آب شیرین کن ها: روش ها و چالش ها

افزایش جمعیت و کمبود آب موجب بروز مشکلات ژئوپولتیکی و بشری زیادی شده است و انتظار می رود تکنولوژی بتواند نیازها را در این زمینه مرتفع کند.
یکی از راه حل ها برای مقابله با مشکل کمبود آب شیرین، تصفیه آب شور از طریق فرایند شیرین سازی آب یا دستگاه آب شیرین کن است. بسیاری از مناطق در حال حاضر به منظور رفع مشکلات خود در زمینه کمبود آب به این فرآیند روی آورده اند. از دستگاه آب شیرین کن معمولاً برای تصفیه آب دریا و همچنین آب های زیرزمینی با غلظت بالای نمک استفاده می شود.
سازمان بررسی های زمین شناسی ایالات متحده، آب های شور را بر اساس غلظت نمک به صورت زیر تقسیم بندی نموده است:
• آب شیرین: کمتر از ppm 1000
• آب با شوری کم: بین ppm 1000 تا ppm 3000
• آب با شوری متوسط: بین ppm 3000 تا ppm 10000
• آب با شوری بالا: بین ppm 10000 تا ppm 35000
• آب دریا (اقیانوس): حدود ppm 35000

نگاهی به سیستم های آب شیرین کن در سراسر جهان

بر اساس گزارش سازمان زمین شناسی ایالات متحده، بین سال ها ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۵ حدود ۱۲۵۰۰ دستگاه آب شیرین کن در ۱۲۰ کشور جهان، ۱۴ میلیون مترمکعب در روز آب شیرین تولید کرده اند. این مقدار در واقع کمتر از ۱% از کل آب مصرفی آب در دنیاست. کشورهایی که وابستگی شدیدی به دستگاه آب شیرین کن دارند شامل عربستان سعودی، کویت، امارات، قطر، بحرین، لیبی و الجزیره هستند. در مقابل، بین کشورهای توسعه یافته، ایالات متحده بزرگترین مصرف کننده آب شیرین کن ها است. بیشتر تاسیسات آب شیرین کن در کالیفرنیا و بخشی از فلوریدا وجود دارند.
بر اساس بررسی های بازاریابی که توسط موسسه تحقیقاتی Pike انجام شده است مشخص شده است که سرمایه گذاری در بخش آب شیرین‌کن‌ها از سال ۲۰۱۰ با مبلغ ۳/۸ میلیارد دلار در سال به ۶/۱۶ میلیارد دلار در سال، در سال ۲۰۱۶ افزایش یافته است که رشد تجمعی ۸/۸۷ میلیون دلاری طی این دوره را نشان می دهد. پیش بینی های محکمی وجود دارد که نشان می دهد خاور میانه و شمال آفریقا به قطب جهانی مصرف کننده دستگاه های آب شیرین کن تبدیل خواهد شد.

 

سازمان ملل پیش‌بینی کرده که ۱۴ درصد از جمعیت جهان تا سال ۲۰۲۵ با فقدان آب مواجه می‌شوند. در حال حاضر نیز حدود ۱ درصد از جمعیت جهان برای تامین آب روزانه خود به آب شیرین کن‌ها وابسته هستند. در ایران نیز از انواع آب شیرین کن‌ ها برای رفع کمبود آب استفاده می‌شود. ولی آب شیرین کن چیست ؟ اگر شما نیز با چنین سوالی مواجه هستید در ادامه این مطلب با ما همراه باشید.

