۶- شماتیکی از واحد نمک زدایی تقطیر فلش چند مرحله ای با راندمان بالاتر

تقطیر چند اثر (تقطیر ترمو فشرده) (MED)

یک سیستم تقطیر ترمو فشرده معمولاً دارای دو تا شش مرحله تبخیرکننده است و از یک فرآیند فشرده سازی حرارتی چند مرحله ­ای استفاده می­ کند که در دماهای بسیار پایین و فشارهای زیر اتمسفر کار می­ کند. در یک واحد چهار مرحله ای معمول همان طور که در شکل ۷ نشان داده شده است، بخار منبع وارد شده به لوله های کندانسور مرحله اول، در دمای مثلاً ۶۲ درجه سانتیگراد و فشار ۰/۲۲ بار، توسط آب خام پاشیده شده خارجی متراکم می شود و میعانات به عنوان محصول خارج می شود. در لوله های کندانسور خنک کننده، آب خام در مرحله یک گرم می شود و بخشی از آن در دما و فشار کمتر مثلاً ۵۸ درجه سانتی گراد و ۰/۱۹ بار بخار می شود. این بخار وارد لوله های مرحله دوم می شود، مانند مرحله اول توسط آب خام متراکم می شود و به عنوان محصول نیز خارج می شود. بخشی از آب خام در مرحله دوم در شرایط کم‌تر مثلاً ۵۴ درجه سانتی‌گراد و ۰/۱۵ بار تبخیر شده و وارد لوله ‌های مرحله سوم می‌شود. این روند دوباره در مرحله چهارم تکرار می شود.

بخشی از بخار تولید شده در مرحله چهارم در دمای ۴۶ درجه سانتیگراد و ۰/۱ بار توسط ترمو کمپرسور کشیده می شود که آن را با بخار فشار قوی در ۰/۲۲ بار فشرده می کند تا به مرحله اول تغذیه شود. بخار متراکم شده از هر مرحله بخار کننده و از مرحله کندانسور توسط یک پمپ برای تشکیل آب حاصل استخراج می شود. کارخانه های تقطیر ترموفشرده می توانند آب بسیار خالص را از هر منبع آب شور مانند آب دریا بدون پیش تصفیه یا فیلتراسیون پیچیده تولید کنند.

شکل ۷- شماتیکی از فرایند تقطیر ترمو فشرده

فشرده سازی بخار (Vapor Compression)

فشرده سازی بخار یک تکنیک متداول است که در بخش تقطیر بر اساس انتقال فاز مایع-بخار مورد استفاده قرار می گیرد. برای توضیح فرایند، شکل ۸ در نظر گرفته شده است که نشان دهنده یک واحد MVC است. برای استخراج بخار تولید شده در داخل محفظه از کمپرسور بخار استفاده می شود. به دلیل فشرده سازی، دما و فشار بخار افزایش می یابد. بخار تحت فشار با افزایش دما و استفاده از مبدل حرارتی می تواند گرما را به آب شور داخل محفظه منتقل کرده و بخار تولید کند.

برای به حداقل رساندن مصرف انرژی در فرآیند، از یک مبدل بازیابی حرارت برای انتقال گرما از آب نمک تخلیه شده استفاده می شود. پس از پیش گرم کردن، آب شور با جریان آب نمک مخلوط می شود. این محلول به صورت خارجی روی مبدل حرارتی اصلی داخل واحد نمک زدایی پاشیده می شود. MVC اساساً برای اجرای فرآیند به برق نیاز دارد. بنابراین، یک واحد نمک‌زدایی مستقل کوچک می ‌تواند برای برآوردن تقاضای آب شیرین از ۱۰۰ تا ۳۰۰۰ متر مکعب در روز ایجاد شود.

شکل ۸- طرحی از یک واحد نمک زدایی فشرده سازی بخار مکانیکی ساده

همین رویکرد در واحد فشرده سازی بخار حرارتی (TVC) که در شکل ۹ نشان شده است، اتخاذ شده است. تنها تفاوت قابل توجه مربوط به روش مورد استفاده برای افزایش فشار بخار است. در TVC یک کمپرسور حرارتی استفاده می شود که توسط بخار با فشار بالا (معمولاً از یک نیروگاه) تامین می شود.

شکل ۹- طرحی از واحد نمک زدایی ساده تراکم بخار حرارتی (TVC)

TVC به انرژی حرارتی و الکتریکی نیاز دارد. اولی برای فشرده سازی حرارتی و دومی برای پمپ های گردشی استفاده می شود. TVC گاهی اوقات با واحدهای MED مونتاژ می شود و یک سیستم ترکیبی به نام واحد نمک زدایی MED-TVC را تشکیل می دهند، همانطور که در شکل ۱۰ نشان داده شده است. این واحد چند تفاوت با سیستم MED دارد. منبع بخار برای تولید خلا در دلخل کندانسور و آخرین مرحله MED استفاده می شود. بخار آلوده در اولین مرحله متراکم شده و به خروجی آب شیرین اضافه می شود. این پیکربندی برای تامین مقدار قابل توجهی آب شیرین مورد نیاز، بین ۱۰۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰ مترمکعب در روز استفاده می شود.

