روش های تصفیه آب دریا و آب های شور

علاوه بر کمبود منابع آب شیرین بر روی کره زمین، عدم پراکندگی صحیح آنها در کشورهای مختلف باعث شده است تا بیش از 80 کشور در دنیا با مشکل کمبود آب مواجه باشند. به همین دلیل لازم است با روش های تصفیه آب شور و شیرینی سازی آب های دریا به این مشکل غلبه کرد. روش های مورد استفاده برای جداسازی و کاهش مقدار نمک موجود در آب های شور را می توان در یک تقسیم بندی کلی در سه گروه قرار داد که عبارتند از:

1. شیرین سازی آب دریا با روش های حرارتی
2. تصفیه آب دریا با روش های غشایی
3. تصفیه آب شور با روش های ترکیبی

هر یک از این روش ها از مکانیزم ها و تجهیزات متفاوتی برای تصفیه آب دریا استفاده می کنند که در ادامه به معرفی برخی از آنها میپردازیم:

شیرین سازی آب دریا با روش های حرارتی

با توجه به اینکه حرارت دهی و تبخیر آب منجر به جداسازی نمک و املاح موجود در آن می گردد، به همین دلیل از این خاصیت استفاده نموده و روش های متعددی از قبیل موارد زیر برای تصفیه آب شور ارائه شده است:

تقطیر فلش چند مرحله ای (MSF)

تقطیر چند مرحله ای یا Multi-stage flash distillation یکی از اصلی ترین و رایج ترین روش ها برای شیرین سازی آب دریا می باشد که در آن آب در دمای 90 تا 120 درجه سانتیگراد قرار میگیرد. به طور خلاصه روند تصفیه آب شور با این روش را می توان به صورت زیر بیان نمود:

1. آب شور دریا وارد مخازنی با دمای 90 تا 120 درجه سانتی گراد میشوند.
2. پس از حرارت دهی آب وارد گام بعدی یعنی کاهش شدید فشار شده و عمل تبخیر سریع به صورت فلاشینگ رخ می دهد.
3. در پی عمل تبخیر سریع، قطرات آب روی لوله های مبدل حرارتی چگالیده شده و وارد مرحله بعد یعنی کاهش زیاد فشار خواهد شد.
4. به دلیل کاهش فشار هوا، مجدد تبخیر سریع رخ می دهد.

با توجه به نوع آب و میزان نمک موجود در آن، تعداد مراحل تکرار ین فرآیند 4 تا 40 مرتبه خواهد بود. لازم به ذکر است که با روش MSF روزانه 50 تا 60 هزار متر مکعب آب شرو دریا را می توان به آب شیرین و بدون املاح و نمک تبدیل نمود. علیرغم راندمان و بازدهی بالا این روش، ایجاد رسوب زیاد بر روی لوله های ضد زنگ در تجهیزات تصفیه و همچنین هزینه بر بودن آن از نقاط منفی این روش محسوب میشوند.

تقطیر چند اثره (MED)

از دیگر روش های مورد استفاده در تصفیه آب دریا می توان به تقطیر چند اثره اشاره نمود. تقطیر چند اثره یا Multiple-effect distillation یکی از روش های مقرون به صرفه برای نمک زدایی آبهای شور می باشد که اساس کار در آن بر پایه حرارت دهی و تقطیر آب و حذف نمک پیاده سازی شده است. در این روش در لوله های حرارتی بخار آب موجود بوده و آب تغذیه در تماس با این لوله ها به بخار تبدیل میشود. بخار تولید شده در این گام وارد مرحله بعد میشود که در آن آب شور با بخار تبادل دمایی انجام داده و تبخیر صورت میگیرد. در اثر تبخیر آب شور نمک و املاح آن رسوب کرده و بخار بدون نمک تقطیر شده و آب شیرین بدست خواهد آمد.

تقطیر فشرده سازی بخار (VC)

در این روش تصفیه آب شور، از بخار متراکم شده با دمای بالا استفاده میشود تا با آب شور تبادل دمایی انجام دهد و منجر به تبخیر شود. نوع تجهیزات مورد نیاز برای این روش هزینه بر بوده و به همین دلیل استفاده از تقطیر فشرده سازی بخار کاربرد زیادی در صنعت تصفیه آب دریا ندارد.

