روش های شیرین سازی آب دریا

اکثرکشورهای خشک و نیمه خشک با مشکلات ناشی از کمبود آب مطلوب مواجه هستند. در نتیجه این کشورها درصدد تامین منابع آب به میزان بالا هستند. شیرین سازی آب دریا تبدیل به یک منبع عظیم برای تولید آب جهت مصارف کشاورزی، صنعتی و خانگی در بسیاری از مناطق جهان گردیده است. منابع آب شیرین حاصل از رودخانه ها و منابع آب زیرزمینی محدود است و با سرعت فزاینده ای درحال تهی شدن است و زنگ خطر را در بسیاری از مناطق جهان به صدا در آورده است. از این رو از فرآیند های شیرین سازی آب دریا، جهت تامین آب شیرین مورد نیاز استفاده می شود.

فرآیند شیرین سازی آب دریا

• جریان آب شیرین با ذرات نمک حل نشده کم
•  جریان آب شور

فرآیند های شیرین سازی آب، فرآیند هایی به منظورخالص سازی آب دریا برای مصارف آشامیدنی است، یک سیستم آب شیرین کن به طورکلی آب شور را به دو جریان تقسیم می کند، یکی جریان آب خالص با درصد بسیارکمی از نمک و املاح  و دیگری جریانی که حاوی نمک املاح باقیمانده می باشد. جداسازی نمک ازمخلوط آب نمک، یک فرآیند ترمودینامیکی است که نیاز به انرژی دارد، یک فرآیند ایده آل آب شیرین کن به عنوان یک فرآیند جداسازی برگشت پذیر محسوب می شود.

انواع فرآیندهای آب شیرین کن از لحاظ تغییر فاز

۱)فرآیند هایی که در آن ها تغییر فاز صورت می گیرد

-فرآیند تقطیر چند مرحله ای (Multi effect distillation)

-تقطیر به کمک چند مرحله انبساط ناگهانی(Multi stage flash distillation)

-تقطیر فشرده سازی بخار (Vapor compression distillation)

۲)فرآیند هایی که در آن ها تغییر فاز اتفاق نمی افتد

-فرآیند اسمز معکوس (Reverse osmosis)

-فرآیند الکترودیالیز (Electro dialysis)

روش های شیرین سازی آب دریا 

فرآیند تقطیر

اکثر راه های معمول نمک زدایی آب شامل فرآیند های جوشش و تبخیر می باشد، در یک دستگاه تقطیر آب به جوش می آید و بخارتولید می نماید که از چگالش این بخار آب خالص تولید می شود. تقطیر آب هنوز بهترین و مرسوم ترین روش شیرین سازی آب دریا است. در این فرآیند از تبخیر آب شور و چگالش آب به آب خالص دست یافته می شود، این تکنولوژی به دلیل اطمینان بیشتر و مصرف انرژی کمتر به طورگسترده ای طی ۱۰ سال اخیر گسترش یافته است. فرآیندهای خالص سازی آب به روش تقطیر نسبت به فرآیندهای غشایی دارای کیفیت بالاتری است. روش تقطیر موقعی به صرفه است که بخار با انرژی حرارتی پایین به عنوان منبع اصلی انرژی در دسترس باشد. از طرف دیگر بزرگترین برنامه های آب شیرین درکشور های شبه جزیره عرب و یا جاهایی که تولید همزمان توان و آب دارند، برپایه تقطیر است.

انواع فرآیندهای تقطیر آب دریا

-تقطیر به کمک چند مرحله انبساط ناگهانی(MSF)

-تقطیر چند مرحله ای به همراه لوله افقی و فیلم نازک انبساط(MED)

– MAD با گردش بخار به وسیله ترموکمپرسور(TVC_MED)

-تقطیر یک یا چند مرحله ای به وسیله تراکم بخار مکانیکی(MVC)

در ادامه با دو فرآیند پر کاربرد تر از فرآیندهای تقطیر آشنا خواهیم شد

فرآیندMSF

این فرآیند در داخل محفظه ای به نام گرمکن، محلول آب شور دریا گرم می شود. این کار عمدتا از طریق چگالیده شدن بخار روی تعداد لوله موازی که در داخل محفظه عبور کرده ودر عین حال آب دریا را گرم می کنند، انجام می شود. آب گرم شده دریا سپس به داخل محفظه ی دیگری که مرحله اواپراتور یا تبخیر کننده نامیده می شود، جریان یافته و در آنجا غشاء در حدی تنظیم می گردد که آب بلافاصله به جوش می آید، تغذیه ناگهانی آب گرم به داخل اطاقک باعث به جوش آمدن سریع آن می گردد.

در واقع آب به صورت انفجاری یا فلاشینگ به بخار تبدیل می گردد این تبدیل، به فشار کنترل شده در این مرحله بستگی دارد، زیرا فرآیند جوشش تا زمانی ادامه می یابد که آب سرد شود. یک مجموعه آب شیرین کن MSF می تواند  ۴ تا  ۴۰ مرحله داشته باشد. بخار تولید شده از طریق فرآیند فلاش پس از چگالیدن روی لوله های مبدل حرارتی که در طول هر مرحله تعبیه شده اند، به آب شیرین تبدیل می گردد.

لوله ها به وسیله آب تغذیه ورودی که به گرمکن آب شور می رود خنک می شود. با این کار آب تغذیه به نوبه خود گرم می شود، به نحوی که مقدار انرژی حرارتی مورد نیاز درگرمکن آب شور جهت افزایش دمای آب دریا کاهش می یابد.

فرآیند MED

اساس کار این فرآیند بدین صورت است که ابتدا بخار خروجی از نیروگاه های بخار و یا بخاری که به واسطه سوزاندن زغال سنگ و یا سوخت های فسیلی دیگر حاصل شده است وارد اولین مرحله می شود. این بخار از دما و فشار پایینی برخوردار است و از آن به عنوان بخار اولیه نام برده می شود. هنگامی که آب تغذیه به اولین مرحله وارد می شود، بر روی لوله های اواپراتورکه در آنها بخار اولیه جریان دارد پاشیده شده و بدین ترتیب بخشی از آب تغذیه تبخیر وارد مرحله دوم می گردد.

از این بخار به عنوان بخار ثانویه نام برده می شود. بخار اولیه درون لوله های اواپراتور نیز بر اثر از دست دادن حرارت خود چگالش یافته و به درون بویلر برگشت داده می شود. همچنین آب شور موجود درمرحله اول به وسیله یک پمپ به مرحله دوم وارد شده و بخار ثانویه نیز که از تبخیر آب تغذیه حاصل شده بود در مرحله دوم با انتقال گرمای نهان خود به آب شور چگالش یافته و بخشی از آب شور را تبخیر می کند و تمام فرآیند فوق به تعداد مراحلی که وجود دارد تکرار می گردد و بدین ترتیب بخار چگالش یافته از مرحله دوم به بعد به عنوان آب شیرین جمع آوری شده و تصفیه نهایی (برای رساندن PH قابل قبول) برروی آن صورت می گیرد.

شیرین سازی آب دریا با فرآیند اسمز معکوس(RO)

تکنولوژی غشا بر خلاف آن‌چه در بخش قبل یعنی در تکنولوژی حرارتی(تقطیر) بیان شد، نیازی به تغییر فاز ندارد. فرآیند غشایی به شیوه های فیزیکی برای جداسازی حلال از نمک های محلول درآن با استفاده از غشاهای نیمه تراوا اطلاق می شود. شناخت پدیده اسمز معکوس نیازمند شناسایی خاصیت اسمزی است. به طورکلی انتقال جرم از یک محیط به محیط دیگر در اختلاف غلظت یا به عبارت بهتر در اثر اختلاف پتانسیل شیمیایی به وجود می آید. در اسمز معکوس با ایجاد فشار مصنوعی به سمت آب شور، جریان آب را (که در حالت طبیعی از سمت شیرین به سمت شور است) معکوس می کنیم به طوری که آب خالص از غشاء عبور کرده و نمک ها در سمت دیگر می مانند. شکل زیر یک شماتیک ساده از فرآیند اسمز معکوس است.

فرآیند غشایی دارای مزایای متنوع زیر می باشد

• صرفه جویی درمصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز
• کاهش فضای مورد نیاز به علت کم حجم بودن مدول های غشایی
• سریع تر بودن فرآیند به دلیل نازک بودن غشاء و بالا بودن سرعت انتقال جرم در آن
• توانایی انجام در دمای پایین که مزیت بالایی برای محلول های حساس به گرماست
• پایین بودن هزینه سرمایه گذاری درمقایسه با سایر روش ها درسطح جهانی
• سهولت درگسترش دادن سیستم

فرآیند الکترودیالیز(ED)

طراحی و ساخت سیستم الکترودیالیز، راه موثری برای کاهش هزینه در فرآیند نمک زدایی آب های کم نمک ابداع کرد و در این زمینه موفقیت قابل ملاحظه ای بدست آورد.

فرآیند الکترودیالیز به اصول کلی زیر بستگی دارد

• اکثر نمک های محلول در آب، به شکل یون بوده و به صورت مثبت (کاتیون) یا منفی (آنیون) باردار می گردند.
• آنیون ها بوسیله بار الکتریکی مخالف الکترود، جذب آنان می شود.
• غشاها را می توان طوری ساخت که به صورت انتخاب شده عبور آنیون ها یا کاتیون ها را امکان پذیر کنند.

اجزاء محلول شده یونی در یک محلول نمکی مثل سدیم +، کلر -، کلسیم ++و کربنات – در آب توزیع و پخش می گردند و بطور موثر بارهای منفرد خود را خنثی می کنند. وقتی الکترودها به یک منبع جریان مستقیم مثل باطری متصل می گردند، در داخل یک ظرف حاوی محلول آب نمک قرار گرفته، جریان الکتریکی از میان محلول (الکترولیت) عبور می کند. در این حالت یون ها سعی می کنند به سمت الکترود با بار مخالف حرکت کنند. شمای کلی روش الکترودیالیز در زیر نشان داده شده است.

مقایسه روش تقطیر و روش های غشایی

• فرآیند های تقطیر، آب با کیفیت بالا تولید می کنند و به شوری آب دریا بستگی ندارند در صورتی که فرآیند های غشایی کاملا به ذرات جامد حل شده و ترکیب آب دریا بستگی دارند و آب با کیفیت پایین تر تولید می کنند.
• انرژی مصرفی در واحدهای تقطیر آب دریا، حرارت ورودی به وسیله بخارسطح حرارتی پایین است که معمولاً به ارزانی در ایستگاه های توان حرارت و در خروجی توربین های بخار قابل دسترس است.
• شیرین سازی به روش تقطیر نسبت به نوع غشایی کمتر به کیفیت آب دریا حساسیت دارند در حالی که پیش تصفیه آب دریا در مورد نوع غشایی حتما باید صورت گیرد.
• هزینه های عملیاتی و تعمیر و نگه داری با وجود یک نیروگاه حرارتی، به طور عمومی برای تقطیر پایین تر از واحد های غشایی است.

البته امروزه ترکیب آب شیرین کن های حرارتی و مکانیکی خصوصا در سیستم های تولید همزمان توان و حرارت بسیار مورد توجه قرار گرفته است.