شیرین سازی آب (desalination) فرآیندی است که مواد معدنی را از آب شور، مانند آب دریا، جدا می‌کند. آب نمک زدایی شده برای مصرف شرب و یا آبیاری (irrigation) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۱- ضرورت استفاده از آب شیرین کن

در سال ۲۰۱۵ طبق برآورد انجمن جهانی نمک زدایی، در سراسر جهان بیش از ۱۸۴۰۰ واحد شیرین‌ سازی در حال بهره‌برداری بوده که ظرفیت کلی آن‌ها حدود ۸۷ میلیون متر مکعب در روز برآورد شده است. این مقدار آب تولید شده نیاز ۳۰۰ میلیون نفر را برآورده می‌کند.با توجه به اینکه در سال ۲۰۱۳ ظرفیت تولید جهانی حدود ۷۸ میلیون متر مکعب بوده است، افزایش چشمگیر ۱۲ درصدی را در عرض دو سال شاهد هستیم. و این جز ضرورت استفاده از آب شیرین کن ها برای تولید آب مورد نیاز بشر هیچ معنی دیگری نمی‌تواند داشته باشد. دسترسی به منابع فراوان انرژی فسیلی در کشورهای خاورمیانه به همراه دسترسی بی‌نظیر به دریاهای آزاد در این منطقه، احداث مجتمع‌های وسیع نمک زدایی را ممکن کرده است.

 

آب شیرین کن دریایی در خاورمیانه

در سال ۲۰۱۴ بزرگ‌ترین پروژه آب شیرین کن در عربستان با نام راس الخیر ظرفیت تولید بیش از ۱ میلیون متر مکعب آب شیرین در روز را داشت. ولی این رکورد به وسیله یک واحد وسیع‌تر در ایالت کالیفرنیای آمریکا شکسته شده است. فاز دوم واحد آب شیرین کن جبل علی در امارات توانایی تولید ۳۰۰ میلیون متر مکعب آب شیرین در سال را دارد

۲- انواع آب شیرین کن

بطور کلی آب شیرین کن ها را می‌توان به در دو نوع کلی دسته بندی کرد:‌ روش‌های حرارتی که برای انجام نمک زدایی نیازمند انرژی گرمایی و حرارت هستند، و روش‌‌های مبتنی بر فرآیندهای غشایی که از نیرو محرکه فشار هیدرولیکی استفاده می‌کنند.

 

سیستم‌های نمک زدایی حرارتی انواع مختلفی دارند، ولی تقطیر فلش چند مرحله‌ای و تقطیر چند اثره از مهم‌ترین‌ و پرکاربرد ترین انواع آن هستند.

تقطیر فلش چند مرحله‌ای

تقطیر فلش چند مرحله‌ای (Multi-Stage Flash Distillation) یا MSF یکی از انواع آب شیرین کن های حرارتی است که در آن آب تبخیر شده و به وسیله تقطیر ناگهانی از آب دریا جدا می‌شود. انرژی آزاد شده از میعان بخار آب در هر مرحله برای تامین انرژی مرحله بعد استفاده می‌شود.

تقطیر چند اثره

تقطیر چند اثره (Multiple Effect Distillation) یا MED به وسیله تعدادی از مراحل به نام اثر (effect) کار می‌کند. آب ورودی بر روی لوله‌هایی که در راستای افقی یا عمودی قرار دارند اسپری و گرم می‌شود تا به بخار تبدیل شود. پس از آن بخار تولید شده برای گرم کردن حجم بیشتری از آب دریا استفاده می‌شود. برای افزایش کارآمدی این سیستم می‌توان واحد نمک زدایی را کنار نیروگاه‌ احداث کرد و از بخار تولید شده در نیروگاه برای گرم کردن آب دریا استفاده کرد. در این نوع از آب شیرین کن با محدودیت‌هایی نظیر بیشینه دما و بیشینه تعداد اثر مواجه هستیم.

آب شیرین کن غشایی

در آب شیرین کن‌های غشایی از یک غشای نیمه تراوا (semipermeable membrane) برای جداسازی نمک از آب دریا استفاده می‌شود. به طور معمول آب شیرین کن غشایی نسبت به سیستم‌های حرارتی انرژی کم‌تری مصرف می‌کند، که این منجر به کاهش کلی هزینه آب شیرین تولیدی می‌شود. یکی از پرکاربرد ترین انواع این سیستم‌ها آب شیرین کن اسمز معکوس است.

