RO تصفیه آب با استفاده از فرآیند اسمز معکوس
RO اسمز معکوس
اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یکی از شیوه‌های گسترده جداسازی است، که کاربری‌های مختلفی دارد. شیرین‌سازی آب دریا، جداسازی مواد آلی و سمی از پساب‌های صنعتی دو مورد مهم استفاده از این تکنولوژی میباشد. این فرآیند یکی از روش‌های اصلی شیرین سازی آب در کنار روش‌هایی مانند تقطیر، الکترودیالیز، بدون یون‌سازی و غیره است که در مقیاس‌های آزمایشگاهی، شهری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تاریخچه کاربرد این روش به سال‌های 1950 بر میگردد که آزمایش‌هایی توسط رید و برتون در دانشگاه فلوریدای آمریکا انجام پذیرفت و نخستین غشاء اسمز معکوس از سلولز استات ساخته شد و در اواخر سال‌های 1960 این پدیده به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفت.
اصول نظری پدیده اسمز معکوس
شناخت پدیده اسمز معکوس نیازمند شناسایی خاصیت اسمزی است. به طور کلی انتقال جرم از یک محیط به محیط دیگر در اثر اختلاف غلظت و یا به عبارت بهتر در اثر اختلاف پتانسیل شیمیایی، به وجود می‌آید. خاصیت اسمزی به عبور یک حلال از بخش محلول رقیق به بخش محلول غلیظ از درون یک غشاء نیمه تراوا گفته میشود.
RO مراحل مختلف تصفیه اسمز معکوس
- تصفیه مقدماتی: که شامل جداسازی ذرات جامد معلق موجود در آب ورودی، حذف میکرو ارگانیزم‌ها، تنظیم PH، تنظیم دما و کنترل عوامل رسوب کننده است.
- افزایش فشار: آب تغذیه بعد از انجام تصفیه مقدماتی به وسیله یک پمپ فشرده میشود تا پتانسیل عبور از غشاء را دارا باشد. حداکثر فشار مجاز برای غشاهای پلی آمید 28 اتمسفر و برای سلولز استات 60 اتمسفر با توجه به تجهیزات مورد استفاده میباشد. یک شیر کنترل به منظور تنظیم فشاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای آب‌های با TDS بالا که نیاز به تامین فشار بالا است لازم است غشاء از جنس سلولز استات انتخاب گردد.
اجزای سیستم اسمز معکوس RO
- مخازن تهیه محلول و تزریق کننده‌های اسید و فسفات.
- صافی کارتریج و کربن فعال.
- پمپ فشار قوی.
- قاب‌ها (یا مدول‌ها).
- غشاها (غشاهای لوله‌ای، حلزونی، الیافی ).
- ابزار دقیق و وسایل اندازه‌گیری.
به طور کلی سیستم آب شرین RO به سه بخش پیش تصفیه، تصفیه اصلی و تصفیه تکمیلی تقسیم میشود.
پیش تصفیه: جهت حفاظت از ممبرین های RO که مهمترین بخش آن میباشد، از سیستم پیش تصفیه استفاده میشود. پیش تصفیه معمولا بر اساس کیفیت آب ورودی تعیین و طراحی میگردد. به این شکل که جهت طراحی سیستم RO ابتدا انالیز کیفی آب تهیه شده و با بررسی وضعیت کیفی آب، ترکیبی از فرایند های فیلتر شنی، فیلتر کربنی، فیلتر میکرونی، الترا فیلتر و همچنین سیستم های تزریق مواد شیمیایی از قبیل آنتی اسکالانت، SMBS و اسید و قلیا در نظر گرفته میشود.
تصفیه اصلی: این بخش در واقع مهمترین قسمت تصفیه خانه های RO میباشد که متشکل از پمپ های فشار بالا و طبقاتی، پوسته ممبرین و ممبرین میباشد.
