مشاوره تصفیه آب

10 / 10
از 1 کاربر

نمكزدايي‌ با استفاده‌ از فرآيند اسمز معكوس‌

اسمز معكوس فرآيندي فيزيكي است كه مي‌توان از محلولي به كمك يك غشا نيمه تراوا، حلال تقريباً خالص تهيه كرد. به عنوان مثال به كمك اين روش مي‌توان از آب شور، آب آشاميدني مطلوب تهيه كرد. اسمز معكوس مي‌تواند 99% مواد معدني حل شده و 97% مواد آلي و كلوييدي آب را حذف كند.  تكنولوژي اسمز معكوس در دهه‌هاي اخير با به بازار آمدن انواع جديدي از غشاها، به طور قابل توجهي گسترش يافته است.

اگر يك غشاي نيمه تراوا بين دو محلول با غلظت هاي متفاوت قرار گيرد، مقداري از يك طرف غشاء به طرف ديگر منتقل مي‌شود. جهت حركت حلال بگونه‌اي است كه محلول غليظ‌تر را رقيق مي‌نمايد، كه اين پديده را اسمز مي‌نامند. آب خالص از غشا عبور كرده و وارد آب شور مي‌شود. اگر به سيستم اجازه داده شود تا به تعادل برسد در آن صورت سطح آب نمك بالاتر از سطح آب مقطر خواهد شد. اين اختلاف سطح در دو طرف غشاء را فشار اسمزي گويند. در شكل زیر مي توان اين پديده را مشاهده نمود.

نمايش پديده اسمزي و فشار اسمزي

يون‌هاي موجود در آب دريا از مولكول‌هاي آب بزرگتر مي‌باشند و اين مشخصه ايست كه فرآيند اسمز معكوس (RO) از آن بهره مي‌‌گيرد. در اين سيستم آب دريا را با فشار به داخل غشاء شبه نفوذپذير مي‌فرستند تا نمك‌ها و مواد معدني غيرحلال را فيلتر نمايد. همچنين RO داراي مصرف بالاي برق و هزينه زياد نگهداري مي‌باشد، همچنانكه غشاء شبه نفوذپذير به صورت متناوب بايد جايگزين شود.

شكل زیر دياگرام‌ شماتيك تاسيسات‌ تصفيه‌ آب‌ به‌ روش‌ اسمز معكوس‌ (R.O)را نشان مي‌دهد.

دياگرام‌ تاسيسات‌ تصفيه‌ آب‌ به‌ روش‌ اسمز معكوس

RO يك فرآيند جداسازي غشايي است كه محلول آب دريا با فشار در داخل آن قرار داده مي‌شود تا مواد موجود (مواد غيرحلال) در آب دريا به وسيله ايجاد جريان از ميان غشاء جدا شود. غالب انرژي مورد نياز براي فرآيند RO براي ايجاد فشار در آب تغذيه استفاده مي‌شود.

يك قسمتي از آب از ميان غشاء عبور مي‌كند و در همين زمان قسمتي از اين آب تغذيه براي تغليظ آب نمك تخليه مي‌شود بدون آنكه از ميان غشاء عبور كند. بيشترين نسبت‌هاي بازيافت نوعي (جريان نفوذ يافته/ جريان آب تغذيه) از آب شور 85% و آب دريا 45% -35% مي‌باشد.

اسمز معكوس يك روش جداسازي ناخالصي‌ها از آب مي‌باشد كه عامل جداسازي با اعمال فشار مكانيكي است. اسمز معكوس گاهي شبيه به فيلتراسيون است چون هر دو فرآيند ناخالصي‌ها را از آب جدا مي‌كنند، از اين رو گاهي به اسمز معكوس، ‌هايپرفيلتراسيون مي‌گويند. اما بايد توجه داشت كه در فيلتراسيون فشار اسمزي خيلي كم است و اصولاً نقشي ندارد. در فيلتراسيون اندازه ذرات مهم است ولي در اسمز معكوس علاوه بر اندازه ذرات فاكتورهاي ديگري چون ميزان نمك‌هاي محلول هم مطرح است.

در اسمز معكوس آب خام (تصفيه نشده) توسط پمپ به داخل محفظه‌اي كه داراي غشاي نيمه تراوا است، رانده مي‌شود چون تقريباً فقط آب خالص مي‌تواند از غشاء عبور كند به اين صورت آب تقريباً خالص در يك طرف غشاء و آب تغليظ شده از ناخالصي‌ها در طرف ديگر خواهيم داشت.

اسمز معكوس به صورت پيوسته كار مي‌كند و مي‌تواند كل نمك‌هاي محلول آب خام را تا 99% كاهش دهد در عمل اين كاهش تا 95% طبيعي است. حذف باكتري‌ها، ويروس‌ها و ديگر ميكروب‌ها با اسمز معكوس صد درصد است. اما به علت عدم آب‌بندي كامل سيستم اسمز معكوس مقدار كمي از اين گونه ناخالصي‌ها در آب تصفيه شده ديده مي‌شود.

اين فرآيند براي تهيه آب آشاميدني از آب‌هايي املاح معدني زياد و ناخالصي‌هاي آلي دارد، بسيار مناسب است. حتي با اين روش مي‌ توان از آب دريا با ppm 500000 ناخالصي، آب آشاميدني تهيه كرد.

براي تصفيه آبهاي معمولي با كل نمك‌هاي محلول حدود ppm5000 يا بيشتر اسمز معكوس يك روش كاملاً اطمينان بخش است. اسمز معكوس را مي‌توان در داروسازي و پزشكي جايگزين روش تقطير براي توليد آب ناخالص و عاري از ميكروارگانيزم‌ها كرد.

امروزه روش اسمز معكوس اقتصادي‌ترين فرآيند براي تهيه آب آشاميدني از آب‌هاي شور مناطق كم آب است. يك سيستم اسمز معكوس شامل اجزاء اصلي زير است. اين سه جزء عبارتند از:

-       پيش تصفيه و پس تصفيه

-       پمپ فشار بالا

-       مجموعه غشاءها

هدف از فرآيند پيش تصفيه در اسمز معكوس عبارت است از:

-       جداسازي ذرات بزرگتر توسط فيلترها

-       از بين بردن آلودگي‌هاي ميكروبي براي جلوگيري از رسوب‌گذاري بيولوژيك بوسيله مواد ضدعفوني كننده

هدف از فرآيند پس تصفيه عبارت است از:

-       تبديل آب معمول به آب صنعتي از طريق روش‌هاي تبادل يوني

-       ضد عفوني براي مصارف شرب يا صنعتي

-       مخلوط كردن معمول با آب شور با هدف دستيابي به آناليز مورد نظر كشاورزي يا شرب

-       افزودن اسيد يا باز كردن رساندن pH به شرايط مورد نظر

اين جزء براي بالا بردن فشار آب تغذيه پيش تصفيه شده براي رساندن آن به سطح مناسب براي مواجه شدن با غشاء است. فشار مورد نياز به غلظت نمك موجود در آب و درجه حرارت آب تغذيه بستگي دارد. فشار اسمزي با افزايش غلظت نمك افزايش مي‌يابد. بنابراين فشار عملگر بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد. اين فشار مي‌تواند تا سه بار از فشار اسمزي بيشتر باشد.

آب بسيار شور و پر از املاح فشاري در حدود 17 تا 27 بار نياز دارد و اين در حالي است كه آب تغذيه در فشاري برابر با 80-50 بار عمل مي‌كند و اين نكته را نيز بايد در نظر گرفت كه با افزايش درجه حرارت بايد بر مقدار فشار افزود.

 

غشاء نيمه تراوا

غشاها معمولاً از استات سلولز بافت دار ساخته مي‌شوند. پيش از آن در فرآيند اسمز معكوس از مخلوط يا مشتقي از استات‌هاي بافت دار يا پلي آميدهاي بافت دار استفاده مي‌كردند. غشاهاي صفحه‌اي قابي شكل، مارپيچي، رزوه شده و فيبري ظريف، متداول‌ترين نوع غشاءها در فرآيندهاي اسمزي هستند.

يك غشاء ايده‌آل بايد داراي خصوصيات زير باشد:

-       دفع مقدار بسيار زياد نمك

-       خاصيت عبور دهي زياد براي آب

-       مقاومت بالا در برابر تغيير درجه حرارت

-       مقاومت بالا در برابر اكسيد شدن

-       مقاومت بالا در برابر هر گونه ضايعات (ضايعات ناشي از مواد آلي، غيرآلي و ...)

-       مقاومت استاتيكي بالا

-       قيمت مناسب و ارزان

 

تشريح نحوه عملكرد فرآيند غشايي اسمز معكوس

فناوري اسمز معكوس تقريباً در هر صنعتي كه جداسازي مواد حل شده از حلال مورد نظر است به كار گرفته مي‌شود. متداول‌ترين مورد استفاده اين فناوري تهيه آب خالص است فرآيند اسمز معكوس در تهيه آب آشاميدني از طريق نمك زدايي آب دريا و حتي جهت بهبود مزه آب از طريق حذف آلودگي‌هاي مضر مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

اسمز معكوس يكي از روش‌هاي اساسي تصفيه آب است كه در ساخت نيمه رساناها، تجهيزات پزشكي و صنايع دارويي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. آب خالص توليد شده با استفاده از اين روش در عمل دياليز و نيروگاه‌ها به كار مي‌رود. همچنين اين فناوري در تصفيه  فاضلاب  و حتي تغليظ محلول‌هاي نمكي در صنايع غذايي كاربرد دارد.

