کاربرد فرایند اسمز معکوس در تصفیه اب
نگارنده
استاد راهنما
تحت عنوان:
کاربرد فرایند اسمز معکوس در تصفیه اب
در تاریخ ……………. توسط کمیته ی تخصصی زیر مورد بررسی و تایید نهایی قرار گرفت.
قدردانی
بر خود لازم میدانم از مساعدتهای دکتر ………. و دکتر …………… تشکر کنم. همچنین از دوستان پدر و مادر عزیزم به پاس محبتها و حمایتهای همیشگی و بی دریغشان.
پیشکشی ناچیز تقدیم میکنم به پدر و مادرم:
انان که بهترینها را برایم خاستند،ساختند و خود بهترینند.
فهرست مطالب
فهرست مطالب………………………………………………………………………………………………………………ث
فهرست جداول………………………………………………………………………………………………………………ح
فهرست اشکال………………………………………………………………………………………………………………..خ
فهرست علائم………………………………………………………………………………………………………………….د
چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………..ذ
فصل 1 مقدمه 2
1-1 پیشینه تحقیق و اهمیت موضوع 2
1-2 هدف از انجام پایان نامه 3
1-3 روش تحقیق 4
فصل 2 مروری بر تحقیقات 5
1-2 مقدمه 5
2-2 تاریخچه تکنولوژی نمکزدایی در جهان 6
2-2-1 تاریخچه فرایند غشائی اسمز معکوس 8
2-2-2 غشا………… 9
2-2-3 تقسیم بندی غشاها 9
2-2-3-1 تقسیم بندی بر اساس مکانیسم حاکم بر جداسازی 10
2-2-3-2 تقسیم بندی بر اساس جنس غشا 10
2-2-3-3 غشاهای پلیمری…… 10
2-2-3-4 غشاهای مایع………… 10
2-2-3-5 غشاهای فلزی………… 11
2-2-3-6 تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا 11
2-2-4 فرایندهای غشایی 13
2-2-5 ساز و کار دستگاه اسمز معکوس و قانون اسمز 13
2-2-6 فرایندهای اسمز معکوس 16
2-2-6-1 پیش تصفیه……………. 16
2-2-6-2 پمپ فشار قوی………. 17
2-2-6-3 سیستم غشایی………… 17
2-2-6-4 پس تصفیه……………. 17
2-2-6-5 غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس 17
2-2-6-6 مزایای غشاهای مرکب لایه نازک پلی آمیدی ( 'TFC) نسبت به غشای نامتقارن 18
2-2-7 روش ساخت غشای مرکب لایه نازک پلی آمیدی 19
2-3 آلودگی های حذف شونده از آب بوسیله اسمز معکوس 19
2-4 گرفتگی غشایی 22
2-4-1 مزایای اسمز معکوس نسبت به سایر فرایندهای نمک زدایی 23
2-4-2 معایب………… 24
2-4-3 انواع گرفتگی در غشاهای اسمز معکوس 24
2-4-4 راه های مقابله با گرفتگی 25
2-4-4-1 اصلاح سطح غشاهای اسمز معکوس 26
2-4-4-1-1 روش فیزیکی……………………………….. 26
2-4-4-1-2 جذب سطحی……………………………………… 26
2-4-4-1-3 پوشش دهی…………………………………. 26
2-4-4-1-4 روش شیمیایی………………………………… 27
2-4-4-1-5 عملیات آب دوست کردن……………… 27
2-4-4-1-6 پیوند زنی رادیکا لی…………………….. 27
2-4-4-2 اتصال شیمیایی………….. 27
2-4-4-2-1 پلیمریزاسیون پلاسما یا پلیمریزاسیون تحریک شده به وسیله ی پلاسما…………………………………………………………………………….. 28
2-4-5 ساخت غشای اسمز معکوس 28
2-4-6 ساخت زیر لایه ی متخلخل پلی سولفونی 28
2-4-6-1 ساخت غشای مرکب لایه نازک 29
2-4-7 اثر دما بر عملکرد غشای اسمز معکوس 30
2-4-8 اثر زمان غوطه وری در محلول آمینی بر عملکرد غشای اسمز معکوس 31
فصل 3 نتیجه گیری و پیشنهادات 32
3-1 نتیجه گیری 32
فهرست جداول
جدول 2-1 درﺻﺪ ﺣﺬف ﻣﻮاد ﻣﻮﺟﻮد در آب ﺗﻮﺳﻂ ﺳﯿﺴﺘﻢ اﺳﻤﺰ ﻣﻌﮑﻮس [25] 22
فهرست اشکال
شکل 2-1 طرح کلی سیستم اسمز معکوس[1] 5
شکل 2-2 ظرفیت تولید کارخانجات نمکزدایی[5] 7
شکل 2-3 ظرفیت تولید نمکزدایی برای (2) کل جهان، (b) ایالات متحده و (C) عربستان صعودی [8] 7
شکل 2-4 ساختار غشاء های نامتقارن و متقارن[12] 13
شکل 2-5 شماتیک از فرایند اسمز معکوس[13] 14
شکل 2-6تصاویری از غشاء سیستم اسمز معکوس از جنس سلولزی (الف)و پلی امیدی (ب)[21] 19
شکل 2-7 اصلاح سطح با استفاده از پلیمریزاسیون پلاسما[30] 28
شکل 2-8 مراحل ساخت زیر لایه ی پلی سولفونی[20] 29
شکل 2-9 مراحل ساخت لایه ی نازک انتخابگر[20] 30
شکل 2-10نمودار فلاکس وپس زنی بر اساس دمای واکنش[20] 30
شکل 2-11نمودار فلاکس وپس زنی بر اساس زمان غوطه وری در محلول آمینی[20] 31
چکیده
امروزه اکثر کشورها به دلایلی همچون افزایش جمعیت، بالا رفتن استانداردهای زندگی و مصارف بیرویه مخصوصا در بخش کشاورزی و تجاری با کمبود آب مواجه هستند. با توجه به این وضعیت که کمبود آب شیرین، یک مشکل روبهرشد در جهان میباشد و کشور ما نیز از این امر مستثنی نیست، یکی از راههای تامین آب، شیرین سازی آبهای شور است. کشور ایران نیز با بهرمندی از دریای خزر در شمال و خلیج فارس و دریای عمان در جنوب کشور، دارای توان بالقوه برای استفاده از این مزیت است. به همین دلیل طراحی کارخانههای نمکزدایی، با روشهایی که مصرف انرژی و نتیجتا هزینه ساخت و نگهداری را کاهش میدهند، حائز اهمیت میباشد. طی چند دهه گذشته تکنولوژی غشائی اسمز معکوس به دلیل مصرف انرژی کمتر و تولید آب ارزانتر، محبوبترین تکنولوژی جهان شناخته شده است. هدف از انجام این پروژه بررسی تکنولوژی اسمز معکوس است وبررسی تمامی جوانب ان و اینکه این روش تا
چه اندازه میتواند جوابگو باشد.
واژگان کلیدی فارسی: غشاء،اسمز معکوس ، نمک زدایی
فصل 1
مقدمه
1-1 پیشینه تحقیق و اهمیت موضوع
پیشرفت های کنونی در صنایع شیمیایی و صنایع مشابه، به سمت افزایش سرعت انجام فرایندها و کاهش مصرف انرژی در طول فرایند معطوف شده است .یکی از فرایندهای مهم و پرکاربرد در چنین صنایعی، جداسازی مواد مختلف می باشد .برای انجام فرایندهای صنعتی اغلب باید اجزای ماده خام اولیه از هم جدا شده و محصول به دست آمده از این فرایندها نیز تفکیک و تخلیص شود .از طرفی در اکثر صنایع، اهمیت فرایندهای جداسازی و دستگاه ها و تجهیزات مربوطه، به اندازه ای است که در بسیاری از صنایع، بخش اعظم قیمت تمام شده یک محصول، مربوط به هزینه های جداسازی و خالص سازی آن محصول است. در انتخاب یک روش جداسازی مناسب، باید بازده آن روش ها، دسترسی به تجهیزات، هزینه های جداسازی، هزینه ساخت و هزینه های انرژی، با در نظر گرفتن مسائل زیست محیطی و مسائل سیاسی مورد ارزیابی کامل قرار بگیرد. به همین دلیل یافتن یک روش جداسازی ساده تر و با هزینه کمتر، می تواند قابل تامل باشد. همچنین باید اهداف جداسازی در فرایند مشخص شود. در یک فرایند جداسازی، اهداف متفاوتی مانند تغلیظ، تخلیص، تفکیک و جابجایی تعادل واکنش می تواند مدنظر باشد. در این راستا، غشاها برای جداسازی گونه های مختلفی از مواد در حالات جامد، مایع و گاز توسعه یافته اند. با اینکه روش جداسازی با غشاها نسبت به روش های دیگری چون تقطیر، جذب سطحی، کریستالیزاسیون و استخراج مایع مایع جدیدتر است ولی با توجه به کارایی و سهولت استفاده طی دو دهه اخیر، گسترش . چشم گیری در استفاده از آن مشاهده شده است.