از سال ۲۰۰۴، بیش از ۸۵ درصد از آب تولید شده در جهان از طریق نمک زدایی با استفاده از اسمز معکوس انجام شده است.

روش های شیرین سازی آب

خالص سازی آب از دوران قدیم انجام می شده است. بیشتر سیستم ها از فرآیندهایی که در طبیعت برای تولید باران رخ می دهد، استفاده می‌کنند. از اولین روش هایی که توسط بشر برای شیرین سازی آب مورد استفاده قرار گرفت، تبخیر آب برای حذف نمک و سایر آلاینده ها است.
بعدها از روش های دیگری نظیر تبخیر چند مرحله ای سریع، شیرین سازی چند تاثیره و تراکم بخار نیز استفاده شد که در دهه ۹۰ بعنوان مقرون به صرفه ترین تکنولوژی شیرین سازی آب برای تاسیسات بزرگ شناخته می شدند. از جمله های فرایندهای غیر تبخیری که امروزه بیشتر مورد استفاده هستند می توان به سیستم های تبادل یون و فرایندهای غشایی نظیر اسمز معکوس اشاره نمود.

عملکرد و مزایای دستگاه آب شیرین کن اسمز معکوس

امروزه از بین فرایند های فوق معمولا بیشتر از دستگاه آب شیرین کن اسمز معکوس یا پکیج RO استفاده می گردد که این امر بدلیل راندمان مناسب این فرایند و مصرف انرژی کمتر نسبت به سایر روش ها می باشد. اسمز معکوس از جمله شیوه هایی است که امروزه بطور گسترده در شیرین سازی آب دریا، جداسازی مواد آلی و سمی از پساب های صنعتی بکار برده می‌شود. از دستگاه آب شیرین کن صنعتی همچنین به منظور دستیابی به کیفیت بالای آب در صنایع مختلفی از جمله داروسازی، صنایع مواد غذایی، واحد های آبکاری صنایع سنگین و همچنین مراکز درمانی به خصوص بخش دیالیز بیمارستان های بزرگ استفاده می شود.
بطور کلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غشای نیمه تراوا و نیز فشار هیدرواستاتیک استوار است. لازم به توضیح است که فرایند اسمز معکوس می‌تواند TDS آب خام را تا ۹۹% کاهش دهد. در عمل کاهش TDS تا ۹۵% طبیعی است. همچنین حذف باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروارگانیسم ها با اسمز معکوس ۱۰۰% است. این فرایند برای تهیه آب آشامیدنی از آب های حاوی املاح معدنی زیاد و ناخالصی های آلی بسیار مفید است. امروزه روش اسمز معکوس اقتصادی ترین فرایند برای تهیه آب آشامیدنی از آبهای شور مناطق کم آب می‌باشد.

معایب دستگاه آب شیرین کن اسمز معکوس

اگرچه دستگاه های آب شیرین کن اسمز معکوس دارای مزایای فراوانی هستند ولیکن مشکلاتی نیز به همراه دارند. یکی از بزرگترین مشکلات آب شیرین کن های اسمز معکوس بیوفولینگ (Bio-fouling) می باشد که رفع چنین مشکلی نیازمند صرف انرژی و مواد شیمیایی است و از طرفی موجب تولید پساب و لجنی می شود که نیاز به دفع صحیح و یا تصفیه دارد. از جمله دیگر مشکلات در رابطه با دستگاه آب شیرین کن اسمز‌‌ ‌معکوس عدم توانایی فروشندگان این سیستم ها در طراحی دقیق و استفاده از تجهیزات نامرغوب به منظور کسب سود بیشتر می باشد. این امر موجب تحمیل ضررهای فراوانی به مصرف کنندگان این تکنولوژی می گردد.

 

ملاحظات مربوط به آب شیرین کن ها

فرآیند آب شیرین کن انرژی بسیار زیادی مصرف می‌کند. هزینه انرژی بیشترین سهم هزینه‌های عملیاتی یک واحد آب شیرین کن را شامل می‌شود. از آن‌جایی که قیمت انرژی بسیار ناپایدار است، هزینه‌های عملیاتی واقعی می‌توانند تغییرات زیادی کنند.

 

 

نخستین اولویت اقتصادی در مناطقی از جهان که با کمبود آب مواجه هستند کنترل مصرف، افزایش بهره‌وری و حفاظت از منابع آب شیرین موجود است. بازیافت پساب‌ها برای آب‌یاری و استفاده‌های صنعتی در مقایسه با روش شیرین‌سازی، مزیت‌های بیشتری دارد.

دستگاه های آب شیرین کن صنعتی که با روش اسمز معکوس (RO) کار می کنند، امروزه به عنوان یکی از مقرون به صرفه ترین و مؤثرترین روش های تصفیه آب برای استفاده های شرب و صنعتی مانند تصفیه آب ورودی دیگ ها، آب جبرانی برج های خنک کن، تولید آب واحدهای فرآیندی و حتی تولید آب مقطر به شمار می روند.

آب شیرین کن های صنعتی در سایز های متفاوت و با قابلیت تولید آب تصفیه شده در بازه وسیعی قابل طراحی و ساخت بوده و در صنایع مختلف مورد بهراه برداری قرار گرفته اند.

برای اینکه یک دستگاه آب شیرین کن از نظر عملکردی در شرایط مناسبی قرار داشته باشد، موارد مختلفی در طراحی آنها می بایست به دقت مد نظر قرار گیرد. در این مقاله به بررسی پنچ فاکتور مهم در طراحی آب شیرین کن های صنعتی خواهیم پرداخت.

 

1- منبع آب خوراک

 

نوع آب ورودی به دستگاه آب شیرین کن صنعتی یکی از تأثیرگذارترین عوامل طراحی کلی شامل تعداد مراحل فیلتراسیون و پیش تصفیه سیستم می باشد.

آب ورودی دستگاه آب شیرین می بایست در بخش پیش تصفیه به نحوی تصفیه شود که از رسوب گذاری و گرفتگی در ممبرانها در بخش اسمز معکوس جلوگیری شود. البته در دهه های اخیر، پیشرفت های حاصل شده در فناوری تولید ممبران و آنتی اسکالانت ها باعث کاهش هزینه در بخش پیش تصفیه آب شیرین کن ها شده است.

هر چه آب خوراک آب شیرین کن از خواص، ترکیب و دمای پایدارتری برخوردار باشد (مانند آب های زیرزمینی)، نسبت به آب های با دما و ترکیب ناپایدارتر و فصلی (مانند آب های سطحی یا پساب) نیاز به سیستم پیش تصفیه ساده تری خواهد بود.

 

2- دما و دبی آب

 

نرخ آب عبوری از ممبران به شدت تابع دما است. آب گرم نسبت به آب سرد، با سرعت بیشتری از ممبران RO عبور می کند. به همین دلیل است که در آب شیرین کن های صنعتی بزرگ از موتورهای فرکانس متغیر (VFD) استفاده می شود تا سرعت عبور آب از ممبران ها در دماهای مختلف تقریباً ثابت نگه داشته شود. البته، حتی در صورت استفاده از این نوع موتورها، لازمست تا دقت لازم در خصوص طراحی دستگاه با توجه به تغییرات احتمالی دمای آب انجام گیرد. عمده دستگاه های آب شیرین کن صنعتی معمولاً با فرض دمای آب 77 درجه فارنهایت (25 درجه سانتیگراد) طراحی و تولید می شوند.