شکل ۱۰- شماتیک ترکیب واحدهای TVC و MED

اسمز معکوس (RO)

برای سال ‌های متمادی، آب شور به دلیل مصرف انرژی بالا در فرآیندهای تقطیر، در مقادیر نسبتاً کم (مانند کشتی ‌های مسافربری یا در یک شهر بیابانی) نمک ردایی می ‌شد. توسعه روش نمک‌ زدایی با اسمز معکوس در اوایل دهه ۱۹۶۰، با استفاده از غشاء به‌ عنوان مدیای جداکننده، فرایند نمک ‌زدایی را کاملاً تغییر داد و آن را بسیار قابل دسترس‌ تر کرد، حتی اگر هنوز به اندازه فیلتراسیون در بستر عمیق ارزان نباشد.

اولین فرآیند غشایی که عمدتاً برای نمک‌ زدایی آب شور توسعه یافته است، از غشایی تحت فشار بالا استفاده می‌ کند تا به آب اجازه عبور داده شود و هرگونه ماده محلول در محلول تغذیه را مهار کند. غشا نسبت به یون ها و بیشتر گونه های مولکولی در محلول نفوذ ناپذیر است.

برای توضیح شفاف تر، تصور کنید یک مخزن توسط یک مانع عمودی که فقط در برابر آب قابل نفوذ است به دو قسمت تقسیم شود و یک محفظه تا حدی با آب خالص و دیگری تا همان سطح با محلول آب نمک پر شود. در چنین شرایطی شیمی سیستم به گونه ای است که آب از طریق مانع جریان می یابد، از سمت آب خالص به سمت محلول، در تلاشی جهت یکسان شدن غلظت نمک در هر دو طرف (که واضح است نمی تواند انجام شود، زیرا به مقدار بی نهایت زیادی آب نیاز دارد) (شکل ۱۱-a). این جریان را می توان به تدریج کاهش داد اگر یک گرادیان فشار خارجی فزاینده Δp در سمت محلول اعمال شود.

این جریان آب رقیق شده اسمز نامیده می شود. با ادامه اسمز، مقدار آب در سمت آب خالص کاهش می ‌یابد و حجم محلول به همان میزان افزایش می ‌یابد که نتیجه آن افزایش پیوسته فاصله بین سطوح مایع در دو طرف مانع است. افزایش سطح محلول نسبت به سطح آب خالص، اختلاف فشار هیدرواستاتیکی را در سراسر مانع ایجاد می کند که سرعت حرکت آب را به سمت محلول کاهش می دهد. در نهایت یک تعادل فیزیکی حاصل می شود که در آن فشار هیدرواستاتیک با نیروی وارد شده توسط اسمز برابر است و جریان آب متوقف می شود (شکل ۱۱-c). فشاری که در آن این اتفاق می افتد، فشار اسمزی محلول (Δposm) نامیده می شود و این فشار بسته به غلظت نمک در محلول متفاوت است: هرچه غلظت و همچنین دمای محلول بالاتر باشد، فشار اسمزی بیشتر است.

اگر قسمت محلول مخزن در این مرحله محصور شده و تحت فشار قرار گیرد، آب با فشار از مانع عبور می کند و از محلول خارج می شود که با افزایش فشار اعمال شده، سرعت جریان معکوس افزایش می یابد. این وضعیت اسمز معکوس نامیده می‌شود (شکل ۱۱-d) و اساس نمک ‌زدایی آب است – با اعمال فشارس بیش از فشار اسمزی به محلولی که توسط یک غشای نیمه‌تراوا مهار می ‌شود.

البته این درست است که هیچ غشایی نمی تواند ۱۰۰% نمک موجود در محلول عبوری را جدا کند و بنابراین، محلول نفوذی از غشا حاصل از فرآیند اسمز معکوس همیشه دارای مقدار کمی نمک خواهد بود. خلوص دقیق این محلول به غلظت آب نمک و ثابت نفوذ نمک غشا بستگی دارد.

این یک فرایند فشار بالا است. فشار اسمزی آب دریا بین ۳۴ تا ۴۲ بار است و فشار خالص عملیاتی یک سیستم اسمز معکوس، که برای ارائه نرخ جریان اقتصادی آب حاصل لازم است، معمولاً بین ۱۷ تا ۲۸ بار متغیر است. در نتیجه، فشارهای عملیاتی واقعی اعمال شده در محدوده ۵۰ تا ۷۰ بار است. فشارهای اعمال شده برای آب های شور بسته به سطح شوری آب تغذیه شده از ۱۴ تا ۴۸ بار متغیر است.

سرعت نفوذ آب خالص از طریق غشاء متناسب با تفاوت بین فشار اعمال شده و فشار اسمزی، یعنی متناسب با نیروی محرکه خالص است. با افزایش این تفاوت، سرعت جریان آب افزایش می ‌یابد در حالی که جریان نمک ثابت می‌ ماند، به طوری که افزایش فشار، و در نتیجه سرعت جریان، باعث کاهش غلظت نمک در آب نفوذ کرده یا محصول می ‌شود.

شکل ۱۱- تصویری از پدیده اسمز، با توجه به فشار خارجی وارد شده به دو طرف غشاء.: (a) Forward Osmosis، (b) Retarded Osmosis، (c) Zero Flow، (d) Reverse Osmosis.

غشاهای اسمز معکوس

مهم ترین نکته در فرایند نمک زدایی آب توسط روش اسمز معکوس، انتخاب مناسب غشایی است که از طریق آن جداسازی نمک و آب انجام می شود. غشاهای اسمز معکوس اولیه از مشتقات سلولز ساخته می شدند، اما در حال حاضر درصد زیادی از آن ها از پلیمرهای مصنوعی ساخته می شوند.

دو فرمت غشایی معمولاً برای اسمز معکوس استفاده می شود، نوع تابیده مارپیچی و الیاف توخالی. یک ماژول الیاف توخالی از دسته ای از الیاف توخالی ساخته می ‌شود که هر کدام دارای لایه دفع نمک در سطح بیرونی هستند و قطر بیرونی آن ۹۰ تا ۱۰۰ میکرومتر و قطر داخلی آن حدود ۴۵ میکرومتر است. انتهای الیاف در یک ورق اپوکسی تعبیه شده است که سپس در یک مخزن تحت فشار شیشه ای استوانه ای آب بندی می شود. طول الیاف می تواند به اندازه طول سیلندر باشد، اما روش معمول این است که دسته الیاف از وسط به شکل U خم می شود و دو سر آن در محفظه در مجاور هم هستند.

آب خام به داخل محفظه وارد می شود و بخشی از آن از طریق دیواره های الیاف نفوذ می کند تا از انتهای باز الیاف به درپوش انتهایی محفظه تخلیه شود. آب نمک دفع شده از طرف دیگر یا انتهای سیلندر محفظه تخلیه می شود. ماژول های الیاف توخالی سیستم های فشرده ای را ارائه می دهند، و سطح غشای بزرگ ناشی از بسته بندی با چگالی بالا الیاف، نفوذپذیری نسبتاً کمتر آب این پیکربندی را جبران می کند.

المنت مارپیچی معمولاً یک غشای ورقه ‌ای مسطح را شامل می شود که روی یک ورق پشتیبان پلی استر متخلخل قرار داده می ‌شود. سپس چندین ترکیب غشاء/ورقه پشتیبان، همراه با صفحات فاصله‌ دهنده واسطه (برای جریان مایع) به دور یک هسته مرکزی پیچیده می‌شوند (شکل ۱). غشاء می تواند از یک پلیمر سلولزی ساخته شود یا ممکن است از نوع کامپوزیت لایه نازک باشد، که در آن لایه دافع نمک پلی آمید به یک لایه پلیمری ریز متخلخل اعمال می شود و سپس به ورق پشتیبان متصل می شود. لوله مرکزی، که در اطراف آن غشاء و لایه های پشتیبان آن پیچیده شده است، مایعی را که از طریق غشا نفوذ می کند، جمع آوری می کند. المنت مارپیچی به عنوان یک فیلتر غشایی متقاطع عمل می کند. تنها بخشی از آب نمک در غشا نفوذ می کند تا به آب محصول تبدیل شود، در حالی که آب نمک باقیمانده تلاطم کافی را حفظ می کند تا تجمع یون های نمک دفع شده را به حداقل برساند که در غیر این صورت ممکن است سطح غشاء را مسدود کند.

شکل ۱۲- ماژول غشایی مارپیچی

گذرگاه ‌های باریک در ماژول ‌های اسمز معکوس به آسای حتی توسط ذرات ریز مسدود می شوند. بنابراین لازم است که تجهیزات اسمز معکوس به پیش فیلترها مجهز شوند تا از حضور چنین ذراتی جلوگیری شود.

اسمز پیشرو (مستقیم) (FO)

همانطور که در بخش قبل معرفی شد، اسمز پیشرو به فرآیند طبیعی اشاره دارد که از طریق آن حلال از محلول رقیق ‌تر به محلول غلیظ جریان می ‌یابد، اگر در تماس قرار گرفته و توسط یک غشای نیمه تراوا جدا شود. جالب است بدانید که دو محلول با املاح متفاوت، اگر غلظت و دمای معادل یکسانی داشته باشند، فشار اسمزی یکسانی دارند.

بنابراین، استخراج آب شیرین با استفاده از محلول غلیظ تر از آب شور امکان پذیر است. این رویکرد در “کیسه های هیدراتاسیون” که یک کیت اضطراری مجهز به یک غشای نیمه تراوا هستند که حاوی قند در داخل هستند، اعمال می شود. در صورت وجود منبع آب (رودخانه ‌ها، دریاها، گودال ‌ها، حوضچه‌ ها) در مواقع اضطراری از این کیسه برای تولید آب قابل شرب استفاده می‌ شود و در نتیجه از آلودگی عوامل بیماری ‌زا یا سموم جلوگیری می ‌شود.

یک سیستم که توسط Trevi Systems پیشنهاد شده است در شکل ۱۳ نشان داده شده است. فرایند به این صورت است که پس از فیلتراسیون اولیه، آب شور به واحد اسمز پیشرو وارد می شود. از آنجایی که محلول در طرف دیگر غشای نیمه تراوا غلیظ تر است، آب شیرین از آب شور استخراج می شود و محلول خام رقیق می شود. در صورت وجود یک منبع حرارتی خارجی، محلول رقیق شده را می توان به دو جریان تقسیم کرد: محلول خام غلیظ، که به واحد FO ارسال می شود، و جریان آب شیرین، که در اغلب موارد قبل از ذخیره سازی فیلتر می شود. این فناوری در مرحله توسعه است.

شکل ۱۳- طرحی از واحد نمک زدایی اسمز پیشرو

نانوفیلتراسیون (NF)

نانوفیلتراسیون یک فرآیند فیلتراسیون غشایی است که برای حذف یون ‌های محلول یا مواد آلی برای تولید آب نرم، یعنی آب با تعداد محدودی از یون‌ ها (Ca۲+، Mg…) استفاده می‌ شود. این تکنیک از نظر مفهومی مشابه RO است. تفاوت اصلی عملی است که برای حذف یون ها از آب شور استفاده می شود، همانطور که در شکل ۱۴ نشان داده شده است.

شکل ۱۴- اصول کار و طرح یک واحد نانوفیلتراسیون

NF در چندین کاربرد مانند آب و فاضلاب، داروسازی و فرآوری مواد غذایی استفاده می شود. کاربرد آن برای نمک زدایی آب دریا محدود است، زیرا این غشاهای نیمه تراوا متخلخل تر هستند و اجازه عبور برخی از جامدات محلول را می دهند. همانطور که در شکل ۱۵ نشان داده شده است، فناوری های فیلتراسیون بر اساس اندازه ذرات و مولکول هایی که توسط غشاء متوقف می شوند طبقه بندی می شوند.

پیشوند “Nano” مربوط به اندازه منافذ است، که برای غشاهای نانوفیلتراسیون از ۱ تا ۱۰ نانومتر است، بنابراین کوچکتر از سایر تکنیک های فیلتراسیون (میکرو فیلتراسیون و اولترافیلتراسیون) اما بزرگتر از RO است. در نتیجه، این فناوری عمدتاً یون ‌های دو ظرفیتی (مانند Ca و Mg) را با بازدهی بین ۹۰ تا ۹۸ درصد حذف می‌کند. حذف یون‌های تک ظرفیتی محدود است (بین ۶۰ تا ۸۵ درصد).

از آنجایی که آب نرم تولید شده توسط فرآیند NF دارای غلظت یون بیشتری نسبت به RO است، گرادیان فشار کمتری باید به غشای نیمه تراوا اعمال شود (بین ۳۴ تا ۴۸ بار). از آنجایی که NF نیاز به انرژی کمتری نسبت به RO دارد، این راه حل برای نمک زدایی آب دریا تحت بررسی است.

شکل ۱۵- فناوری های فیلتراسیون بر اساس فشار گرادیان مورد نیاز و اندازه تخلخل

الکترودیالیز معکوس (Reverse electrodialysis)

نمک زدایی آب توسط فرآیند الکترودیالیز معکوس نسبت به اسمز معکوس کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. این روش از دو نوع غشای تبادل یونی استفاده می‌ کند، یکی فقط اجازه عبور یون ‌های با بار منفی (آنیون‌ ها) را می‌ دهد و دیگری فقط اجازه عبور یون ‌های مثبت (کاتیون ‌ها) را می‌ دهد. الکترودیالیز بیشتر یک فرآیند آزمایشگاهی بوده (و هست) که برای حذف نمک‌ ها از محلول‌های کلوئیدی خاص استفاده می ‌شود، اما توسعه غشاهایی با نفوذپذیری انتخابی در رابطه با آنیون ‌ها و کاتیون ‌ها این فرآیند را دوباره فعال کرده و به چرخه استفاده باز گردانده است.

یون‌ها از آب تغذیه‌ ای که قرار است نمک ‌زدایی شود، با اعمال یک میدان الکتریکی به سمت غشاها حرکت می‌کنند (شکل ۱۶). آنیون ها از غشاهای تبادل آنیون و کاتیون ها از غشاهای تبادل کاتیونی در جهت های مخالف عبور می کنند. سپس هر دو جریان یونی توسط غشای بعدی که به آن می رسند متوقف می شوند، زیرا فقط برای یون های بار مخالف نفوذپذیر است. بنابراین یون هایی که در محفظه های متناوب نگهداری می شوند با هم ترکیب می شوند و محلول غلیظی از آب نمک را تشکیل می دهند.