1-2 هدف از انجام پایان نامه
بر اساس پیمان حفاظت از محیط زیست دریایی آتلانتیک شمال¬شرق، محدوده میانگین سالانه برای تخلیه پساب تولیدی به دریا L/ mg۴۰ میباشد.به دلیل اهمیت آلودگی محیط زیست به وسیله پساب های ناشی از صنایع نفت و گاز، به شدت تمرکز روی یافتن روش¬های تصفیه¬ای که در مورد حذف آلودگی که از لحاظ کارایی و هزینه موثر باشند، افزایش یافته است. به منظور برآوردن شرایط مقررات محیط زیست و همچنین استفاده مجدد و بازیابی پساب تولیدی، بسیاری از محققان بر روی تفیضه پساب تمک¬¬دار نفتی تمرکز کردند. مقادیر نفت و تمک موجود در پساب تولیدی از فعالیت های صنعتی ساحلی و فلات قاره، می تواند به وسیله روش های مختلف شیمیایی،فیزیکی و بیولوژیکی کاهش یابد.
مهم ترین هدف تصفیه این است که :
1) نیاز به آب بر اساس پیش بینی ها تا سال ۲۰۵۰ بیش از ۵۰% افزایش خواهد داشت و با این وجود40% مناطقی دنیا تا سال ۲۰5۰ کم آب خواهند بود
۲) مخازن آب زیرزمینی به علت افزایش استخراج 3-2% در سال بسیار کم شده اند.
۳) بیش از 2/1 میلیارد از مردم جهان در مناطق کم آب (فراهم بودن آب کمتر از ۱۰۰۰ متر مکعب به ازای هر نفر در سال زندگی می کنند که این موضوع پیشرفت اقتصادی و وضعیت بهداشت را با بحران جدی رو به رو می¬کند).
1-3 روش تحقیق
نحوه تحقیقات و گردآوری مطالب در این پروژه بر پایه کتب و مقالاتی است که گردآوری شده و مورد مطالعه قرار گرفتهاند. در این پروژه تحقیقاتی سعی شده است به اساسی ترین نکات مربوط به تصفیه بروش اسمز معکوس پرداخته شود و موضوع از همه جهات مورد بررسی قرار بگیرد.
فصل 2
مروری بر تحقیقات
2-1 مقدمه
با توجه به اینکه بیان تحقیقات گذشته در زمینه نمکزدایی و مرور و نقد کامل آن تاثیر بسزایی در روند تحقیق دارد. بدین ترتیب تحقیقات انجام گرفته به منظور نمکزدایی و روشهای مختلف آن، تکنولوژی غشائی اسمز معکوس مورد بررسی قرار گرفته شد[1].
شکل 2-1 طرح کلی سیستم اسمز معکوس[1]
2-2 تاریخچه تکنولوژی نمکزدایی در جهان
در جهان مدرن، نمکزدایی ابتدا برای استفاده در عرشه کشتی ها به منظور تهیه آب نوشیدنی به کار برده میشد. فرایند تقطیر که با استفاده از یک منبع حرارتی، آب را از نمک جدا می کند، در این نوع کشتی ها استفاده می گردید [2].آب شیرین کن های حرارتی در کشتی سبب شد که سفرها برای مدت زمان طولانی تری انجام پذیرد، زیرا دیگر نیاز به حمل همه آب شیرین مورد نیاز نبود. پیشرفت ها در زمینه تکنولوژی تقطیر از اواخر قرن هجدهم آغاز شد. پس از ادامه یافتن پیشرفت ها در راستای این تکنولوژی، کارخانه نمک زدایی جده در سال ۱۹۰۷ میلادی در عربستان سعودی تاسیس گردید. پس از آن، در سال ۱۹۷۰ تجهیزات مدرن وارد این کارخانه شد. امروزه، کینداسا (نام مستعار کارخانه جده)، دارای دو دستگاه اسمز معکوس با ظرفیت تولید ۴۰۵۰۰ مترمکعب در روز می باشد [3].
به طور کلی اولین کشورهایی که از نمک زدایی برای تولید آب نوشیدنی استفاده کرده اند، در خاور میانه بوده است۔ ابتدا کارخانجات تقطیر آب دریا در دهه ۵۰ توسعه یافتند. پس از آن تکنولوژی های غشائی وارد بازار نمک زدایی شدند و اولین کارخانجات سیستم اسمز معکوس در اواخر دهه ۶۰ ساخته شدند [4] در طول ۴۰ سال گذشته، با توجه به پیشرفتهای چشمگیری در زمینه فرایندهای غشائی، تکنولوژی اسمز معکوس مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفته است. ظرفیت کل نمک زدایی در جهان (فرایندهای غشائی و حرارتی )، طی شصت سال گذشته در شکل ۲-۱ نشان داده شده است [5]. همانطور که مشاهده می گردد از اواخر سال ۱۹۶۰ و1970، پیشرفت ها در زمینه تقطیر وغشاء منجر به رشد تمایی ظرفیت نمک زدایی در جهان گردیده است. امروزه بیش از ۱۵۰۰۰ کارخانه در جهان وجود دارد و تقریبا ۵۰% از آنها، کارخانجات با سیستم اسمز معکوس هستند. در این میان خاورمیانه تقریبا ۵۰% از ظرفیت نمکزدایی جهان را در خود جا داده است و بزرگترین کارخانجات نمک زدایی در آن واقع شده اند. در سال ۲۰۰۵، اسرائیل بزرگترین کارخانه نمک زدایی اسمز معکوس با ظرفیت تولید ۳۳۰۰۰۰ مترمکعب در روز را ساخت[6]. امارات متحده عربی نیز کارخانه فوجیره با ظرفیت ۴۵۴۰۰۰ مترمکعب در روز که شامل تکنولوژی اسمز معکوس و MSF می باشد را در سال ۲۰۰۵ تاسیس نمود [7].
شکل 2-2 ظرفیت تولید کارخانجات نمکزدایی[5]
توزیع ظرفیت تولید آب شیرین کن برای تکنولوژی های جداسازی مختلف در شکل ۲-۲ نشان داده شده است. آمار جهانی نشان می دهد که فرایندهای غشائی و تقطیری دارای ظرفیت تولید تقریبا یکسانی می باشند، اما اگر تعداد کارخانجات نمکزدایی بر طبق تکنولوژی های جداسازی مدنظر باشد، در این آمار جهانی تغییرات چشمگیری را مشاهده خواهیم نمود. تعداد کارخانجات اسمز معکوس، ۸۰ تعداد کل کارخانجات جهان می باشند و تکنولوژی های حرارتی تنها ۲۰٪ از کل آمار را شامل می شوند [8].
شکل 2-3 ظرفیت تولید نمکزدایی برای (2) کل جهان، (b) ایالات متحده و (C) عربستان صعودی [8]
اگرچه فرایندهای غشائی و حرارتی ظرفیت تولید یکسانی در سطح جهانی دارند اما اسمز معکوس به عنوان مقرون به صرفه ترین تکنولوژی در عصر امروز شناخته شده است. هم اکنون تکنولوژی اسمز معکوس به عنوان یک فرایند پیشرو در ساخت کارخانجات نمک زدایی به شمار می رود و تمایل و کشش جامعه به سمت این تکنولوژی می باشد. اگر چه کشورهای خاورمیانه توانایی پرداخت هزینه فرایندهای حرارتی را دارند اما اسمز معکوس می تواند هزینه تولید آب شیرین را یک سوم و یا نصف کند[7].
