تصفیه آب به روش اسمز معکوس

Spiral Ro membrane

اسمز معكوس

اسمزمعکوس فرآيندي که به موجب آن پديده طبيعي اسمز، با اعمال فشار بر روي محلول تغليظ شده در تماس با يک غشا نيمه تراوا، معکوس مي‌شود.

مكانيزم جداسازي در غشاها
مكانيزم جداسازي در غشاها

معادلات پايه اسمز معکوس

معادلات و روابط حاکم در اين فرآيند در چهار دسته زير تقسيم‌بندي مي‌شوند:

  1. موازنه مواد
  2. انتقال آب
  3. فشار اسمزي
  4. انتقال نمک

1. موازنه مواد در سامانه اسمز معکوس

خوراک پس از ورود به ماژول اسمز معکوس، به علت اختلاف فشار ايجاد شده در دو سمت غشا، مقداري از آب خود را از دست داده و به عنوان ماده تراوشی از طرف ديگر غشا خارج مي‌شود. آب تغليظ شده از املاح و نمک‌ها نيز از سيستم خارج مي‌شود. این جریانات ورودی و خروجی  تحت چهار نام مختلف نامگذاري مي‌شوند.

پارامتر CF خوراک مي‌تواند غلظت يک جزء يا غلظت کل املاح (يه به عبارتي همان TDS) باشد. به طور معمول غلظت کل املاح (TDS) در نظر گرفته مي‌شود. پارامتر Q در کليه جريان‌ها دبي با واحد m3/h و پارامتر J فلاکس با واحد m3/m2.h  مي‌باشد. در واحد فلاکس منظور از سطح ذکر شده در مخرج واحد، در واقع يک متر مربع از سطح مؤثر غشا مي‌باشد.

از آنجايي که غلظت املاح و نمک‌ها در خوراک ورودي به ماژول از ابتدا تا انتهاي ماژول (خروجي) در حال تغيير و رو به افزايش است لذا براي انجام يک موازنه جرم ساده، لازم است که متوسطي از غلظت املاح و نمک‌ها در طول اين ماژول محاسبه گردد. لذا پارامتر Cfc (غلظت در بالا دست غشا) از ميانگين غلظت کل املاح در ورودي و خروجي ماژول محاسبه مي‌گردد.

ورودی خروجی فرایند غشایی
سامانه و فرآيند اسمزمعکوس و پارامترهاي جرياني

Qf=Qp+Qc : موازنه کل جرم

Qf.Cf=Qp.Cp+Qc+Cc : موازنه جرم روي نمک

– فشار اسمزی

فشار اسمزی به پارامترهاي زير بستگي دارد:

  • غلظت املاح و نمک‌ها
  • دماي محلول
  • نوع يون‌هاي موجود

براي محلول‌هاي رقيق، فشار اسمزي به وسيله معادله وانت هوف محاسبه مي‌شود:

Vi Ci RT=π

π = فشار اسمزي

Vi = تعداد يون‌هاي تشکيل شده، اگر ماده حل شده تفکيک شود.

Ci = غلظت مولي ماده حل شده

R = ثابت جهاني گاز

T = دماي مطلق

انتقال آب در اسمز معکوس

براي محاسبه دبي آب تراوش کرده از غشاي اسمز معکوس از رابطه زير استفاده مي‌شود:

QP=KmA(∆P-∆π)/τ

QP = دبي آب عبوري از غشا

Km = ضريب تراوايي غشا براي آب (تابع جنس غشا و دما مي‌باشد)

A = مساحت سطح غشا

∆P = اختلاف فشار هيدروليکي در عرض غشا

∆π = اختلاف فشار هيدروليکي در عرض غشا

τ = ضخامت غشا

– انتقال نمک

انتقال نمک در عرض يک غشا با اختلاف غلظت در عرض غشا متناسب است:

QS=KSA∆C

Qs = دبي نمک عبوري از غشا

Ks = ثابت انتقال نمک (تابع جنس غشا و دما)

A = مساحت سطح غشا

C∆ = اختلاف غلظت نمک در عرض غشا

براي محاسبه فلاکس نمک مي‌توان از رابطه روبرو استفاده کرد:

JS=QS/A=KS∆C

C=CmCP

JS = فلاکس نمک عبوري از غشا

Cm = غلظت نمک در سطح غشا

CP = غلظت نمک در آب تراوش کرده

Ks پارامتري وابسته به دما مي‌باشد که براي هر نوع غشا ثابت منحصر به فردي را ارائه مي‌دهد.

