با افزایش جمعیت و کاهش منابع آب آشامیدنی شیرین و با کیفیت، بسیاری از جوامع استفاده از فرآیندهای نمک زدایی را برای تامین آب شیرین در زمانی که دیگر منابع و روش های تصفیه آب غیراقتصادی هستند یا از نظر زیست محیطی مضر هستند، در نظر گرفته اند. نمک زدایی به تمامی فرآیند هایی گفته می شود که نمک های اضافی و سایر مواد معدنی را از آب حذف می کند. در اکثر فرآیند های نمک زدایی، آب ورودی به دستگاه آب شیرین کن صنعتی تصفیه می شود و دو جریان آب تولید می شود:
- آب شیرین تصفیه شده که غلظت کمی از املاح و مواد معدنی دارد.
- کنسانتره یا آب نمک که غلظت نمک و مواد معدنی آن بیشتر از آب ورودی به دستگاه است.
آب ورودی برای فرآیندهای نمک زدایی می تواند آب دریا یا آب شور باشد. آب شور حاوی نمک بیشتری نسبت به آب شیرین و کمتر از آب نمک است. معمولاً در مصب ها، که مسیرهای پایینی رودخانه ها در محل برخورد آنها با دریا هستند، و سفره های آب زیرزمینی که ذخیره آب زیرزمینی هستند، یافت می شود.
یکی از اولین تصفیه خانه های آب شیرین کن در ایالات متحده در سال 1961 در فری پورت، تگزاس ساخته شد. این شرکت با استفاده از فرآیند تقطیر لوله عمودی طولانی (LVT) روزانه 1 میلیون گالن آب برای شهر فری پورت تگزاس تولید کرد. با پیشرفت سریع فناوری، دو فرآیند دیگر – حرارتی و غشایی – گزینه های مناسبی برای تبدیل آب شور به آب شیرین آشامیدنی هستند.
منابع آب مورد استفاده برای نمک زدایی آب
عوامل متعددی بر انتخاب آب های منبع برای تغذیه نیروگاه های آب شیرین کن تأثیر می گذارند مانند: موقعیت کارخانه در رابطه با منابع آب موجود، مقصد تحویل آب تصفیه شده، کیفیت آب منبع، گزینه های پیش تصفیه موجود، و اثرات زیست محیطی تولید کنسانتره و…
آب دریا
آب دریا یا از سطح آب یا از زیر کف دریا به دستگاه نمک‌زدایی وارد می‌شود. در گذشته، کارخانه های نمک زدایی آب دریا با ظرفیت بالا از آبگیرهای سطحی در دریای آزاد استفاده می کردند. اگرچه استفاده از آب سطحی می تواند بر زندگی موجودات زنده در اقیانوس تأثیر بگذارد اما مسائل مربوط به این روش را می توان با طراحی مناسب، بهره برداری و نگهداری فناوری ها به حداقل رساند یا حل کرد. این فناوری ها شامل صفحه های غیرفعال، صفحه های مشبک ظریف، موانع شبکه فیلتر و سیستم های رفتاری است. این روش ها برای جلوگیری یا به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی بر روی منطقه آب ورودی به سیستم و برای به حداقل رساندن مقدار پیش تصفیه مورد نیاز قبل از رسیدن آب ورودی به سیستم های تصفیه اولیه طراحی شده اند.
در صورتی که موقعیت زمین شناسی محل آبگیر اجازه دهد، آبگیرهای زیرسطحی گاهی امکان پذیر است. هنگامی که آب از زیر سطح وارد می شود، این فرآیند آسیب کمتری به جانداران دریایی وارد می کند. با این حال، اگر موقعیت زمین شناسی آب ورودی به سیستم نامطلوب باشد، آبگیری زیرسطحی می تواند به سفره های آب شیرین مجاور آسیب برساند. روش های آبگیری زیرسطحی شامل چاه های ساحلی عمودی، چاه های شعاعی و گالری های نفوذی است.
مزیت اصلی استفاده از آبگیر زیرسطحی این است که آب به طور طبیعی در حین عبور از پروفیل خاک به آبگیر فیلتر می شود. این فیلتراسیون کیفیت آب خوراک را بهبود می بخشد و نیاز به پیش تصفیه را کاهش می دهد.
آب شور
آب شور معمولا به عنوان منبعی برای تاسیسات نمک زدایی آب استفاده می شود. این آب ها معمولا از مصب رودخانه ها یا چاه های آب شور کشیده می شود. از آنجایی که معمولاً نمک کمتر و غلظت مواد جامد معلق کمتری نسبت به آب دریا دارد، آب شور نیاز به پیش تصفیه کمتری دارد که هزینه های کلی تولید را کاهش می دهد. با این حال، یک نقطه ضعف این نوع آب این است که دفع آب نمک از محل نمک زدایی داخلی هزینه ها را افزایش می دهد و می تواند باعث بالا رفتن نگرانی های زیست محیطی شود.
فن آوری های نمک زدایی آب
دو فن آوری تقطیر عمدتاً در سراسر جهان برای نمک زدایی استفاده می شود: تقطیر حرارتی و تقطیر غشایی.
فن آوری های تقطیر حرارتی به طور گسترده در خاورمیانه مورد استفاده قرار می گیرد، در درجه اول به این دلیل که ذخایر نفتی منطقه هزینه های انرژی را پایین نگه می دارد. سه فرآیند اصلی حرارتی در مقیاس بزرگ عبارتند از تقطیر فلش چند مرحله ای (MSF)، تقطیر چند اثره (MED) و تقطیر فشرده سازی بخار (VCD). یکی دیگر از روش های حرارتی، تقطیر خورشیدی است که در آب شیرین کن های خورشیدی کاربرد دارد و معمولاً برای تولید بسیار کم استفاده می شود.
فناوری های تقطیر غشایی عمدتاً در ایالات متحده استفاده می شود. این سیستم ها آب ورودی را با استفاده از یک گرادیان فشار برای تغذیه اجباری آب از طریق غشاها تصفیه می کنند. سه فرآیند اصلی غشایی عبارتند از: الکترودیالیز (ED)، معکوس الکترودیالیز (EDR) و اسمز معکوس (RO).
فناوری های حرارتی برای نمک زدایی آب
تقطیر فلش چند مرحله ای
تقطیر فلش چند مرحله ای فرآیندی است که آب تغذیه شور را از طریق محفظه های متعدد می فرستد. در این محفظه ها، آب گرم شده و تا دمای بالا و فشار بالا فشرده می شود. با عبور تدریجی آب از داخل محفظه ها، فشار کاهش می یابد و باعث می شود که آب به سرعت بجوشد. بخار تولید شده که آب شیرین است در هر محفظه پس از جوشیدن تولید می شود و سپس متراکم و جمع آوری می شود.
تقطیر چند اثره
تقطیر چند اثر از همان اصول فرآیند تقطیر فلش چند مرحله ای استفاده می کند با این تفاوت که تقطیر چند اثره (MED) به جای استفاده از محفظه های متعدد از یک ظرف با رگ های متوالی استفاده می کند. بخار آبی که هنگام جوشیدن آب ایجاد می شود، متراکم شده و جمع می شود. رگ های متعدد فرآیند MED را کارآمدتر می کند.
تقطیر فشرده سازی بخار
تقطیر فشرده سازی بخار می تواند به طور مستقل عمل کند یا در ترکیب با فرآیند تقطیر حرارتی دیگر استفاده شود. تقطیر فشرده سازی بخار (VCD) از گرمای حاصل از فشرده سازی بخار برای تبخیر آب ورودی استفاده می کند. واحدهای VCD معمولاً برای تولید آب شیرین برای مقاصد کوچک تا متوسط مانند استراحتگاه ها، صنایع و سایت های حفاری نفت استفاده می شوند.
تقطیر خورشیدی
تقطیر خورشیدی عموماً برای عملیات در مقیاس کوچک استفاده می شود. اگرچه طراحی واحد های تقطیر خورشیدی بسیار متفاوت است اما اصول اولیه یکسان است. خورشید انرژی لازم برای تبخیر آب شور را فراهم می کند. بخار آب تشکیل شده از فرآیند تبخیر سپس بر روی شیشه شفاف یا پوشش پلاستیکی متراکم می شود و به عنوان آب تازه در مخزن میعانات جمع آوری می شود. این پوشش هم برای انتقال انرژی تابشی و هم برای متراکم شدن بخار آب در سطح داخلی آن استفاده می شود. نمک و آب تبخیر نشده باقی مانده در داخل سیستم محلول آب نمک را تشکیل می دهد که باید به طور مناسب دور ریخته شود.
از آب شیرین کن خورشیدی اغلب در مناطق خشک که آب شیرین سالم در دسترس نیست استفاده می شود. واحدهای تقطیر خورشیدی با توجه به طراحی و موقعیت جغرافیایی خود مقادیر متفاوتی آب شیرین تولید می کنند. آزمایش های اخیر روی چهار طرح ثابت خورشیدی توسط سرویس توسعه AgriLife تگزاس در کالج استیشن، تگزاس، نشان داده است که یک دستگاه آب شیرین کن خورشیدی با کمتر از ۷.۵ فوت مربع مساحت می تواند آب کافی برای زنده ماندن یک فرد تولید کند.
فناوری های غشایی برای نمک زدایی آب
فرآیند نمک زدایی غشایی از یک مانع فیزیکی – غشاء – و یک نیروی محرکه استفاده می کند. نیروی محرکه می تواند یک پتانسیل الکتریکی باشد که در الکترودیالیز یا معکوس الکترودیالیز استفاده می شود و یا یک گرادیان فشار که در اسمز معکوس استفاده می شود.
فناوری های غشایی اغلب مستلزم این هستند که آب تحت پیش تصفیه شیمیایی و فیزیکی قرار گیرد تا انسداد توسط زباله ها و تشکیل رسوب روی سطوح غشایی کمتر شود.