2-2-1 تاریخچه فرایند غشائی اسمز معکوس :
در مورد فرایندهای غشائی لازم به ذکر است که بدانیم مفهوم غشاء به عنوان جداکننده از قرن هجدهم شناخته شده است، اما هرگز برای تمک زدایی در آن زمان کاربرد نداشت. استفاده از آب دریا به عنوان یک منبع برای آب شیرین، اولین بار توسط هسلرا در سال ۱۹۴۹ در گزارشی با عنوان "دریا یک منبع برای آب شیرین" ارائه گردید [9]. ایده هسلر موفقیت آمیز نبود اما سبب تشویق دیگر دانشمندان برای کار بر روی این ایده گردید. سرانجام رید و همکاران، در ابتدا کار بر روی غشاءهای اسمز معکوس را در سال ۱۹۵۷ آغاز کردند و توانستند توسط فیلم های استات سلولز، دفع نمک را تا ۹۶ درصد بهبود بخشند[5] متاسفانه این نوع غشاء نفوذ پذیری بسیار کمی داشت و برای کاربردهای عملی استفاده از آنها امکان پذیر نبود. تا اینکه در سال ۱۹۶۰ اشوب و سوریراجان غشاء های نامتقارن سلولز استات را کشف کردند. این غشاءها شدت تقود بالاتری داشتند و دفع نمک آنها توسط یک سطح نازک متخلخل صورت می گرفت. از آن زمان به بعد از تکنولوژی های غشائی در فرایندهای صنعتی استفاده نموده شد. در ادامه، با بهبود فرایندهای غشائی و پیشرفت مواد غشاء، نفوذپذیری بیشتری داشتیم و غشاءهای اسمز معکوس در نمکزدایی آب دریا استفاده شدند [10]. تمایل به استفاده از این غشاءها تا دهه ۸۰ ادامه داشت تا اینکه برخی از ایرادات غشاءهای نامتقارن سلولز استات، باعث گردید که دانشمندان تحقیقات جدیدی در زمینه بهبود و ساخت غشاء جدید داشته باشند. در سال ۱۹۸۵، کادوت گزارش آماده سازی یک غشاء پلی آمیدی جدید با کارایی بالا را داد [6]. عملکرد بالای این غشاء منجر به جذب آن در صنایع مختلف شد. امروزه بیشتر کارخانجات نمک زدایی از غشاءهای پلی آمید استفاده می کنند. از نظر تئوری، بیشترین انرژی مورد نیاز برای تبدیل آب دریا به آب خالص ۷/0 کیلو وات ساعت بر مترمکعب است [4]. با این حال، با توجه به مواد، مدول ها و تکنولوژی های به کار برده شده، مصرف انرژی بین ۵-۲ کیلو وات ساعت بر مترمکعب می باشد و تحقیقات راجع به کاهش انرژی در تکنولوژی های غشائی ادامه دارد.
2-2-2 غشا
غشا به عنوان یک فاز که اجزای خوراک به صورت انتخابی از آن عبور می کنند، تعریف می گردد. به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی که اجزای جداشونده خوراک با سرعت های متفاوت از آن عبور میکنند، عمل می کند. دراین روش، معمولاً تغییر فازی صورت نمی گیرد و محصولات نیز در همدیگر قابل امتزاج هستند.
در فرایند های غشایی، جزئی از خوراک که از غشا عبور می کند به نام تراوش کرده و بخشی که نتواند از غشا عبور کند، نگه داشته شده نامیده می شود که براساس هدف جداسازی، هرکدام از آنها می توانند به عنوان محصول درنظر گرفته شوند. در حالت کلی، روش های غشایی در مواقعی که غلظت مواد کم باشد، کارایی بسیار زیادی دارند. نیروی محرکه لازم در فرایندهای غشایی می تواند به صورت اختلاف غلظت، فشار، دما و پتانسیل الکتریکی باشد. ساده ترین نوع غشاها بر اساس اختلاف اندازه ذرات عمل می کنند که از این نظر مشابه فیلترها هستند ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه آنها و نیز نحوه جریان، با فیلترها تفاوت دارند. کارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردد که شامل دبی عبور کرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است .فرایندهای غشایی با داشتن مزایایی چون کاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم کم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شکل و اندازه، افت فشار کم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق، نیاز کم به مواد افزودنی و حلال ها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت کاربرد آنها در مقیاس های صنعتی و همچنین به دلیل اینکه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روش های جداسازی متمایز شده اند. با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی و گرفتگی غشاها، طول عمر کوتاه غشا، انتخاب پذیری و دبی کم عبوری ازغشاها و هزینه بالای ساخت را دارد[11].
2-2-3 تقسیم بندی غشاها
به دلیل کاربردهای وسیع و جهت سهولت شناخت و استفاده از غشاها، تقسیم بندی آنها ضروری به نظر می رسد که در این بخش تقسیم بندی غشاها بر اساس معیارهای مختلف آورده شده است[11].
2-2-3-1 تقسیم بندی بر اساس مکانیسم حاکم بر جداسازی
اگر جداسازی بر اساس اختلاف فشار باشد، به کمک روشهایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس می توان جداسازی را انجام داد. روش هایی که بر پایه اختلاف غلظت هستند، شامل جداسازی گازی، غشای مایع و دیالیز می باشد. در الکترودیالیز، اختلاف ولتاژ و در روش تقطیر غشایی نیز اختلاف دما به عنوان عامل جداسازی عمل میکند[11].
2-2-3-2 تقسیم بندی بر اساس جنس غشا
غشاها به دو صورت عمده غشاهای بیولوژیکی طبیعی و غشاهای سنتزی هستند که غشاهای سنتزی شامل غشاهای پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع می باشند[11].
2-2-3-3 غشاهای پلیمری
از جمله غشاهای پلیمری می توان به غشاهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون اشاره کرد .هرکدام از این مواد بر اساس ساختار شیمیایی خود، دما و محیط، pH حلالیت مواد و مقاومت آنها مورد استفاده قرار می گیرند .تخلخل بالا یکی از ویژگیهای مهم در غشاهای پلیمری است. غشاهای پلیمری در بازیافت هیدروکربن ها و گازهایی به کار می روند که در فرایندهای مربوطه وارد اتمسفر شده و یا سوزانده می شوند، بنابراین از نظر کاهش آلاینده های محیطی می توانند بسیار با ارزش باشند [11].
2-2-3-4 غشاهای مایع
غشا فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل می کند. اگر این فاز میا نی یک مایع امتزاج ناپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشا مایع را خواهد داشت[11].
این غشاها که شامل اکسیدهای آلومینیوم، زیرکونیوم، تیتانیوم و سیلسیوم می باشند، دارای مزایایی مانند مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، طول عمر زیاد، مقاومت خوردگی و باکتریایی بالا، امکان احیا، امکان تمیزکردن و کنترل مطلوب اندازه حفرات هستند .در این غشاها، هیچ افزودنی موردنیاز نبوده و محدودیتی در دمای فرآیند وجود ندارد. فیلتراسیون به کمک سرامیک، یک فرایند با انتخاب پذیری بالاست که بدون تبدیلات فازی است .ولی در کنار این مزایا، معایبی مانند هزینه ساخت بالا و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی بر روی غشا نیز وجود دارد[11].
2-2-3-5 غشاهای فلزی
این غشاها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاه های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً از جنس فولاد ضد زنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل و برخی از آلیاژها هستند .خصوصیت برجسته ای که در رابطه با این غشاها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است. در زمینه جداسازی گاز که بیشتر به تخلیص گاز هیدروژن برای پیل های سوختی مربوط می شود، دسته ای از غشاهای فلزی توسعه یافته اند. البته در تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لخته سازی و میکروفیلتراسیون نیز از غشاهای فلزی همراه با هوادهی یا تزریق گاز اوزون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگیهای آب باران استفاده شده و ثابت شده است که غشای فلزی برای کاهش میکروب ها و ذرات آلوده .[ 5] کننده از آب باران کافی است[11].
2-2-3-6 تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا
می توان غشاها را براساس تقارن ساختاری یا عدم وجود این تقارن هم دسته بندی نمود. بر این اساس می توان غشاها را به دو دسته زیر تقسیم و طبقه بندی کرد:
1. متقارن
2. نا متقارن
بحث تقارن یا عدم تقارن در ساختار غشاها اولین بار توسط لوئب و سوریراجان مطرح گردید که موفق شدند غشائی نامتقارن از جنس سلولز استات تهیه کنند که دارای یک لایه نازک و جداساز در قسمت بالایی غشا بود که همین لایه، خواص جداسازی بسیار مناسبی را برای غشا سلولز استات ایجاد می نمود. ساختار غشاهای متقارن در تمام طول غشا از بالا تا پائین یکسان بوده و دارای سطح بالایی و زیرین مشابهی هستند، یعنی می توان آنها را از هر دو طرف بکار برد. این غشاها در همه نقاط دارای ساختاری تقریبا مشابه میباشند و می توانند متراکم، چگال با متخلخل باشند. در حالی که قسمتهای مختلف غشاهای نامتقارن یکسان نمی باشد. به عنوان مثال شکل حفره ها در قسمتهای مختلف این غشاها با هم متفاوت هستند. بسیاری از غشاهای نامتقارن از دو لایه تشکیل یافته اند که هر دو لایه تحت یک فرآیند و از یک ماده تشکیل یافته اند؛ اما ساختار و تراوش پذیری این لایه ها با هم متفاوت می باشد. لایه بالایی که آنرا بیشتر با تام لایه متراکم می شناسیم کار اصلی جداسازی را انجام می دهد و لایه زیری که تخلخل بیشتری دارد به عنوان لایه نگهدارنده برای افزایش مقاومت مکانیکی غشا انجام وظیفه می نماید. نوع دیگری از غشاءهای تامتقارن غشاهای مرکب می باشند که غشاء از دو لایه یا چند لایه تشکیل شده که در اثر فرآیندهای متفاوتی ایجاد گردیده اند. شماتیک غشاهای موجود در این تقسیم بندی در شکل 4-2 نشان داده شده است. همانگونه که در شکل نیز مشاهده می شود سه دسته غشاهای متخلخل، غیر متخلخل و باردار الکتریکی در دسته غشاهای متقارن و سه دسته غشاهای لوئب – سوریراجان، مرکب و غشاهای مایع در دسته غشاهای نامتقارن قرار داده شده اند. لازم به ذکر است که این تقسیم بندی در مورد غشاهای پلیمری است ولی غشاهای سرامیکی و فلزی که روش ساخت کاملا متفاوتی با غشاهای پلیمری دارند هم می توانند دارای ساختاری متقارن یا نامتقارن باشند[1۲].
شکل 2-4 ساختار غشاء های نامتقارن و متقارن[12]
.
2-2-4 فرایندهای غشایی
غشاهای سنتزی با داشتن بازارهای در حال رشد و فراهم کردن قابلیت های جداسازی بالا در بسیاری از صنایع، توانسته اند پیشرفتهای زیادی داشته باشند. بسیاری از صنایع و کارخانجات، سرمایه گذاری خود را در فرایندهای جداسازی بر روی غشاها متمرکز کرده اند تا معایب سایر روش ها مانند تبخیر، تقطیر و یا استخراج را مرتفع سازند .هفت فرایند جداسازی عمده شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، الکترودیالیز، جداسازی گازی و تراوش تبخیری در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار می گیرند[11]. در بین فرایندهای مذکور اسمز معکوس به دلیل بازدهی بالا و ایجاد محصولی با بیشترین درصد خلوص توجه زیادی را در زمینه ی نمک زدایی از آب دریا و آبهای شور به خود معطوف ساخته است. لذا با توجه به موضوع مورد بحث در این پروژه از این پس در ارتباط با این فرایند، غشاهای مورد استفاده در آن و روش های ساخت و اصلاح این غشاها توضیحاتی بیان می شود.
2-2-5 ساز و کار دستگاه اسمز معکوس و قانون اسمز
برای تشریح تصفیه آب با این روش لازم است ابتدا قانون اسمز شرح داده شود. در شکل5-2 دو محلول با غلظت های متفاوت توسط یک غشای نیمه تراوا که تنها اجازه ی عبور را به حلال می دهد نشان داده شده است. با گذشت زمان حلال از غشا عبور کرده و به سمت ناحیه ی غلیظ می رود. از این طریق حلال باعث رقیق شدن محلول با غلظت بالاتر می شود. این جریان حلال از سمت محلول رقیق به سمت محلول غلیظ را جریان اسمز می نامند[13].
شکل 2-5 شماتیک از فرایند اسمز معکوس[13]
به دلیل جریان اسمزی سطح مایع در سمت محلول غلیظ افزایش می یابد. در نتیجه یک اختلاف فشار هیدرواستاتیکی ایجاد می شود. اختلاف فشار ناشی از افزایش ارتفاع مایع در سمت محلول غلیظ به حدی می رسد که تعادل برقرار شود .به این اختلاف فشار هیدرواستاتیکی در حالت تعادل فشار اسمزی گویند. زمانی که فشار اسمزی ایجاد می شود از نفوذ حلال به سمت دیگر جلوگیری به عمل می آورد. علت بروز پدیده ی اسمز اختلاف پتانسیل شیمیایی حلال در دو سمت غشا است. پتانسیل شیمیایی حلال به صورت زیر تعریف می شود:
(2-1)
که در آن µ˚ پتانسیل شیمیایی استاندارد در رقت بی نهایت، T دما، a اکتیویته ی حلال، vحجم مولی حلال و P فشار می باشد. طبق این معادله اکتیویته با غلظت رابطه ی مستقیم دارد و چون غلظت حلال در محلول رقیق بیشتر است لذا اکتیویته و در نتیجه پتانسیل شیمیایی آن در سمت محلول رقیق بیشتر است. چون سیستم تمایل دارد به تعادل برسد و تعادل به معنی برابرشدن پتانسیل شیمیایی دو طرف است، آب از سمت با پتانسیل شیمیایی بالاتر به سمت دیگر غشا که در آن پتانسیل پایین تر است تراوش می کند. این تراوش باعث افزایش سطح آب و در نتیجه ایجاد فشار اسمزی در سمت محلول غلیظ می شود .حال اگر یک فشار هیدرواستاتیکی خارجی معادل یا بیشتر از فشار اسمزی در سمت محلول غلیظ اعمال شود باعث می شود که جریان حلال بر عکس شده وحلال از سمت محلول غلیظ به سمت محلول رقیق تراوش کند این پدیده اسمز معکوس نام دارد. فشار اسمزی از معادله ی زیر که معادله ی وانت هوف نام دارد، محاسبه می شود[13]:
(2-2)
که در آن R ثابت گازها، آدمای مطلق، M جرم مولی جزء 1 و C غلظت جزء 1 می باشد. زمانی که فشاراسمزی برای محلول سدیم کلراید محاسبه می شود، معادله ی بالا در عدد ۲ ضرب می شود به دلیل اینکه دراین محلول دو یون سدیم و کلراید وجود دارد. معادله ی بالا برای محلول های با غلظت پایین و مولکولهای دارای وزن مولکولی پایین به کار می رود. برای محاسبه می فشار اسمزی محلول های با غلظت بالا و ماکرومولکولها یک معادله ی ویریال به کار می رود:
(4-2)
بنابراین معادله ی وانت هوف جمله ی اول معادله ی ویریال می باشد. برای محلول های شامل ماکرو مولکول یک معادله ی ساده تر استفاده می شود که غالبا برای محاسبه ی فشار اسمزی به کار می رود:
که در آن n برای هر مولکول یک مقدار ثابت و A مقداری بیشتر از یک دارد[13].
2-2-6 فرایندهای اسمز معکوس
یک سیستم اسمز معکوس اصولا از چهار فرایند اصلی تشکیل می شود[14]:
1. پیش تصفیه
2. پمپ های فشار قوی
3. سیستم غشایی
4. پس تصفیه
2-2-6-1 پیش تصفیه
پیش تصفیه مهمترین فرایند در عملکرد بهینه ی اسمز معکوس به شمار می آید. فرایند پیش تصفیه ناموفق باعث کاهش فلاکس غشا، شستشوی مداوم شیمیایی و کاهش طول عمر غشا می شود. این فرایند طوری طراحی شده است که ذرات معلق، آلاینده های میکروبی و میکروارگانیسم های موجود در خوراک را از بین برده و همچنین از تشکیل گرفتگی غیر آلی جلوگیری نماید. در فرایند پیش تصفیه از دو فرایند غشایی مرسوم الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون استفاده می شود. یک روش سنتی پیش تصفیه نیز استفاده از تجمع ذرات و شناور سازی گاز حل شده در خوراک، همچنین استفاده از فیلترهای شنی ،لخته سازی می باشد ولی فرایندهای پیش تصفیه ی غشایی نسبت به روش سنتی تاثیر بیشتری دارد. چون شاخص غلظت گل ولای در آنها کمتر است که باعث ممانعت از تشکیل گرفتگی بیولوژیکی می شود[15].
2-2-6-2 پمپ فشار قوی
این پمپها فشار لازم برای عبور آب از داخل غشا و پس زده شدن نمک آنرا تامین می کنند. محدوده ی
فشار مورد استفاده ۱۷ – ۲۷ بار برای آب شور و ۵۲ – ۶۹ بار برای آب دریا است [14].
2-2-6-3 سیستم غشایی
شامل یک مخزن فشار و یک غشای نیمه تراوا در داخل آن که جریان خوراک را از خود عبور می دهد.
آب نمک با فشار وارد این قسمت شده و با عبور از غشا به دو جریان عاری از نمک و جریان غنی از نمک تبدیل می شود. غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس غالبا به دو فرم فیبر توخالی و مارپیچی به کار می روند[14].
2-2-6-4 پس تصفیه
با توجه به کیفیت آب خروجی از غشا و استفاده ای که قرار است از آن به عمل آید، سیستم پس تصفیه PH آب خروجی را تنظیم نموده و عمل گند زدایی را انجام می دهد [14].
2-2-6-5 غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس
غشاهای نامتقارن بر پایه ی سلولز و غشاهای مرکب لایه نازک پلی آمیدی مهم ترین غشاهای زیستی تجاری در زمینه ی اسمز معکوس هستند [16].
غشای نامتقارن از یک لایه ی چگال و یک زیر لایه ی متخلخل تشکیل می شود، لایه ی چگال بر روی زیر لایه قرار گرفته و این زیر لایه نقش محافظ مکانیکی را برای غشا ایفا می کند [17].
غشای مرکب لایه نازک پلی آمیدی از سه لایه به شرح زیر تشکیل می شود:
1. یک لایه ی نازک پلی آمیدی به ضخامت ۱۵۰-۲۰۰ نانومتر که نقش اصلی را در جداسازی غشایی ایفامی کند.
2. یک لایه ی متخلخل پلی سولفونی به ضخامت ۳۰-۴۰ میکرومتر
3. یک زیر لایه ی پلی استری که نقش اصلی را در مقاومت مکانیکی غشا ایفا می کند [18].
2-2-6-6 مزایای غشاهای مرکب لایه نازک پلی آمیدی ( 'TFC) نسبت به غشای نامتقارن
غشای مرکب لایه نازک پلی آمیدی نسبت به غشای نامتقارن از مزایایی برخوردار است که باعث شده ٪۹۰ بازار غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس را به خود اختصاص دهد. برخی از این مزایا در این بخش ارایه شده است:
1. لایه ی نازک سطحی غشای TFC به صورت پلیمریزاسیون در جا تولید شده است. لذا ساختار و عملکرد این لایه ی نازک و زیر لایه ی متخلخل می تواند به صورت جداگانه مورد اصلاح قرار بگیرد تا عملکرد کلی غشا بهبود یابد [19] .
2. مقاومت بالای مکانیکی، شیمیایی و حرارتی
3. عملکرد بالا نسبت به غشای نامتقارن
4. برای اصلاح غشای TFC می توان از موادی با اتصالات عرضی و اتصالات خطی استفاده نمود درصورتی که فرایند تولید غشای نامتقارن به گونه ای است که ساختار آن را به ساختار خطی محدودنموده و تنها از موادی با ساختار خطی می توان برای اصلاح آن استفاده نمود [16] .
5. فلاکس بالاتر در فشار یکسان
6. مقاومت بالاتر نسبت به میکروارگانیزمها [20].
2-2-7 روش ساخت غشای مرکب لایه نازک پلی آمیدی
همان طور که قبلا اشاره شد غشای مرکب لایه نازک از سه لایه با ضخامت های مختلف تشکیل شده است که هر کدام از آنها توسط مکانیزم جداگانه ای تولید می شوند. در ادامه روش های ساخت این لایه ها را توضیح می دهیم: لایه ی پلی استری که از جنس پارچه است و به صورت صنعتی تولید می شود. این لایه تاثیری در عملکرد جداسازی غشا ندارد و تنها به عنوان محافظ برای دولایه ی دیگر به کار می رود[21].
شکل 2-6تصاویری از غشاء سیستم اسمز معکوس از جنس سلولزی (الف)و پلی امیدی (ب)[21]
2-3 آلودگی های حذف شونده از آب بوسیله اسمز معکوس
آب یکی از نیازهای اولیه هر موجودی است و بدون آن حین بی معنی خواهد بود [22]. طبق تعریف موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، آب آشامیدنی آبی است که ویژگی های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و رادیواکتیو آن در حدی باشد که مصرف آن جهت آشامیدن، عارضه سونی در کوتاه ملت با دراز مدت برای سلامت انسان ایجاد نکند [23]. تامین آب سالم و بهداشتی، لزوم تصفیه آن را می طلبد. آب آشامیدنی یکی از راههای تامین املاح ضروری بدن انسان است، علاوه بر این در صورتی که آب آلوده باشد یا این که غلظت بعضی از املاح در آن کم و یا زیاد باشد، در این صورت میتواند بر روی بهداشت و سلامت انسان تاثیر بگذارد. نامطلوب بودن کیفیت شیمیایی آب می تواند باعث بروز بیماریها و عوارضی از جمله پوسیدگی دندان، بیماریهای قلب و عروق، اختلالات گوارشی، عوارض کلیوی و فشار خون شود؛ لذا بهسازی و تصفیه منابع آب میتواند نقش بسیار تعیین کننده ای در کاهش چنین بیماریها و عواض ناشی از آن داشته باشد. آب آشامیدنی علاوه بر این که از نظر ظاهری بایستی شفاف و زلال و عاری از کدورت باشد، از نظر کیفیت میکروبی و شیمیایی نیز بایستی در حد مطلوب قرار داشته باشد. بالا بودن غلظت جامدات محلول در آب باعت ایجاد مزه شوری شده و تمایل مصرف کنندگان را به مصرف چنین آبهایی کاهش می دهد؛ به همین دلیل مصرف کنندگان همیشه به دنبال آبهای شیرین بوده اند [24]. با توجه به توانمندی های فراوان روش اسمز معکوس به دلیل راندمان بالای حذف TDS و نیترات، این روش در سال های اخیر در تصفیه آب بسیار کاربرد یافته است [22].
علی رغم توانایی بالای سیستم های اسمز معکوس در تصفیه آب، یکی از مشکلات اصلی این سیستم ها ایجاد گرفتگی در غشاها میباشد. به منظور رفع این مشکل اقدامات گستردهای صورت گرفته است که از آن جمله می توان به باردار کردن سطح غشاهای مورد استفاده در سیستم های تجاری اسمز معکوس اشاره کرد. این امر به دفع مواد آلی و معدنی باردار موجود در آب و کاهش گرفتگی کمک می کند.