استفاده از سيستم اسمز معكوس در مصارف خانگي عموميت پيدا كرده است. در اين كاربرد و بسياري از كاربردهاي ديگر در سيستم اسمزمعكوس از فيلترهايي با منافذ با قطر كوچكتر از يك نانومتر استفاده مي‌شود. اين فيلترها تفكيك جامدات معلق، ذرات كوچك و ذرات بسيارريزي را كه مي‌توانند در صنايع مختلف نظير داروسازي منشاء مشكل باشند براي سيستم اسمز معكوس ممكن مي سازند.

 

مباني فرآيند اسمز معكوس

اسمز فرآيندي طبيعي است كه در آن آب از ميان يك غشاء نيمه تراوا از سمت يك محلول كم نمك به سمت يك محلول پر نمك مي‌رود. نيروي محركي كه موجب گذر آب مي‌شود، فشار اسمزي ناميده مي‌شود. فشار اسمزي به اختلاف غلظت نمك دو محلول نوع ناخالصي و دما بستگي دارد. اگر به سيستم اجازه داده شود تا به تعادل برسد در آن صورت سطح آب نمك بالاتر از سطح آب مقطر خواهد ايستاد. اين اختلاف سطح همان فشار اسمزي است.

غشاهاي نيمه تراوا كامل نيستند و برخي نمكها همراه آب مي گذرند. شار جريان و نمك عبور كرده دو پارامتر كليدي و توصيفي غشاهاي اسمز معكوس هستند كه بر عملكرد غشاء تأثير مي‌گذارند. اغلب شار جريان با ضريب انتفال آب (حلال) و نمك عبور كرده با ضريب انتقال نمك (حل شونده) مشخص مي‌شود. ضريب انتقال نمك تابعي از مواد سازنده غشاء است در حالي كه ضريب انتقال آب متناسب با فشار خالص است.

شار جريان شدت عبور حلال از سطح يك واحد غشايي است. نمك عبور كرده كيفيت آب توليدي براي يك يون خاص يا TDS براي كيفيت آب تغذيه را به صورت درصد نشان مي‌دهد. اگر نمك عبوري يك درصد آب تغذيه باشد بدين معناست كه از آب تغذيه ppm 1000 محصولي با TDS برابر ppm 10 بدست مي‌آيد. معمولاً غشاها تا 5/99% نمك‌ها را باز مي گردانند.

پيش تصفيه براي سيستم RO داراي اهميت مي‌باشد زيرا آب تغذيه در طي فرآيند بايد از ميان گذرگاه باريكي عبور كند بنابراين مواد جامد غيرحلال بايد گرفته شود. اين عمل(پيش تصفيه) همچنين از رسوب نمك و رشد ميكروارگانيسم در غشاها جلوگيري بعمل مي‌آورد. معمولاً پيش تصفيه شامل فيلترهاي متنوع و استفاده از مواد اسيدي براي پرهيز از انعقاد و تجمع و در نتيجه رسوب‌گذاري مي‌باشد.

در بعضي از واحدها ازUF[1]  وMF[2]   براي پيش تصفيه استفاده مي‌شود.

به دليل هزينه بسيار بالاي توليد انرژي و مشكلات تعمير در روش‌هاي توليد بخار به روش‌هاي مذكور امروزه تكنولوژي ممبران به علت مشكلات كمتر و بازدهي بهتر (در كنار Mixed Bed) براي توليد آب DM[3] به كار مي‌رود. تصفيه به روش ممبران در كنار تبادل يوني علاوه بر اينكه داراي امكانات وسيع‌تري است بلكه از نظر اقتصادي نيز بسيار مقرون به صرف مي‌باشد. پايه و اساس تصفيه به اين روش جداسازي ذرات سيال با فشار بالا به وسيله پوليمرهاي مخصوص است. روش‌هاي رايج براي اين كار عبارتند از :

-       Micro Filtration (MF)

-       Ultra Filtration (UF)

-       Nano Filtration (NF)

-       Reverse Osmosis (RO)

-       Electro Dialysis Reversal (EDR)

-       Electro Dialysis (ED)

-       Electro Deionization

 

پارامترهاي طراحي فرآيند اسمز معكوس

  آب تغذيه پس از گذر از مراحل پيش تصفيه لازم وارد پمپ آب تغذيه فرآيند اسمز معكوس شده و اين پمپ آب فشار را متناسب با غلظت جامدات محلول در آب درصد بازيافت و عملكرد غشاء افزايش مي‌دهد.

چينش موازي يا سري مخازن تحت فشار، درصد بازيافت و ظرفيت را مشخص مي‌كند. در بعضي از حالات مي‌توان قسمتي از آب تغذيه يا آب پيش تصفيه شده را با آب توليدي مخلوط كرد. مخازن تحت فشار مي‌توانند در بر گيرنده يك تا 8 غشاء استاندارد cm 1016 باشند. معمولاً در سيستم‌هاي بزرگ مربوط به آب لب شور از 6 تا 7 غشاء استاندارد با قطر cm203 و در ازاي cm 1016 استفاده مي‌شود. براي سيستم‌هاي مربوط به آب دريا از مخازن تحت فشار 7 غشايي در يك يا دو مرحله استفاده مي‌شود. در فرآيند نمك زدايي از آب دريا معمولاً از سيستم اسمز معكوس 2 مرحله‌اي استفاده مي‌شود. مخزن تحت فشار 7 غشايي به حدود m762 طول نياز دارد. علاوه بر اين تقريباً m2/1 فضا در انتهاي مخزن تحت فشار براي جابجايي لازم است و طول كلي مورد نياز m10 است. پهنا به ظرفيت واحد و نوع آب تغذيه بستگي دارد. بررسي واحدهاي موجود نشان مي‌دهد كه به طور متوسط m2025/0 زمين به ازاء هر مترمكعب آب خروجي لازم است.

تمام لوله‌هاي انتقال دهنده آب توليد شده مربوط به غشاهاي هر مخزن تحت فشار به هم متصل مي‌شوند. سپس مخازن تحت فشار براي تشكيل يك مرحله به صورت موازي قرار مي‌گيرند. آن‌گاه مراحل به صورت سري چيده شده و جريان آب توليدي به ميزان كافي بازيافت و شدت جريان آب تغليظ شده به حداقل مي‌رسد.

در برخي كاربردها، ممكن است دو واحد غشايي با هم سري شوند و ميكروفيلتر يا اولترافيلتر به عنوان پيش تصفيه فرآيند اسمز معكوس مورد استفاده قرار گيرد. در اين فرآيند معمولا آب تغليظ شده مرحله دوم كم نمك‌تر از آب دريا است و به آب تغذيه واحد برگردانده مي‌شود.

 

تغذيه فرآيند اسمزمعكوس

در طراحي فرآيند اسمز معكوس بايد تركيب و كيفيت آب تغذيه تغييرات احتمالي در كيفيت، دما و اثر فرآيندهاي پيش تصفيه بر غشاء مد نظر قرار گيرد. دبي آب تغذيه مورد نياز براي يك فرآيند اسمز معكوس به درصد بازيافت آن بستگي دارد. حداكثر درصد بازيافت ممكن براي يك فرآيند اسمز معكوس با توجه به كيفيت آب تغذيه تعيين مي‌شود. در فرآيند اسمز معكوس حداكثر درصد بازيافت مجاز به غلظت نمك هاي حل شده و سيليكات در آب تغذيه بستگي دارد.

 

متغيرهاي فرآيند اسمز معكوس

شدت جريان آب توليدي و ميزان جداسازي نمك، پارامترهاي مشخصه فرآيند اسمزمعكوس هستند. اين دو پارامتر در يك فرآيند اسمز معكوس توسط پارامترهاي متغير فشار دما درصد بازيافت و غلظت نمك در آب تغذيه تحت تأثير قرار مي‌گيرند.

پارامترهاي مهم ديگري كه مستقيماً به عملكرد غشاء مربوط نيستند ولي بسيار مهم‌اند و نبايد از نظر دور داشته‌ شوند، عبارتند از نگهداري مناسب از سيستم، به كارگيري صحيح سيستم و طراحي مناسب فرآيند در درصد بازيافت. براي محاسبه حداكثر درصد بازيافت و نيز تعيين مراحل پيش تصفيه موردنياز بايد تركيب آب تغذيه كاملاً مشخص شود.

 

شدت جريان‌ها

بهترين عملكرد فرايند زماني است كه براي غشاها شدت جريان آب تغليظ شده كمترين و شدت جريان آب تغذيه بيشترين باشد. شدت جريان آب تغذيه به اولين غشاء درون يك مخزن تحت فشار و شدت جريان خروجي آب تغليظ شده از آخرين غشاء درون يك مخزن تحت فشار بايد با نيازمندي‌هايي كه توسط توليد كننده غشاء گفته شده مطابقت داشته باشد.

 

شدت جريان‌ آب تغذيه

با افزايش درصد بازيافت، شدت جريان آب تغذيه لازم براي توليد ميزان ثابتي از آب توليدي كاهش مي‌يابد. حداكثر كردن درصد بازيافت موجب مي‌شود كه شدت جريان آب تغذيه و نيز آب تغليظ شده به حداقل برسند.

 

كيفيت آب توليدي

با افزايش درصد بازيافت به علت بالا رفتن غلظت نمك در شدت جريان‌هاي آب تغذيه و آب تغليظ شده كيفيت آب توليدي كاهش مي‌يابد.

 

ميزان جداسازي نمك

حذف و ميزان جداسازي مواد محلول در آب يا ميزان عبور آن‌ها از غشاء به عوامل مختلفي بستگي دارد. توضيحات و دستورالعمل‌هاي توليد كننده غشاهاي اسمز معكوس طبق مقادير اسمي و حداقل جداسازي نمك كه تحت شرايط خاصي آزمايش شده‌اند، دسته‌بندي مي‌شوند. توليد كنندگان غشاء معمولاً ميزان جداسازي را براساس ميزان جداسازي كلريد سديم بيان مي‌كنند.

 

مواد محلول آلي و غيرآلي

غشاهاي اسمز معكوس بسياري از مواد آلي يوني و غير فرار را تا حد بسيار زيادي جدا مي‌كنند. معمولاً غشاهاي كامپوزيتي نسبت به غشاهاي استات سلولزي، تركيبات آلي را بهتر جدا مي‌كنند.

به طور كلي هيچ كدام از انواع غشاها‌ نمي‌توانند تركيبات آلي فرار آلي را به خوبي جدا كنند. ميزان جداسازي نمك‌هاي محلول يك ظرفيتي بسيار كمتر است. اين جداسازي تا حد زيادي به نوع يون‌ها و نيز pH آب تغذيه بستگي دارد.

 

نوع غشاء

تركيب غشاء در طول زمان بر ميزان جداسازي تأثير مي‌گذارد. به طور كلي غشاهاي كامپوزيتي پايدار و خواص جداسازي آنها در طول زمان عملكرد ثابت مي ماند. غشاهاي استات سلولزي به مرور زمان هيدروليز شده و توانايي جداسازي آنها به تدريج كاهش مي‌يابد. افزايش دما سرعت هيدروليز را بيشتر مي‌كند. توصيه ‌شده كه براي عملكرد مناسب،  pH  بين 5 تا 2/6  نگهداشته شود.

 

pH

جداسازي بعضي يون ها مثل فلوئوريد، بي‌كربنات و بور با pH تغيير مي‌كند. با افزايش pH به بيش از 5/5 جداسازي يون‌هاي فلوثوريد و بي كربنات افزايش مي‌يابد. جداسازي بور هم با رفتن به سمت قليائيت افزايش مي‌يابد. تمام غشاءها از لحاظ pH داراي محدوده عملكرد خاصي هستند. غشاء هاي پلي‌اميدي اسمز معكوس در محدوده‌  pH4 تا 10 به طور پيوسته و در محدوده وسيع‌تري از pH به طور متناوب كار مي‌كنند. غشاء هاي سلولز استاتي اسمز معكوس براي به حداقل رساندن هيدروليز به pH بين 4 تا 5/6 نياز دارند.

 

شدت جريان‌

شدت جريان يك مخزن تحت فشار از ابتدا تا انتهاي آن به تدريج كاهش مي‌يابد. غشاء هاي ابتداي فرآيند داراي شدت جريان بيشتري نسبت به غشاء هاي انتهاي فرآيند هستند، زيرا در غشاء هاي ابتدايي TDS آب تغذيه كمترين و فشار آن بيشترين مقدار را دارد. با افزايش شدت جريان ميزان رسوب‌گذاري نمك ها روي سطح غشاء ها افزايش مي‌يابد.

 

دما

فشار عملياتي براي فرآيندهاي اسمز معكوس كه آب تغذيه آنها دماي بالاتري دارد نسبت به فرآيندهايي كه آب تغذيه دماي كمتري دارد، براي رسيدن به يك شدت جريان معين، كمتر است. در يك شدت جريان ثابت هر چه دماي آب افزايش مي‌يابد كيفيت آب توليدي افت پيدا مي‌كند زيرا كه ميزان عبور آب ثابت است ولي ميزان عبور نمك‌ها افزايش مي‌يابد، بنابراين حداكثر دماي آب بدترين كيفيت آب توليدي را بدست خواهد داد.

دماي آب به صورت‌هاي مختلف روي فرآيندهاي اسمز معكوس تأثير مي‌گذارد:

-       خواص مواد سازنده غشاء و عمر غشاء را تغيير مي‌دهد.

-       ويسكوزيته و دانسيته آب بر عملكرد هيدروليكي غشاء و سطح مورد نياز غشاء تأثير مي‌گذارد.

-       حلاليت نمك‌هاي كم محلول و سيليكات را كه طراحي درصد بازيافت غشاء در فرآيندهاي نمك‌زدايي را محدود مي‌كنند، تغيير مي‌دهد.

براي حداكثر كردن عمر غشاءها بايد از راهنماي سازنده‌هاي غشاء در مورد دما استفاده كرد. غشاء‌هاي سلولز استات با افزايش شدت جريان و دما دچار هيدروليز مي‌شوند. افت شار جريان ناشي از فشردگي غشاء‌هاي اسمز معكوس در دماهاي بالا بيشتر است.

غشاءهاي سلولز استاتي اسمز معكوس براي آب‌هاي لب شور حداكثر تا دماهاي 40-35 درجه سانتي‌گراد قابل استفاده هستند. اين دما براي غشاءهاي پلي آميد 50-40 درجه سانتي‌گراد است ولي عمر غشاء به طور چشم‌گيري در اين دماها كاهش مي‌يابد.

ويسكوزيته و دانسيته آب در دماي پايين‌تر بيشتر است و در سيستم‌هاي تحت فشار براي توليد شدت جريان مشخصي از محصول در فشار آب تغذيه مشخص سطح بيشتري براي غشاء نياز است. به عبارتي در يك سيستم با فشار آب تغذيه معين، شدت توليد در دماي كمتر كاهش مي‌يابد. دما نه تنها به طور مستقيم بر شدت جريان محصول يا جداسازي نمك اثر مي‌گذارد، بلكه به طور غيرمستقيم در حلاليت موردي كه مي‌توانند رسوب دهند تأثير مي‌گذارد. اگر چه به ندرت دما عامل مؤثري در كنترل رسوب گذاري درغشاءها است ولي بايد توجه داشت كه كربنات كلسيم بعد از 35 درجه سانتي‌گراد داراي منحني حلاليت معكوس است.

 

پيش تصفيه فرآيندهاي اسمزمكعوس

بسياري از فرآيندهاي نمك زدايي اسمز معكوس نياز به پيش تصفيه آب تغذيه دارد. نوع سيستم پيش تصفيه به كيفيت نوع غشاء و شرايط بحراني واحد در طراحي بستگي دارد. پيش تصفيه ممكن است براي موارد ذيل به كار گرفته شود:

-       ايجاد شرايطي براي مؤثرتر كردن كار غشاء

-       بهتر كردن كيفيت آب تغذيه براي جلوگيري از گرفتگي و رسوب‌گذاري، حداكثر كردن زمان بين دو شستشوي شيميايي و بالا بردن عمر غشاء

عموماً آب‌هاي سطحي به خاطر مقدار زياد جامدات معلق و مواد بيولوژيك نسبت به آب‌هاي زيرزميني نياز بيشتري به عمليات پيش تصفيه‌ دارد.

در پيش تصفيه‌ فرآيندهاي اسمز معكوس پارامترهاي متعددي بايد كنترل شود. اين موارد در ادامه مورد بررسي قرار مي‌گيرد:

 

كنترل جامدات معلق

جامدات معلق موجود در آب تغذيه فرآيندهاي اسمزمعكوس مي‌توانند شامل مواد غيرآلي مانند گل و لاي، اكسيدهاي فلزي غيرمحلول و مواد آلي مانند رنگ‌هاي كلوئيدي باشند. جامدات معلق مسير عبور آب تغذيه را مسدود مي‌كنند. اصولاً تمام سيستم‌هاي غشايي براي محافظت از غشاء در برابر تجمع جامدات روي آن به كنترل جامدات معلق در آب تغذيه نياز ندارند. در فناوري اسمز معكوس، تمام ذرات بزرگتر از يك ميكرومتر بايد جدا شوند. شدت جريان مورد نياز براي جدا كردن ذرات جامد روي غشاها كمتر از شدت جريان مربوط به شستشوي شيميايي است.

تقريباً تمام فرآيندهاي اسمز معكوس بسته به نوع فرآيند عليرغم هزينه بالا، از كارتريج فيلترهاي 25-1 ميكروني به عنوان مرحله نهايي پيش تصفيه استفاده مي‌كنند. علاوه بر اين، جايي كه تجمع جامدات، موجب تعويض زياد كارتريج فيلتر ‌شود و يا هنگامي كه كارتريج فيلتر به تنهايي براي حفاظت از غشاء كافي نباشد، از مديا فيلترهاي گرانولي همراه يا بدون افزودن مواد شيميايي استفاده مي‌شود. فيلترهاي پوشيده شده به خاك خاص براي مدت كوتاهي در پيش‌ تصفيه فرآيندهاي اسمزمعكوس استفاده مي‌شدند. اين روش بسيار مؤثر بوده ولي به خاطر مشكلاتي همچون گذشتن مواد از ميان اين لايه‌ها و رسيدن به غشاء و گرفتگي سريع غشاء كاربرد آن محدود گرديد.

سيكلون‌ها بيشتر براي جدا كردن شن و ماسه از آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند. اين دستگاه‌ها كارآمد و نسبتاً ارزان هستند و براي آب‌هاي بي‌اكسيژن كه امكان گرفتگي با گوگرد يا اكسيد فلزي در آن‌ها وجود دارد، بسيار مناسبند. براي جداسازي مواد آلي معمولاً از روش‌هاي كربن فعال پودري در يك بستر ته نشيني، منعقدسازي با آلوم، كلريد آهن يا ساير منعقد كننده‌ها پيش از فيلتراسيون استفاده مي‌شود. استفاده از فيلتراسيون مستقيم با منعقد سازي پيوسته آب تغذيه روش ديگري براي جداسازي مواد آلي است. همچنين اولترافيلتراسيون براي كاهش مؤثر مواد كلوئيدي آلي تا اندازه مورد نظر به كار مي‌رود.

در آب‌هايي كه مقدار جامدات معلق زياد است (عموماً آب‌هاي سطحي) از فرآيندي منعقد سازي، لخته سازي و ته نشيني به عنوان پيش تصفيه استفاده مي‌شود. اخيراً فيلتراسيون غشايي به عنوان روشي براي پيش تصفيه‌ فرآيندهاي اسمز معكوس پذيرفته شده است و سيستم‌هاي اولترافيلتر و ميكروفيلتر نيز براي پيش‌ تصفيه فرآيندهاي اسمز معكوس به كار مي‌روند. از چند سال گذشته تحقيقاتي در اروپا خصوصاً در هلند، براي تركيب ميكروفيلتر بر فرآيند اسمز معكوس آغاز شده است.

دو پارامتر عمده‌اي كه نشانگر مقدار جامدات معلق موجود در آب تغذيه هستند، عبارتند از: SDI و كدورت.

الف) شاخص [4]SDI

در اين آزمايش آب با فشار ثابت psi 30 از يك فيلتر با قطر  mm47 عبور مي كند. در ابتدا زمان عبور ml 500 آب از اين فيلتر، اندازه گيري مي شود. آب همچنان از فيلتر عبور مي كند و پس از گذشت پانزده دقيقه مجددا زمان عبور ml500 آب از فيلتر اندازه گيري مي شود. نسبت بين اين دو زمان ميزان گرفتگي را مشخص مي كند.

در سيستم RO ؛ درصد نامشخصي از گرفتگي ها همراه با آب دورريز از انتهاي سيستم خارج مي شوند، بنابراين مقدار زياد SDI نشانگر اين نيست كه  RO به آساني دچار گرفتگي مي شود.

ب) كدورت

اين آزمايش روش ديگري براي اندازه گيري ميزان گرفتگي غشاء است. در اين آزمايش با استفاده از شكست نور توسط ذرات و جامدات معلق ميزان آن را اندازه‌گيري مي كنند. كدورت فقط ميزان گرفتگي را نشان مي دهد و ميزان بالاي آن نشان نمي دهد كه غشاء دچار گرفتگي مي‌شود و بر عكس، زيرا ميزان زيادي از ذرات كه باعث گرفتگي غشاء مي شوند در مقابل نور تاثيري ندارند.

 

كنترل رسوب‌گذاري

در طراحي سيستم كنترل رسوب‌گذاري مربوط به فرآيندهاي اسمز معكوس بايد سولفات و كربنات كلسيم به صورت ويژه مد نظر قرار داده شود. همچنين بايد به سيليكات هم توجه داشت. بسته به درصد بازيافت هيدروليكي غلظت يون‌هاي نمك و سيليكات آب تغذيه در طي فرآيند مي‌تواند تا 10 برابر افزوده شود. اگر غلظت‌ها از حلاليت در شرايط دمايي و غلظت يوني محيط بيشتر شود، درون مخازن تحت فشار و روي غشاها رسوب ايجاد مي شود و توليد محصول و كيفيت آن پايين مي‌آيد. اين تركيبات در سطح غشاء و مسير جريان توليد رسوب مي‌كنند و قدرت فرآيند نمك زدايي را كاهش مي‌دهند. ساير نمك‌ها ممكن است در درصد بازيافت برخي آب‌ها محدوديت ايجاد كنند.

 

كنترل كربنات كلسيم

كربنات كلسيم، عمده‌ترين نمك معدني است كه روي غشا‌ءها رسوب ايجاد مي‌كند. تمايل كربنات كلسيم به رسوب‌گذاري در طي نمك زدايي آب‌هاي لب شور مشخص مي‌شود.

كنترل كربنات كلسيم از روش‌هاي ذيل امكان‌پذير است:

-       اسيدي كردن محيط براي كاهش pH و قليائيت

-       كاهش غلظت كلسيم با تبادل‌گر يوني يا نرم سازي با آهك

-       افزودن بازدارنده‌هاي رسوب شيميايي براي افزايش حلاليت ظاهري كربنات كلسيم در جريان آب تغليظ شده

-       پايين آوردن درصد بازيافت در طراحي

اسيدي كردن آب تغذيه معمول‌ترين روش براي كنترل رسوب‌گذاري كربنات كلسيم است. معمولاً در اين روش از اسيد سولفوريك استفاده مي‌شود زيرا كم هزينه و كم خطر(كف نمي‌كند) است.

هنگامي كه امكان رسوب‌گذاري نمك‌هاي كم محلول سولفات وجود دارد و افزودن يون‌هاي سولفات ميسر نيست لذا از اسيد كلريدريك استفاده مي‌شود.

 

با وجود سديم هگزاستافسفات يا اسيد پلي اكريليك و يا ساير انواع ضد رسوب، كمتر از روش اسيدي كردن استفاده مي‌شود. ضد رسوب‌هاي خانواده اسيد پلي آكريليك عموماً در غلظت كمتر از ppm 5 ، رسوب گذاري را كنترل مي‌كنند. همچنين با به كار بردن اين ضد رسوب‌ها در غشاءهاي غيرسلولزي كنترل pH براي حداقل كردن هيدروليز غشاء لازم نيست.

 

كنترل سولفات‌ها

امكان رسوب‌گذاري نمك‌هاي سولفات با محاسبه غلظت يون‌هاي هر نمك در جريان آب تغليظ شده و مقايسه آن با حلاليت نمك در دماي مورد نظر امكان‌پذير است.

قبل از ساخت بازدارنده‌هاي رسوب سعي بر نگه‌داشتن سولفات كلسيم اشباع تا كمتر از 100% بود. امروزه مقدار دو برابر حالت اشباع نيز قابل كنترل است به شرط اين كه يك سيستم پايش قابل اعتماد براي افزودن مقدار صحيح بازدارنده رسوب وجود داشته باشد.

عمده‌ترين روش براي كنترل رسوب‌گذاري سولفات‌ها افزودن سديم هگزاستافسفات يا اسيد پلي آكريليك و يا ساير ضد رسوب‌ها است. ضد رسوب‌هاي خانواه اسيد پلي آكريليك بيشتر در فرآيندهاي اسمز معكوس استفاده مي‌شود زيرا نسبت به سيدم هگزاستافسفات در جهت بالاتري از فوق اشباع شدن يون‌هاي بحراني را در جريان آب تغليظ شده امكان‌پذير مي‌سازد.

پيش‌بيني محدوديت انحلال سولفات‌ها به خاطر داشتن دو نكته حائز اهميت است:

-       غشاهاي جديد اسمز معكوس يون‌هاي دو ظرفيتي را به خوبي باز مي‌گردانند بنابراين بايد در محاسبه فاكتور تغليظ درصد نمك عبوري را صفر فرض كرد.

-       مقدار مواد محلول در آب تغليظ شده از آب تغذيه بيشتر است و ثابت حلاليت محصول در مورد هر تركيب با غلظت يوني آن افزايش مي‌يابد. غلظت بازدارنده رسوب براي فرآيندهاي اسمز معكوس هنگامي كه غلظت اين باز دارنده‌ها در آب تغليظ شده ppm 18-12 است محاسبه مي‌شود. سپس اين مقدار با استفاده از فاكتور تغليظ به غلظت آب تغذيه تبديل مي‌شود. فاكتور تغليظ مورد نظر در درصد بازيافت طراحي و با فرض صفر بودن نمك عبوري تعيين مي‌شود.

 

كنترل سيليكات

سيليكات با غلظت‌هاي مختلف در تمام‌ آب‌هاي طبيعي وجود دارد. سيليكات موجود در آب تغذيه فرآيند اسمز معكوس مي‌تواند داراي سه شكل باشد:

-       مونومر سيليكات يا اسيد سيليسيك: عموماً به آن سيليكات واكنش پذير يا محلول گفته مي‌شود.

-       اسيد سيليسيك پليمري شده: عموماً به آن سيليكات كلوئيدي يا واكنش ناپذير گفته مي‌شود.

-       ذرات سيليكات

معمولاً غلظت سيليكات در آب تغليظ شده سيستم اسمز معكوس بايد كمتر از ppm 120 باشد.

روش‌هاي پيش تصفيه جهت كنترل رسوب‌گذاري سيليكات عبارتند از:

-       كاهش درصد بازيافت هيدروليكي جهت كاهش غلظت سيليكات در جريان آب تغليظ شده.

-       نرم سازي با آهك زياد جهت كاهش غلظت سيليكات در جريان آب تغذيه.

-       افزايش دماي آب تغذيه

-       افزايش pH آب تغذيه 5/8 و بالاتر

-       افزودن ضد رسوب‌هاي مخصوص سليكات

 

كنترل سولفيد هيدروژن

سولفيد هيدروژن يكي از اجزاء مهم آب‌هاي زيرزميني در ساحل‌ها، چاه‌ها يا ساير مناطق مرطوب است. سولفيد هيدروژن محصول جانبي چرخه زندگي باكتري‌هاي كاهنده سولفات است كه در بيشتر سيستم‌هاي آب زيرزميني وجود دارد. توزيع سولفيد هيدروژن به صورت تابعي از pH را نشان مي‌دهد. سولفيد هيدروژن در يك محيط بي‌هوازي به دو صورت گاز محلول و الكتروليت ضعيف تبديل مي‌شود.

سولفيد هيدروژن نيز مانند همه گازها از غشاء اسمز معكوس مي‌گذرد و هم در آب توليدي و هم در آب تغليظ شده وجود دارد. جايي كه سولفيد هيدروژن وجود دارد، وجود كلر و هوا جايز نيست. چرا كه گوگرد كلوئيدي تشكيل شده و روي غشاها را مي‌گيرد و به علت كم اثر بودن شستشوي شيميايي در بر طيف كردن اين نوع گرفتگي به ناچار غشاها بايد تعويض شوند.

آزمايش‌ها نشان مي‌دهد كه بايد در طراحي خطوط لوله آب تغذيه خطوط لوله واحد و نوع اتصالات مخازن تحت فشار توجه ويژه‌اي صورت گيرد تا پيش از فرآيند غشايي اجازه ورود به هوا داده نشود. هنگامي كه حتي مقدار كمي سولفيد هيدروژن در آب تغذيه وجود دارد، سيستم را بايد به صورت هوابند ساخت و سولفيد هيدروژن را در مراحل پس تصفيه با گاز جدا كرد. جداسازي سولفيد هيدروژن از آب توليدي بسيار موثر و در عين حال كم هزينه‌تر است.

 

كنترل آهن و منگنز

اكسيد بسياري از فلزات نامحلولند. اكسيد آهن سه ظرفيتي و منگنز چهار ظرفيتي از مهمتر‌ين آنها هستند كه براي فرآيندهاي اسمز معكوس مشكل ايجاد مي‌كنند. با اين حال اگر اين فلزات احيا و در آب حل شوند مشكل كمي براي فرآيند اسمز معكوس ايجاد مي‌كنند. در كاربردهاي فناوري اسمز معكوس، مقدار آهن و منگنز موجود در آب تغذيه به ترتيب نبايد بيش از  ppm2/0 و ppm 5/0 باشد. مقادير بيشتر ممكن است سبب مشكلاتي چون رسوبدهي با ساير ذرات مثل سيليكات شود. در هنگام طراحي واحد غشايي، آب تغذيه بايد عاري از هوا نگاهداشته شود چون آهن و منگنز در حضور اكسيژن و يا pH بالا رسوب مي‌دهند اغلب از افزودن اسيد براي كنترل اكسيد فلزات استفاده مي‌شود.

بازدارنده‌هايي چون سديم هگزاستافسفات نيز عموماً براي جلوگيري از تغيير شكل آهن و منگنز افزوده مي‌شوند. بعضي از انواع ضد رسوب‌هاي گروه اسيد پلي آكريليك با آهن و منگنز واكنش مي‌دهند و در خروجي غشاء ايجاد گرفتگي مي‌كنند، بنابراين نبايد از آن‌ها استفاده كرد. مواد تجاري جلوگيري كننده از گرفتگي غشاء نيز براي كنترل رسوب‌گذاري و گرفتگي در حضور آهن و منگنز استفاده مي‌شوند.

در صورت حضور رسوب آهن و منگنز يا ساير فلزات ناشي از خوردگي، فرآيندهاي اسمزمعكوس دچار گرفتگي مي‌شوند. بنابراين بايد از مواد مناسبي براي ساخت منابع آب يا سيستم‌هاي پيش تصفيه استفاده شود.

معمولاً سه فرآيند پيش تصفيه براي جدا كردن آهن و منگنز به كار مي‌روند:

-       اكسيداسيون با هوا، كلر يا ساير اكسيد كننده‌ها و به دنبال آن اولترافيلتر، ميكروفيلتر و مديا فيلتر گرانولي

-       اكسيداسيون با پرمنگنات سديم و به دنبال آن فيلتر زئوليت منگنز

-       سختي گيري با تبادل‌گرهاي كاتيوني

مقدار اكسيد كننده‌هاي باقيمانده بايد قبل از ورود به غشاء كنترل شوند. نرم سازي با آهك كه براي كنترل رسوب‌گذاري استفاده مي‌شود نيز براي كاهش مقدار آهن و منگنز مناسب است.

 

كنترل مواد آلي

مواد آلي به دو دسته معلق و محلول تقسيم مي‌شوند. جامدات آلي معلق يا كلوئيدي و مواد ميكروبي تأثير نامطلوبي بر غشاها دارد. مواد آلي محلول در مقايسه با ساير سيستم‌هاي غشايي گرفتگي كمتري را براي فرآيند اسمز معكوس ايجاد مي‌كنند. در حقيقت بعضي ازفرآيندهاي اسمز معكوس براي جداسازي مواد آلي طبيعي و مصنوعي و رنگ استفاده مي‌شوند. سازندگان غشاء بسياري از تركيبات آلي مشكل زا براي غشاها را شناسايي كرده‌اند. رابطه قطعي بين مقدار مواد آلي موجود از قبيل آناليزها و افت عملكرد غشاهاي اسمز معكوس وجود ندارد.

معمولاً براي جداسازي مواد آلي از اولترافيلتر و ميكروفيلتر و گاهي قبل از آن‌ها از كربن فعال پودري استفاده مي‌شود. روغن، گريس، هيدروكربن‌ها، حلال‌هاي آلي مختلف و ساير مواد مشابه مي‌توانند غشاها را تخريب و يا مسدود كنند و ديگر اجازه عبور آب را ندهند. تركيبي از منعقد سازي، ته نشيني و نرم سازي با آهك براي كاهش مواد آلي موجود در آب تغذيه قبل از ورود به غشاها به كار مي‌رود. گاهي كربن فعال نيز براي جداسازي مواد آلي يا كلرزدايي آب تغذيه فرآيند اسمزمعكوس به كار مي‌رود، ولي مشكلات ناشي از ذرات كربن يا ميكروارگانيزم‌هاي عبور كرده از فيلتر كربني در بعضي سيستم‌ها رخ مي‌دهد. پليمرهاي آلي- خصوصاً نوع كاتيوني آن‌ها- مي‌توانند غشاها را مسدود كنند و نبايد بدون تاييد سازنده از آن‌ها استفاده شود.

 

كنترل گرفتگي بيولوژيكي

گرفتگي بيولوژيكي يكي از دلايل عمده در كاهش شار جريان و افزايش قابل ملاحظه افت فشار هيدروليكي در غشاء است. رشد ميكروب‌ها مي‌تواند فرآيند اسمز معكوس را دچار گرفتگي بيولوژيكي كند و سبب افت عملكرد شود. اگر چه تشكيل لايه بيولوژيكي مقدمه گرفتگي بيولوژيكي است ولي مي‌توان با وجود لايه بيولوژيكي در سطح غشاء گرفتگي بيولوژيكي قابل توجهي نداشت. حتي در آب‌هاي لب شور تميز نيز امكان گرفتگي بيولوژي وجود دارد. در روزهاي اول توسعه فناوري اسمز معكوس غشاهاي سلولز استات در برابر انواع باكتري آسيب‌پذير بودند. افت شار جريان ناشي از گرفتگي بيولوژيكي، در طول روزها و هفته‌ها، منجر به تغيير در عبور نمك و افزايش انرژي مورد نياز مي‌شود. روش‌هاي كنترل گرفتگي بيولوژيكي در فرآيندهاي اسمز معكوس به كيفيت آب تغذيه، نوع غشاء و محدوده تحمل غشاء براي ضدعفوني شيميايي خصوصاً با اكسيد كننده‌هايي مثل كلر و ازن بستگي دارد.

اگرچه امكان تشكيل محصول جانبي گندزدايي مانع استفاده از كلر مي‌شود، ولي گاهي براي ضد عفوني از كلرزني استفاده مي‌شود. غلظت كلر بايد به دقت كنترل شود.