الکترودیالیز و معکوس الکترودیالیز برای نمک زدایی آب
غشاهای مورد استفاده در الکترودیالیز و معکوس الکترودیالیز طوری ساخته شده اند که اجازه عبور یون های دارای بار مثبت یا منفی را می دهند، اما اجازه عبور همزمان هر دو را نمی دهد. یون ها، اتم ها یا مولکول هایی هستند که دارای بار خالص مثبت یا منفی هستند. چهار مولکول یونی رایج در آب شور عبارتند از سدیم، کلرید، کلسیم و کربنات.
الکترودیالیز و معکوس الکترودیالیز از نیروی محرکه یک پتانسیل الکتریکی برای جذب و حرکت کاتیون های مختلف (یون های با بار مثبت) یا آنیون ها (یون های با بار منفی) از طریق یک غشای تراوا استفاده می کنند و در طرف دیگر آب شیرین تولید شده از سیستم خارج می شود.
کاتیون ها به سمت الکترود منفی و آنیون ها به سمت الکترود مثبت جذب می شوند. وقتی غشاها طوری قرار می گیرند که برخی فقط به کاتیون ها اجازه عبور می‌دهند و برخی دیگر فقط به آنیون‌ها اجازه عبور می‌دهند، فرآیند می تواند به طور موثر اجزایی را از آب ورودی حذف کند که آن را به محلول نمکی تبدیل می کند.
فرآیند معکوس الکترودیالیز مانند فرآیند الکترودیالیز عمل می کند. تنها تفاوت این است که در فرآیند معکوس، قطبیت یا بار الکترودها به صورت دوره ای تغییر می کند. این معکوس شدن جریان یون ها به حذف پوسته پوسته شدن و سایر مواد زائد از غشاها کمک می کند که عمر عملیاتی سیستم را افزایش می دهد.
اسمز معکوس
اسمز معکوس از یک گرادیان فشار به عنوان نیروی محرکه برای حرکت آب ورودی شور پرفشار از طریق غشایی استفاده می کند که از عبور یون های نمک جلوگیری می کند.
چندین فرآیند تصفیه غشایی از جمله اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون وجود دارد. اندازه منافذ غشاها با توجه به نوع فرآیند متفاوت است.
از آنجایی که غشای RO دارای منافذ کوچکی است، آب تغذیه باید قبل از عبور از آن به اندازه کافی تصفیه شود. آب را می توان به صورت شیمیایی پیش تصفیه کرد تا از رشد بیولوژیکی و پوسته پوسته شدن جلوگیری شود و از نظر فیزیکی برای حذف هر گونه مواد جامد معلق عمل پیش تصفیه صورت می پذیرد.
آب ورودی با فشار بالا از طریق عناصر غشایی منفرد جریان می یابد. المان غشایی RO مارپیچی در یک الگوی مارپیچی متحدالمرکز ساخته شده است که اجازه می دهد تا لایه های متناوب از آب ورودی و فاصله آب نمک، غشاء RO و یک حامل آب متخلخل محصول عملکرد مناسب را داشته باشند. حامل آب متخلخل محصول اجازه می دهد تا آب شیرین به مرکز عنصر غشایی جریان یابد تا در لوله آب محصول جمع شود.
برای فعال کردن هر مخزن تحت فشار برای تصفیه آب بیشتر، عناصر غشایی جداگانه به صورت سری به هم متصل می شوند. پس از عبور آب از عناصر غشایی درون مخازن تحت فشار، آب تصفیه شده از دستگاه خارج می شود. پس از تصفیه آب برای توزیع به مصرف کنندگان آماده می شود.
روش های دفع آب نمک حاصل از نمک زدایی
هر دو فرآیند نمک زدایی حرارتی و غشایی جریانی از آب شور را تولید می کنند که دارای غلظت بالایی از نمک و سایر مواد معدنی یا مواد شیمیایی است که در طی فرآیند نمک زدایی حذف شده اند. برای تمام فرآیندها، آب نمک باید به روشی اقتصادی و سازگار با محیط زیست دفع شود.
گزینه های تخلیه آب نمک شامل تخلیه به اقیانوس، تزریق از طریق چاه به آبخوان شور و تبخیر است. هر گزینه دارای مزایا و معایبی است. در همه موارد، آب شور باید کمترین تأثیر را بر منابع آبی اطراف یا سفره های زیرزمینی داشته باشد. ملاحظات خاص برای کیفیت آب عبارتند از غلظت نمک، دمای آب، غلظت اکسیژن محلول، و هر ماده ای که به عنوان پیش تصفیه اضافه می شود.
با کاهش منابع آب شیرین با کیفیت بالا، جوامع بیشتری نمک زدایی آب شور را برای تولید آب آشامیدنی در نظر خواهند گرفت. همه فن آوری های نمک زدایی بر اساس محدودیت ها و الزامات خاص دارای مزایا و معایبی هستند. نمک زدایی در مقیاس کوچک آب شور با استفاده از دستگاه های ثابت خورشیدی یک روش امیدوارکننده در مکان‌های دوردست است که آب با کیفیت مناسب برای آشامیدن و پخت و پز در دسترس نیست. برای اجرای گسترده تر، فرآیندهای نمک زدایی نیاز به پیشرفت های تکنولوژیکی و افزایش بهره وری انرژی دارند.