علاوه بر سطوح باردار غشاء، نوع جریان نیز در کاهش گرفتگی غشاهای اسمز معکوس موثر می باشد. در این فرآیند از حرکت جریان متقاطع استفاده میشود. در جریان متقاطع، آب ورودی هم راستا با سطح غشاء وارد شده و آب خالص در مسیر عمود بر غشاءء از آن عبور میکند. ذرات و ناخالصی های باقی مانده همراه با جریان آب حرکت کرده و به این ترتیب از تجمع ذرات باقی مانده بر سطح غشاءء جلوگیری می شود. علاوه بر ساختار غشاءء،راهبری مناسب سیستم های اسمز معکوس نیز در کاهش گرفتگی و ثابت نگه داشتن بازدهی در طول زمان نقش کلیدی دارد. تعویض به موقع کارتریج فیلترها در سیستم های خانگی اسمز معکوس میتواند در بالابردن طول عمر غشاءها موثر باشد[25].میزان حذف ناخالصی ها توسط سیستم اسمز معکوس به مقادیر اولیه آنها و فشار عملیاتی بستگی دارد. اسمز معکوس مقدار قابل توجهی از مواد محلول موجود در آبها نظیر نمک ها، فلزات سنگین و مواد معدنی و اغلب میکروارگانیسم ها شامل کرییلوسیورینیوم و ژیاردیا را حذف میکند. مواد معدنی و فلزات محلول در آب که توسط اسمز معکوس حذف می شوند شامل آلومینیوم، آرسنیک، باریم، کادمیوم، کلراید، مثل، فلوراید، منیزیم، آهن، سرب، منگنز، جیوه، نیترات، سلنیوم، نقره، سولفات و روی می باشند. درصد حذف هریک از مواد ذکر شده در جدول ۲-۱ آمده است. این جدول درصد حذف اسمی برای سیستم اسمز معکوس خانگی در شرایط فشار عملیاتی 4 بار و دمای ۲۰ درجه سانتی گراد را نشان میدهد. درصد حنف واقعی تحت تاثیر عواملی چون فشار عملیاتی، دما و ویژگی های آب ورودی و نوع غشاء متفاوت است
جدول 2-1 درﺻﺪ ﺣﺬف ﻣﻮاد ﻣﻮﺟﻮد در آب ﺗﻮﺳﻂ ﺳﯿﺴﺘﻢ اﺳﻤﺰ ﻣﻌﮑﻮس [25]
2-4 گرفتگی غشایی
مانع اصلی برای استفاده گسترده از سیستم اسمز معکوس، مشکل جرم گرفتگی کلوئیدی بر روی غشاء های سیستم اسمز معکوس می باشد. بنابراین فهم بنیادین مکانیسم های شیمیایی و فیزیکی کنترل کننده این پدیده اهمیت بسزایی دارد. اجزاء و ذرات کلوئیدی در آب های طبیعی به صورت نامحلول وجود دارند. کلوئیدها در اندازه های متفاوتی از چندین نانومتر تا کربنات کلسیم اشاره کرد. در محدوده pH آب های طبیعی اکثر کلوئیدها دارای بار سطحی منفی می باشند که نمایانگر خصوصیات شیمیایی سطحی و یا ساختار شیمیایی آب مذکور هستند. هنگام ایجاد پدیده جرم گرفتگی غشایی، ذرات کلوئیدی می توانند در میان حفرات غشاء جای گرفته و یا بر روی سطح غشاء تجمع کنند و در نتیجه تاثیر نامطلوبی بر روی مقدار دبی آب محصول و کیفیت (غلظت) آب محصول بر جای گذارند. هنگامی که جرم گرفتگی کلوئیدی بر روی غشاء هایی که انتقال جرم از درون آنها توسط نیروی محرکه فشاری صورت می گیرد بررسی شود، دانستن دو چیز بسیار مهم است. در مورد غشاء های اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و بعضی از سیستم های اولترافیلتراسیون جرم گرفتگی کلوئیدی به وسیله تجمع ذرات روی سطح غشاء صورت گرفته که به آن ها لایه کیک گفته میشود. این لایه کیک باعث افزایش مقاومت هیدرولیکی در مقابل عبور جریان آب غشاء شده و به این طریق دبی آب محصول کاهش می یابد. در مورد غشاء های میکروفیلتراسیون گرفتگی حفرات غشایی توسط ذرات کلوئیدی می تواند یکی از مکانیسم های ممکن برای توجیه پدیده جرم گرفتگی باشد. مقدار تشکیل لایه کیک و یا گرفتگی حفره ها بستگی به اندازه ذرات کلوئیدی در مقایسه با اندازه حفره های غشایی دارد. به دلیل اینکه غشاء های اسمز معکوس به عنوان غشاء هایی بدون حفره در نظر گرفته می شوند، بنابراین تنها مکانیسم جرم گرفتگی غشایی اسمز معکوس، تشکیل لایه کیک می باشد. بنابراین پدیده جرم گرفتگی متناسب با رشد لایه کیک بوده و ارتباط خطى بین دبی آب محصول و ضخامت لایه جرم وجود دارد. قابل ذکر است که با افزایش غلظت آب خوراک، دبی آب خروجی کاهش یافته زیرا با افزایش غلظت، میزان نقل و انتقال و هدایت اجزاء به سمت سطح غشاء افزایش یافته و در نتیجه نرخ کلی رسوب کلوئیدی بر روی غشاء افزایش می یابد و بنابر این مقاومت غشاء در مقابل دبی آب بالا رفته و دبی خروجی آب محصول کاهش می یابد[26].
2-4-1 مزایای اسمز معکوس نسبت به سایر فرایندهای نمک زدایی
1. کیفیت بالای جریان تراوش شده
2. سهولت عملیاتی
3. کمترین میزان افزودنی های شیمیایی
4. مصرف پایین انرژی
5. طراحی و راه اندازی آسان
6. کمترین نیاز به نگه داری و سهولت وسعت بخشیدن به سیستم
7. توانایی حذف هر دو نوع آلودگی آلی و غیر آلی
8. کاهش قابل توجه حجم پساب ها
9. عملکرد خوب سیستم در دمای محیط که باعث کاهش مشکلات ناشی از خوردگی دستگاه ها می شود.
10. ساختار و مقیاس سیستم اسمز معکوس باعث افزایش انعطاف پذیری در ساخت واحد 50 های نمک زدایی می شود.
11. سیستم توسط نیروی برق راه اندازی میشود حتی میتوان از انرژی خورشیدی برای راه اندازی آن استفاده کرد[15و27].
2-4-2 معایب
با وجود مزایای زیاد سیستم اسمز معکوس نسبت به فرایندهای دیگر این فرایند معایبی نیز دارد. مهم ترین این معایب گرفتگی غشا است که به مرور زمان باعث کاهش فلاکس عبوری می شود .زمانی که گرفتگی روی سطح غشا رخ می دهد عملکرد غشا به سرعت افت می کند. درنتیجه مصرف انرژی افزایش می یابد و باعث افزایش قیمت تمام شده ی فرایند می شود. ویژگی های فیزیکی وشیمیایی سطح غشا شامل زبری ،آبدوستی و بار الکتریکی مهم ترین پارامترهای تاثیر گذار بر گرفتگی غشا هستند. بسیاری از محققان دریافته اند که با افزایش آبدوستی سطح غشا می توان میزان گرفتگی آن را به حداقل رساند[7].
2-4-3 انواع گرفتگی در غشاهای اسمز معکوس
1. به طور کلی گرفتگی در فرایند اسمز معکوس به چند دسته ی اصلی دسته بندی می شود:
2. گرفتگی غیر آلی ناشی از ته نشینی نمک های معدنی
3. گرفتگی آلی ناشی از مواد آلی موجود در جریان خوراک
4. گرفتگی کلوئیدی ناشی از ذرات کلوئیدی
5. گرفتگی بیولوژیکی ناشی از رشد میکروارگانیسم ها روی سطح غشا
6. گرفتگی ناشی از واکنش فیزیکی یا شیمیایی بعضی از اجزای خوراک با سطح غشا
7. گرفتگی ناشی از تجمع اجزاء آلی یا غیر آلی موجود در خوراک که باعث تشکیل پلیمرهای بزرگ وانحلال ناپذیر می شود که روی سطح غشاء مینشیند[27و29].
2-4-4 راه های مقابله با گرفتگی
برای مقابله با مشکل گرفتگی غشاها می توان از روش های زیر استفاده نمود:
1. پیش تصفیه ی جریان خوراک برای حذف ذرات معلقی که میتوانند باعث انسداد غشاها شوند.
2. طراحی مدول های خاص غشایی که میزان گرفتگی را به حداقل می رسانند.
3. تولید غشاهای ضد گرفتگی توسط اصلاح سطح وساختار
4. شست وشوی مداوم غشاها
5. ارزیابی عملکرد سیستم در مقیاس آزمایشگاهی
6. استفاده از مدل های قابل پیش بینی[29و30].
2-4-4-1 اصلاح سطح غشاهای اسمز معکوس
همان طور که اشاره شد یکی از راه های موثر برای کاهش گرفتگی و افزایش طول عمر غشا اصلاح سطح غشا می باشد. اصلاح سطح غشا عمدتا به دو صورت فیزیکی و شیمیایی انجام می شود که در ادامه درباره ی هر دو روش به اختصار توضیح می دهیم.
2-4-4-1-1 روش فیزیکی
در این روش همان طور که از نامش پیداست تغییری در ساختار و پیوند های موجود در لایه ی سطحی غشا ایجاد نمیشود. اصلاح فیزیکی به دو روش جذب سطحی و پوشش دهی انجام میگیرد[30].
2-4-4-1-2 جذب سطحی
این روش فرایندی ساده برای اصلاح سطوح پلیمری به شمار می آید. در این روش از یک سورفکتا نت یا پلی الکترولیت باردار که انرژی لازم برای جذب به سطح پلیمری را دارد استفاده میشود.این ترکیبات پس از جذب روی سطح غشا باعث ایجاد تغییر در بار سطحی آن شده و خاصیت ضد گرفتگی آن را بهبود می بخشند[30] .
2-4-4-1-3 پوشش دهی
این روش به طور وسیعی برای بهبود خواص سطحی غشای اسمز معکوس پذیرفته شده است. در این روش غشای اسمز معکوس نه تنها می تواند به طور مستقیم با پلیمر های تجاری یا سنتزی انحلال ناپذیر در بلکه همچنین می ،آب واکنش دهد تواند با مولکول های محلول در آب نیز پوشانده شده و با ایجاد اتصال آنها را به اجزایی انحلال ناپذیر در آب تبدیل نماید. پوشش ایجاد شده توسط این روش مانند ،عرضی با آنها یک لایه ی محافظتی عمل نموده و از جذب و نشستن عوامل گرفتگی روی سطح غشا جلوگیری به عمل می اورد[30].
