حذف آرسنیک از آب آشامیدنی با استفاده از فن آوری اسمز معکوس

دکتر میترا غلامی، حامد محمدی، سید احمد مختاری

1- دکترای تخصصی مهندسی بهداشت محیط، استادیار دانشگاه علوم پزشکی ایران

2- کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، مربی دانشگاه علوم پزشکی زنجان

3- کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، معاونت بهداشتی دانشگاه علوم پزشکی تبریز

چکیده

زمینه و هدف: آلودگی آرسنیک در آب آشامیدنی باعث اثرات زیان آور در سلامت انسان می گردد. هدف از این پژوهش، ارزیابی کارآیی فرآیند اسمز معکوس برای حذف آرسنیک در آب آشامیدنی می باشد.

روش بررسی: روش انجام این پژوهش بر اساس داده های آزمایشگاه و از نوع مطالعات تجربی بوده است. پژوهش در یک پایلوت غشایی اسمز معکوس از جنس پلی آمید با مدول مارپیچی مدل TE 2521 ساخت شرکت CSM کره انجام گرفت. پس از آماده سازی محلول ارسنات سدیم در آزمایشگاه، عملکرد سیستم اسمز معکوس در حذف آرسنیک، بررسی شد. تاثیر تغییرات فشار، pH و دماهای مختلف با غلظت ورودی 2/0 میلی گرم در لیتر، و سپس در غلظت های مختلف بر روی کارآیی حذف آرسنیک مورد ارزیابی قرار گرفت. در هر حالت میزان فلاکس عبوری (جریان عبوری در واحد سطح) از غشا اندازه گرفته شد. اندازه گیری مقدار آرسنیک به روش نقره دی اتیل دی تیو کاربامات انجام شد و درصد حذف آن تعیین گردید.

یافته ها: نتایج حاصل نمایانگر شرایط بهینه ی عملکرد سیستم در فشار حدود 190 پوند بر اینچ مربع، غلظت در محدوده ی 2/0 تا 5/0 میلی گرم در لیتر، دما در محدوده 25 تا 35 درجه ی سانتیگراد و pH در محدوده ی 6 تا 8 می باشد. غلظت آرسنیک در آب ورودی به غشا، تاثیر چندانی در عملکرد سیستم و راندمان آن نداشت. افزایش دما موجب بهبود عملکرد سیستم و افزایش نسبی در راندمان آن شد. pH محلول ورودی تاثیر چندانی در فلاکس و عملکرد هیدرلیکی سیستم نداشت، لیکن راندمان حذف در pH های پایین به علت شکل یونهای آرسنات موجود، نسبتاً کم بود.

نتیجه گیری: راندمان حذف آرسنیک در شرایط بهینه ی عملکرد سیستم، تا بیش از 99 درصد می باشد.

واژگان کلیدی: حذف آرسنیک، تصفیه آب آشامیدنی، غشای صاف سازی اسمز معکوس (RO)

مقدمه

آرسنیک سومین عنصر گروه پنجم جدول تناوبی است. عدد اتمی آن 33 و جرم اتمی آن 92/74 می باشد. این عنصر با ظرفیت های مختلف و نیز به صورت معدنی و آلی در طبیعت یافت می شود. میزان آرسنیک در پوسته ی زمین 8/1 میلی گرم در کیلوگرم بوده، معمولاً به صورت ترکیب با گوگرد و یا فلزاتی نظیر مس، کبالت، سرب، روی و غیره یافت می شود. از این عنصر در کشاورزی، دامداری، پزشکی، الکترونیک، صنعت و متالوژی استفاده می گردد (1). آرسنیک از طریق حل شدن کانی ها و مواد معدنی، تخلیه ی پساب های صنعتی وارد منابع آب می گردد. آرسنیک یک ماده ی سمی، تجمعی و بازدارنده ی آنزیم های گروه SH است. نوع آلی آن از شکل معدنی آن بسیار سمی تر است. همچنین آرسنیک سه ظرفیتی ] (آرسنیت)Arsenite [ در اکثر اوقات سمی تر از نوع پنج ظرفیتی ](آرسنات)Arsenate [ آن می باشد (2و19). آلودگی آرسنیک در آب، به خصوص آب های زیر زمینی، به دلیل سمیت و مخاطره آمیز بودن آن، به عنوان یک مشکل اساسی در جوامع مختلف مطرح است. در آب های طبیعی مقدار آن در حد 1 تا 2 میلی گرم در لیتر گزارش شده است (3). مصرف طولانی مدت این عنصر سبب ایجاد سرطان می شود (4). بر اساس تقسیم بندی سازمان بین المللی تحقیقات سرطان ](IARC)[ International Association on Research Cancer ترکیبات غیر آلی آرسنیک در گروه 1 (سرطان زا برای انسان) قرار دارند (5). این عنصر به عنوان آلاینده ی مهم آب آشامیدنی به ویژه در نواحی آسیای جنوبی شناخته شده است. در این نواحی میلیون ها نفر در خطر ابتلا به بیماریهای مرتبط با آرسنیک می باشند (6). USEPA حد مجاز آرسنیک را حدود 5 تا 10 میکرو گرم در لیتر ذکر کرده است (7 و 5). رهنمود WHO برای آرسنیک 01/0 میلی گرم در لیتر می باشد (8 و 1). در حالی که حداکثر مجاز تعیین شده در استاندارد ایران 5 میکروگرم در لیتر است (9). به دلیل اینکه در آبهای طبیعی حذف آرسنیت از آرسنات سخت تر است، بنابراین برای دستیابی به میزان بالای حذف از آب آشامیدنی، طی یک مرحله ی پیش تصفیه قبل از فرآیند اصلی حذف، آرسنیت به آرسنات اکسید شده و سپس نسبت به حذف آرسنات اقدام می شود (10). روش های مختلفی برای حذف آرسنیک و دستیابی به حدود تعیین شده در آب آشامیدنی وجود دارد که از بین آنها می توان به انعقاد، صاف سازی، سبک سازی با آهک، آلومینای فعال، تبادل یون، فرآیندهای غشایی اشاره نمود که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند (11). هدف از این پژوهش، استفاده از فرآیند غشایی اسمز معکوس برای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی می باشد. به این منظور تاثیر پارامتر های مختلف، نظیر غلظت آرسنیک، فشار، pH و دمای آب ورودی بررسی شده است.

روش بررسی

روش انجام این پژوهش با توجه به ماهیت آن بر اساس داده های آزمایشگاهی و یک سیستم عملی و اجرایی از نوع مطالعات تجربی بوده است. روش آماری مورد استفاده به منظور تعیین تعداد نمونه ها، روش irregular fraction design از طریق نرم افزار Design Expert Ver 7.0.1 بوده است. بر اساس متغیرهای وابسته و مستقل برای آنالیز آماری چند متغیره (فشار، دما، pH و غلظت) برابر با 24 نمونه بوده است، آزمایشات در هر دوره (Run) به صورت سه تایی (Triple) انجام شده است. (در مجموع 72 نمونه بررسی شده است). تست های آماری انجام شده، رگرسیون و همبستگی می باشد.

در مرحله ی اول پایلوت غشایی طراحی و ساخته شد. غشای مورد استفاده غشای مارپیچی اسمز معکوس (RO) (مدل TE 2521)، ساخت شرکت CSM کره می باشد. این غشا اصطلاحاً TFC نامیده می شود و از جنس پلی آمید (PA) با شارژ منفی است. طول غشا 21 اینچ، قطر آن 5/2 اینچ، قطر لوله ی تغذیه 75/0 اینچ، و سطح فعال و موثر آن 1/1 متر مربع است. میزان فلاکس عبوری اسمی غشا، معادل 1/1 متر مکعب در روز می باشد. دیگر اجزای اصلی پایلوت عبارت از غشای اسمز معکوس، پمپ، الکترو موتور، بارومتر، مخزن آب ورودی و خروجی و فیلتر کارتریج می باشد. در شکل شماره ی 1 دیاگرام جریان در پایلوت نشان داده شده است.

پس از نصب و راه اندازی پایلوت، ابتدا فلاکس آب مقطر در فشارهای مختلف تعیین گردید. سپس با توجه به غلظت آرسنیک در آب آشامیدنی مناطق آلوده ی کشور، غلظت 2/0 میلی گرم در لیتر در نظر گرفته شد (12) و از آب شهر، تهیه گردید. با ثابت نگه داشتن سایر پارامترها، میزان فلاکس عبوری از غشا و درصد حذف آرسنیک در فشارهای عملیاتی مختلف 100، 130، 160، 190 و 210 پوند بر اینچ مربع (Psi) اندازه گیری شد. در مرحله سوم، با تعیین فشار بهینه (Psi 190)، تاثیر غلظت، دما و pH در کارایی حذف غشای بررسی شده و pH، غلظت و دمای بهینه تعیین گردید. مقادیر pH محلول های تهیه شده، با استفاده از سود و اسید کلریدریک در pHهای 4، 5/5 ،7، 5/8 و 10 تنظیم و تثبیت گردید. سایر پارامترها ثابت نگهداشته شدند. تغییرات دما با استفاده از هیتر ترموکوپل دار و دماسنج در دماهای 20، 25، 30، 35 و 40 درجه سانتیگراد تنظیم و تثبیت گردید. همچنین با به دست آوردن دبی عبوری و با داشتن سطح فعال غشای ارائه شده توسط کارخانه ی سازنده، میزان فلاکس عبوری (Q/A) از غشا اندازه گیری شد. لازم به ذکر است که برای تعیین دبی ورودی از فلومتر استفاده شد. جهت محاسبه ی دبی خروجی، حجم مشخصی از جریان عبوری از غشا، در یک زمان مشخص توسط کورنومتر و استوانه ی مدرج اندازه گیری شد. راندمان سیستم، پس از تعیین غلظت محلول ورودی به غشا و غلظت خروجی محاسبه شد (13). محلول ورودی با استفاده از آرسنات سدیم (Na2HAsO4.7H2O) در مخزنی از جنس پلی اتیلن به حجم 200 لیتر در غلظت 2/0، 5/0، 1، 5/1 و 2 میلی گرم در لیتر آرسنیک تهیه شد. روش اندازه گیری آرسنیک در نمونه های برداشتی از ورودی و خروجی، روش نقره دی اتیل دی تیو کاربامات می باشد (استاندارد متد AsB-3500). در تمام مراحل، میزان جذب در طول موج 520 نانومتر توسط اسپکتروفتومترپرکین- المر دبل بیم UV-VIS مدل S 550 ساخت آمریکا، خوانده شد و راندمان حذف آرسنیک در شرایط مختلف بدست آمد (14). در مرحله ی آخر، نمودارهای مربوط به کارآیی و فلاکس جریان نسبت به هر یک از شرایط فوق رسم گردید.

یافته ها

با توجه به آزمایشات انجام شده و نتایج بدست آمده، شرایط بهینه سیستم در محدوده ی فشار psi 190 (01/0=α)، غلظت 2/0 میلی گرم در لیتر (05/0=α)، دما در محدوده ی 25 تا 30 درجه ی سانتیگراد، (05/0=α) و pH در محدوده 6 تا 8 بود. در نمودار 1، تاثیر تغییرات فشار بر کارایی غشا در حذف آرسنیک و همچنین فلاکس عبوری از غشا، با توجه به شرایط عملیاتی، آورده شده است. همانطوری که از نمودار مشخص شده است، با افزایش فشار، فلاکس جریان نیز افزایش می یابد. همچنین در فشار حدود 190 تا 210 پوند بر اینچ مربع، ماکزیمم راندمان حذف وجود دارد.

بحث

آرسنیک از سمومی است که از دو راه طبیعی و صنعتی وارد محیط زیست می گردد. در حال حاضر با توجه به استانداردها و رهنمودهای WHO و EPA و پایین آمدن مقادیر استاندارد توصیه شده به میزان 10 میکرو گرم در لیتر، سازمان های تامین کننده ی آب آشامیدنی مجبور به پیروی از رهنمودها و استانداردهای تعیین شده خواهند بود (8و 5، 7). لذا با تکنولوژی های موجود دستیابی به این استانداردهای جدید تا حد زیادی مشکل خواهد بود. یکی از روش های نوین تصفیه آب که امروزه در اکثر نقاط دنیا رو به گسترش بوده و قادر است حدود استاندارد های جدید تعیین شده را تامین نماید، استفاده از فرآیندهای غشائی می باشد که در این پژوهش مورد آزمایش و بررسی قرا گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان دهنده ی آن است که فرآیندهای غشائی به خصوص اسمز معکوس، در حذف آرسنیک از آب آشامیدنی به طور قابل ملاحظه ای موثر است و راندمان حذف آن، در حدود 95 تا 99 درصد می باشد. مطالعات مختلفی روی این نوع غشا و انواع دیگر غشاهای صاف سازی انجام شده است. برای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی از غشای اولترافیلتر نیز استفاده شده است، که این نوع غشا، تحت شرایط آزمایشگاهی، تنها قادر به حذف حدود 10 درصد آرسنیک بوده است که برای افزایش کارایی آن، از کیتوسان و ترکیبات اسیدهیومیک برای چیلاته شدن این فلز و در نتیجه بالا رفتن وزن مولکولی آن استفاده شده است، به این ترتیب، راندمان اولترافیلتر تا حدود 65 درصد افزایش یافته است (4). کارایی حذف آرسنات با استفاده از سیستم اولترافیلتراسیون که به آن سورفکتانت های CPC (hexadeclypyridinium chloride)، CTAB (hexadecyltrimethylammonium bromide) و ODA (octadecylamine acetate) اضافه شده است، نیز بررسی شده است، که نتایج نشان دهنده ی درصد حذفی به ترتیب برابر 96، 94 و 80 درصد بوده است (15). روش های الکترواولترافیلتراسیون نیز به کار برده شده است که کارایی حذف برای آرسنات، بسیار بالا بوده و آرسنیت نیز بعد از تنظیم pH، حذف شده است (16). از سایر فرآیندهای با پایه ی غشائی نیز برای این منظور استفاده شده است (17). به عنوان مثال از سیستم نانوفیلتراسیون با فشار پایین استفاده شده است که درصد حذف آرسنیک توسط آن 94 درصد به دست آمده است (18). برای آب آشامیدنی شهرها و صنایع و همچنین آبهای سطحی و زیرزمینی هم از نانوفیلتراسیون استفاده شده، که راندمان قابل قبولی جهت حذف آرسنیک داشته است (19).