شکل ۱۶- فرایند الکترودیالیز معکوس

در عمل یک تجهیز الکترودیالیز معمولاً از تعداد زیادی از چنین محفظه هایی تشکیل شده است که به طور متناوب توسط غشاهای تبادل آنیونی و کاتیونی از هم جدا شده اند. محلول الکترولیت در تماس با الکترودها، جایی که واکنش های الکتروشیمیایی انجام می شود، در یک مدار جداگانه به گردش در می آید. به طور متناوب، قطبیت الکترودها معکوس می شود، به طوری که یون ها در جهت مخالف حرکت می کنند و محفظه های آب نمک و آب محصول تعویض می شوند. این روش تمیز کردن خودکار غشاها را بدون نیاز به استفاده از مواد شیمیایی تمیز کننده فراهم می کند.

برخی از ایده‌ های مربوط به هزینه‌ های عملیات معمولی فرآیندهای نمک ‌زدایی در شکل ۱۷ ارائه شده است که بر اساس غلظت نمک آب ترسیم شده است. اگرچه داده های هزینه کمی قدیمی است، هزینه های نسبی بین فرآیندهای مختلف هنوز تقریباً درست است. می توان مشاهده کرد که برای همه به جز کمترین غلظت ها، اسمز معکوس کم هزینه ترین گزینه است.

شکل ۱۷- هزینه های عملیاتی فرایند نمک زدایی

مشاهده می شود که غشاء نقش عمده ای در تامین آب خالص دارد: حذف نمک های محلول (اسمز معکوس و اخیراً نانوفیلتراسیون)، فیلتراسیون با کیفیت بالا، کاهش ترکیب تری هالومتان، حذف سیلیس – همگی با فرآیند غشایی مناسب امکان پذیر است.

دی یونیزاسیون خازنی (CDI)

مانند الکترودیالیز معکوس، در دییونیزاسیون خازنی (CDI) یک میدان الکتریکی بین دو الکترود کربنی که به منبع ولتاژ جریان مستقیم متصل هستند، تولید می‌ شود. در نتیجه این میدان الکتریکی، یون های محلول در ریز منافذ کربن الکترودها جذب می شوند. برای بازسازی آنها، یک ولتاژ معکوس اعمال می شود و یون ها را از الکترودها به آب شور آزاد می کند. پدیده co-ion یعنی جذب یون ها توسط الکترودهایی با بار سطحی یکسان، کارایی این فناوری را محدود می کند. همانطور که در شکل ۱۸ نشان داده شده است، برای بهبود بهره وری انرژی، می توان یک غشای تبادل آنیونی و یک غشای تبادل کاتیونی روی الکترودها نصب کرد. این محلول دیونیزاسیون خازنی غشایی (Membrane Capacitive Deionization) (MCDI) نام دارد.

این فناوری نیاز به مصرف انرژی کمتری برای نمک‌ زدایی آب شور و عملیات تعمیر و نگهداری کمتری نسبت به واحدهای الکترودیالیز دارد. علیرغم این مزایا، CDI یک فرآیند در دست بررسی است و در مراحل مقدماتی قرار دارد.

شکل ۱۸- اصول کار یک واحد دییونیزاسیون خازنی

هیدراتاسیون (HY)

نمک زدایی با روش هیدراتاسیون (HY) بر اساس تولید هیدرات های گازی است که جامدات کریستالی متشکل از مولکول های آب (میزبان) و گاز (مهمان) مانند نیتروژن، دی اکسید کربن و متان است. تفکیک ۱ متر مکعب هیدرات می تواند ۸/۰ متر مکعب آب و ۱۶۴ متر مکعب گاز در شرایط استاندارد تولید کند. از آنجایی که تولید هیدرات ‌ها به شرایط ترمودینامیکی کمتری (T < 20C و bar P> 30) نسبت به سایر تکنیک ‌های نمک‌زدایی انتقال فاز نیاز دارد. ایده پشت نمک‌زدایی HY تولید هیدرات‌ ها و سپس جداسازی به اجزای ترکیبی (گاز و آب) است. طرحی از یک واحد هیدراتاسیون در شکل ۱۹ نشان داده شده است.

