تصفیه آب به روش الکترودیالیز

الکترو دیالیز (Electrodialysis) :

الکترو دیالیز با علامت مخفف ED نشان داده می شود. یک فرایند جداسازی غشایی می باشد که درآن از اختلاف پتانسیل الکتریکی به عنوان نیروی محرکه جهت انتقال یون ها استفاده می شود .
در این سیستم از غشاهای پلیمری حاوی رزین های تبادل یونی استفاده می گردد. این رزین ها بر روی پارچه هایی پلیمری مانند پلی اتیلن پوشش داده شده اند . پرده های کاتیونی نسبت به کاتیون ها تراوا می باشند و آنیون ها فقط می توانند از غشاهای آنیونی عبور نمایند.
فضای بین دو غشای غیر همنام سل نامیده می شود . در سیستم های پیشرفته دستگاه الکترودیالیز به شیوه ای طراحی و بهره برداری می گردد که در حدود هر 15 دقیقه یک مرتبه قطب کاتد و آند جابجا می شوند و به طور اتوماتیک از رسوب روی الکترودها و گرفتگی غشاها کاسته می شود .غشاها توسط جدا کننده های پلیمری از یکدیگر مجزا می شوند به طور معمول ضخامت این توری ها در فضای بین غشاء ها نیم میلی متر و در کنار الکترودها یک میلی متر می باشد.
نکات مهم در طراحی و بهره برداری از سیستم های الکترودیالیز :
1) کیفیت آب ورودی بیشترین اهمیت را در ثابت نگه داشتن مشخصات آب خروجی دارد . یون های مهم در تصفیه آب شامل سدیم ، کلسیم ، منیزیم ، آهن ، سیلیس ، کلرید و بی کربنات می باشند. هر چند تغییر در مشخصات آب ورودی موجب تغییر در کیفیت آب خروجی می گردد.
2) دمای آب ورودی اثر فوق العاده مهمی بر روی بازده دستگاه و کیفیت محصول دارد. به طور معمول دمای آب نباید از 10 درجه سانتی گراد کمتر و از 45 درجه سانتی گراد بیشتر باشد.
3) حد مجاز آهن در آب وروی به طور معمول حدود 0.2 ppmمی باشد زیرا بیشتر از این مقدار موجب اشکال در فرایند می گردد. یکی از اثرهای منفی یون های آهن و یا آهن معلق ، افزایش مقاومت الکتریکی غشاها می باشد که در اثر رسوب بر روی غشاها یک لایه نارنجی رنگ بوجود می آورند و موجب کاهش کیفیت تولید آب و تغییر در ولتاژ و آمپر مورد استفاده می شود.
4) وجود کلرین در آب ورودی موجب آسیب دیدگی سیستم می شود لذا نباید سیستم راه اندازی شود.
5) وجود هیدروژن سولفاید در آب ورودی مانند حالت بالا موجب آسیب رسیدن به غشا میشود و لذا نباید سیستم راه اندازی شود.
6) حد مجاز آهن و منگنز بر روی هم درآب ورودی 0.2 ppm می باشد.
7) به طور اساسی یکی از عوامل وجود آهن در لوله های انتقال و مخازن سرچاهی خوردگی می باشد و یکی از رایج ترین عوامل خوردگی در آب های زیر زمینی باکتری های احیا کننده سولفات (SRB) می باشد که می توانند به دلیل بی هوازی بودن در چاههای آب وجود داشته باشند و همچنین با استفاده از اکسیژن می توان سولفات موجود درآب را احیا و تولید H2S نمود که در نهایت سولفیت آهن تولید می گردد. بهترین شیوه مبارزه تزریق کلر در سر چاه به میزان باقی مانده در حدود ppm 1 می باشد ولی چون کلرین آزاد برای سیستم زیان بخش است ، باید آب را قبل از ورود به سیستم توسط کربن فعال و یا هر شیوه دیگر کلرین زدایی گردد.
8) در سیستم های الکترو دیالیز اتوماتیک ، هر پانزده دقیقه یک مرتبه پلاریته الکتریکی و مسیرهای الکتریکی تعویض می شوند و این عمل با تعویض قطب کاتد و آند انجام میگیرد که هیچ یک از قطب ها با آب نمک غلیظ برای مدت بیش از پانزده دقیقه در تماس نباشند و نمک انباشته شده را به سرعت حل می نمایند و از سیستم خارج می سازند.
9) محیط آند همیشه در اثر تجمع H+ اسیدی می باشد ، لذا مناسب است که آب در اطراف قطب آند ، حالت سکون داشته باشد تا رسوباتی که در این قطب به وجود آمده است حل و در زمان تخلیه خارج شوند و یا به عبارت دیگر عمل شست و شوی اسیدی در قطب آند انجام شود. به دلیل تعویض قطب ها در هر پانزده دقیقه یک مرتبه این روش کمک فراوانی به تمیز شدن الکترودها می نماید.
10) به طور معمول حداقل فشار سیستم الکترودیالیز 0.15atmو حداکثر 1.5 atmطراحی می شود.
11) دستگاه نشان دهنده اختلاف فشار بین آب رقیق و غلیظ در ورودی و خروجی مجموعه غشاها به شیوه ای است که اختلاف فشار آب تصفیه شده و آب نمک را نشان می دهد زیرا همیشه باید فشار آب تصفیه در حدود نیم الی یک و نیم اتمسفر بیشتر از فشار آب نمک باشد.
12) جهت کنترل کیفیت آب تولیدی دستگاه اندازه گیری هدایت الکتریکی در قسمت خروجی آب تصفیه شده نصب می شود.
13) در صورت توقف بیش از سی دقیقه در سیستم های الکترودیالیز که به شیوه های دستی یا اتوماتیک عمل می نمایند لازم است در حدود چهار الی هشت دقیقه آبکشی شوند تا نمک های باقی مانده تخلیه شوند و از ایجاد رسوب بر روی غشاها جلوگیری گردد.
14) در صورت افزایش T.D.S آب و کاهش آمپر مصرفی لازم است موارد زیر مورد بررسی قرار گیرند :

الف) دمای آب : کاهش یک درجه فارنهایت از دمای آب باعث کاهش یک درصد از آمپر مصرفی می شود

ب) کثیف بودن غشاها

ج) پوشش سطح الکترودها د) پارگی و یا سوختگی غشاها.

15) در صورت کاهش میزان آب تولیدی ، موارد زیر باید بررسی شود :

الف ) گرفتگی صافی ها

ب ) وضعیت سایر تجهیزات مانند شیرها و پمپ ها

ج) اختلاف فشار جریان های ورودی و خروجی

16) هرگاه جریان مصرفی بین الکترود کاهش یابد باید بررسی زیر انجام گیرد
الف) اطمینان از بسته نبودن لوله های آب تغذیه الکترودها یا لوله های خروجی الکترودها
ب) اطمینان از برابر بودن فشار ورودی آب الکترودها و فشار ورودی مجموعه غشاها
ج) اطمینان از عدم رسوب روی غشاها ، صفحه های جدا کننده و الکترودها.
فرآیند تقطیری :
تبخیر و میعان آب یکی از روشهای تصفیه آب است . دمای تبخیر املاح موجود در آب بالاست لذا با حرارت دادن محلول آب می توان اجزاء آب را بخار و از سنگ های محلول در آن جدا نمود.
این شیوه تصفیه آب را روش تقطیری می نامند . آب دارای املاح بالا در سه مرحله تبدیل به آب مناسب می گردد.
1) تولید بخار با حرارت دادن به آب و رسانیدن دمای آب به نقطه جوش
2) جمع آوری بخار
3) میعان بخار و بازیافت حرارت
سیستم تقطیر چند مرحله ای (Multistage Distillation) :
افزایش راندمان سیستم تقطیر با بکارگیری مجموعه ای از سیستم های تقطیر ساده به طور متوالی امکان پذیر است . در چنین سیستمی یکی از تبخیر کننده های به وسیله بخار تغذیه می شود . دمای بخار در این تبخیر کننده بیش از دمای جوش آب داخل پوسته است. بخار ایجاد شده در محفظه اول داخل لوله های سیستم دوم می شود و در نتیجه آن ، مقداری از آب درون پوسته این سیستم تبخیر می شود . برای تبخیر این مرحله باید دمای بخار ورودی به لوله ها از دمای آب موجود در پوسته در حد مناسبی بیشتر باشد به همین ترتیب بخار خارج شده از مرحله دوم وارد لوله های مرحله سوم می شود و در اثرمیعان مقداری از آب در درون پوسته مرحله سوم تبخیر می گردد. به طور کلی در این گونه سیستم ها ، طراحی به گونه ای انجام می شود که به ازای هر کیلوگرم بخار داده شده به سیستم حدود سه کیلوگرم آب مقطر تولید می شود. برای تامین خلاء به منظور جمع آوری گازهای خارج شده از آب تاسیسات جانبی تقطیر ، پمپ خلاء نیاز می باشد. بر اساس قوانین ترمودینامیک با کاهش فشار ، دمای نقطه جوش کاسته می شود ، لذا ایجاد خلا در این گونه سیستم ها آب را در دمای کمتری به بخار تبدیل می کند . به طور کلی در این سیستم ها با افزایش تعداد مراحل ، راندمان کلی تولید آب شیرین افزایش می یابد ولی از لحاظ اقتصادی ، تعداد مراحل بهینه وجود دارد.
سیستم های تقطیری چند مرحله ای دارای انواع گوناگونی می باشند که عبارتند از :
1) تقطیر کننده با لوله های درون آب
2) تبخیر کننده با لوله های بلند عمودی
3) تبخیر کننده های عمودی بالایه پایین رونده
4) تبخیر کننده های عمودی بالایه بالا رونده
5) تبخیر کننده های افقی
کاربرد پمپ حرارتی در تصفیه آب :
پمپ های حرارتی ، دستگاههایی می باشند که با انجام کار مکانیکی ، حرارت را از سیستم سرد به سیستم گرم منتقل می کنند. پمپ حرارتی در واقع یک ماشین حرارتی معکوس است .کار مکانیکی به طور معمول توسط یک پمپ یا کمپرسور ( با توجه به نوع پمپ حرارتی) انجام می گیرد به همین دلیل نام این سیستم را پمپ حرارتی گذارده اند. در سیستم های تقطیر به کمک پمپ حرارتی ، گرمای محصول که کمتر از گرمای درون برج (خوراک ورودی) است از طریق یک سیال کاری به خوراک ورودی یا جوشاننده برج انتقال می یابد واین موضوع اساس کاهش انرژی حرارتی مصرفی است. سیال کاری که جهت انتقال انرژی استفاده می شود به طور معمول بخار آب است.
اجزاء اصلی یک پمپ حرارتی عبارتند از :
1) کمپرسور برای افزایش فشار سیال کاری
2) شیر انبساط به منظور کاهش و افت فشار سیال کاری
3) چگالنده به منظور دفع انرژی سیال کاری به محیط گرم
4) تبخیر کننده برای جذب انرژی از محیط سرد به سیال کاری
سیال کار در فشار پایین گرما را جذب و در فشار بالا گرما را به محیط می دهد. در این چرخه ،کمپرسور مقداری کار و انرژی مصرف می نماید که موجب افزایش فشار و دمای سیال کاری می شود.
گاز زدایی (Degasification) :
گازهای مختلف زیادی می توانند در آب به صورت محلول وجود داشته باشند . هیدروژن سولفید ، کربن دی اکسید ، اکسیژن ، آمونیاک ،کلرین و نیتروژن از جمله گازهایی هستند که بیشتر از بقیه گازها در آب وجود دارند. نوع و میزان گازهای محلول در آب به شرایط محیطی ،منبع آب ،مسیر عبور آب ، دما و فشار و جنس گاز بستگی دارد. گازهای موجود در آب به دو صورت می توانند وجود داشته باشند ، یک دسته مثل اکسیژن و نیتروژن همواره ، به صورت گاز در آب موجودند ، ولی گازهایی چون دی اکسید کربن ،هیدروژن ، سولفید و آمونیاک با توجه به PH آب می توانند هم به صورت ترکیب نشده (گاز) در آب موجود باشند و هم می توانند با آب ترکیب شده و تولید یون کنند که در این صورت برای حذف آنها باید عملیاتی را که برای حذف یون ها بکار برده میشود ،مورد استفاده قرار داد.
اثرات ناخالصی های گازی آب :
اکسیژن ونیتروژن از جمله گازهای محلول در آب هستند که در اثر تماس آب با هوا در آب حل می شوند.
نیتروژن : این گاز حلالیت کمی در آب دارد و نیز به دلیل میل ترکیبی خیلی کم ، مشکل چندانی ایجاد نمی کند.
اکسیژن : اکسیژن به همراه PH کم خاصیت خورندگی شدیدی دارد . یکی از جدی ترین مسائلی که اکسیژن می تواند ایجاد کند ،خوردگی حفره ای است. البته حلالیت اکسیژن در دما و فشارهای مختلف ، تغییر می کند.
دی اکسید کربن : این گاز در اثر حل شدن در آب به آن خاصیت خورندگی می دهد ، ضمن اینکه خورندگی اکسیژن را نیز تشدید می کند.
کلر : گازی است که به صورت طبیعی در آب وجود ندارد و معمولا در مرحله کلر زنی به منظور ضدعفونی کردن ، وارد آب می شود.
هیدروژن سولفید : این گاز در آب موجب خوردگی جداره لوله های فولادی می شود و با تشکیل رسوب سولفور آهن و ته نشینی آن روی رزین های تعویض یونی موجب تخریب رزین ها می شود.
روش های حذف گازها :
به طور کلی برای حذف ناخالصی های گازی آب دو شیوه عمده وجود دارد :
الف) روش های فیزیکی حذف گازها
ب) روش های شیمایی حذف گازها
در مواردیکه حجم آب مورد تصفیه زیاد و غلظت گازهای محلول بالا باشد از روش فیزیکی استفاده می شود چون این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه خواهد بود. هزینه های سرمایه گذاری ، تجهیزات و دستگاههای مورد استفاده در این شیوه بالاست ولی در مجموع با صرفه تر از روش های شیمیایی خواهد بود.
مزیت روش شیمیایی نسبت به فیزیکی در آن است که در روش شیمیایی می توان گفت که حذف گازها از آب به طور کامل انجام می شود در حالیکه در روش فیزیکی هیچ گاه حذف گازها صد درصد نیست و احتیاج به عملیات شیمیایی به صورت تکمیل کننده خواهد بود.
برخی از روشهای فیزیکی حذف گاز عبارتند از :
1) افزایش دمای آب : با این عمل ، فشار بخار آب افزایش می یابد و بر طبق قانون دالتون ، چون فشار کل گازها برابر با مجموع فشارهای جوی گازها می باشد لذا با افزایش بخار آب ، فشار جزئی گازهای ناخالص کاهش می یابد و مقداری از گاز محلول در آب خارج می شود.
2) گاززدایی تحت فشار : با تحت فشار قرار دادن سطح آب توسط یک گاز بی اثر می توان گازهای محلول در آب را خارج نمود. معمولا در صنعت به جای استفاده از یک گاز بی اثر نظیر ازت ، از بخار آب برای تغییر فشار کمک می گیرند ضمن اینکه دمای آب افزایش یافته و به گاز زدایی کمک خوهد شد.
3) هوادهی (Aeration) :

هوادهی فرآیندی است که درآن آب و هوا در تماس نزدیک با هم قرار داده می شوند. از هوادهی برای حذف سایر گازها به جز اکسیژن استفاده می شود. در اثر هوادهی میزان اکسیژن محلول در آب افزایش می یابد و در نتیجه فشار جزیی اکسیژن افزایش یافته و فشار جزئی سایر گازها کم شده و از آب خارج می شوند. هوادهی برای موارد مختلفی بکارگرفته می شوند که عبارتند از :

1)حذف گاز هیدروژن سولفوره و ترکیبات آلی
2) حذف گاز کربنیک
3) حذف گازهایی مانند متان که تجمع این گاز در یک محیط بسته می تواند سبب انفجار شود.
در روش هوادهی آب زائد توسط افشانک هایی به صورت قطرات ریز از بالا به پایین پاشیده می شود و هوا از پایین به بالا جریان می یابد و تماس بین دو فاز برقرار می شود که این کار توسط دستگاهی به نام (Degasor) انجام می شود.
4) هوازدائی سرد (Cold dearation) :
هوازدایی سرد به گونه ای است که هیچ هوایی به داخل آب دمیده نمی شود بلکه با خلائی که توسط یک مولد خلا ایجاد می شود ، فشار روی سطح آب کاهش می یابد و درجه حرارت آب به دمای اشباع می رسد و با این کار بخار آب تولید می شود که وجود آن باعث کاهش زیاد فشار جزئی همه گازها می شود در دمای اشباع از نظر تئوری همه گازهای محلول در آب از آن خارج می شوند. در روش هوادهی سرد ، با صرفه ترین روش ، ایجاد خلا توسط جت بخار می باشد. یکی از مشکلات این روش که سبب عدم استفاده از آن به طور وسیع در صنایع میشود ، کنترل خلا در برج های هوازدایی سرد می باشد . از جمله مزایای روش هوازدایی سرد این است که به دلیل نبودن اکسیژن در آب از اکسیداسیون رزین های آنیونی جلوگیری می شود و در نتیجه عمر رزین کاهش نمی یابد.

5) هوازدایی گرم (Hot Dearation) :

در هوازدایی گرم ، دمای آب را تا دمای اشباع در فشار داخل هوازدا می رسانند تا اکسیژن و دیگر گازها از آب خارج شوند. چون هدف حذف گازهایی مانند اکسیژن و کربن دی اکسید است از دمیدن هوا استفاده نمی شود بلکه از بخار آب استفاده می شود. در این صورت بخار آب ورودی ، دمای آب را تا دمای اشباع افزایش می دهد و از نظر تئوری انتظار می رود که همه گازهای محلول در آب از آن خارج می شوند.

الکترودیالیز که با علامت مخففED نشان داده می شود، یک فرآیند جداسازی غشایی می باشد که در آن از اختلاف پتانسیل الکتریکی به عنوان نیروی محرکه جهت انتقال یون ها استفاده می گردد.

بیشترین کاربرد این روش در تهیه آب آشامیدنی و یا تصفیه آب صنعتی از آب هایی با TDS کمتر از 5000 ppm می باشد.

تئوری فرآیند الکترودیالیز

اساس دستگاه الکترو دیالیز در شکل نشان داده شده است در این سیستم از غشاهای پلیمری حاوی رزین های تبادل یونی استفاده می گردد. این رزین ها بر روی پارچه های پلیمری مانند پلی اتیلن پوشش داده شده اند. پرده های کاتیونی نسبت به کاتیون ها تراوا می باشند و آنیون ها فقط می توانند از غشاهای آنیونی عبور نمایند.

اگر در ظرف کمی آب نمک دار ریخته دو الکترود در آن گذاشته جریان پیوسته ای برقرار می شود، یون های (Na) که بار الکتریکی مثبت دارند به طرف کاتد (کاتیون ها) و یون های (Cl) که بار الکتریکی منفی دارند به طرف آند (آنیون ها) کشیده می شوند. اما اگر در ظرف غشاهای انتخاب کننده قرار دهیم به طوری که بعضی از غشاها، یون های منفی و بعضی دیگر یون های مثبت را متوقف کنند آب در سلول های 2 و 4 نمک زدایی می شود در حالی که غلظت در قسمت 3 افزایش می یابد و در نزدیکی الکترودها کلر از آند و هیدروژن از کاتد آزاد می شود.

شمای سیستم الکترودیالیز

بطور معمول در هر دستگاه حدود 300 الی 500 غشای کاتیونی و با تعداد مساوی غشای آنیونی وجود دارد . در بین غشاها توری های پلیمری تحت عنوان جدا کننده وجود دارد. این سیستم دارای الکترود های مثبت (آند) و منفی (کاتد) می باشد و ایجاد میدان الکتریکی موجب حرکت یون های محلول به سوی الکترود ها می گردد و محلول از بین غشاها عبور می کند. به عبارت دیگر با اتصال الکترود های آند و کاتد به یک منبع جریان مستقیم و برقراری اختلاف پتانسیل مناسب، یک میدان الکتریکی بین الکترودها به وجود می آید. وجود میدان الکتریکی و نیروی محرکه ناشی از آن موجب حرکت کاتیون ها به سمت الکترود منفی (کاتد) و حرکت آنیون ها به سمت الکترود مثبت (آند) می گردد.

فضای بین دو غشای غیر هم نام سل نامیده می شود. اگر سل شامل غشاهای کاتیونی و آنیونی در نظر گرفته شود، کاتیون ها باید به سمت کاتد حرکت کنند، ولی به دلیل وجود غشای آنیونی چنین حرکتی رخ نمی دهد و آنیون های این سل باید به طرف آند حرکت کنند که به دلیل وجود غشای کاتیونی سمت چپ این سل متوقف می گردند. کاتیون های موجود بین غشاها می توانند به طرف کاتد در سمت راست حرکت کنند و به همین ترتیب آنیون ها بین غشای ذکر شده از سمت چپ وارد سل مجاور می گردند. بدین ترتیب TDS آب در برخی از سل ها کاسته می شود و در بقیه افزایش می یابد.

به طور معمول آب تولید شده از سیستم های الکترو دیالیز خالص نمی باشد از این دستگاه ها به عنوان سیستم های واسطه ای استفاده می شود.

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم الکترودیالیز:

- غشاء Membrane) ) : غشاهای سیستم الکترودیالیز از نظر جنس، مشابه رزین های تعویض یون هستند و از انواع کاتیونی و آنیونی می باشند.

- الکترودها (Electrodes) : الکترودها از تیتانیم(Ti) با روپوشی از پالادیوم (pd) یا پلاتین (pt) ساخته می شوند تا در برابر محیط های اسیدی، قلیایی و ولتاژ اعمال شده مقاوم باشند.

- تورهای پلیمری (spacers) : غشاها توسط جدا کننده های پلیمری از یکدیگر مجزا می شوند. به طور معمول ضخامت این توری ها در بین فضای بین غشاها نیم میلی متر و در کنار الکترودها یک میلی متر می باشد.

- پمپ ها (pumps) : پمپ های مورد استفاده در دستگاه های الکترو دیالیز فشار پایین هستند و از انواع معمولی می باشند.

سیستم EDR در تصفیه آب صنعتی

سایر مطالب کلیک کنید

www.environmentalhealth.ir

جهت عضویت در کانال بزرگ سایت بهداشت محیط ایران کلیک کنید

سایت بهداشت محیط ایران

سایت بهداشت محیط ایران