عملکرد فرآیند نانوفیلتراسیون با صافی های ماسه ای تند نیز برای حذف آرسنیک به کار رفته است که نتایج نشان دهنده ی آن است که در غلظت زیر 50 میکرو گرم آرسنیک، بدون توجه به کدورت، این فرآیند قادر به کاهش آن تا حد رسیدن به رهنمود WHO است. از طرف دیگر، نانوفیلتر می تواند تا 95 درصد آرسنات و 75 درصد آرسنیت را حذف کند، در حالیکه صافی ماسه ای تند قادر به حذف آرسنیت نمی باشد (8). از انواع دیگر نانوفیلتراسیون با قطر منافذ مختلف نیز استفاده شده است و در آن تغییرات pH، غلظت آرسنیک ورودی و حضور الکترولیت بررسی شده است. نتیجه بدست آمده نشان دهنده ی راندمان حذف بالای 80 درصد است (20). به منظور حذف آرسنیک، از غشاهای رسی (مونتموریلونیتو کائولینیت) استفاده شده، در آن توانایی این نوع غشا، برای حذف آرسنیک در غلظت های مختلف و قدرت یونی کنترل شده با کلرید سدیم مورد ارزیابی قرار گرفته، راندمان به دست آمده، بیش از 90 درصد بوده است (21). غشای مورد استفاده دیگر جهت این منظور، مدول غشائی ZW-1000 همراه با پیش تصفیه ی اکسیداسیون با پرمنگنات و انعقاد بوده است که برای تصفیه آب چاه با میزان آرسنیک 200 تا 300 میکروگرم در لیتر استفاده شده است. با کمک این روش، میزان حذف به حد استانداردهای موجود رسیده است. با کمک این روش، میزان حذف به حد استانداردهای موجود رسیده است (22). از روش های دیگر حذف آرسنیک، استفاده از روش انعقاد اصلاح شده با یون های آهن و کلسیت درشت دانه، و متعاقب آن حذف لخته توسط غشای میکروفیلتراسیون بود. با این روش سرعت ته نشینی افزایش یافته، و راندمان حذف تا بیش از 99 درصد افزایش می یابد (24 و 23). با توجه به نتایج به دست آمده در نمودار 1، با افزایش فشار نمونه ی ورودی به غشا، میزان فلاکس جریان عبوری از سطح غشا، و همچنین درصد حذف آرسنیک افزایش می یابد (01/0 = α، 878/0 = r). دلیل افزایش فلاکس با افزایش فشار، غلبه ی فشار اعمال شده بر فشار اسمزی محلول ورودی می باشد. همچنین دلیل افزایش میزان حذف با افزایش فشار، کاهش قطر منافذ سطح غشا به واسطه ی تجمع آرسنیک نسبت به زمان است.