دما و دبی آب در طراحی بخش های پیش تصفیه و اسمز معکوس دستگاه آب شیرین کن می بایست حتماً بصورت جدی مد نظر قرار گیرند. بنابراین لازمست تا دمای سردترین آب ورودی احتمالی تخمین زده شده و آب شیرین کن بر اساس آن طراحی شود. در غیر اینصورت، با کاهش دمای آب ورودی مخصوصاً در فصل زمستان، آب تولیدی آب شیرین کن از مقدار در نظر گرفته شده در طراحی کمتر خواهد شد.   

 

3- پیش تصفیه

 

کلر، علیرغم مزایایی که در ضدعفونی آب شهری دارد، اما به شدت باعث کاهش عمر و تخریب ممبران می شود. حذف کلر از آب خوراک دستگاه های آب شیرین کن توسط فیلتر کربن فعال و یا تزریق مواد شیمیایی مانند بی سولفیت سدیم در بخش پیش تصفیه صورت می گیرد.  

برای جلوگیری از رسوب گذاری کربنات کلسیم و منیزیم بر روی ممبران از سختی گیر رزینی که حاوی ستون رزین کاتیونی است در بخش پیش تصفیه استفاه می شود. همچنین از تزریق آنتی اسکالانت با توجه به مقدار سختی آب هم می توان برای پیشگیری از رسوب گذاری املاح سختی در بخش اسمز معکوس استفاده نمود.

 

4- آلاینده های میکروبی

 

علاوه بر رسوب گذاری سختی بر روی ممبران، وجود میکروارگانیسم ها در آب خوراک هم می تواند به واسطه تشکیل لایه فیلم باعث گرفتگی ممبران و به تبع آن کاهش تولید آب تصفیه شده گردد. به همین دلیل، حذف میکرو ارگانیسم ها در بخش پیش تصفیه آب شیرین کن هایی که با ممبران اسمز معکوس (RO) و یا نانوفیلتراسیون (NF) کار می کنند، بسیار اهمیت دارد. ممبران های RO و NF به دلیل ساختار داخلی مارپیچی (Spiral Wound) در آنها، تنها اجازه عبور جریان آب را در یک جهت می دهند. بنابراین امکان شستشوی لایه فیلم میکروبی از روی ممبران ها حتی با بک واش وجود ندارد. در این موارد، از تزریق مواد بایوساید (biocide) در آب خوراک با هدف کنترل رشد میکروبیولوژیکی استفاده می شود.

 

5- شاخص SDI

 

وجود ذرات معلق بیش از اندازه و یا گل و لای در آب ورودی باعث نیاز به شستشوی سریع ممبران ها و یا حتی از خرابی آنها می شود. حتی با وجود ذرات معلق با ابعاد کمتر از 5 میکرون، آب کاملاً شفاف به نظر می رسد.

با توجه به این موضوع و برای جلوگیری از کاهش راندمان و زمان خاموشی دستگاه، لازمست تا شاخص SDI آب ورودی آب شیرین کن در محل دستگاه بصورت دقیق اندازه گیری شده و بخش پیش تصفیه آب شیرین کن نیز بر آن اساس طراحی شود.

در صورت وجود ذرات معلق و گل و لای زیاد در آب خوراک، امکان نیاز به استفاده از مواد منعقد کننده در بالادست فیلترهای مولتی مدیا در بخش پیش تصفیه آب شیرین کن وجود خواهد داشت. البته در انتخاب نوع و همچنین میزان تزریق مواد منعقد کننده لازمست تا دقت بالای لحاظ شود. زیرا تزریق بیش از اندازه مواد منعقد کننده امکان گرفتگی ممبران ها را در پی خواهد داشت.

در برخی موارد و در صورت توزیع زیاد ابعاد ذرات معلق، نیاز به استفاده از ممبران های میکروفیلتراسیون (MF) و یا اولترافیلتراسیون (UF) در بخش پیش تصفیه آب شیرین کن خواهد بود.