شرح فرایند به این صورت است که پس از سردسازی اولیه، آب دریا در داخل یک راکتور با مخلوطی از پروپان و دی اکسید کربن مخلوط می شود. این مخلوط به کریستالایزر منتقل می شود، جایی که در دمای پایین و فشار بالا هیدرات تشکیل می شود. دوغاب هیدرات از آب نمک جدا شده و به یک تجزیه کننده منتقل می شود. با تعبیه یک منبع حرارتی، هیدرات ها به آب شیرین و گاز تبدیل می شوند. گاز بازیابی می شود تا برای تولید هیدرات مورد استفاده مجدد قرار گیرد. این فناوری باید در مقایسه با MSF و RO به مصرف انرژی کمتری نیاز داشته باشد، با این حال هیچ واحد تجاری در حال حاضر در دسترس نیست، زیرا هزینه های سرمایه بالا است.

شکل ۱۹- طرحی از یک کارخانه آب شیرین کن هیدراتاسیون

نمک زدایی با  انجماد مبرد ثانویه (SRF)

انجماد مبرد ثانویه (SRF) یک فرآیند نمک زدایی است که بر اساس انتقال فاز مایع به جامد انجام می شود. از آنجایی که یخ تشکیل شده حاوی مقدار محدودی نمک است، از این روش می توان برای تولید آب شیرین از آب دریا استفاده کرد. یک مبرد برای انجماد آب شور استفاده می شود. مشکل اصلی حذف یخ تولید شده در این فرآیند است. یک راه حل ارائه شده، استفاده از دماهای پایین موجود برای تبدیل مجدد LNG (گاز طبیعی مایع) برای یخ زدن آب دریا و به دست آوردن یخ است. راه حل دیگری در شکل ۲۰ نشان داده شده است. این سیستم از دو محفظه، پمپ حرارتی معکوس و شیرهای برقی تشکیل شده است. این واحد به طور متناوب با تولید یخ و آب شیرین در مخزن سمت چپ یا در دیگری در سمت راست کار می کند.

آب دریا در مخزن سمت چپ وارد می شود. پمپ حرارتی برای انتقال حرارت از این محفظه به محفظه دیگر استفاده می شود. در نتیجه انتقال حرارت، آب شور به دوغاب یخ و آب نمک در داخل مخزن سمت چپ تبدیل می شود، در حالی که در مخزن سمت راست یخ که قبلاً در مرحله قبلی تشکیل شده بود ذوب می شود. با توقف این فرآیند، آب نمک با باز کردن دریچه در پایین مخزن سمت چپ تخلیه می شود در حالی که مخزن سمت راست دوباره با آب شور پر می شود. برگرداندن پمپ حرارتی، داخل مخزن سمت چپ یخ با تامین گرما ذوب شده و آب شیرین تولید می کند. در این بین، داخل مخزن سمت راست یخ بیشتری تولید می شود و چرخه تکرار می شود. این تکنیک نمک زدایی در حال حاضر در حال توسعه است.

شکل ۲۰- طرحی از واحد نمک زدایی انجماد مبرد ثانویه

تقطیر غشایی (MD)

تقطیر غشایی یک فرآیند نمک زدایی بر پایه غشاهای آبگریز است. مولکول های بخار آب می توانند از این نوع غشاها عبور کنند. MD از نظر تئوری قادر است تمام املاح غیر فرار (مانند نمک ها) را رد کند. اشکال اصلی فرآیند MD مقدار زیادی انرژی است که در طول فرآیند تغییر فاز مایع-بخار و بازیابی ناقص گرمای نهان مصرف می ‌شود. به این دلایل، فرآیند MD در صورت استفاده به عنوان یک سیستم مستقل از نظر انرژی ناکارآمد است. با این حال، این فناوری در دماهای پایین تر از سایر فناوری های انتقال فاز حرارتی (MSF، MED) کار می کند. به طور مشابه، فشار مورد نیاز کمتر از سایر فناوری های مبتنی بر غشا (RO) است. MD را می توان با استفاده از گرمای هدر رفته با درجه پایین به عنوان منبع انرژی در حالی که در فشار کم کار می کند، اجرا کرد و حساسیت ناچیزی به شوری متفاوت آب تغذیه نشان می دهد. به عنوان یک جایگزین، تابش خورشیدی می تواند برای تامین انرژی واحدهای MD استفاده شود.

واحدهای MD را می توان در چهار پیکربندی مونتاژ کرد، همانطور که در شکل ۲۱ نشان داده شده است. ساده ترین روش تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD) است که در آن دو محلول در تماس مستقیم با غشای آبگریز هستند. به دلیل اختلاف فشار بین دو محلول، بخار تولید شده روی سطح محلول داغ می تواند از غشا عبور کرده و به داخل محلول سرد برود. این فناوری معمولاً در فرآیندهای نمک زدایی و تغلیظ محلول های آبی در صنایع غذایی استفاده می شود.

شکل ۲۱- پیکربندی های ممکن یک واحد تقطیر غشایی

رزین تبادل یون (IXR)

اصطلاح “رزین تبادل یونی” (IXR) به انواع ترکیبات آلی اشاره می‌ کند که برای واکنش شیمیایی با یون ‌های محلول طوری ساخته شده است که یون ‌ها را از محلول گرفته و یون ‌های دیگر را از رزین به داخل محلول آزاد می ‌کنند. در گذشته از زئولیت ها، یعنی کانی هایی با این ویژگی استفاده می شد. رزین های تبادل یونی در کاربردهای صنعتی و خانگی مانند تولید آب نرم، تصفیه شکر و استخراج عناصر گرانبها مانند طلا، نقره و اورانیوم از سنگ معدنی استفاده می شوند.

