- تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس
- اسمز معکوس چیست
اسمز معکوس، تکنولوژی مدرنی است که آب را برای مصارف متعددی از جمله نیمه رساناها، خوراک پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری، تصفیه می نماید.
از اولین آزمایشاتی که در سال ۱۹۵۰ انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از ۷/۱ میلیون گالن در هر روز رسیده است.
با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص (تصفیه شده) ، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن اینده با افزایش روبه رو خواهد شد.
اسمز یک روش و شیوه نرمال(طبیعی) شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرین نیمه تراوا می باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرین نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرین نیمه تراوا ایده آل در فشار و دما برابر از میان ممبرین ها عبور نمی کند، زیرا اختلاف سطح شیمیایی دو قسمت برابر است.
اگر نمک قابل حل به یک قسمت اضافه شود، اختلاف سطح شیمیایی این محلول نمک کاهش پیدا می کند. استمراراً قسمت آب خالص از میان ممبرین به سمت قسمت محلول نمک حرکت می کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیاء گردد.
در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی اش را در کل سیستم همسان می سازد. تعادل زمانی برقرار می شود که ناهمسانی و تفاوت فشار هیدرواستاتیک ناشی از تغییرات گنجایش حجم در قسمت، با فشار اسمزی برابر می شود. فشار اسمزی، یک تناسب خاصیت محلول به غلظت نمک و استقلال ممبرین است.
در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرین حرکت می کند تا تعادل برقرار شود. به کارگیری فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری تعادل خواهد شد.
فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می شود و سبب عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی پائین تری می باشد.
این پدیده اسمز معکوس نامیده می شود.
co2 حذف گاز
حذف دی اکسید کربن و سایر ترکیبات فرار آب
:: ترکیبات فرار موجود در فاز مایع (مانند ترکیبات آلی فرار) را می‌توان توسط جریان هوا از آن جدا نمود. این فرایند جداسازی را عموما در برج‌های جذبی هوا انجام می‌دهند. این برج ها برای شکستن آب به ذرات ریز و سهولت در انتقال ترکیبات فرار از فاز آب به هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این سیستم‌ها فرض اولیه بر این است که جریان اتمسفر می‌تواند مکش مناسبی برای هوا و ترکیبات فرار جداسازی شده ایجاد کند، در غیر این صورت یک پمپ مکش نیز در بالای برج تعبیه می‌شود.
:: برج های پرشده جداسازی گازمعمولا برای حذف ترکیبات فرار(مانند تتراکلرواتیلن، تری کلرو اتیلن،آمونیاک، دی اکسید کربن و …) از آب استفاده می‌شوند. استفاده از این سیستم برای تصفیه آب های زیرزمینی آلوده شده با ترکیبات آلی فعال که ناشی از نشت مخازن زیرزمینی ویا دفع نامناسب زباله ها می‌باشد، استفاده می‌گردد.
:: هرچه سطح تماس و زمان تماس هوا با آب بیشتر باشد درصد جزء فرار دفع شده ازآب بیشتر خواهد بود، برای ایجاد شرایط فوق برج را به صورت سینی دار می سازند و یا داخل برج را از پرکن های پلاستیکی یا سرامیکی پر می کنند. پرکن ها قطعات مشخصی هستند که نسبت سطح به حجم آن ها زیاد است به عبارتی سطح ویژه زیادی دارند بنابراین امکان تماس بیشتر آب با هوا را فراهم می کنند.
سیستم تزریق اسید کلریدریک ۱-
:: جهت سهولت در جداسازی گازهای محلول در آب،PH آب ورودی توسط سیستم تزریق اسید تنظیم می‌گردد.
۲- دمنده هوا
:: برای تامین هوای موردنیاز سیستم از یک دمنده هوا با قدرت موتور متناسب و سرعت جریان تنظیم شده استفاده می‌گردد. این دمنده، هوای تازه را با کمترین درصد گاز دی‌اکسیدکربن، به داخل برج جداسازی منتقل می‌کند.
برج جداسازی گاز(Stripping Tower) 3-
:: بخش اصلی سیستم حذف دی اکسیدکربن از گاز،در این برج عمل جداسازی گاز دی اکسید کربن انجام خواهد شد. برج های پرشده با جریان غیرهمسو طراحی می‌شوند. آب آلوده توسط نازل از بالای برج بر روی سینی‌های پرشده با پرکن پاشیده می‌شود. هوای تازه نیز توسط دمنده هوا از پایین برج دمیده می‌شود. با تماس جریان گاز با آب آلوده، دی اکسیدکربن از فاز مایع وارد فاز گاز شده و همراه با آن از بالای برج خارج می‌شود. در صورت بالا بودن میزان اجزای آلوده در جریان گاز، از یک فیلتر تصفیه هوا استفاده می‌شود.
:: در این برج از پرکن های های با جنس پلی پروپیلن استفاده می شوند . این پرکن ها در سیستم های آبی و غیر آبی قابل استفاده می باشند . از مزایای این پر کن ها می‌توان مواردی چون: سبک بودن، تنوع در شکل، بی اثر بودن در مقابل مواد شیمیایی، ایجاد افت فشار کم در برج و نیز قیمت مناسب آنها را نام برد.
آشنایی با اصول تصفیه آب با رزین های تعویض یونی
فناوری تصفیه آب با رزین تعویض یونی (Ion Exchange Resin) بصورت گسترده‌ای به عنوان یکی از روشهای عملی اثربخش، سالیان زیادی مورد توجه و استفاده قرار گرفته است. متداولترین استفاده از رزین‌های تعویض یونی در “سختی گیری” (Softening) آب می‌باشد. اما در عین حال، این روش دارای کاربردهای بسیار زیاد دیگری نیز هست.
آلاینده‌های موجود در آب به عنوان یک مشکل بزرگ در سرتاسر دنیا روز به روز بیشتر مورد توجه قرار گرفته و استانداردهای سخت‌گیرانه‌تری برای آن در نظر گرفته می‌شود. آلاینده‌های تولید شده به عنوان مواد جانبی ناشی از ضدعفونی کننده‌ها، آرسنیک، نیترات، پرکلرات و اورانیوم از جمله این آلاینده‌ها هستند که رزین‌های تعویض یونی مناسب با هرکدام می توانند باعث تصفیه آنها از آب شوند.
رزین‌های تعویض یونی باعث حذف آلاینده‌های یونیزه شده محلول مانند سختی و قلیائیت از آب می‌شوند. این اتفاق توسط یک فرآیند برگشت پذیر جابجایی یونی بین یک فاز جامد (دانه رزین) و یک فاز مایع (آب) صورت می‌گیرد.
ساختمان دانه رزین شامل یک شبکه پلیمری است که در بعضی از نقاط آن، گروه یونی غیرمتحرک چسبیده و در فضای بین آنها یونهای متحرک قرار دارند. به عنوان مثال در شکل سمت چپ زیر، یونهای سولفونات (SO3-) به شبکه پلیمری چسبیده و یونهای سدیم (Na+) بعنوان یون متحرک در این رزین ایفای نقش می‌کنند
رزین‌های تعویض یونی به دودسته اصلی “کاتیونی” و “آنیونی” تقسیم می‌شوند. اگر یون متحرک رزین، دارای بار الکتریکی مثبت باشد (مانند Na+)، به آن رزین کاتیونی و در صورتیکه دارای بار منفی باشد (مانند Cl–)، به آن رزین آنیونی می‌گویند.
برای توضیح بیشتر در مورد نحوه عملکرد رزین در تصفیه آب، به فرآیند سختی‌گیری آب اشاره می‌کنیم. یکی از انواع معروف ذرات جامد محلول در آب، “سختی” (Hardness) است که ناشی از وجود کاتیونهای محلول کلسیم (Ca++) و منیزیم (Mg++) در آب می‌باشد. این املاح باعث ایجاد رسوب در ظروف آشپزی، گرفتگی سیستم لوله کشی و خرابی در برخی تجهیزات تأسیسات منزل به دلیل همین رسوب گرفتگی می‌شود.
سختی گیری در واقع فرآیند تعویض کاتیونهای سختی (یونهای کلسیم و منیزیم) با کاتیون سدیم است. کاتیون سدیم به دلیل قابلیت حل شدن بالاتر در آب نسبت به یونهای کلسیم و منیزیم، مشکل ایجاد رسوب را از بین می‌برد.