لازم به ذکر است که TDS آب ورودی هر چه بالاتر باشد، نیروی مولکولی بالایی را خواهد داشت و پیش از آنکه مولکولهای آن شروع به جدا شدن از آب نموده و از مقطع غشا عبور کنند، این نیروهای مولکولی باید توسط فشار محلول ورودی شکسته شوند. هر 100 میلی گرم در لیتر از TDS نیازمند psi 1 فشار برای غلبه بر فشار اسمزی می باشد (25). با توجه به نمودار2و3، افزایش غلظت تاثیر چندانی در افزایش فلاکس جریان و درصد حذف ندارد (05/0= α،307/0 =r). از طرف دیگر، غلظت ورودی به طور معمول باعث کاهش فلاکس نفوذی در فرآیند صاف سازی غشا می گردد و در برخی موارد رفتار تغییرات فلاکس با غلظت همانند پیش بینی های اغلب مدل های پلاریزاسیون غلظتی به صورت لگاریتمی می باشد. به عبارت دیگر، بین فلاکس و لگاریتم غلظت ورودی رابطه ی خطی مشاهده می شود. چنین رابطه ای عمدتاً در شرایطی حاصل می گردد که سرعت جریان ورودی از روی سطح غشا نسبتاً کم باشد. در سرعت های زیاد افزایش غلظت، تاثیر زیادی بر میزان فلاکس نفوذی و راندمان حذف نداشته و ثابت باقی می ماند (13). همانطوری که در نمودار 4 مشاهده می شود، pH تاثیر چندانی در راندمان حذف ندارد. تغییرات مختصر ملاحظه شده، مربوط به تغییر شکل آنیون های آرسنیک موجود در محلول و بار آنهاست. در محدوده ی pH 4 تا 10، یون های 5 ظرفیتی آرسنات به اشکال H2AsO4- و HAsO42- می باشند. به طوری که تا pH 7/6 به شکل H2AsO4- و بعد از آن به صورت HAsO42- می باشد (26). از طرفی با توجه به اینکه غشای RO مورد استفاده دارای شارژ منفی می باشد، لذا طبیعی است که در محدوده ی pH پایین تر از 77/6، نسبت به pH های بالاتر به مقدار کمتری حذف گردد. در ضمن باید به این مسئله توجه داشت که میزان بار سطحی غشا، تابع جنس غشا و نیز pH و قدرت یونی محلول مجاور با غشا است. بیشترین میزان فلاکس نفوذی و نیز بیشترین میزان قدرت نگهدارندگی غشا را زمانی می توان انتظار داشت که بار الکتریکی سطح غشا با بار الکتریکی مولکول های حل شده همنام باشد (13). در رابطه با تاثیر دما، با توجه به نمودار 5، با افزایش دمای محلول ورودی به غشا در ابتدا میزان فلاکس عبوری افزایش می یابد. البته تغییرات فلاکس جریان تا محدوده ای ادامه می یابد، سپس منحنی به صورت خط افقی در می آید. به عبارتی جنس غشا، عامل محدود کننده ی تاثیر دما روی افزایش فلاکس می باشد. از طرف دیگر، افزایش دما به طور معمول باعث کاهش ویسکوزیته ی سیال و افزایش نفوذپذیری می گردد و این امر به افزایش فلاکس نفوذی کمک می کند (25 و 13)

نتیجه گیری

با توجه به مطالعه ی حاضر می توان نتیجه گیری نمود که از بین غشاهای مختلف، اسمز معکوس بهترین راندمان را برای حذف آرسنیک دارا می باشد و راندمان حذف آرسنیک در شرایط بهینه ی عملکرد سیستم بافشار psi 190، دمای 25 درجه سانتیگراد و pH 9/6 تا بیش از 99 درصد می باشد.

کلینیک تصفیه آب صنعتی ایران ارائه دهنده خدمات تصفیه آب و تصفیه پساب مفتخر به ارائه سیستم های تصفیه اسمز معکوسRO در صنایع مختلف است.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.

حذف آرسنیک از آب اسمز معکوس RO آرسنیک در آب آشامیدنی وش های نوین تصفیه آب فن آوری اسمز معکوس

کلینیک تصفیه آب ایران پنج‌شنبه 23 آبان 1392 ساعت 20:46

0 نظر

انواع روش های تصفیه آب

• تصفیه آب به روش سیستم های تبادل یونی

فرایند تبادل یونی یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است، که در آن فاز سیال در تماس با فاز جامد جاذب قرار می‌گیرد. طی این تماس برخی از اجزای موجود در فاز سیال جذب فاز جامد شده و از سیال جدا می‌گردند. فرایند تبادل یونی فرایندی برگشت پذیر است که طی آن یون های خارجی موجود در آب جذب گروه های عاملی قرار گرفته بر روی شبکه پلیمری (فاز جامد) می‌گردند و بدین ترتیب آب عاری از هرگونه ناخالصی یونی حاصل می‌گردد.

پس از اشباع شدن گروه های عاملی، سیستم تحت عملیات بازیابی و شستشوی شیمیایی قرار گرفته و مجدداً مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سیستم های تبادل یونی به دو منظور سختی گیری و همچنین تولید آب با خلوص بالاتر استفاده می شود که به طور جداگانه در ذیل اشاره می گردد.

الف) سیستم های تبادل یونی به عنوان سختی گیر آب مورد نیاز صنعت به لحاظ استاندارد با آب مورد نیاز شرب بسیار متفاوت می‌‌باشد.

نکته‌‌ای که در آب مورد نیاز اکثر صنایع حائز اهمیت می‌‌باشد، حذف املاحی است که می توانند در صورت فراهم آمدن شرایط رسوب نمایند.

یکی از بیشترین مصارف آب در صنعت تولید بخار می‌‌باشد که در صورت وجود عوامل رسوب کننده در آب می‌‌توانند باعث کاهش عمر این تاسیسات گردند.

این عوامل رسوب کننده بیشتر با عنوان سختی آب شناخته می‌‌شوند. در تعریف علمی کلیه کاتیون های با ظرفیت الکتریکی بیشتر از یک را سختی گویند. لذا در اکثر صنایع فقط حذف سختی آب مد نظر می‌‌باشد که هزینه آن نسبت به حذف کل یون های آب بسیار پایین تر می باشد.

در این میان سیستم های تبادل کننده یونی خاصی برای این منظور تولید شده اند که به رزین های پایه سدیمی معروفند.

در واقع این رزین ها، سختی آب مانند یون های کلسیم، منیزیم و... را جذب کرده و به جای آن سدیم آزاد می نمایند.

توجه شود که در این روش جمع کل آنیون ها و کاتیون های آب ثابت می ماند و فقط نوع یون ها عوض می شوند. محدودیت این روش این است که برای TDS های بالای 1000جوابگو نمی باشند و باید از روش های دیگری استفاده شود. احیاء این سختی گیرها به وسیله محلول آب و نمک می باشد.

ب)سیستم های تبادل یونی برای تولید آب با درجه خلوص بالا از دیگر رزین های استفاده شده در صنعت تصفیه آب رزین های سیکل اسیدی و بازی هستند که در گذشته در محدوده بسیار وسیع تری استفاده می شدند.

در واقع این روش می تواند نیاز صنایع به آب فوق خالص را مرتفع سازد این رزین ها به دو نوع قوی و ضعیف تقسیم می شوند و می توانند در آرایش های مختلفی قرار گرفته و آب فوق خالص تولید نمایند.

امروزه از این روش در خروجی آب تصفیه شده توسط RO به منظور تولید آب با EC<0.2 استفاده می شود.

• دامنه کاربرد تکنولوژی تبادل یونی عبارت است از:

o تولید آب بدون یون (Demineralization)

o حذف سختی آب

o حذف کاتیون های خارجی از آب

o حذف قلیائیت

o بازیابی مجدد آب در صنایع فلزی

o حذف نیترات و سولفات

o بازیابی و یا جداسازی مواد دارویی

o بازیابی فلزات با ارزش در صنایع فلزی

• تصفیه آب به روش سیستم نانو فیلتراسیون :

در همه روش های پیشرفته تصفیه آب مهمترین هدف تصفیه، حذف املاح محلول در آب می باشد ولی نکته مهمی که وجود دارد این است که برای کاربردهای مختلف، آب با درجه خلوص متفاوتی مورد نیاز می باشد برای مثال در صنعت داروسازی و یا تولید سوخت هسته ای آب مورد نیاز، آب فوق خالص (Ultra Pure) می باشد لذا طبیعی است برای تولید آب با درجه خلوص بیشتر باید هزینه بیشتری صرف شود، ولی برای برخی دیگر از کاربردها آب با خلوص بسیار زیاد مورد نیاز نمی باشد.

برای مثال آب استفاده شده در برج های خنک کننده (Cooling Tower ) باید صرفاً از لحاظ حذف سختی مورد تصفیه قرار گیرد.

در چنین کاربردهایی می توان از سیستم‌ هایی با درصد حذف پایین تر و به تبعِ آن هزینه کمتر استفاده نمود.

یکی از این روش های تصفیه مرسوم در دنیا، روش نانو فیلتراسیون می باشد.

یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند.

نانوفیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون مزایای ویژه‌ای دارد، از جمله آن ‌که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آب حاصله بیشتر از حد معمول است که پیامد آن افزایش قیمت این روش است.

از دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از: حذف نمک‌های چند ظرفیتی (از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کشها)، امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع، از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها، حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان، از بین بردن اثرات مخرب زیست محیطی، حذف کدورت، سختی و شوری آب، پایین بودن هزینه تصفیه و در مجموع همانگونه که اشاره شد عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط زیست و انسان.

• تصفیه آب به روش EDI :

همچنان که در مطالب قبلی نیز قید شد یکی از مهمترین نیازهای صنایع مادر : مانند صنعت هسته ‌‌ای، صنعت داروسازی، صنعت قطعات نیمه رسانا و .... داشتن آبی با خلوص بسیار زیاد می‌‌باشد.

برای تولید چنین آب ‌‌هایی ابتدا آب خام بسته به غلظت املاح موجود در آن توسط یکی از روش‌‌ های پیشرفته مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، EDR و یا تقطیر مورد تصفیه قرار می‌‌گیرد.

خروجی چنین تصفیه‌‌ هایی آبی با خلوص بالای µs/cm 25 می‌‌باشد و هنوز با استاندارد آب فوق خالص فاصله دارد.

لذا آب خروجی در یکی از سیستم‌‌های تبادل یونی یاEDI مورد تصفیه مجدد قرار می ‌‌گیرد تا آب با خلوص بسیار بالا را تولید نماید.

معایب سیستم ‌‌های رزینی مصرف زیاد مواد شیمیایی جهت احیاء و همچنین اشغال فضای زیاد با توجه به حجم آب تولیدی می‌‌باشد.

سیستم EDI ترکیبی از فرآیند تبادل یونی و فیلتراسیون غشایی می‌‌باشد که خروجی آن آبی بدون املاح و با هدایت الکتریکی کمتر از µs/cm 2/0 است.

در سیستم EDI نیز املاح از طریق فرآیند تبادل یونی از آب جدا می شوند. با این تفاوت که ممبرین‌‌ها به طور پیوسته با جریان برق احیاء می‌‌شوند که این امر نیاز به استفاده از مواد شیمیایی جهت احیاء ممبرین ‌‌ها را از بین می برد.

هر واحد EDI متشکل از تعدادی سلول است که بین دو الکترود قرار گرفته اند.

• تصفیه آب به روش (EDR (Electro dialysis Reverse:

کلمه Dialysis در لغت به معنی جدا کردن مواد از یک محلول می باشد و روش EDR در واقع بیانگر جدا کردن املاح از آب با استفاده از انرژی برق می‌‌باشد.

در این روش با استفاده از جریان برق DC و همچنین غشاهای آنیونی و کاتیونی، عملیات جداسازی املاح از آب صورت می ‌‌پذیرد.

کلمه Reverse در انتهای این روش بدین معنی می باشد که در اثر عبور آب از ممبرین ‌‌های سیستم، یکسری از املاح بر روی ممبرِین‌‌ هارسوب می‌ نمایند.

در روش های سنتی که به ED معروف بود از تزریق اسید و آنتی اسکالانت و اسید سولفوریک برای جلوگیری از رسوب استفاده می ‌‌شد ولی در این روش به ازای حدوداً هر 15 دقیقه کار سیستم، پلاریته سیستم یا همان جای قطب‌‌های مثبت و منفی تعویض می‌‌گردد و املاح رسوب کرده بر روی سیستم از آن جدا می‌‌شوند.

نکته‌‌ ای که در مورد روش EDR قابل توجه می باشد این است که در هر مرحله از تصفیه تنها 50% از املاح می ‌‌تواند دفع گردد لذا برای رسیدن به خلوص بالاتر باید آب در چندین مرحله تصفیه شود.

روش EDR بیشتر برای تولید آب شرب در دنیا استفاده می شود.

از آنجایی که TDS مناسب آب شرب بین 100 تا 500 می‌‌باشد وTDSخروجی این روش بالاتر از100 می‌باشد، این روش بهترین روش تولید آب شرب در حجم‌‌ های بالا می باشد.

حداقل حجم آب تولیدی به روش EDR حدود 15 متر مکعب در شبانه روز می باشد.

o معایب روش EDR

حداکثر TDS ورودی به سیستم 12000 PPM می باشد .

ماکسیمم درصد حذف املاح در هر مرحله 50% می باشد در حالی که در روشRO، 99% می باشد.

این روش فقط توانایی حذف عناصری را دارد که از لحاظ الکتریکی خنثی نیستند.

مثلاً اگر شکر در آب حل شود یون های سازنده آن از لحاظ الکتریکی خنثی می باشند، لذا اگر آب شیرین بارها و بارها از این سیستم عبور نماید به هیچ وجه املاح آن حذف نمی ‌‌گردد.

همچنین این روش توانایی حذف میکرو ارگانیزم های موجود در آب مانند باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها و ویروس ها را به علت اینکه از لحاظ الکتریکی خنثی می باشند را ندارد.

o مزایای روش EDR

یکی از مهمترین مزیت ‌‌های روش EDR ریکاوری بالای سیستم می باشد که تا حد 94% می ‌‌تواند افزایش یابد این بدین معنی است که این سیستم می‌‌تواند 94% آب ورودی را تصفیه نماید و فقط 6% آن را به صورت پساب دفع نماید.

مزیت دوم سیستم، عمر ممبرین‌‌ های استفاده شده می‌‌باشد که حدود 10 سال می‌‌باشد .