IXR را می توان بر اساس گروه عملکردی طبقه بندی کرد:

  • اسیدی قوی، با گروه های اسید سولفونیک به دست می آید
  • بازی قوی، بر اساس گروه های آمینه چهارتایی
  • اسیدی ضعیف، با گروه‌های اسید کربوکسیلیک به دست می‌آید
  • بازی ضعیف، بر اساس گروه های آمینه اولیه، ثانویه یا سوم

رزین های اسیدی (که رزین های کاتیونی نیز نامیده می شوند) برای جذب یون های مثبت (Ca۲+، Na+، Mg۲+، K+، Mn۲+،  Fe۳+  و …)و آزادسازی H+  طراحی شده اند. در نتیجه، سختی آب کاهش می ‌یابد و اسیدیته آن افزایش می ‌یابد، زیرا pH با غلظت بیشتر یون‌های H+ کاهش می یابد. رزین های بازی (که رزین های آنیونی نیز نامیده می شود) برای جذب یون های منفی مانند Cl، NO۳۲، SO۴۲، SiO۲، CO۳۲ و آزادسازی OH مورد استفاده قرار می گیرد. این فناوری در اواخر دهه ۱۹۶۰ توسع یافت. طرح یک واحد شیرین سازی آب براساس IXR در شکل ۲۲ نشان داده شده است.

آب شور ابتدا از رزین اسیدی ضعیف و رزین اسیدی قوی جریان می یابد. بعد از این مرحله اسیدیته آب افزایش می یابد. گاز زدایی مورد نیاز است، زیرا بی کربنات های داخل آب با یون های H+ واکنش می دهند و دی اکسید کربن تولید می کنند. پس از این مرحله، آب از طریق رزین بازی ضعیف و رزین بازی قوی جریان می یابد و اسیدیته آب را کاهش می یابد. یک رزین آمفوتریک (ترکیبی از اسید و بازی) معمولاً برای تکمیل حذف یون ها اضافه می شود. در طی این فرآیند، رزین ها به تدریج توسط تبادل یونی اشباع می شوند. از این رو، برای بازیابی رزین ها به طور دوره ای نیاز به بازسازی است. در بازسازی از محلول های اسیدی (H۲SO۴ و HCl) برای رزین های اسیدی و محلول های بازی (NaOH و NH۴OH) استفاده می شود.

شکل ۲۲- طرحی از یک سیستم آب شیرین کن رزین تبادل یونی

تقطیر خورشیدی (SSD)

تقطیر خورشیدی (SSD) را می توان با استفاده از یک مخزن سیاه شده حاوی نمک، آب و هوا انجام داد. دستگاه با شیشه شیبدار پوشیده شده است. به این ترتیب تابش خورشیدی وارد سیستم می شود و باعث افزایش دما و تسهیل تبخیر آب شیرین می شود. رطوبت داخلی روی سطح شیشه متراکم می شود، زیرا این قسمت دمای پایین تری دارد. میعانات جمع آوری می شود و آب شیرین به دست می آید. یک راه حل ممکن در شکل ۲۳ نشان داده شده است. میعانات با کیفیت بالا با تولید روزانه حدود ۲-۳ لیتر در متر مربع مشخص می شود. در نتیجه، این سیستم تنها در کاربردهای کوچک قابل استفاده است.

شکل ۲۳- یک واحد تقطیر خورشیدی

دودکش خورشیدی (SC)

یک واحد نمک زدایی دودکش خورشیدی را می توان به روشی که در شکل ۲۴ نشان داده شده است مونتاژ کرد. یک کلکتور خورشیدی بزرگ به شکل دودکش از جنس مواد شفاف (شیشه یا پلاستیک) برای تبدیل تابش خورشیدی به انرژی جنبشی هوا استفاده می شود. در صورت نصب یک توربین بادی کوچک می توان از جریان هوای داخل سیستم برای تولید برق استفاده کرد. کلکتور خورشیدی از چندین واحد SSD کوچک تشکیل شده است. در این روش از منبع خورشیدی نیز برای تولید آب شیرین استفاده می شود. این فناوری در دست بررسی است.

شکل ۲۴- یک واحد نمک زدایی دودکش خورشیدی

رطوبت زایی رطوبت زدایی (HDH)

سیستم رطوبت زایی-رطوبت زدایی رطوبت (HDH) یک روش جدید شیرین سازی حرارتی مبتنی بر گاز حامل است. در جزئیات، آب شیرین را می توان با متراکم کردن رطوبت هوا به دست آورد. اجزای ضروری رطوبت ساز و رطوبت گیر هستند. اضافه نمودن یک پمپ حرارتی منجر به افزایش بازدهی انرژی می شود. دو راه حل ممکن برای این روش پیشنهاد شده است. هر دو راه حل به سه مدار مختلف مجهز هستند: هوا، آب و فریون. فریون در داخل لوله ها و اجزای اصلی پمپ حرارتی (کمپرسور، کندانسور، شیر لمینیت و بخار کننده) محدود می شود. هوا توسط یک فن در یک حلقه بسته بازگردانده می شود و از دو محفظه عبور می کند، جایی که رطوبت زایی و رطوبت زدایی رخ می دهد. فقط مدار آب باز است، زیرا آب شور ورودی است، در حالی که آب نمک و آب شیرین خروجی هستند.

همانطور که در طرح شکل ۲۵ نشان داده شده است، آب تغذیه شور ابتدا توسط کندانسور پمپ حرارتی سرد می شود. آب شور سرد برای ارتقای تراکم رطوبت هوا در داخل محفظه رطوبت زدایی (در سمت راست)، جایی که آب شیرین تولید می شود، استفاده می شود. در طی این فرآیند دمای آب شور افزایش می یابد. پس از آن، آب تغذیه شور در داخل محفظه رطوبت (در سمت چپ) نبولیزه می شود و تبخیر آب تغذیه را افزایش می دهد.

شکل ۲۵- یک واحد رطوبت زایی – رطوبت (HDH) با استفاده از پمپ حرارتی با کندانسور آب سرد

در محلول گزارش شده در شکل ۲۵، منبع حرارتی از کندانسور پس از واحد رطوبت زدا به آب شور منتقل می شود. راه حل جایگزین پیشنهاد شده در شکل ۲۶ نشان داده شده است، جایی که منبع حرارتی از کندانسور به هوای خروجی از واحد رطوبت ساز منتقل می شود. به جای گردش هوای اجباری، یک سیستم گردش هوای طبیعی پیشنهاد شده است که در آن منبع حرارتی توسط یک پنل خورشیدی تولید می‌شود. در هر صورت، نمک زدایی HDH یک فناوری در دست بررسی است.

شکل ۲۶- واحد HDH با استفاده از یک پمپ حرارتی با یک کندانسور خنک کننده هوا

نتیجه گیری

بیشتر آب روی زمین در اقیانوس ها و دریاها قرار دارد که غیرقابل آشامیدن است و فقط با استفاده از تکنیک های جداسازی مانند نمک زدایی برای حذف نمک ها و مواد معدنی قابل شرب است. همانطور که شرح داده شد، تکنیک های نمک زدایی آب دریا دارای روش های شیمیایی و فیزیکی بسیاری است که می تواند آب شیرین را به دست آورد. این باعث می شود که این تکنیک مطابق با نیازها و امکانات انعطاف پذیر باشد. راه حل های حرارتی (MED، MSF) از نظر تاریخی اولین تکنیک های اتخاذ شده هستند، در حالی که امروزه فناوری های مبتنی بر غشاها (عمدتا RO) به سرعت در سراسر جهان گسترش در حال گسترش هستند. جدول ۱ مزایا و معایب سیستم های شرح داده شده در این مقاله را خلاصه می کند.

جدول ۱- مزایا و معایب فناوری های نمک زدایی

بسیاری از فناور ی‌های موجود در بازار محصولاتی با کیفیت متفاوت را تضمین می‌کنند و از نظر کارایی متمایز می‌شوند، اما واحد RO به دلیل کاهش هزینه‌ های تولید آب، طبق بررسی ها، بهترین فناوری موجود برای نمک ‌زدایی را نشان می ‌دهد. علاوه بر این، امکان استفاده از انرژی الکتریکی به عنوان ورودی، به لطف وجود فناوری های تجاری مانند پانل های فتوولتائیک و توربین های بادی، اتصال با منابع انرژی تجدیدپذیر را ساده می کند. به این ترتیب، امکان نصب واحدهای نمک ‌زدایی کوچک در شهرهای کوچک وجود دارد که امیدواریم استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر توسعه یابد تا تقاضای آب شیرین به روشی پایدار برآورده شود.

مراجع

[۱] Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.

[۲] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.

[۳] Purchas, Derek, and Ken Sutherland, eds. Handbook of filter media. Elsevier, 2002.

[۴] Curto, Domenico, Vincenzo Franzitta, and Andrea Guercio. “A review of the water desalination technologies.” Applied Sciences 11, no. 2 (2021): 670.        

[۵] Alkaisi, Ahmed, Ruth Mossad, and Ahmad Sharifian-Barforoush. “A review of the water desalination systems integrated with renewable energy.” Energy Procedia 110 (2017): 268-274.

نویسنده: امین فروزان

FavoriteLoadingذخیره پست

دیدگاهتان را بنویسید

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

دو × سه =

Previous slide
Next slide