 شوري آب تراوش کرده

شوري آب تراوش کرده CP، به نسبت دبي آب و نمک عبوري از غشا بستگي دارد: =CP

Qs/Qp=Cp

 عبور نمک

انتقال نمک از عرض يک غشا اساساً به عنوان عبور نمک بيان مي‌شود:

SP= CP/CFC*100

SP = درصد عبور نمک

CP = غلظت نمک در جريان محصول (آب تراوش)

CFC = متوسط غلظت نمک در جريان خوراک

اين پارامتر براي يک غشا اسمز معکوس با استفاده از يک محلول استاندارد از Nacl تعيين مي‌شود. اين پارامتر تابع شرايط به کارگيري ماژول اسمز معکوس مي‌باشد و معياري براي مقايسه انواع ماژول‌هاي RO مي‌باشد.

بازيابي يا تبدیل

بازيابي يا تبديل اساساً براي تعريف درصدي از آب خوراک استفاده مي‌شود که به آب محصول يا تراوش کرده تبديل شده است.

R= (QP/ QF)*100

R = درصد بازيابي يا تبديل

QP = دبي جريان محصول (تراوش)

QF = دبي جريان خوراک

اين پارامتر از پارامترهاي طراحي است که طراحان مقدار آن را در اکثر سامانه‌هاي اسمز معکوس، 50 يا 75 درصد در نظر مي‌گيرند. در مقادير بالاتر از R، مقدار استهلاک و نيز هزينه‌ها بالا مي‌رود. گاهاً هزينه بالاي فرآيند پيش تصفيه در نظر گرفته شده باعث مي‌شود که مقدار R بالاتر از 75 درصد انتخاب شود.

شوري يا به عبارتي TDS بالاي آب باعث مي‌شود که R پايين انتخاب شود به عنوان مثال در شيرين سازي آب دريا مقدار بازيابي حدود 30 تا 45 درصد مي‌باشد. چون در TDS بالا امکان رسوب‌گذاري در غشا بالا مي‌رود و از طرفي امکان افزايش شوري آب محصول (با توجه به پارامتر QS) نيز بالا مي‌رود.

در انتخاب مقدار R مي‌توان آب خام موجود و مقدار آب محصول مورد نياز مشتري و همچنين چالش دور ريز فرآيند توجه داشت. مقدار R با افزايش فضا و سطح غشا افزايش مي‌يابد.

فاکتورهاي تأثيرگذار بر عملکرد غشاي اسمز معکوس

فاکتورهاي مؤثر بر عملکرد غشاي اسمز معکوس عبارتند از :

  1. ترکيب درصد آب خوراک
  2. دماي خوراک
  3. فشار خوراک
  4. بازيابي سيستم (R)
  5. فشردگي غشا
  6. پلاريزاسيون غلظتی
ماژول اسمزمعکوس

ماژول غشايي يک محفظه (مخزن فشار) حاوي يک يا چندين المان غشايي است. ماژول جريان‌هاي مختلف خوراک، محصول و آب تغليظ شده را ايزوله و آب‌بندي ميکند. مرسوم‌ترين حالت موجود در بازار به صورت الياف توخالي و حلزوني (مارپيچي) مي‌باشد. از ديگر انواع ماژول غشايي نوع لوله‌اي و نيز قاب و صفحه‌اي است.

اجزای داخلی ماژول مارپیچی RO
اجزاء و نحوه قرارگيري اجزاء يک ماژول مارپيچي RO

ابعاد المان اسمز معکوس

اين المان‌ها در طولهاي مرسوم‌تر 40 و 60 اينچي (گاهاً 12، 20 و 25 اينچ) و قطرهاي مرسوم‌تر 4 و 8 اينچ (گاهاً 2، 5/2 ، 5/3، 6، 5/8 و 12 اينچ) توليد مي‌شوند.

عمليات ماژول‌هاي مارپيچي

هر المان منفرد در بازيابي 8 تا 15 درصد کار مي‌کنند. براي دستيابي به بازيابي 50 درصدي، 4 تا 7 المان به صورت سري درون يک محفظه فشار با طول 22 فوت (يک ماژول) به هم متصل مي‌شوند. ظرفيت و بازيابي مطلوب سامانه اسمز معکوس با اتصال ماژول‌ها در حالت سري و موازي قابل دستيابي است.

انواع المان مارپيچي اسمز معکوس

BW

Brackish Water

مخصوص آب‌هاي لب شور

SW

Sea Water

مخصوص آب‌هاي بسيار شور TDS>10000ppm

TW

Tab Water

مخصوص آب‌هاي آشاميدني

NF

Nano Filtration

FR

Fouling Resistant

غشاهايي با سطح اصلاح شده به منظور کاهش گرفتگي

HR

High Rejection

غشاهايي که محصول کمتري دارند

LP&XLP

Low pressure & Extra low pressure

غشاهايي که محصول بالا ولي SR کمتري دارند

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *