روش های نمک زدایی برای تولید آب آشامیدنی
تصفیه آب دریا و نمک زدایی از آب های شور یکی از چالش های همیشگی انسان ها برای مقابله با مشکل کمبود آب قابل شرب می باشد. به همین دلیل روش های متعددی برای تصفیه آب شور از گذشته تا امروز معرفی شده است که هر یک دارای نقاط مثبت و منفی بوده و در محیط های مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. گروه آرکا گستر؛ در ادامه به روش های نمک زدایی و شیرین سازی آب دریا و استفاده از آنها در کشاورزی، آب آشامیدنی و صنعت اشاره خواهد داشت.
تصفیه آب دریا چیست؟
در یک تقسیم بندی کلی 70 درصد از سطح کره زمین را آب تشکیل داده است و این در حالیست که تنها یک درصد از آب های موجود قابل استفاده به عنوان آب شرب هستند. از آنجا که 97.5 درصد از آب های موجود در کره زمین دارای سطح بالایی از نمک و املاح می باشد، به همین دلیل طعم شوری داشته و مصرف آن در مدت زمان کوتاه منجر به کاهش آب بدن انسان شده که خطرات متعددی از قبیل مرگ و میر را به همراه دارد. به همین دلیل تصفیه آب دریا و استفاده از یکی از چالش های پیش رو در صنعت تصفیه آب و تامین آب برای مصارف آشامیدنی و کشاورزی و صنعتی می باشد. به عبارت دیگر، در تصفیه آب تلاش میشود تا با روش های مختلف حرارتی و غیر حرارتی نمک و املاح موجود در آب را جدا نموده و در نهایت نمک زدایی انجام شده و آب شیرین تولید گردد.
روش های تصفیه آب دریا و آب های شور
علاوه بر کمبود منابع آب شیرین بر روی کره زمین، عدم پراکندگی صحیح آنها در کشورهای مختلف باعث شده است تا بیش از 80 کشور در دنیا با مشکل کمبود آب مواجه باشند. به همین دلیل لازم است با روش های تصفیه آب شور و شیرینی سازی آب های دریا به این مشکل غلبه کرد. روش های مورد استفاده برای جداسازی و کاهش مقدار نمک موجود در آب های شور را می توان در یک تقسیم بندی کلی در سه گروه قرار داد که عبارتند از:
- شیرین سازی آب دریا با روش های حرارتی
- تصفیه آب دریا با روش های غشایی
- تصفیه آب شور با روش های ترکیبی
هر یک از این روش ها از مکانیزم ها و تجهیزات متفاوتی برای تصفیه آب دریا استفاده می کنند که در ادامه به معرفی برخی از آنها میپردازیم:
شیرین سازی آب دریا با روش های حرارتی
با توجه به اینکه حرارت دهی و آب منجر به جداسازی نمک و املاح موجود در آن می گردد، به همین دلیل از این خاصیت استفاده نموده و روش های متعددی از قبیل موارد زیر برای تصفیه آب شور ارائه شده است:
تقطیر فلش چند مرحله ای (MSF)
- آب شور دریا وارد مخازنی با دمای 90 تا 120 درجه سانتی گراد میشوند.
- پس از حرارت دهی آب وارد گام بعدی یعنی کاهش شدید فشار شده و عمل تبخیر سریع به صورت فلاشینگ رخ می دهد.
- در پی عمل تبخیر سریع، قطرات آب روی لوله های مبدل حرارتی چگالیده شده و وارد مرحله بعد یعنی کاهش زیاد فشار خواهد شد.
- به دلیل کاهش فشار هوا، مجدد تبخیر سریع رخ می دهد.
با توجه به نوع آب و میزان نمک موجود در آن، تعداد مراحل تکرار ین فرآیند 4 تا 40 مرتبه خواهد بود. لازم به ذکر است که با روش MSF روزانه 50 تا 60 هزار متر مکعب آب شرو دریا را می توان به آب شیرین و بدون املاح و نمک تبدیل نمود. علیرغم راندمان و بازدهی بالا این روش، ایجاد رسوب زیاد بر روی لوله های ضد زنگ در تجهیزات تصفیه و همچنین هزینه بر بودن آن از نقاط منفی این روش محسوب میشوند.
تقطیر فشرده سازی بخار (VC)
در این روش تصفیه آب شور، از بخار متراکم شده با دمای بالا استفاده میشود تا با آب شور تبادل دمایی انجام دهد و منجر به تبخیر شود. نوع تجهیزات مورد نیاز برای این روش هزینه بر بوده و به همین دلیل استفاده از تقطیر فشرده سازی بخار کاربرد زیادی در صنعت تصفیه آب دریا ندارد.
تصفیه آب دریا با روش های غشایی
با توجه به هزینه های نسبتا زیاد و همچنین زمان بر بودن راه اندازی تجهیزات مورد نیاز برای روش های حرارتی، در حال حاضر در محیط های صنعتی و همچنین مسکونی از روش های غشایی برای کاهش مقدار نمک موجود در آب استفاده میشود. از جمله روش های غشایی مورد استفاده برای نمک زدایی آب های شور دریا می توان به گزینه های زیر اشاره نمود:
نمک زدایی با اسمز معکوس RO
یکی از روش های بسیار کاربردی در صنعت شیرین سازی آب می باشد که برخلاف رفتار طبیعت عمل می کند. عکس روند شیرین سازی آب شور با اسمز معکوس را می توان در کلیه انسان و همچنین رفتار ریشه گیاهان مشاهده نمود. در این روش آب با فشار تولید شده توسط پمپ از غشای نیمه تراوا عبور نموده و منافذ کوچک آن باعث میشوند تا نمک و املاح موجود در آب امکان عبور را پیدا نکنند. استفاده از دستگاه نه تنها در تصفیه آب های شور دریا استفاده میشود، برای در دستگاه های تصفیه آب خانگی نیز کاربرد داشته و در از بین بردن باکتری ها و سایر آلودگی های موجود در آب نیز موثر عمل می کند.
تصفیه آب شور با نانوفیلتراسیون
از روش ها و تجهیزات مدرنی می باشد که برای حذف یون های موجود در آب کاربرد دارد. این تجهیزات دارای غشا و با منافذ بسیار کوچکی بوده و امکان عبور یون و املاح و ذرات ریز موجود در آب از آن امکان پذیر نمی باشد. این روش برای تصفیه آب دریا با مقدار زیاد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد.
نمک زدایی با الکترودیالیز
یون های نمک موجود در آب دارای بارهای مثبت و منفی می باشد و از این ویژگی می توان برای جذب و عدم امکان عبور از غشای در نظر گرفته شده استفاده نمود. در روش الکترودیالیز از الکترودهایی استفاده میشود که به جریان مستقیم برق متصل می باشند. ورود این الکترودها به آب منجر به جذب یون ها با بار مخالف شده و بر روی لایه رزینی در نظر گرفته شده انباشته میشوند. این روش در مصارف بزرگ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه نمی باشد.
تصفیه آب شور با روش های ترکیبی
هر یک از روش های حرارتی و غشایی که به آنها اشاره شد دارای مزایا و معایبی می باشند و به همین دلیل روش های ترکیبی ارائه شده اند تا راندمان بیشتری در زمینه تصفیه آب دریا دریافت شوند. از جمله روش های می توان به موارد زیر اشاره نمود:
تصفیه آب دریا با روش MSF-RO
یکی از بزرگترین معایب و محدودیت های موجود در روش اسمز معکوس، انباشته شدن نمک و املاح بر روی غشا و کاهش کارایی آن و نیاز به ها می باشد. این مساله مخصوصا در تصفیه آب های شور با حجم بالا به عنوان چالش بزرگی دیده میشود و به همین دلیل لازم است به شیوه های مختلف با آن غلبه کرد. یکی از راهکارهای مناسب استفاده از روش MSF به عنوان پیش تصفیه می باشد که مقدار نمک را تا حد بسیار زیادی کاهش داده و در نتیجه غشاهای اسمز معکوس کمتر نیاز به شستشو و تعویض خواهند داشت.
شیرین سازی آب دریا با روش NF-MSF
در روش هیبریدی بعدی از نانوفیلتراسیون به منظور کاهش مقدار نمک و املاح موجود در آب استفاده میشود. در مرحله بعد آب با مقدار کمتری از یون ها وارد تجهیزات MSF خواهند شد. با انجام این روش مقدار املاح رسوب شده بر روی لوله ها و تاسیسات روش MSF کاهش پیدا می کند.
نمک زدایی آب شور با NF-RO-MSF
از بهترین روش ها که آب شیرین با کیفیت بسیار بالا تولید میکند، ترکیب سه روش نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس و MSF می باشد. ترتیب اجرای عمل تصفیه آب شور در این روش NF سپس RO و در نهایت MSF می باشد. در این روش ابتدا مقدار زیادی از املاح به کمک نانوفیلتراسیون از آب حذف شده و خروجی آن وارد تجهیزات اسمز معکوس می گردد. در گام بعدی و به کمک غشای نیمه تراوا و فشار وارد شده توسط پمپ از عبور نمک و یون های باقی مانده جلوگیری خواهد شد. خروجی این دستگاه وارد MSF شده و با راندمان بسیار بالا تا حد بسیار زیادی یون و املاح آب حذف می گردد و مقدار مواد رسوب شده بر روی لوله ها و تاسیسات نیز کاهش پیدا خواهد کرد. البته لازم به ذکر است که به دلیل استفاده از تجهیزات متعدد، این روش ها نیاز به هزینه راه اندازی بالایی دارند.
کاربرد تصفیه آب دریا در کشاورزی
کشاورزی از جمله کارهایی می باشد که مصرف آب در آنها بسیار زیاد بوده و استفاده از آب های شیرین و آشامیدنی برای انجام این کار به شدت به منابع آب زیر زمینی آسیب وارد می کند. به همین دلیل در مناطقی که فاصله کمی با دریا دارند می تون با تصفیه آب های شور از آنها در کشاورزی و باغبانی و آبیاری استفاده نمود. با استفاده از روش های متعددی از جمله پکیج تصفیه فاضلاب که در طول متن به آنها اشاره شد، می توان آب دریا و فاضلاب را به استانداردهای مورد نیاز برای مصرف در کشاورزی رساند و از این طریق از ورود سدیم به خاک جلوگیری خواهد شد. علاوه براین، آبیاری با آب بدون نمک و املاح منجر به تولید محصولات بهتر با کیفیت بیشتر خواهد شد.
کاربرد تصفیه آب شور در صنعت
از دیگر بخش هایی که به شدت مصرف آب بالایی داشته و همچنین منجر به ورود آلاینده های مختلف به پساب ها می شوند، کارخانجات و بخش های صنعتی و پالایشگاه ها می باشند. به همین دلیل استفاده از منابع آب های زیر زمینی در صنعت می تواند یک تهدید بزرگ برای کاهش آب های قابل شرب محسوب شود. علاوه براین، استفاده از آب های شور منجر به ایجاد رسوب بسیار زیاد بر روی تجهیزات مختلف از قبیل تاسیسات و دیگ های بخار و بویلر خواهد شد که خطرات متعددی را به همراه دارند. با نمک زدایی نه تنها مقدار مصرف آب های شیرین و آشامیدنی در محیط های صنعتی را می توان کاهش داد، بلکه از آسیب وارد شدن به تجهیزات آنها نیز جلوگیری به عمل می آید. حتی از تصفیه فاضلاب کشتارگاه نیز میتوان در بخش های صنعتی استفاده کرد تا جلوی هدر رفت آب گرفته شود.
کاربرد تصفیه آب دریا در آب آشامیدنی
همان طور که در ابتدای متن اشاره شد، تنها یک تا دو درصد از کل آب موجود در کره زمین قابلیت استفاده به عنوان آب آشامیدنی و شرب را دارا می باشند. علاوه براین، استفاده از آب با املاح و نمک زیاد به شدت به سلامتی بدن آسیب وارد می کند. به همین دلیل در تصفیه خانه های بزرگ از روش های شیرین سازی آب های شور می توان استفاده نمود تا به این محدودیت غلبه کرد. علاوه براین، استفاده از دستگاه های تصفیه آب خانگی که اغلب بابا افزایش جمعیت و کاهش منابع آب آشامیدنی شیرین و با کیفیت، بسیاری از جوامع استفاده از فرآیندهای نمک زدایی را برای تامین آب شیرین در زمانی که دیگر منابع و روش های تصفیه آب غیراقتصادی هستند یا از نظر زیست محیطی مضر هستند، در نظر گرفته اند. نمک زدایی به تمامی فرآیند هایی گفته می شود که نمک های اضافی و سایر مواد معدنی را از آب حذف می کند. در اکثر فرآیند های نمک زدایی، آب ورودی به دستگاه تصفیه می شود و دو جریان آب تولید می شود:
- آب شیرین تصفیه شده که غلظت کمی از املاح و مواد معدنی دارد.
- کنسانتره یا آب نمک که غلظت نمک و مواد معدنی آن بیشتر از آب ورودی به دستگاه است.
آب ورودی برای فرآیندهای نمک زدایی می تواند آب دریا یا آب شور باشد. آب شور حاوی نمک بیشتری نسبت به آب شیرین و کمتر از آب نمک است. معمولاً در مصب ها، که مسیرهای پایینی رودخانه ها در محل برخورد آنها با دریا هستند، و سفره های آب زیرزمینی که ذخیره آب زیرزمینی هستند، یافت می شود.