تصفیه تکمیلی : گاهی اوقات خروجی سیستم های RO از نظر کیفی دارای مقداری ناخالصی مانند آلودگی میکروبی میباشد که در این مواقع جهت جلوگیری از آلودگی آب خروجی از سیستم‌های گندزدایی استفاده میشود. مثالی دیگر در این خصوص میتوان به استفاده از سیستم‌های RO مجدد جهت افزایش کیفیت آب خروجی(TDS پایین) و افزایش کمییت آب خروجی استفاده کرد. فرایند های مذکور در واقع به افزایش PASS وافزایش STAGE شناخته میشود. به گونه ای که کارفرما چنانچه TDS بسیار پایین نزدیک به آب مقطر در نظر داشته باشد در خروجی آب شیرین یکبار دیگر سیستم RO درنظر می‌گیرد که همان PASS نامیده میشود. همچنین گاهی اوقات برای افزایش مقدار دبی آب شیرین ما می‌توانیم در خروجی آب غلیظ از سیستم RO جدید استفاده کنیم که این حالت STAGE نامیده میشود.
مشخصات سیستم اسمز معکوس ساخته شده توسط شرکت آسان پالایش زیست بوم
1- ساخت و نصب در کمترین زمان.
2- قابل استفاده در شرکت های کوچک و بزرگ.
3- هزینه ی ساخت پایین.
4- دورریز پایین آب.
5- تصفیه آب چاه با سختی های متوسط و بالا.
6- خروجی مناسب شرب بدون حذف کامل املاح معدنی مورد نیاز بدن.
7- راه بری ساده و بدون نیاز به اپراتور متخصص.
8- خدمات پشتیبانی ده ساله.
9- گارانتی یک ساله تجهیزات.
محاسبات، طراحی و عملکرد اسمز معکوس
تعداد انگشت‌شماری از روش‌های محاسبات برای ارزیابی عملکرد یک سیستم اسمز معکوس و نیز ملاحظات طراحی وجود دارند. یک سیستم اسمز معکوس دارای تجهیزات ابزار دقیق برای نمایش کیفیت، جریان، فشار و گاهی اوقات اطلاعات دیگر نظیر دما و ساعت‌های کارکرد است. به‌منظور اندازه‌گیری دقیق عملکرد سیستم اسمز معکوس، باید حداقل پارامترهای عملیات ذکرشده در زیر را داشته باشید:
- فشار خوراک.
- فشار پرمیت.
- فشار خروجی غلیظ شده.
- هدایت الکتریکی خوراک.
- هدایت الکتریکی پرمیت.
- میزان جریان خوراک.
- میزان جریان آب پرمیت.
- دما.
معادله درصد حذف نمک
این معادله بیانگر میزان مؤثر بودن غشاهای اسمز معکوس در حذف آلاینده‌ها است. در این معادله به چگونگی کارکرد کل سیستم به‌صورت متوسط پرداخته میشود. عملکرد هر غشا به‌صورت جداگانه بحثی خارج از این معادله است. یک سیستم اسمز معکوس با طراحی خوب همراه با غشاهای با عملکرد مناسب، 95 تا 99 درصد از آلاینده‌های آب خوراک (با سایز و بار معین) را حذف می‌نماید.
معادله‌ی زیر تأثیر غشاهای اسمز معکوس بر حذف آلاینده‌ها را تعیین می‌کند:
درصد حذف نمک = (هدایت الکتریکی خوراک – هدایت الکتریکی آب پرمیت) / (هدایت الکتریکی خوراک) * ۱۰۰
درصد حذف بالای نمک نشان‌دهنده‌ی عملکرد بهتر سیستم است. درصد حذف پایین نمک نیاز سیستم به پاک‌سازی یا جایگزینی غشاها را بیان می‌کند.
معادله‌ی میزان عبور نمک
معادله‌ی میزان عبور نمک برعکس معادله‌ی قبلی است. این معادله میزان نمک عبوری از غشاها را برحسب درصد نشان می‌دهد. درصد عبوری پایین نمک، عملکرد بهتر سیستم و درصد عبور بالا نیاز غشاها به پاک‌سازی یا جایگزینی را بیان می‌کند.
درصد عبور ٪ = (1- درصد حذف٪)
درصد بازیافت
درصد بازیافت به مقداری از آب که با عنوان محصول غلیظ، تخلیه نمی‌‌شود اطلاق میگردد. این سهم به‌صورت آب محصول یا پرمیت جمع‌آوری میشود. درصد بازیافت بالا به معنای ارسال کمتر محصول غلیظ و ذخیره‌ی بیشتر آب پرمیت است. بااین‌حال، اگر درصد بازیابی برای طراحی اسمز معکوس بیش‌ازحد بالا باشد، می‌تواند به مشکلات بزرگ‌تر از قبیل رسوب منجر شود. درصد بازیافت یک سیستم اسمز معکوس به کمک طراحی نرم‌افزار با توجه به فاکتورهای متعددی مانند شیمی آب خوراک و پیش‌تصفیه‌ی اسمز معکوس قبل از فرآیند اسمز معکوس تعیین میشود. به‌هرحال میزان بازیافت بستگی به طراحی موردنظر مهندس دارد.
با محاسبه‌ی درصد بازیافت، میتوان به‌سرعت تعیین کرد که آیا سیستم در خارج از محدوده‌ی طراحی موردنظر عمل می‌کند یا خیر؟ محاسبات درصد بازیابی به شرح زیر است:
درصد بازیافت= (میزان دبی جریان پرمیت) / (میزبان دبی جریان خوراک) * ۱۰۰
به‌عنوان‌مثال، اگر میزان بازیافت 75٪ باشد، به ازای 100 گالن آب خوراکی ورودی به سیستم اسمز معکوس، 75 گالن آب پرمیت قابل‌استفاده و 25 گالن به‌عنوان محصول ریجکت تخلیه میگردد. به‌طورمعمول سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی با توجه به مشخصات آب خوراک و سایر ملاحظات طراحی با درصد بازیافتی از 50 تا 85 درصد اجرا می‌شوند.
فاکتور تغلیظ
فاکتور تغلیظ (CONCENTRATION FACTOR) به میزان بازیافت سیستم اسمز معکوس مربوط و یک معادله‌ی مهم برای طراحی این سیستم است. با تولید آب بیشتر به‌عنوان آب پرمیت (ریکاوری بالاتر)، محلول نمک غلیظ شده و آلودگی بیشتری در جریان غلیظ شده (concentrate) جمع میگردد. این جریان به پتانسیل رسوب‌گذاری بیشتر روی سطح غشا اسمز معکوس می‌انجامد؛ مخصوصاً زمانی که فاکتور تغلیظ برای طراحی سیستم و ترکیب آب خوراک ورودی خیلی بالا باشد.
فاکتور تغلیظ = ۱ / (۱ – درصد بازیافت)
این مفهوم برای دیگ بخار و برج خنک‌کننده تفاوتی ندارد. در هر دو آب تصفیه‌شده از سیستم به‌صورت بخار خارج میشود و محلول غلیظ شده را در سیستم به‌جا می‌گذارند. با افزایش درجه‌ی تغلیظ ممکن است روی سطوح تجهیزات رسوب‌گذاری شود.
برای مثال اگر دبی جریان آب خوراک 100 گالن بر دقیقه و دبی آب تولید 75 گالن بر دقیقه باشد، آنگاه درصد بازیافت 75% میشود. پس فاکتور تغلیظ طبق فرمول عبارت است از:
1/(1-75%)=4
فاکتور تغلیظ 4 یعنی جریان غلیظ شده نسبت به آب خوراک 4 برابر غلیظ‌تر است. اگر در این مثال «TDS» آب خام ورودی 500ppm باشد، TDS جریان غلیظ شده برابر است با 500×4 = 2000ppm
کل مواد جامد محلول (Total dissolved solids) یا به‌اختصار TDS، اندازه‌گیری محتوای ترکیبی از تمام مواد آلی و غیر آلی موجود در یک مایع به‌صورت مولکولی، یونیزه یا میکرو گرانول (سلول کلوئیدی) است. تی دی اس را نمی‌توان به‌عنوان معیار اصلی مشخص‌کننده کیفیت آب در نظر گرفت و بیشتر درجه شفافیت آب را مشخص می‌کند. منظور از تی دی اس مجموع غلظت همه یون‌های موجود در آب است. مواد محلول در آب ممکن است ازنظر ماهیت «آلی» یا «معدنی» باشند.