برای سختی‌گیری آب، یک رزین کاتیونی که یون متحرک آن، یون سدیم است در مسیر عبور جریان آب قرار می‌گیرد. به این ترتیب، یونهای کلسیم و منیزیم از داخل آب به سمت داخل رزین رفته و بالعکس، یونهای متحرک سدیم از داخل رزین وارد آب و جایگزین آنها می‌شوند. این واکنش را می‌توان به این صورت نوشت:
این تبادل یونی به این دلیل اتفاق می‌افتد که رزین کاتیونی تمایل ترکیب بالاتری با یونهای کلسیم و منیزیم دارد تا با یون سدیم. به عبارت ساده‌تر، رزین، کلسیم و منیزیم را به سدیم ترجیح می‌دهد. بتابراین باید توجه داشت در فرآیند سختی‌گیری، تنها حذف یونهای کلسیم و منیزیم اتفاق نمی‌افتد، بلکه آنها با یون سدیم جایگزین می شوند. این بدان معنا است که میزان کلی نمک موجود در آب تفاوت نکرده و تنها نوع آن تغییر می کند.
طبیعی است که این فرآیند، نمی‌تواند بصورت دائمی و بدون محدودیت صورت بگیرد. بعد از گذشت مدتی زمان و با توجه به کم شدن فضای رزین برای جذب یونهای جدید کلسیم و منیزیم از آب، رزین کارایی خود را از دست داده و میبایست یا تعویض شود و یا مورد احیا (Regeneration) قرار گیرد.
حذف فلزات سنگین از آب
در سال های اخیر استفاده از روش های زیست شناختی و به کارگیری میکروارگانیسم ها جهت پاکسازی آلاینده های محیطی از جمله فلزات سنگین مورد توجه ویژه قرار گرفته است. از آن فلزات سنگین در طبیعت ازبین نمی روند، نیاز به تکنولوژی هایی است که آن ها را حذف و از پساب جدا کند . روش های حذف فلزات سنگین از پساب از لحاظ منشا حیاتی به دو دسته بیوتیک )روش هایی که منشا حیاطی دارند( و آبیوتیک )روش هایی که منشا حیاتی ندارند( تقسیم می شوند. از جمله روشهای آبیوتیک فرایندهایی مانند جذب، ترسیب شیمیایی، تبادل یونی، الکترو دیالیز، تبخیر ،رسوب دهی و اسمز معکوس هستند.اما این روش ها، وقتی غلظت مجاز فلز سنگین در پساب کم باشد )کمتر از L/mg 1 )مؤثر نبوده وبسیار گران هستند. جذب زیستی فلزات سنگین، یک تکنولوژی نسبتاً جدیدبرای تصفیه ی پساب های صنعتی است و هدف از آن، حذف فلزات سمی و پاک سازی محیط زیست و همچنین بازیافت فلزات با ارزش است. از مزایای مهم تکنولوژی جذب زیستی، می توان به مؤثر بودن آن در کاهش غلظت یون های فلز سنگین به مقادیر بسیار پایین، قابلیت تولید مجدد جاذب، عدم تولید لجن، امکان بازیافت فلز و استفاده از مواد جاذب زیستی ارزان مثل جلبک های طبیعی که به وفور یافت می شوند، اشاره کرد. این روش یک فناوری نوظهور و مقرون به صرفه است که به شدت با فناوری های موجود و در دسترس مانند تبادل یونی، اسمز معکوس و استفاده از کربن فعال شده رقابت می کند؛ زیرا خصوصیات کلیدی از قبیل کم هزینه بودن، کارایی بالا، قابلیت احیای میکروارگانیسم ها، عدم نیاز به افزودن مواد مغذی، امکان استخراج فلزات سنگین از ساختار میکروارگانیسم و به حداقل رساندن لجن حاوی مواد شیمیایی، این فرایند را از سایر روش ها متمایز کرده است از آنجا که میکروارگانیسم ها، دوست دار محیط زیست، دارای رشد سریع و ظرفیت جذب و راندمان بالا هستند، در فرآیند های حذف فلزات سنگین از توانایی آنها در جذب فلزات استفاده می کند . در ادامه به بحث در مورد انواع روشهای حذف فلزات سنگین از پساب و مقایسه آنها می پردازیم. روشهای مختلفی برای حذف یون های فلزی وجود دارد که می توان به دو دسته ی کلی روشهای فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود.