فشار کاری این سیستم کم می‌‌ باشد، لذا هزینه های نگهداری اتصالات و پایپینگ آن بسیار پایین می ‌‌باشد و برای جلوگیری از خوردگی می‌‌توان از اتصالات UPVC در کل سیستم استفاده نمود.

هزینه نگهداری این دستگاه نسبت به RO بسیار پایین‌‌ تر می ‌‌باشد.

تزریق مواد شیمیایی برای جلوگیری از رسوب که مواد گران قیمتی هم می باشند نیاز نمی باشد.

• تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس ( RO )

o 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 1950 انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 7/1 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.

o پیشینه تاریخی اسمز معکوس :

تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرین استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.

لوب و سوریرجان، گسترش تکنولوژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرین استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.

تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکربندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس شد، به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می کنند. دراوایل سال 1980 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلی آمیر مرکب شد. این ممبرین ها عمدتاً نسبت به ممبرین های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند.

امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر نمک، به افزایش 20 دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرین های سلولزیک اصلی رسیده است.

o نیمه تراوا چیست :

نیمه تراوا به ممبرینی اشاره می کند که به طور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور می دهد در حالیکه الباقی گونه ها باقی می مانند.

در واقع بیشتر گونه ها از ممبرین خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه.

در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول (نمکها) از ممبرین ها عبور می کنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید می شود، پیامد نهایی این است که تفکیک حلال حل شده روی می دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می شود.

o اسمز چیست :

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.

o اسمز معکوس چیست :

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.

نیروی محرک شیوه اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیماًً به میزان شوری حلال مربوط می شود. بنابراین، انرژی بیشتری برای تولید مقدار یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است.

o اسمز معکوس چگونه کار می کند:

برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. بر طبق دیکشنری وبستر هریام، اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرین نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرین دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می شود.

در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است. همانطور که انتظار دارید سطح آب در مخزن به اندازه سطح آب در بشر است.

در آنجا، انتهای مخزن به ممبرین نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر منتظره ای روی می دهد.

آب داخل مخزن افزایش می یابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می دهند.

ممبرین نیمه تراوا ممبرینی است که برخی از اتم ها یا مولکول ها را عبور می دهد، اما مانع عبور بقیه می گردد.

ممبرین است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می دهیم، ناتراوا می باشد.

مثال ممبرین نا تراوا، آستر روده های شما یا دیوار سلول است gore-tex از یک ممبرین نیمه تراوا معمول دیگر است.

ساختار gore-tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون ها روزنه کوچک ایجاد کرده اند. روزنه ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند.

ممبرین به غیر از مولکول های نمک به مولکول های آب اجازه عبور میدهد.

یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول های آب را بر روی دو طرف ممبرِین‌‌ ها تصور کنید.

این تصور در تضاد با Brownian motion است.

بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه ها با اتم های نمک مسدود شده اند اما در قسمت آب خالص چنین چیزی وجود ندارد.

بنابراین آب بیشتری از قسمت آب خالص عبور می کند، چون روزنه های بیشتری برای عبور آب خالص در قسمت آب خالص وجود دارد.

آب موجود در قسمت نمکی افزایش می یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد:

1. غلظت نمک در دو طرف ممبرین مساوی شود، البته در این مورد این حالت روی نمی دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.

2. همانطور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد.

به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور (مثل آب اقیانوس) شما را خواهد کشت. زمانی که آب شور وارد معده تان می شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت می کند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می دهید (آب بدنتان خشک می شود) و می میرید.

در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرین به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده دیگر) عمل نماید.

آب شور روی یک طرف ممبرین گذاشته می شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می شود.

سپس وارونه می شود، یعنی جریان اسمزی روی می دهد، در مجموع این کار فشار زیادی می گیرد و نسبتاً کند پیش می رود اما به هر حال این کار انجام می شود.

کلینیک تصفیه آب صنعتی ایران ارائه دهنده خدمات تصفیه آب و تصفیه پساب مفتخر به ارائه سیستم های تبادل یونی رزینی,فیلتراسیون پیشرفتهUFوNF, اسمز معکوسRO, الکترودیونیزاسیونEDI, سختی گیر ها و فیلتر های کربنی, سیستم های ضد عفونی کننده آب, مواد شیمیایی تصفیه آب, تجهیزات واتصالات و.. در صنایع مختلف است.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.

سیستم های تبادل یونی رزینی فیلتراسیون پیشرفتهUFوNF اسمز معکوس RO الکترودیونیزاسیونEDI مواد شیمیایی تصفیه آب انواع روش های تصفیه آب

کلینیک تصفیه آب ایران پنج‌شنبه 23 آبان 1392 ساعت 20:43