آب شیرین کن اسمز معکوس راهکاری برای تولید آب قابل شرب

واژه “آب شیرین‌ کن” معمولا برای توصیف سیستم‌هایی استفاده می شود که آب دریا یا هر آب شور دیگری را تصفیه می‌کنند و آن را تبدیل به آب قابل شرب می‌کنند. اسمز معکوس یکی از موفق‌ترین و پرکاربرد ترین سیستم‌‌هایی است که برای این منظور، یعنی نمک زدایی از آب دریا، استفاده می‌شود. در این مقاله قصد داریم به توضیح آب شیرین کن اسمز معکوس بپردازیم.

سیستم‌ آب شیرین کن اسمز معکوس

هر سیستم آب شیرین‌ کن اسمز معکوس شامل سه جریان مایع است: (۱) خوراک فرایند (Feed) که همان آب شور یا آب دریا است، (۲) محصول (Permeate, Product) که همان آب تصفیه شده و نمکزدایی شده است، و (۳) محلول غلیظ نمکی (Brine) که بسیار شور است و دوباره به دریا ریخته می‌شود.

آب دریا خوراک فرایند اسمز معکوس

خوراک فرایند که همان آب شور است با عبور از غشاهای اسمز معکوس به دو جریان خروجی، یکی آب شیرین و تصفیه شده و دیگری محلول غلیظ یا در اصطلاح Brine، تبدیل می‌شود. با استفاده از سیستم‌های آب شیرین‌ کن اسمز معکوس چالش بسیاری از نواحی ساحلی دریاها و اقیانوس‌ها که منبع بی انتهایی از آب شور دارند اما هیچ راهی برای استفاده از آن ندارد، برطرف می‌شود.

کیفیت آب شیرین تولید شده توسط اسمز معکوس

کیفیت آب محصول یا همان آب شیرین تولید شده وابسته به پارامترهایی است که در طراحی آب شیرین کن اسمز معکوس در نظر گرفته شده است. این پارامترها معمولا بر اساس کاربرد محصول نهایی تعیین می‌شود. بطور مثال آبی که برای مصارف شرب مورد استفاده قرار می‌گیرد باید از کیفیت و خلوص بالاتری نسبت به مصارف کشاورزی برخوردار باشد، همچنین آبی که برای مصارف صنعتی نظیر صنایع داروسازی استفاده می‌شود حتی نیازمند خلوص بالاتری نسبت به آب شرب است. هر چه آب شیرین تولیدی کیفیت بالاتری داشته باشد عملیات تصفیه پیچیدگی بیشتری داشته و هزینه‌های تولید نیز افزایش می‌یابد.

جریان Brine

در آب شیرین کن اسمز معکوس با چالشی مواجه هستیم به نام جریان Brine، که همان آب دریا است که در اثر تصفیه و بیرون کشیدن آب شیرین از آن غلیظ شده است. این محلول غلظت بسیار بالایی نمک دارد (بیش از ۱۳۰،۰۰۰ میلی گرم در لیتر جامدات محلول) که باید تخلیه شود. در گذشته این جریان دوباره به دریا تخلیه می‌شد. ولی تخلیه مستقیم این جریان به محیط زیست اثرات مخربی دارد.

تصفیه جریان Brine

خوشبختانه سیستم‌هایی برای تصفیه این جریان نیز پیشنهاد شده است که هم اثرات مخرب زیست محیطی آن را از بین می‌برد و هم می‌تواند درصد بازیابی سیستم را افزایش دهد. امروزه پیشرفت تکنولوژی آب شیرین کن تا جایی بوده که حجم این جریان را با انجام عملیات تصفیه ویژه‌ای به صفر می‌رسانند. این سیستم‌ها در اصطلاح با نام ZLD که مخفف Zero Liquid Discharge است، شناخته می‌شوند.

اطلاعات فنی آب شیرین‌ کن اسمز معکوس

سیستم آب شیرین کن اسمز معکوس متشکل از چهار بخش اصلی است: (۱) پیش تصفیه، (۲) تولید و اعمال فشار هیدرولیکی، (۳) غشاهای اسمز معکوس و (۴) سیستم  پس تصفیه (Post-treatment).

کاربرد پیش تصفیه (Pre-treatment) در آب شیرین کن RO

خوراک ورودی به ماژول‌های اسمز معکوس می‌بایست از نظر غلظت جامدات معلق، pH، و غلظت نمک‌هایی مثل کربنات کلسیم و سولفات کلسیم و …  در محدوده مجاز قرار داشته باشد. این محدوده عملیاتی مجاز توسط شرکت سازنده غشا تعیین شده و عمر غشا بشدت وابسته به رعایت این پارامتر‌ها است. برای این منظور از سیستم‌های پیش تصفیه استفاده می‌شود. وظیفه سیستم پیش تصفیه حذف ترکیبات مضر برای غشا، مثل جامدات معلق، و یا تنظیم pH است.

پمپ فشار بالا برای اجرای عملیات اسمز معکوس

با توجه به اینکه آب دریا از فشار اسمزی بالایی برخوردار است، در اسمز معکوس فشار عملیاتی بالایی لازم است تا بر این فشار اسمزی غلبه کرد و در اصطلاح جهت جریان آب را معکوس کرد. به همین خاطر از پمپ‌های هیدرولیکی فشار بالا استفاده می‌شود. پمپ فشار آبی که در مرحله قبل عملیات پیش تصفیه روی آن صورت گرفته است را به فشار عملیاتی مناسب برای غشا می‌رساند تا عملیات شیرین سازی آب به بهترین شکل ممکن صورت گیرد.

جداسازی آب شیرین از آب شور با غشاهای اسمز معکوس

غشای اسمز معکوس نیمه تراواست، به این معنی که نمک‌های محلول در آب دریا را مهار می کند، در حالی که اجازه می‌دهد ملکول‌‌های آب از درونش عبود کنند. به همین حاطر است که وقتی آب دریا یا همان خوراک به درون ماژول‌های اسمز معکوس تزریق می‌شود تبدیل به دو جریان مجزا (جریان تصفیه شده و جریان Brine می‌شود. از آنجایی که هیچ غشایی در پس زنی نمک‌های محلول در خوراک عملکرد ۱۰۰ درصدی ندارد، درصد بسیار کمی از نمک‌ها از طریق غشا عبور می‌کند و در محصول تولیدی وارد می‌شود.

ماژول‌های اسمز معکوس

در سیستم‌های آب شیرین کن اسمز معکوس غشاها در ساختارهای مختلفی به صورت ماژول استفاده می‌شوند. دو مورد از محبوب‌ترین آنها عبارتند از ماژول مارپیچی (Spiral Wound) و غشاهای فیبر نازک توخالی (Hollow Fiber).

پایدار سازی آب تصفیه شده، یکی از عملیات‌های Post-treatment

آب شیرین تصفیه شده معمولا قبل از انتقال به سیستم توزیع، برای استفاده به عنوان آب آشامیدنی، نیاز به تنظیم pH و خارج سازی گازهای محلول در آب دارد. آب تصفیه شده از طریق یک ستون هوادهی عبور می کند که در آن pH از مقدار اسیدی ۵ تا مقدار نزدیک به ۷ افزایش می‌یابد. در بسیاری از موارد، این آب برای استفاده بعدی درون مخزن ذخیره سازی نگهداری می‌شود.