بسياري از انواع غشاهاي اسمز معكوس سلولز استاتي تنها تا  ppm1  كلر آزاد را تحمل مي‌كنند. با اين حال غشاهاي اسمز معكوس كامپوزيتي از قبيل پلي آميد نمي‌توانند كلر يا ساير اكسيد كننده‌هاي قوي را تحمل كنند. اگر پيش از غشاهاي ناسازگار با كلر آزاد از كلر استفاده شده باشد، بايد قبل از غشاء از فرآيند كلرزدايي از قبيل افزودن بي‌سولفيت سديم يا دي اكسيد گوگرد استفاده كرد. در سيستم‌هاي كوچك براي كلر زدايي از كربن فعال گرانولي نيز استفاده مي‌شود. ميكروب‌هايي كه در خروجي سيستم‌هاي كلرزني شيميايي دوباره رشد مي‌كنند و يا از كربن فعال گرانولي عبور مي‌كنند، مي‌توانند براي سيستم‌هاي غشايي مشكل ايجاد كنند. در صورت استفاده از سيستم كلرزني و كلرزدايي بايد طراحي قابل اعتماد باشد تا از رسيدن غلظتهاي غيرقابل قبول اكسيد كننده‌ها به غشاء ممانعت به عمل آيد. كنترل بيولوژيكي با افزودن بي‌سولفيت سديم يا ساير تركيبات بي‌كلر به صورت شوكهاي دوره‌اي در فرآيندهاي اسمز معكوس انجام مي‌گيرند ضدعفوني با نور ماوراء بنفش مي‌تواند به عنوان پيش تصفيه فرآيندهاي اسمز معكوس به كار رود. باكتري‌ها مي‌تواند منجر به مشكلات ناشي از رشد مجدد شود. اولترافيلتر و ميكروفيلتر دو سيستم غشايي هستند كه مي‌توانند مواد بيولوژيكي را پيش از فرآيند اسمزمعكوس كاهش دهند. همچنين مي‌توان كنترل باكتري را در غشاء خارج از سرويس انجام داده وقتي زمان توقف فرآيند زياد است غشاها در محلول محافظ و ذخيره قرار داده مي‌شوند تا رشد ميكرو‌ها تا استفاده از سيستم‌ شستشوي به تعويق بيفتد.

آفت‌ كش‌ها اين دسته از طريق آب تغذيه به عنوان افزودني وارد فرآيند مي‌شوند، چون مونوكلر آمين در مقايسه با كلر آزاد فعاليت احيا كنندگي كمتري را از خود نشان مي‌دهد به غشاهاي پلي آكريليك آسيب چنداني نمي‌رساند بنابراين آفت كش خوبي براي مقابله با لايه بيولوژيكي است.

بي سولفيت سديم تنها عامل كاهنده‌اي است كه به عنوان افزودني به همراه آب تغذيه استفاده مي‌شود اين ماده مانع رشد ميكرو ارگانيزم‌ها مي‌شود.

ساير مواد ليست شده به منظور جلوگيري از تخريب غشاء در مدت عدم فعاليت سيستم مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

 

پس تصفيه

اغلب جريان‌هاي توليدي توسط فرآيند اسمز معكوس نياز به گونه‌اي از پس تصفيه قبل از توزيع دارند. در پس تصفيه، ضدعفوني، كنترل خوردگي و جداسازي گازهاي حل شده و تركيبات بي‌ثبات مد نظر است.

 

ضدعفوني

بسياري از عوامل بيماري‌زا توسط غشاء‌هاي اسمز معكوس جدا مي‌شوند و كميت ميكروبي در آب توليدي خيلي خوب است. با اين حال ممكن است كه ميكروب‌ها در طي فرآيند هنگامي كه ديواره غشاء تخريب مي‌شود (مانند فيبر شكسته) يا وقتي نقصي در سيستم غشايي وجود دارد (مانند نشت يا آلودگي قسمت آب توليدي، قبل يا در حين عملكرد غشاء يا خط لوله آب توليدي) عبور كنند. طراحي پس تصفيه براي ضدعفوني شبيه همان چيزي است كه در واحدهاي تصفيه آب رايج است.

كنترل خوردگي

كنترل خوردگي به خاطر نبود كلسيم و قليائيت و pH اسيدي، در فرآيندهاي اسمزمعكوس لازم است.

اين فرآيند شامل موارد ذيل است:

-       كاهش دي اكسيد كربن در يك گاز زدا

-       افزودن كاستيك، بي ‌كربنات سديم يا كربنات سديم

-       افزايش قليائيت بي‌كربناتي و pH

-       افزودن ماده شيميايي به عنوان بازدارنده خوردگي

-       افزودن كلريد كلسيم براي افزايش مقدار كلسيم

-       افزودن آهك جهت افزايش يون كلسيم و قليائيت و pH

انتخاب مناسب‌ترين روش در كنترل خوردگي، خاص هر منطقه است و به شدت به كيفيت آب توليد شده بستگي دارد.

 

جداسازي گازها

فرآيند اسمز معكوس، گازهاي محلول را جدا نمي‌كند و تنها مقدار كمي از تركيبات بي ثبات آلي را جدا مي‌سازد، بنابراين اين تركيبات بايد در پس تصفيه مربوط به آب‌ توليدي جدا شوند. سولفيد هيدروژن و دي اكسيد‌كربن عمده‌ترين گازهاي موجود در محصول اين فرآيند هستند. گوگرد اغلب در آب‌هاي زيرزميني وجود دارد و دي اكسيد‌كربن يا در آب‌هاي زيرزميني موجود است يا از طريق اسيدي كردن آب تغذيه ايجاد مي‌شود.

اگر آب توليدي داراي قليائيت كافي باشد، نياز به جداسازي دي اكسيد كربن نيست زيرا گاز مي‌تواند به عنوان منبعي براي قليائيت بي‌كربناتي جهت كنترل خوردگي استفاده شود. هنگامي كه نمك‌زدايي آب‌هاي زيرزميني آلوده شده با فرآيند صنعتي مطرح است، مشكل VOC به چشم مي‌خورد. عمومي‌ترين روش تصفيه استفاده از گاز زدا (يك برج پر شده با يك دمنده) است. طراحي برج تابعي از VOC موجود در محصول و درجه جداسازي مورد نياز است. وقتي دي‌اكسيد كربن و سولفيد هيدروژن هر دو وجود دارند جداسازي سولفيد هيدروژن با استفاده از گاز زدا لازم است.

اگر pH مربوط به آب توليدي از 5/6 بيشتر باشد، ممكن است لازم باشد قبل از گاززدايي، اين pH اسيدي شود. گاز زداهايي كه سولفيدها را خارج مي‌كنند ممكن است براي به حداقل رساندن بو و مشكلات خوردگي و براي ايمني بيشتر به شستشو نياز داشته باشند. شستشو معمولاً با عبور گاز از ميان كلر يا محلول كاستيك براي تبديل سولفيد به شكل يوني صورت مي‌گيرد. همچنين بسته به قوانين منطقه‌اي در مورد هوا، ممكن است گاز زدايي براي جداسازي VOC به تصفيه گاز خروجي با كربن فعال گرانولي نياز باشد.

 

دفع پسماند

طراح بايد كم هزينه‌ترين روش قابل قبول براي دفع پسماند ايجاد شده از فرآيند پيش تصفيه و باقي مانده‌هاي ناشي از فرآيندهاي غشايي را معرفي كند. آب تغليظ شده فرآيندهاي اسمز معكوس به صورت يك جريان پسماند بايد مطابق با مفررات دفع زباله در هر منطقه دفع شود.  انواع دفع آب تغليظ شده براي فرآيند اسمز معكوس شامل موارد ذيل است:

-       تخليه به آب‌هاي سطحي

-       استفاده روي زمين (براي آبياري يا شستشو پس از مخلوط كردن با آب با TDS پايين)

در منطقه مطالعاتي، دفع به دريا بهترين گزينه بنظر مي رسد.

 

كنترل و ابزار دقيق

تأسيسات كنترل و ابزار دقيق متناسب با نوع فرآيند غشايي، درجه پايش اتوماتيك و كنترل متفاوت است. برخي فرآيندهاي اسمز معكوس با عملكرد عادي تمام اتوماتيك هستند و به وسيله اتصال به كامپيوتر كنترل مي‌شوند. اگر دما و كدورت آب متغير باشد، سيستم غشاء بايد توسط ابزار اندازه‌گيري پيوسته دما و كدورت آب تغذيه محافظت شود. بدين منظور در فرآيندهاي اسمز معكوس روي جريان آب تغذيه و توليدي، نمايشگر هدايت الكتريكي نصب مي‌شود.