تصفیه آب دریا با روش های غشایی

با توجه به هزینه های نسبتا زیاد و همچنین زمان بر بودن راه اندازی تجهیزات مورد نیاز برای روش های حرارتی، در حال حاضر در محیط های صنعتی و همچنین مسکونی از روش های غشایی برای کاهش مقدار نمک موجود در آب استفاده میشود. از جمله روش های غشایی مورد استفاده برای نمک زدایی آب های شور دریا می توان به گزینه های زیر اشاره نمود:

نمک زدایی با اسمز معکوس RO

اسمز معکوس یکی از روش های بسیار کاربردی در صنعت شیرین سازی آب می باشد که برخلاف رفتار طبیعت عمل می کند. عکس روند شیرین سازی آب شور با اسمز معکوس را می توان در کلیه انسان و همچنین رفتار ریشه گیاهان مشاهده نمود. در این روش آب با فشار تولید شده توسط پمپ از غشای نیمه تراوا عبور نموده و منافذ کوچک آن باعث میشوند تا نمک و املاح موجود در آب امکان عبور را پیدا نکنند. استفاده از دستگاه آب شیرین کن صنعتی RO نه تنها در تصفیه آب های شور دریا استفاده میشود، برای در دستگاه های تصفیه آب خانگی نیز کاربرد داشته و در از بین بردن باکتری ها و سایر آلودگی های موجود در آب نیز موثر عمل می کند.

تصفیه آب شور با نانوفیلتراسیون

نانو فیلتراسیون از روش ها و تجهیزات مدرنی می باشد که برای حذف یون های موجود در آب کاربرد دارد. این تجهیزات دارای غشا و ممبران با منافذ بسیار کوچکی بوده و امکان عبور یون و املاح و ذرات ریز موجود در آب از آن امکان پذیر نمی باشد. این روش برای تصفیه آب دریا با مقدار زیاد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد.

نمک زدایی با الکترودیالیز

یون های نمک موجود در آب دارای بارهای مثبت و منفی می باشد و از این ویژگی می توان برای جذب و عدم امکان عبور از غشای رزین در نظر گرفته شده استفاده نمود. در روش الکترودیالیز از الکترودهایی استفاده میشود که به جریان مستقیم برق متصل می باشند. ورود این الکترودها به آب منجر به جذب یون ها با بار مخالف شده و بر روی لایه رزینی در نظر گرفته شده انباشته میشوند. این روش در مصارف بزرگ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه نمی باشد.

تصفیه آب شور با روش های ترکیبی

هر یک از روش های حرارتی و غشایی که به آنها اشاره شد دارای مزایا و معایبی می باشند و به همین دلیل روش های ترکیبی ارائه شده اند تا راندمان بیشتری در زمینه تصفیه آب دریا دریافت شوند. از جمله روش های آب شیرین کن ترکیبی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

تصفیه آب دریا با روش MSF-RO

یکی از بزرگترین معایب و محدودیت های موجود در روش اسمز معکوس، انباشته شدن نمک و املاح بر روی غشا و کاهش کارایی آن و نیاز به روش های شستشوی ممبران ها می باشد. این مساله مخصوصا در تصفیه آب های شور با حجم بالا به عنوان چالش بزرگی دیده میشود و به همین دلیل لازم است به شیوه های مختلف با آن غلبه کرد. یکی از راهکارهای مناسب استفاده از روش MSF به عنوان پیش تصفیه می باشد که مقدار نمک را تا حد بسیار زیادی کاهش داده و در نتیجه غشاهای اسمز معکوس کمتر نیاز به شستشو و تعویض خواهند داشت.

شیرین سازی آب دریا با روش NF-MSF

در روش هیبریدی بعدی از نانوفیلتراسیون به منظور کاهش مقدار نمک و املاح موجود در آب استفاده می شود. در مرحله بعد آب با مقدار کمتری از یون ها وارد تجهیزات MSF خواهند شد. با انجام این روش مقدار املاح رسوب شده بر روی لوله ها و تاسیسات روش MSF کاهش پیدا می کند.

نمک زدایی آب شور با NF-RO-MSF

از بهترین روش ها که آب شیرین با کیفیت بسیار بالا تولید میکند، ترکیب سه روش نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس و MSF می باشد. ترتیب اجرای عمل تصفیه آب شور در این روش NF سپس RO و در نهایت MSF می باشد. در این روش ابتدا مقدار زیادی از املاح به کمک نانوفیلتراسیون از آب حذف شده و خروجی آن وارد تجهیزات اسمز معکوس می گردد. در گام بعدی و به کمک غشای نیمه تراوا و فشار وارد شده توسط پمپ از عبور نمک و یون های باقی مانده جلوگیری خواهد شد. خروجی این دستگاه وارد MSF شده و با راندمان بسیار بالا تا حد بسیار زیادی یون و املاح آب حذف می گردد و مقدار مواد رسوب شده بر روی لوله ها و تاسیسات نیز کاهش پیدا خواهد کرد. البته لازم به ذکر است که به دلیل استفاده از تجهیزات متعدد، این روش ها نیاز به هزینه راه اندازی بالایی دارند.

از دیگر روش های نمک زدایی:

• نمک زدایی به کمک مواد شیمیایی رسوب دهنده
• نمک زدایی آب با فرآيند تبادل یونی در سیکل سدیم ، در سیکل هیدروزن یا هیدروکسیل

کاربرد تصفیه آب دریا در کشاورزی

کشاورزی از جمله کارهایی می باشد که مصرف آب در آنها بسیار زیاد بوده و استفاده از آب های شیرین و آشامیدنی برای انجام این کار به شدت به منابع آب زیر زمینی آسیب وارد می کند. به همین دلیل در مناطقی که فاصله کمی با دریا دارند می تون با تصفیه آب های شور از آنها در کشاورزی و باغبانی و آبیاری استفاده نمود. با استفاده از روش های متعددی که در طول متن به آنها اشاره شد، می توان آب دریا را به استانداردهای مورد نیاز برای مصرف در کشاورزی رساند و از این طریق از ورود سدیم به خاک جلوگیری خواهد شد. علاوه براین، آبیاری با آب بدون نمک و املاح منجر به تولید محصولات بهتر با کیفیت بیشتر خواهد شد.

کاربرد تصفیه آب شور در صنعت

از دیگر بخش هایی که به شدت مصرف آب بالایی داشته و همچنین منجر به ورود آلاینده های مختلف به پساب ها می شوند، کارخانجات و بخش های صنعتی و پالایشگاه ها می باشند. به همین دلیل استفاده از منابع آب های زیر زمینی در صنعت می تواند یک تهدید بزرگ برای کاهش آب های قابل شرب محسوب شود. علاوه براین، استفاده از آب های شور منجر به ایجاد رسوب بسیار زیاد بر روی تجهیزات مختلف از قبیل تاسیسات و دیگ های بخار و بویلر خواهد شد که خطرات متعددی را به همراه دارند. با نمک زدایی نه تنها مقدار مصرف آب های شیرین و آشامیدنی در محیط های صنعتی را می توان کاهش داد، بلکه از آسیب وارد شدن به تجهیزات آنها نیز جلوگیری به عمل می آید.

کاربرد تصفیه آب دریا در آب آشامیدنی

همان طور که در ابتدای متن اشاره شد، تنها یک تا دو درصد از کل آب موجود در کره زمین قابلیت استفاده به عنوان آب آشامیدنی و شرب را دارا می باشند. علاوه براین، استفاده از آب با املاح و نمک زیاد به شدت به سلامتی بدن آسیب وارد می کند. به همین دلیل در تصفیه خانه های بزرگ از روش های شیرین سازی آب های شور می توان استفاده نمود تا به این محدودیت غلبه کرد. علاوه براین، استفاده از دستگاه های تصفیه آب خانگی که اغلب با روش اسمز معکوس فرایند نمک زدایی را انجام می دهند، در سالهای اخیر کاربرد زیادی پیدا کرده اند.