2-4-4-1-4 روش شیمیایی
در این روش مواد اصلاح کننده با لایه ی سطحی غشا وارد واکنش شده و باعث تغییر در ساختار لایه ی سطحی غشا می شوند. مهم ترین روش های اصلاح سطح غشا به روش شیمیایی عبارتند از:
2-4-4-1-5 عملیات آب دوست کردن
این روش برای کاهش میزان گرفتگی غشا بسیار موثر است، زیرا بسیاری از گرفتگی های موجود در خوراک آبگریز هستند. در این روش از عوامل آبدوست کننده مثل اسیدها استفاده می شود. در واقع اسید با واکنش با بخش های انحلال پذیر زنجیره ی پلی آمید باعث هیدرولیز این بخش ها شده و گروه های کربوکسیلیک اسید و آمین موجود در زنجیره را افزایش می دهد. پس از انجام عملیات آب دوست کردن اندازه گیری زاویه ی تماس افزایش آبدوستی سطح غشا را به وضوح نشان می دهد. این روش بسیار آسان است، اما غلظت اسید و مدت زمان تماس آن با سطح غشا باید کنترل شده باشد، تا از شکسته شدن ساختار پلیمری غشا که منجر به کاهش پس زنی میشود جلوگیری بعمل اید [30].
2-4-4-1-6 پیوند زنی رادیکا لی
در این فرایند آغازکننده های موجود در محیط واکنش رادیکال های آزاد تولید می کنند. این رادیکال ها روی سطح پلیمر قرار می گیرند تا با مونومری که قرار است به سطح پلیمر پیوند زده شود واکنش دهند. در واقع ناحیه ی هدف برای واکنش پیوند زنی رادیکالی در زنجیره ی پلی آمید نواحی دارای هیدروژن است[30].
2-4-4-2 اتصال شیمیایی
غشای پلی آمیدی اسمز معکوس در انتهای زنجیره های خود گروه های آزاد کربوکسیلیک اسید و گروه های آمینی دارد که این گروه های فعال امکان اصلاح سطح از طریق واکنش شیمیایی را فراهم می کنند. در واقع این گروهها با گروه های فعال موجود در ساختار عنصر اصلاح کننده وارد واکنش شده و به اصلاح ویژگی های سطح کمک می کنند[30].
2-4-4-2-1 پلیمریزاسیون پلاسما یا پلیمریزاسیون تحریک شده به وسیله ی پلاسما
پلیمریزاسیون پلاسما یک فرایند تک مرحله ای است که در آن از پلاسما ی یک گاز برای نشاندن پلیمر روی سطح غشا استفاده می در حالی که فرایند پلیمریزاسیون تحریک شده به وسیله ی پلاسما فرایندی ، شود دومرحله ای است که درآن ابتدا سطح غشا توسط پلاسما برای تولید گروه های اکسید یا هیدروکسید فعال می شود. سپس این گروه ها در روش های متداول پلیمریزاسیون استفاده می شوند. شکل7-2 نمونه ای از اصلاح سطح به وسیله ی پلاسمای گاز هیدروژن را نشان می دهد[30].
شکل 2-7 اصلاح سطح با استفاده از پلیمریزاسیون پلاسما[30]
2-4-5 ساخت غشای اسمز معکوس
2-4-6 ساخت زیر لایه ی متخلخل پلی سولفونی
پلی سولفون با غلظت ۱۶-۱۸٪ وزنی در N1- دی متیل فرمامید حل شده و به مدت ۷ ساعت بر روی همزن مغناطیسی قرار گرفت تا محلول یکنواختی از پلیمر در حلال ایجاد شود. پس از آماده کردن پارچه می پلی استری بر روی شیشه، محلول پلیمری بر روی آن ریخته و توسط فیلم کش روی پلی استر پوشانده شد .تا لایه ی یکنواختی از پلی سولفون به ضخامت ۷۵-۱۰۰ میکرومتر بر روی زیر لایه شکل گیرد. سپس غشا در حمام انعقاد شامل ۰ / ۱٪ اسدیم دو دسیل سولفات و ۲ دی متیل فرمامید در آب غوطه ور گردید و به مدت ۱۲ ساعت در این وضعیت قرار گرفت تا فرایند تغییر فاز کامل شود. سپس غشاها از حمام خارج شد و به مدت ۷ ساعت در معرض محیط قرار داده شد تا خشک شود. مراحل ساخت زیرلایه ی پلی سولفونی در شکل 8-2 آورده شده است.
شکل 2-8 مراحل ساخت زیر لایه ی پلی سولفونی[20]
2-4-6-1 ساخت غشای مرکب لایه نازک
برای تولید غشای مرکب با لایه ی نازک پلی آمیدی از واکنش پلیمریزاسیون در فصل مشترک استفاده شد. به این ترتیب که زیر لایه های ساخته شده در بخش قبل ابتدا در یک محلول آمینی غوطه ور گردید تا لایه ای از آمین روی سطح زیر لایه را بپوشاند. سپس غشا در یک محلول آلى قرار گرفت که مولکولهای اسید کلراید به خوبی در آن حل شده بودند. واکنش پلیمریزاسیون به دلیل انحلال پذیری ناچیز مولکول های اسید کلراید در آب و انحلال پذیری فوق العاده ی مولکولهای آمین در هگزان در سمت فاز آلی فصل مشترک روی می دهد و فیلم نازک پلی آمیدی در آنجا رشد می کند [20]. پس از کامل شدن واکنش، غشاها تحت عملیات حرارتی و شست وشو قرار گرفتند تا فرایند تشکیل لایه ی پلیمری کامل شود. شمایی از مراحل ساخت غشای لایه نازک پلی آمیدی در شکل ۲-9 آورده شده است.
شکل 2-9 مراحل ساخت لایه ی نازک انتخابگر[20]
2-4-7 اثر دما بر عملکرد غشای اسمز معکوس
شکل 10-2 تغییرات فلاکس و پس زنی غشا بر اساس دمای واکنش را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود با افزایش دما از دمای محیط به ۶۵ درجه سانتیگراد میزان فلاکس غشا افزایش می یابد در حالی که پس زنی به طور چشمگیری کاهش یافته است. افزایش دما نرخ نفوذ متا فنیلن دی آمین در فصل مشترک را افزایش می دهد [20]. اما افزایش بیش از اندازه ی دما نرخ هیدرولیز تری مزوئیل کلراید را افزایش می دهد. بنابراین تعداد گروه های کربوکسیلیک اسید در لایه ی پلی آمیدی افزایش می یابد و از تعداد اتصالات عرضی کاسته می شود بنابراین تراکم لایه ی نازک کاهش یافته و به دنبال آن پس زنی کاهش می یابد. از آن جایی درجه سانتیگراد در حد مطلوبی قرار دارد این دما به عنوان دمای 45که میزان فلاکس و پس زنی در دمای بهینه انتخاب گردید.
شکل 2-10نمودار فلاکس وپس زنی بر اساس دمای واکنش[20]
2-4-8 اثر زمان غوطه وری در محلول آمینی بر عملکرد غشای اسمز معکوس
شکل 11-2 بیانگر آن است که در ابتدا با افزایش زمان غوطه وری میزان پس زنی افزایش و فلاکس نسبتا دقیقه پس زنی به شدت کاهش و فلاکس افزایش یافته 3 به 10 کاهش یافته است. اما با افزایش این زمان از است. علت این امر آن است که در غلظت پایین دی آمین سطح پلی آمیدی نسبتا متراکمی با توجه به واکنش مناسب تولید گردیده است و این باعث کاهش فلاکس و افزایش پس زنی می شود. در صورتی که در زمان بالای غوطه وری درصد گروه های آمینی در سطح غشا افزایش یافته است، درصدی از این گروه ها واکنش نکرده باقی می ماند و مانع از افزایش تراکم لایه ی پلی آمیدی می شود. بنابراین با توجه به اینکه دقیقه که در آن تراکم لایه ی پلی آمیدی بیشترین مقدار 3 فلاکس و پس زنی منطقی مطلوب ماست، زمان خود را دارد، به عنوان زمان بهینه ی غوطه وری در آمین پیشنهاد می شود[20].