معمولاً روي جريان آب تغذيه و آب توليدي يا آب توليدي و آب تغليظ شده دبي سنج نصب مي‌شود. نمايشگرهاي فشار، تمام فشارهاي بحراني و اختلاف فشارها مانند فشار آب تغذيه بين مراحل، آب تغليظ شده و آب توليدي را نشان مي‌دهد. امروزه فرآيندهاي اسمز معكوس مربوط به آب آشاميدني با سيستم‌هاي كنترلي بر پايه PLC طراحي شده‌اند. اين سيستم‌ها مي‌توانند براي كنترل جريان‌ها فشارها و ساير پارامترها برنامه‌ريزي شوند. بسياري از فرآيندهاي اسمز معكوس داراي كنترل‌هايي هستند كه هنگام خاموشي به طور اتوماتيك عمليات شستشو را انجام مي‌دهند. بسياري از واحدهاي بزرگ اسمز معكوس هوشمند و كامپيوتري هستند و داده‌هاي عملكرد را براي پايش آن محاسبه و مقايسه مي‌كنند و زمان شستشوي شيميايي غشاء را تشخيص مي‌دهند.

اجزاء غشاء بايد در برابر شرايط عملياتي بالاتر از حد مجاز محافظت شوند. اگر احتمال رخ دادن مشكلاتي چون تغييرات ناخواسته در آب توليدي وجود داشته باشد، بايد پيش‌بيني‌هاي لازم جهت خاموش كردن سيستم صورت گيرد.

 

 

 

تجهيزات سيستم اسمز معكوس

در 20 سال اخير، پيشرفت‌هاي مهمي در فناوري غشاء صورت گرفته كه تأثير هزينه و ظرفيت اجراي فرآيندها را بهبود بخشيده است. امروزه فناوري اسمز معكوس به طور فزاينده‌اي در دنيا براي حل مشكلات مختلف در تصفيه آب به كار مي‌رود. حركت در مسير پيشرفت و پيشبرد اين فناوري نياز به شناخت تجهيزات و ملاحظات خاص مربوط به ساخت برخي از آنها دارد. در اين قسمت بطور خلاصه به اين تجهيزات شامل انواع غشاءها، مخازن تحت فشار، پمپ‌هاي فشار قوي، كارتريج فيلترها، سيستم‌هاي شستشوي شيميايي و غيره و ملاحظات خاص مربوط به ساخت برخي از آنها از جمله غشاءها به عنوان مهمتر‌ين جزء يك فرآيند اسمز معكوس پرداخته شده است.

 

غشاءها

امروزه براي نمك‌زدايي آب دريا و آب لب شور بيشتر از دو نوع غشاء حلزوني و اليافي استفاده مي‌شود. دو نوع ديگر غشاء يعني لوله‌اي و صفحه‌اي، به ندرت در كاربردهاي نمك‌زدايي ديده مي‌شوند ولي در بسياري از صنايع غذايي و كاربردهاي صنعتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

از انواع‌ مدولهاي‌ موجود، مدولهاي‌ هالوفايبر، لوله‌اي‌ و با غشا صفحه‌اي‌ (حلزوني‌ و قابي‌ شكل‌) از همه‌ مهمترند. شكل‌هاي‌ (1) تا (5)، مدول‌هاي‌ هالوفايبر، لوله‌اي‌، حلزوني‌ با جريان‌ محوري‌ و حلزوني‌ با جريان‌ آب‌ تصفيه‌ شده‌خارج‌ از محور و قابي‌ را نشان‌ مي‌دهند.

 شكل‌ (1) مدول‌ هالوفايبر (Hollow Fiber Module)

شكل‌ (2) مدول‌ لوله‌اي‌ (مقطع‌)

 

شكل‌ (3) مدول‌ حلزوني‌ با جريان‌ محوري‌

شكل‌ (4) مدول‌ قابي

 

شكل‌ (5) مدول‌ حلزوني‌ با جريان‌ آب‌ تصفيه‌ شده‌ خارج‌ از محور

الف) غشاء حلزوني

اين مدل از صفحات غشايي تخت تشكيل شده است. صفحات غشايي تخت مشتمل بر قسمت‌هاي ذيل است:

-       مواد پشتيبان براي فراهم كردن مقاومت مكانيكي

-       يك لايه فعال متراكم

-       يك لايه اسفنجي متخلخل براي نگهداري لايه فعال

ماده غشاء ممكن است سلولزي (غشاء استات سلولز) يا غيرسلولزي (غشاء كامپوزيت) باشد. غشاءهاي استات سلولز از دو لايه از دو شكل مختلف يك پليمر به صورت غيرمتقارن تشكيل شده‌اند. غشاءهاي كامپوزيت از دو لايه از دو پليمر كاملاً متفاوت تشكيل شده‌اند كه پايه متخلخل آن اغلب پلي سولفون است. غشاء در پوششي قرار مي‌گيرد و از سه طرف درزگيري مي‌شود. يك توري كه حامل آب توليدي ناميده مي‌شود داخل آن قرار مي‌گيرد. پوشش به دور يك لوله جمع كننده مركزي كه قسمت باز آن به داخل لوله راه دارد مي‌پيچد و درزگيري مي‌شود. پوشش‌ها يا برگه‌هاي مختلف با يك سري توري مياني به هم متصل مي‌گردند. اين پوشش‌ها جدا كننده آب تغذيه از آب تغليظ شده هستند.

ب) غشاء اليافي

در طراحي المان غشاء اليافي، تعداد زيادي از غشاهاي اليافي در مخزن تحت فشار قرار مي‌گيرد. ماده اصلي اين غشاءها پلي‌آميد يا مخلوطي از سلولز استات‌ها است. غشاءها داراي قطر خارجي حدود 300-100 ميكرون و قطر داخلي بين 50 و 150 ميكرون هستند.

معمولاً رشته‌ها به صورت U شكل در مي‌آيند و دو انتهاي آن در يك صفحه نگهدارنده از جنس اپوكسي قرار مي‌گيرد. صفحه نگهدارنده نيز داخل يك مخزن تحت فشار قرار مي‌گيرد. آب نمك با فشار در سطح خارجي الياف وارد مخزن مي‌شود. تحت فشار، آب خالص از ديواره رشته‌ها عبور مي‌كند و داخل رشته جريان مي‌يابد.

ج) غشاء لوله‌اي

در غشاء لوله‌اي از يك لول مخلخل استفاده مي‌شود. اين لوله قطرهاي مختلفي دارد كه به كاربرد و توليد كننده آن بستگي دارد. غشاء از پليمرهاي متعددي تشكيل شده‌ است و معمولاً داخل لوله قرار مي‌گيرد. برخي از غشاءها ديناميك هستند يعني ماده غشاء مي‌تواند روي بستر پيشيبان بنشيند. قابل تعمير بودن اين غشاء از مزاياي آن در بسياري از كاربردهاست. لوله‌ها اغلب دسته شده و داخل محفظه‌اي با يك مسير آب تغذيه آب توليدي و آب تغليظ شده قرار مي‌گيرند.

عموماً غشاء هاي لوله‌اي از غشاءهاي اليافي و حلزوني گرانترند و بازده فضايي پايين‌تري دارند، بنابراين اين طراحي عمدتاً در كاربردهاي خاصي از صنعت و فرآيندهاي غذايي استفاده مي‌شود.

د) غشاء صفحه‌اي

در بسياري از بازاردهاي اختصاصي صنعتي مانند فراورش غذايي ديده مي‌شود ولي استفاده زيادي در توليد آب تصفيه شده ندارد. اين شكل از غشاء مانند فيلترهاي تحت فشار صفحه‌اي هستند. دستگاه ‌داراي فضاي باز براي ورودي آب تغذيه و تنها يك مسير براي عبور آن است. اين طراحي براي آب تغذيه با TDS بالا نيز قابل استفاده است. معمولاً اين دستگاه داراي ظرفيت كمي است و نسبت به ساير سيستم‌هاي اسمز معكوس بيشترين هزينه را به ازاي هر واحد ظرفيت دارد. در كويت براي توسعه سيستم‌هاي صفحه‌اي با هزينه جهت نمك‌زدايي از آب دريا سرمايه‌گذاري بزرگي صورت گرفت ولي موفقيتي در بر نداشت.

هـ) طراحي شكل غشاء

يكي از نكات مهم اصلي در طراحي شكل غشاء توجه به پلاريزاسيون غلظتي است. هنگامي كه آب خالص با فشار از غشاء مي‌گذرد، يك لايه غليظ نمك در قسمت تماس آب تغذيه با غشاء تشكيل مي‌شود. غلظت اين لايه نمك مي‌تواند تا چندين برابر غلظت محلول بالا برود. اين پديده سبب به وجود آمدن پلاريزاسيون غلظتي مي‌شود كه مي‌توان مشكلات متعددي ايجاد كند.

اين مشكلات عبارتند از:

-       فشار اسمزي روي سطح غشاء خيلي بيشتر از فشار محلول مي‌شود لذا فشار مؤثر كاهش پيدا مي‌كند.

-       عبور نمك از بين غشاء به دليل افزايش اختلاف غلظت نمك افزايش مي‌يابد و در نتيجه كيفيت آب توليدي پايين مي‌آيد.

-       تركيباتي مثل سولفات كلسيم و كربنات كلسيم غليظ‌تر شده و بيشتر رسوب مي‌دهند.

يكي از راه‌هاي مؤثر براي مبارزه با پلاريزاسيون غلظتي كنترل مناسب سرعت آب تغذيه و آب تغليظ شده گذرنده از دستگاه است. اين كار مي‌تواند با پيروي از دستورالعمل‌هاي توليد كننده غشاء در مورد حداقل شدت جريان‌ها و حداكثر افت فشار در طول فرآيند طراحي صورت گيرد.

 

مخازن تحت فشار

به دليل فشار بالاي فناوري اسمز معكوس و حساسيت و صدمه پذيري بالاي غشاءها از مخازن تحت فشار استفاده مي‌شود. مخازن تحت فشار محفظه‌هاي مستحكم فلزي و يا پليمري هستند كه سطح وسيعي از غشاء را در حجم پاييني جاي مي‌دهند. مخازن تحت فشار وظيفه هدايت سيال را عهده‌دار هستند.

 

پمپ فشار و قوي

پمپ به منظور خنثي كردن فشار اسمزي و جبران كردن افت فشار ناشي از وجود غشاء و تجهيزات موجود در مسير مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بيشتر انرژي الكتريكي مورد نياز فرآيند اسمز معكوس به وسيله پمپ‌ها مصرف مي‌شود. در 10 سال گذشته فشار مؤثر مورد نياز براي خالص سازي و انرژي الكتريكي لازم در فرآيند به مقدار زيادي كاهش يافته است.

فشار مؤثر: مورد نياز براي فرآيند اسمز معكوس تابعي از تغييرات فشار اسمزي و مقاومت هيدروليكي است. فشار هيدروليكي آب توليدي در فشار مؤثر نقش مهمي دارد. در كاربردهاي معمولي مربوط به آب لب شور، فشار هيدروليكي آب توليدي هنگام ورودي مستقيم به مخازن زميني يا گاز زدا مي‌تواند بين 3 تا 10 متر ستون آب باشد.

دما: نيز اثر شديدي بر مصرف انرژي پمپ‌هاي آب تغذيه سيستم‌هاي اسمز معكوس دارد، چرا كه دما بر دشت جريان و شدت جريان بر فشار مؤثر تأثير مي‌گذارد. يعني افزايش شدت جريان متناسب با افزايش فشار مؤثر است. بازده بالاي موتور و پمپ مهمترين پارامتر در انتخاب پمپ آب تغذيه است. امروزه در واحدهاي اسمز معكوس مربوط به آب لب‌شور موتورهاي با دورهاي متغير جايگزين شده است. با استفاده از تجهيزات خاص بازيافت انرژي انرژي لازم براي پمپ‌ واحدهاي اسمز معكوس مربوط به آب لب شور  kwh/m32 -5/0 و در موردآب دريا كمتر از kwh/m3 3 است.

 

واحد بازيافت انرژي

درصد بازيافت انرژي در تعيين مشخصات سيستم اسمز معكوس تأثير چنداني ندارد.

چهارنوع اصلي واحدهاي بازيافت انرژي عبارتند از :

-       چرخ پلتون

-       مبدل كاري

-       مبدل فشاري

-       توربوشارژر هيدروليكي

به طور كلي در مورد آب دريا انرژي بازيافت شده 35-25 درصد انرژي ورودي فرآيندهاي اسمز معكوس است. برخي از واحدهاي بزرگ مربوط به نمك زدايي آب دريا كه امروزه ساخته مي‌شوند، از چرخ پلتون براي بازيافت انرژي استفاده مي‌كنند. آب شيرين كن‌هاي با ظرفيت gpm2000 و بيشتر داراي بازده‌ بالاي بازيافت (در بيشتر موارد بيش از 80%) هستند. اخيراً در آب شيرين‌كن‌هاي كوچكتر، از واحد مبدل فشاري استفاده مي‌شود. بازده اين واحد بيشتر از 90% است. بازده توربوشارژهاي جديد 70-60 درصد است. اين توربوشارژها از نظر اندازه داراي محدوديت هستند. ظرفيت بزرگترين واحدي كه با اين سيستم كار مي‌كند gpm 1800 است. تا قبل از ابداع غشاءهاي آب لب شور با فشار بسيار پايين دليل چنداني براي استفاده از تجهيزات بازيافت‌ انرژي در طراحي فرآيند وجود نداشت، مگر جايي كه TDS بالا و درصد بازيافت پايين باشد.

 

مخازن تهيه محلول‌ها و تزريق كننده‌هاي مواد شيميايي

اين تجهيزات به منظور تهيه اسيد با غلظت‌ مناسب و تزريق آن به آب تغذيه براي تنظيم pH آب و تأمين و تزريق فسفات به آب براي جلوگيري از رسوب نمك‌هاي كلسيم و منيزيم تدارك ديده شده است.

بيشتر آب شيرين‌كن‌هاي اسمز معكوس به افزودن بازدارنده رسوب و گاهي اسيد براي كنترل رسوب در غشاء نياز دارند زيرا ممكن است يكي از تركيبات موجود آب تغذيه تغليظ شده به حالت فوق اشباع در آيد. سيستم‌هاي ذخيره‌سازي و تزريق اين مواد شيميايي شامل مخازن ذخيره بالك و روزانه، پمپ‌ها، لوله‌هاي كاليبراسيون و سيستم‌هاي كنترل و پايش است.

 

فيلتر

اين تجهيزات، با حذف مواد معلق و باي‌مانده كلر ناشي از ضدعفوني آب از آب به منظور افزايش عمر غشاء مورد استفاده قرار مي‌گيرد عموماً از كارتريج فيلترهاي 10-5 ميكروني استفاده مي‌شود. اين فيلترها براي جبران تغييرات نامتعارف كيفيت آب تغذيه كه موجب تخريب پمپ يا غشاءها مي‌شود مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين فيلترها قبل از پمپ فشار قوي قرار داده مي‌شوند.

 

سيستم شستشوي شيميايي

سيستم شستشوي شيميايي فرآيند اسمز معكوس بايد براي تمام مراحل شستشو و نگهداري غشاء طراحي شود.

اين سيستم معمولاً شامل قسمت‌هاي ذيل است:

-       تانك‌هاي هم زن دار جهت حفظ و نگهداري محلول‌ها

-       يك پمپ با هد كافي جهت چرخاندن محلول در مسير تانك به داخل غشاءها و برگرداندن آن به تانك يك كارتريج فيلتر براي گرفتن جامدات معلق موجود در محلول

-       شيرها و خطوط لوله براي انتقال محلول

-       تجهيزات كنترل و ابزاري دقيق سيستم شامل سوئيچ‌هاي، دما، نمايشگر pH و سطح سنج تانك

-       ابزار گرم كننده محلول شستشو مانند گرم كننده‌هاي غوطه‌ور براي افزايش دماي محلول و بهبود بازده شستشوي شيميايي خصوصاً وقتي شستشو با مورد شوينده انجام مي‌شود.

-       ابزار خنك كننده محلول شستشو را مانند مبدل‌هاي حرارتي بيرون تانك محلول شستشو يا  مانند كويل‌هاي خنك كننده در داخل تانك براي كنترل حداكثر دماي محلول در صورت نياز به كار مي‌گيرند. هنگامي كه آب جبراني محلول شستشو، دماي نسبتاً بالايي دارد يا انرژي گرمايي منتقل شده از پمپ شستشوي شيميايي به محلول شستشو در طي هر چرخه فرآيند خيلي زياد است، نياز به خنك كردن افزايش مي‌يابد.

 

 مزايا و معايب روش‌ RO

الف) مزايا RO  :

-       ارزاني تجهيزات و سرعت عمل در نصب  و بهره‌برداري

-       قابليت طراحي و بهره‌برداري در محدوده‌هاي متغير و تنوع از چند ليتر در روز تا ميليون مترمكعب در روز

-       عدم نياز به انرژي حرارتي

-       مصرف بسيار كم مواد شيميايي جهت شستشو

-       عدم نياز به توقف كامل سيستم براي تعميرات و يا شستشوي دوره‌اي (با قابليت بالايي كه سيستم دارد مي‌تواند به صورت موازي ده‌ها واحد را طراحي و نصب كرد و كه هر كدام به صورت مجزا از مدار خارج شده و يا در مدار قرار مي‌گيرند، اما در سيستم MSF يا MED هر كدام از افكت‌ها را نمي‌توان بدون توقف كل پروسه تعمير كرد).

ب) معايب روش RO :

-       گراني فيلترهاي غشايي نيمه تراوا و طول عمر پايين (5-2 سال)

-       در صورت استفاده از آب دريا براي سيستم، در هواي طوفاني بايد كار متوقف شود زيرا ذرات معلق در آب افزايش مي‌يابد و ممكن است از مقدار طراحي بيشتر شود.

-       نياز به استفاده از مواد تجهيزات با استاندارد بالا

-       نياز به تعميرات منظم  و تجهيزات يدكي

-       قابليت رشد باكتري در فيلترهاي غشايي كه روي طعم بوي آب خروجي تأثير مي‌گذارد.

-       نياز حتمي به استفاده از پيش تصفيه‌هاي متعدد با توجه به كيفيت آب ورودي

-       كاركرد فشار بالاكه باعث ايجاد مشكلات مكانيكي مي‌شود.

در اشكال‌ (6) و (7) دياگرام شماتيك‌ واحد اسمز معكوس با تغذيه از آب دريا و شمايي‌ از يك‌ سيستم‌ اسمز معكوس‌ دو مرحله‌اي‌ براي‌ تصفيه‌ آب نمايش داده شده است.