صافی های غشایی : از معایب این روش تولید لجن و افت فشار می باشد.
تبخیر: از معایب این روش این است که فلز به صورت انتخابی از محلول جدا نمی شود، بالا بودن هزینه های ثابت و عملیاتی و هم چنین وقت گیر بودن آن نیز می باشد.
۱ Membrane Filtration
۲Evaporation
حذف توریوم از پساب توسط جلبک های قهوه ای فصل چهارم- روشهای حذف فلزات سنگین از محلول های آبی
جذب سطحی : معموال به کمک کربن فعال صورت می گیرد که از معایب این روش قیمت بالا جاذب و همچنین هزینه احیای و کاهش ظرفیت جذب و وزن جاذب پس از مصرف است.
اسمز معکوس: برای حذف یون های فلزی از پساب های رقیق با کمک غشا نیمه تراوا است. که این
عمل در فشاری یبش از فشار اسمزی صورت می گیرد. عیب این روش هزینه بالای آن است.
الکترو دیالیز: با بکارگیری از پتانسیل الکتریکی، کاتیون ها و آنیون های موجود در محلول به سوی الکترود ها حرکت می کنند. در این روش امکان تشکیل هیدروکسید های فلزی وجود دارد.
۴ ترسیب شیمیایی: این روش با افزودن عوامل رسوب دهنده مانند زاج سفید ، آهک، نمک های آهن و ….. انجام می شود. و برای حذف فلزات سنگین با غلظت باال و برخی نمک های فلزی که در آب حل نمی شوند استفاده می شود. در این روش هزینه های ثابت کم می باشد اما به دلیل اینکه پساب تولید شده
هزینه نگهداری بالایی دارد مناسب نیست.
تبادل یونی: این روش بعد از ترسیب دومین روش حذف فلزات سنگین از پساب هاست. در اینجا یونهای فلزی با یون های روی رزین تعویض می شوند. هزینه بالا و حذف جزئی یون های خاص از جمله معایب این روش است اما فلزات سنگین را تا حد غلظت ppb حذف می کنند.
سیمانی شدن: یک نوع رسوب دهی با مکانیسم الکترو شیمیایی می باشد که در این روش فلزی با پتانسیل اکسیداسیون باالتر جایگزین فلزی با اکسیداسیون پایین تر می گردد.
انعقاد: این روش با استفاده از یک عامل منعقد کننده شیمیایی انجام می شود.
انعقاد الکتریکی: یک روش الکترو شیمیایی است که در آن از جریان الکتریکی استفاده می شود.
نیترات در آب آشامیدنی و روش های حذف آن
:: نیترات اغلب در آبهای آشامیدنی وجود داشته و دلیل آن فعالیت های بشری مانند استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی مانند نیترات پتاسیم و نیترات آمونیوم ، کامل نبودن سیستم سپتیک و دفع نامناسب زباله های صنعتی ، انسانی و حیوانی است. این موارد منبع اصلی تولید نیتروژن بوده که در خاک به نیترات تبدیل می‌شوند و از آنجا که نیترات در آب به صورت محلول است از طریق باران وارد آب های زیر زمینی و در نهایت آبهای آشامیدنی می‌شود.
عوارض ناشی از نیترات بر روی بدن انسان
:: نیترات موجود در آب تبخیر نشده و به صورت پایدار در آب باقی می‌ماند. نیترات به طور معمول برای سلامتی خطرناک نبوده اما مصرف مداوم و بیش از اندازه آن می‌تواند اثرات زیادی بر سلامتی انسان به خصوص نوزادان داشته باشد. نیترات با هموگلوبین خون ترکیب شده و سبب اختلال در حمل اکسیژن توسط آن شده و توسط دستگاه گوارش به NO2 تبدیل می‌شود و نوزاد از کمبود اکسیژن رنج برده و سبب نارسایی در نوزادان می‌شود.
:: سایر عوارض استفاده از نیترات در مدت زمان طولانی شامل کاهش اسیدیته معده ، کمبود آنزیم ، کاهش هموگلوبین های طبیعی خون ، افسردگی ، تاثیر بر سیستم عصبی و زمانیکه غلظت آن بالای ۷۰% باشد سبب مرگ خواهد شد.
میزان مجاز نیترات در آب آشامیدنی
:: به گفته سازمان بهداشت جهانی اکثر افراد بالغ روزانه بین ۲۰ تا ۷۰ میلی گرم نیترات را به همراه مواد غذایی مثل کاهو ، کرفس ، اسفناج و …. مصرف می‌کنند. این نشان می‌دهد که علاوه بر آب آشامیدنی مواد غذایی نیز حاوی نیترات می‌باشد.آنالیز آب در ایالات متحده و کانادا نشان داده است که مقدار نیترات در این آب‌ها ۱۰ میلی گرم در لیتر است. اما طبق بهداشت جهانی (WHO) مقدار استاندارد نیترات در آبهای آشامیدنی حداکثر باید ppm50 باشد.
روش های حذف نیترات از آب آشامیدنی
:: از آنجا که یون نیترات بسیار پایدار است حذف آن به صورت روش های تصفیه ای معمولی مانند انعقاد ، جذب و …. انجام نمی‌شود. فرآیندهای تخصصی مانند استفاده از کاتالیزور در دما و فشار بالا و نیز استفاده از مواد شیمیایی جهت تصفیه آب آشامیدنی ممکن است استفاده شود. سایر روش ها برای حذف نیترات از آب شامل موارد زیر است :
روش تبادل یونی با استفاده از رزین‌های قوی
حذف بیولوژیکی نیترات با استفاده از متانول یا اتانول
اسمز معکوس
الکترو‌دیالیز و یا الکترو‌دیالیز معکوس
تبادل یون
:: رزین‌های آنیونی قوی سبب تغییر آرایش آب و نمک زدایی و همچنین حذف نیترات از آب می‌شوند. سولفات نیز به طور انتخابی جهت حذف نیترات می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از سولفات سبب تغییر در PH شده و از طرفی از نمک طعام نیز جهت احیاء رزین های تبادل یون استفاده می‌شود.
:: نکته : از فرآیند تبادل یون برای حذف نیترات از آبهای زیر زمینی استفاده می‌شود و در آبهای سطحی که در آنها مواد آلی و مواد معلق وجود دارند ، نیترات ها با رزین های تبادل یونی از بین نمی-روند.
مزایای روش تبادل یون
:: این روش دارای مزایای زیر است :
- عملیات ساده .
- این فرآیند مستقل از دما می‌باشد.
در برابر تغییر غلظت نیترات کاملا منفعل است
حذف بیولوژیکی نیترات
:: تصفیه بیولوژیکی نیترات شامل تبدیل نیترات به نیتروژن توسط باکتری‌های موجود در بیوراکتورها است. باکتری‌های موجود در این راکتورها نیترات موجود در آب را به نیتروژن موجود در هوا تبدیل می-کند. در برخی از موارد از اتانول و متانول در این بیوراکتورها استفاده می‌شود.
:: نکته: استفاده از این بیوراکتورها برای حذف نیترات از آبهای آشامیدنی کاربرد ندارد و بیشتر برای نیترات زدایی از فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
روش تبادل یونی بهترین و موثرترین روش جهت نیترات زدایی از آب آشامیدنی
:: سازمان حفاظت محیط زیست و بهداشت جهانی استفاده از رزین های تبادل یون را به عنوان بهترین روش برای از بین بردن نیترات در آبهای قابل شرب معرفی کرده اند. استفاده از رزین های تبادل یونی موثرترین ، بهترین و مطمئن‌ترین روش جهت حذف نیترات از آبهای آشامیدنی است. این فناوری شامل حذف نیترات و جایگزینی آن توسط آنیون های دیگر است.
:: برای حذف نیترات از آبهای آشامیدنی از ذرات متخلخل درشت با پایه رزینی استفاده می شود. میل ترکیبی این ماده با نیترات بیشتر از سولفات بوده و رزین‌های آنیونی به کار رفته در آنها نیترات را از آب حذف کرده و مقدار آن را به حد استاندارد و مجاز خود می‌رساند. ترکیب مناسب ، خواص فیزیکی و شیمایی و خواص سینتیکی آن ، به عنوان یک ماده ایده آل در مقایسه با سولفات مورد استفاده قرار می-گیرد. این روش مستقل از دما بوده و به صورت اتوماتیک با تغییر غلظت نیترات در آب عمل می‌کند.