شکل 2-11نمودار فلاکس وپس زنی بر اساس زمان غوطه وری در محلول آمینی[20]
فصل 3
نتیجه گیری و پیشنهادات
3-1 نتیجه گیری
با توجه به روند روبه رشد جمعیت جهان و مشکل کمبود منابع آب شیرین توسعه ی صنایعی که با صرف کمترین میزان انرژی آب شیرین مورد نیاز بشر را تامین کنند، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.اسمز معکوس فرایندی است که ضمن مصرف پایین انرژی از منابع وسیع آب شور جهان آب شیرین بیا بیشترین در صد خلوص تولید می نماید. در این پژوهش ساخت غشای مرکب لایه نازک پلی آمیدی توسط مکانیزم پلیمریزاسیون مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج حاصل از بررسی پارامترهای موثر بر واکنش پلیمریزاسیون :
بیشترین میزان پس زنی در غلظت 0.5 درصد دی آمین به دست آمد و با افزایش غلظت آن از میزان پس زنی کاسته شد. گرچه با این تغییر فلاکس غشا افزایش یافت، به دلیل اهمیت ویژه ای که پس زنی نسبت به فلاکس در فرایند اسمز معکوس داراست غلظت 0.5 درصد به عنوان غلظت بهینه انتخاب گردید.
پیشنهادات
1- اثر غلظت نانوذرات بر روی زاویه ی تماس سطح غشاهای اسمز معکوس باید اندازه گیری شود.
2- انالیز AFM باید صورت بگیرد تا ببینیم در صورت اصلاح غشاء تا چه اندازه تاثیر بر روی جدا سازی و میزان غلظت ایجاد شده پشت غشاء چه میزان است و از لحاظ اقتصادی هم براورد شود.
3- استفاده از نانوذرات سیلیکا در ساختار غشای تجاری برای بهبود عملکرد
4- استفاده از زیر لایه ی ساخته شده توسط ماشین های اتوماتیک برای کاهش خطای آزمایش
5- افزودن پلی وینیل پیرولیدون یا پلی اتیلن گلایکول به محلول قالبی جهت افزایش مقاومت مکانیکی غشا در فشار های بالا
6- غوطه ور کردن غشای مرکب آماده در محلول های با غلظت متفاوت نانوذره و مقایسه ی عملکرد غشای حاصل با غشایی که نانوذره حین فرایند پلیمریزاسیون افزوده شده است.
7- عامل دار کردن نانوذره وسپس افزودن آن به محلول آمینی
مراجع
[1] D. Rana, Y. Kim, T.Matsuura, H. A. Arafat, Development of antifouling thin-filmcomposite membranes for seawater desalination, Journal of Membrane Science 367 (2011) 110-118.
[2] Seigal, L. and J. Zelonis, Water Desalination. RensselaerPolytechnic Institute. 1995. http://www.rpi.edu/ dept/chem-eng/Biotech-Environ/Environmental/desal/intro. html .
[3] Pearce, G.K., Talo, S., Chida, K., Basha, A., Pretreatment options for large scale SWRO plants :case studies of UF trials at Kindasa, Saudi Arabia ,and conventional pretreatment in Spain. ELSEVIER 2004. 167: p. 175-189
[4] Amjad, Z., Reverse osmosis: membrane technology, water chemistry & industrial applications. 1993: Chapman & Hall.
[5] Johnson, D.B. and G. Gleick, The World's Water 2006-2007: The Biennial Report on Freshwater Resources. Environmental Practice, 2008. 10(3): p. 129.
[6] Schiffler, M., Perspectives and challenges for desalination in the 21st century. Desalination, 2004. 165: p. 1-9.
[7] Reid, C. and E .Breton, Water and ion flow across cellulosic membranes. Journal of Applied Polymer Science, 1959. 1(2): p. 133-143.
[8]Cadotte, J.E. Evolution of composite reverse osmosis membranes. in ACS symposium series. 1985. Oxford University Press.
[9] Glarer, J ,.The early history of reverse osmosis membrane development. Desalination 1998. 117: p. 297-309
[10] Sourirajan, S., Reverse osmosis and synthetic membranes. 1977.
[11] عسگری نازلی ، مطالعه ای بر فرایندهای غشایی ، نشریه الکترونیکی انجمن علمی مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی سهند. ۱۳۸۷.
[12] B. R.W., J. wiley and s. Ltd (2004), membrane technology and applications,England.
[13]S .prip Beier, Pressure Driven membrane processes,2011.
[14]G. R. M., K. S. V., K. V. S., K. G. S, A Short Review on Process and Applications of Reverse Osmosis, Universal Journal of Environmental Research and Technology.(2011).233238.
[15] A. Matin, Z. Khan, S.M.J. Zaidi, M.C. Boyce, Biofouling in reverse osmosis membranes for seawater desalination: Phenomena and prevention, Desalination 281 (2011) 1-16.
[16]H. Choi, J. Park, T.Tak, Y.N. Kwon, Surface modification of seawater reverse osmosis (SWRO) membrane using methylmethacrylate-hydroxy poly (oxyethylene) methacrylate (MMA-HPOEM) comb-polymer and its performance, Desalination291 (2012) 1-7.
[17]S. Yu , X.Liu, J.Liu, D.Wu, M.Liu, C.Gao, Surface modification of thin-film composite polyamide reverse osmosis membranes with thermo responsive polymer (TRP) for improved fouling resistance and cleaning efficiency,Separation and PurificationTechnology 76 (2011) 283-291.
[18]M. Liu, Z. Chen, S. Yu, D. Wu, C. Gao, Thin-film composite polyamide reverse osmosis membranes with improved acid stability and chlorine resistance by coating Nisopropylacrylamide-co-acrylamide copolymers, Desalination 270 (2011) 248-257.
[19]A.K. Ghosh, R.C. Bindal, S. Prabhakar and P.K.Tewari, Composite Polyamide Reverse Osmosis (RO)Membranes – Recent Developments and Future Directions, Desalination Division.
[20]Y.Jin, Z.Su, Effects of polymerization conditions on hydrophilic groups in aromatic polyamide thin films, Journal of Membrane Science 330 (2009) 175-179.
[21] Hanra, A.M. and V. Ramachandhran. ١٩٩٦. RO performance analysis of cellulose acetate and TFC polyamide membrane systems for separation of trace contaminants. Desalination. ١٠٤: ١٧٥-١٨٣.
[22]ترابیان، ع. حسنی، اح و م. سماک عابدی. ۱۳۸۵. مقایسه حذف نیترات از آب آشامیدنی به دو روش اسمز معکوس و تبادل یونی. مجله علوم و تکنولوژی محیط زیست. دوره هشتم، شماره ۳. پائیز 85. صص ۲۸-۲۱.
[23]ترابیان، ع و م. زمانی، ۱۳۸۸. آب آشامیدنی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی. موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران. چاپ پنجم، ۲۹ صفحه.
[24]میرانزاده، م.ب. و د. ربانی. ۱۳۸۹. بررسی کیفیت شیمیایی آب ورودی و خروجی دستگاه های آب شیرین کن شهر کاشان طی سال های ۸۷-۱۳۸۹. فصلنامه فیض. دوره 14. شماره ۲. تابستان ۱۳۸۹. صص ۱۲۵-۱۲۰.
[25]آبکار، ل و م بنکدار. ۱۳۹۰. سیستم های تصفیه آب خانگی اسمز معکوس. فصلنامه میراب. شماره ۱۵. زمستان 90. صص ۲5.
[26]کیومرئی، ا. حقیقی اصل، ع و ف. ورامینیان. ۱۳۸۵. بررسی اثرات جرم گرفتگی کلوئیدی غشاءهای سیستم اسمز معکوس و مکانیسم آنها. مجله اندیشه علوم دانشکده علوم پایه دانشگاه سمنان. شماره 1، زمستان ۸۵. صص 41-۳۳.
[27] D. Lowa, A. Hamoodb, T. Reidb, T. Mosleyb, P.Tranb, L. Songa, A. Morsea, Attachment of selenium to a reverse osmosis membrane to inhibit biofilm Formation of S. aureus, Journal of Membrane Science 378 (2011) 171- 178.
]28[ H. Choi, J. Park, T.Tak, Y.N. Kwon, Surface modification of seawater reverse osmosis (SWRO) membrane using methylmethacrylate-hydroxy poly (oxyethylene) methacrylate (MMA-HPOEM) comb-polymer and its performance, Desalination291 (2012) 1-7.
[29]M. Barger and R. P. Carnaban, Fouling prediction in reverse osmosis ,Desalination(,18939 1)3-33.
[30]G.g Kang, M. Liu, B. Lin, Y. Cao , Q.Yuan, A novel method of surface modification on thin-film composite reverse osmosis membrane by grafting poly(ethylene glycol), Polymer 48 (2007) 1165-1170
پیوستها
ذ
3
9
18