شار
میزان «شار» (flux) با فرمول زیر محاسبه میگردد:
شار = (میزان دبی جریان پرمیت) / (سطح تمام غشاهای مورداستفاده)
مثال
سیستم اسمز معکوس آبی به ظرفیت 75 گالن بر دقیقه تولید می‌کند. این سیستم 3 مخزن با 6 غشا دارد؛ بنابراین درمجموع 18 غشا در خود جای داده است. نوع غشا استفاده‌شده در سیستم را DOW Filmtec BW30-365 در نظر بگیرید. این نوع از غشا، سطحی معادل 365 فوت مربع دارد. برای پیدا کردن شار این غشا از معادله بالا استفاده میگردد.
شار برابر 16 خواهد شد. این عدد به معنای عبور 16 گالن آب از هر فوت مربع این غشا در روز است. این عدد می‌تواند خوب و یا بد باشد و بستگی به شیمی آب خام ورودی و طراحی سیستم دارد.
در زیر یک روش کلی و ساده برای به دست آوردن بازه‌ی شار مناسب برای منابع آبی مختلف آمده است. این بازه به کمک نرم‌افزار طراحی اسمز معکوس بهتر تعیین میگردد. غشاهای مختلف شارهای مختلفی دارند. در مثال بالا در صورت استفاده از غشاهای Dow Filmtec LE-440i شار حدود 14 می‌شد. پس انتخاب نوع غشا در طراحی اسمز معکوس و بهره‌برداری مهم است.
موازنه جرم
یک معادله‌ی موازنه جرم برای کمک به تشخیص این مورد است که آیا ابزار دقیق جریان آب و کیفیت آن را به‌خوبی اعلام می‌کند و یا نیاز به کالیبراسیون مجدد دارد. اگر ابزار دقیق به‌خوبی کار نکنند، داده‌های عملکردی دستگاه درواقع بلااستفاده می‌شوند و بی‌ارزش هستند. داده‌هایی که لازم است از ابزار دقیق دستگاه اسمز معکوس برای محاسبه‌ی موازنه‌ی جرم خوانده شوند عبارت‌اند از:
- جریان آب خوراک (gpm).
- جریان آب تولیدی (gpm).
- جریان آب غلیظ شده (gpm).
- هدایت الکتریکی آب ورودی (µs).
- هدایت الکتریکی آب تولیدی (µs).
- هدایت الکتریکی جریان غلیظ شده (µs).
معادله‌ی موازنه جرم عبارت است از:
(جریان آب خوراک * هدایت الکتریکی آب ورودی) = (جریان آب تولیدی * هدایت الکتریکی آب تولیدی) + (جریان آب غلیظ شده * هدایت الکتریکی جریان غلیظ شده)
جریان آب خوراک = جریان آب تولیدی + جریان آب غلیظ شده
مثال
- جریان آب تولیدی = gpm 5.
- هدایت الکتریکی آب ورودی = µs 500.
- هدایت الکتریکی آب تولیدی = µs 10.
- جریان آب غلیظ شده = gpm 2.
- هدایت الکتریکی جریان غلیظ شده = µs 1200.
پس معادله‌ی موازنه‌ی جرم برابر است با:
3500 = (7 * 500) = (5 * 10) + (2 * 1200)
3500 ≠ 2450
حالا درصد انحراف رو به دست می‌آوریم:
درصد انحراف = (میزان انحراف / مجموع) * 100 = ((3500 – 2450)/(3500 + 2450)) * 100 = 18%
- درصد اختلاف ±5% خوب است،
- درصد اختلاف ± (5% – 10%) مناسب است.
- درصد اختلاف بیشتر از ±10% غیرقابل‌قبول است و ابزار دقیق‌ها نیاز به کالیبراسیون دارند.
در این مثال ابزار دقیق‌ها از بازه‌ی استاندارد خارج‌شده‌اند و نیاز به بازبینی دارند.
مرحله، گذر و آرایش سیستم
در این بخش باید تفاوت بین مرحله و گذر همراه با مفهوم آرایش، جریان برگشتی و … توضیح داده شود.
تفاوت بین گذر و مرحله
در یک سیستم اسمز معکوس تک «مرحله‌ای» (stage)، آب خوراک از یک مسیر وارد اسمز معکوس میشود و از یک مسیر دیگر به‌عنوان آب تولیدی و یا آب غلیظ شده خارج میگردد. در سیستم اسمز معکوس دومرحله‌ای، جریان ریجکت یا غلیظ از مرحلهی اول به‌عنوان جریان ورودی به مرحلهی دوم وارد میشود. آب تولیدی از مرحلهی اول با آب تولیدی از مرحلهی دوم باهم در یک مخزن جمع می‌شوند. مرحلهی دوم درصد بازیافت را افزایش می‌دهد.
آرایش
در سیستم اسمز معکوس یک آرایش، چیدمان فیزیکی مخازن فشار را در یک سیستم دومرحله‌ای توصیف می‌کند. مخازن تخت فشار از یک تا 6 غشا یا سلول دارند. هر مرحله شامل تعداد مشخصی از مخازن تحت‌فشار است. ریجکت هر مرحله هم جریان ورودی به مرحلهی بعدی است.
آرایش سیستم نشان داده شده در تصویر بالا، به شکل ۲:۱ است. به این معنا که خروجی مرحله‌ای شامل ۲ گذر وارد مرحله‌ای با یک گذر میگردد.
سیستم اسمز معکوس با جریان برگشتی
در یک سیستم اسمز معکوس درصورتی‌که خواص شیمیایی آب خام اجازه دهد، یک جریان برگشتی از جریان آب غلیظ می‌تواند به‌عنوان کمکی به جریان ورودی اضافه شود و درصد بازیافت سیستم را افزایش دهد.
سیستم اسمز معکوس تک گذر و دو گذر
اختلاف بین یک سیستم تک گذر (single pass) و دو گذر (double pass) در این است که در سیستم دو گذر، آب تولیدی از گذر اول به گذر دوم به‌عنوان جریان خوراک وارد میشود. این عمل باعث میشود که آب تولیدی از گذر دوم بسیار باکیفیت و خالص باشد؛ زیرا از دو سیستم اسمز معکوس عبور کرده است. علاوه بر تولید آب تولیدی با کیفیت خیلی بالا، یک سیستم اسمز معکوس دومرحله‌ای همچنین این امکان رو می‌دهد که گاز کربن دی‌اکسید را از آب تولیدی با تزریق کاستیک در فاصله‌ی بین دو سیستم اسمز معکوس، حذف کند.
کربن‌دی‌اکسیدی برای بستر رزینی تبادل یون بعد از اسمز معکوس نامطلوب است. با افزودن کاستیک سودا بعد از گذر اول، pH آب تولیدی گذر اول افزایش و کربن‌دی‌اکسیدی به بی‌کربنات و کربنات تبدیل میگردد. در سیستم اسمز معکوس تک گذر این امکان وجود ندارد، چون تزریق کاستیک سودا و تشکیل کربنات در حضور کاتیون‌ها ازجمله یون کلسیم، باعث تشکیل رسوب روی غشاهای اسمز معکوس میگردد.
برای درک بهتر عملکرد فرآیند اسمز معکوس می توانید ویدیوهای زیر را ملاحظه نمائید
برای مطالعه بیشتر در این زمینه به لینک های زسر مراجعه نمائید
