بررسی امکان سنجی و مقایسه کاربردهای فناوری اسمز مستقیم در بهره برداری از منابع آب شور کشور

فرمت: Pdf   تعداد صفحات: 20

فهرست:

• خلاصه
• مقدمه
• مروری بر مطالعات گذشته
• روش های مطرح شده برای شیرین سازی آب با اسمز مستقیم
• اسمز مستقیم برای آب آشامیدنی
• روش های ترکیبی اسمز مستقیم و اسمز معکوس
• مواد و روش ها
  • فرایند اسمز مستقیم برای آب آشامیدنی
  • فرایند مواد بررسی برای برق اسمز
  • فرایند مورد بررسی برای روش ترکیبی اسمز و اسمز  معکوس
• نتایج و بحث
  • ارزیابی فنی و اقتصادی فرایند اسمز مستقیم
  • ارزیابی فنی و اقتصادی PRO
  • ارزیابی فنی و اقتصادی FDFO و FO-LPRO
• نتیجه گیری و پیشنهادات
• منابع

خلاصه

با افزایش جمعیت کره زمین و در نتیجه افزایش مصرف منابع آب آشامیدنی در عصر کنونی، فشار بر روی منابع آبهای سطحی و زیرزمینی به شدت افزایش یافته است. نمک زدایی از آبهای شور، در حقیقت تلاشی برای یافتن منابع جدید طبیعی آبی است تا بتواند پاسخگوی نیازهای آتی جوامع باشد.

فرآیندهای غشایی مانند اسمز مستقیم پتانسیل بسیار زیادی برای نمک زدایی آب دریا از خود نشان داده است. علاوه بر آن، اسمز مستقیم توجهات بسیاری را در زمینه های تولید برق، آبیاری کشاورزی، تصفیه فاضلاب و فرآوری مواد غذایی را به سمت خود جلب کرده است. آب شیرین کن آب دریا از طریق فرآیند اسمز مستقیم دارای مزایای بسیاری از جمله مصرف کم انرژی، هزینه عملیات پایین و تمایل به رسوب کم است. در این مقاله، سعی شده است روش های نوین کاربرد اسمز مستقیم برای نمک زدایی از آب دریا به منظور تولید آب آشامیدنی، کود آبیاری و تولید برق اسمزی ارائه شود. در ادامه، به ارزیابی فنی طرح های استفاده از اسمز مستقیم در فرآیندهای مختلف با استفاده از داده های بدست آمده از واحدهای مختلف در جهان پرداخته شده است. همچنین در ارزیابی اقتصادی استفاده از آن، مقایسه ای بین این روش و روش های متداول از لحاظ اختلاف درآمد به هزینه (سود) صورت گرفت و سپس با هم مقایسه گردید.

کلمات کلیدی: اسمز مستقیم، کود آبیاری، برق اسمزی، نمک زدایی، آب شور و لب شور، ارزیابی فنی و اقتصادی

۱. مقدمه

با افزایش تصاعدی جمعیت و کاهش سوخت های فسیلی، آب و انرژی به یکی از مهم ترین منابع موجود در زمین تبدیل شده اند. کمبود آب و بحران انرژی بسیاری از جوامع را در سرتاسر جهان گرفتار خود کرده است. طبق گزارش های انجام – شده بیش از ۱.۲ میلیارد نفر در جهان دسترسی به آب آشامیدنی سالم ندارند و همچنین ۲٫۶ میلیارد نفر فاقد بهداشت کافی می باشند. اگر چه بیشتر این سیاره توسط اقیانوس احاطه شده است، اما تنها حدود ۰.۸٪ از کل آب جهان قابل آشامیدن می باشد [۱،۲،۳]. علاوه بر این، با توجه به جدیدترین گزارش چشم انداز انرژی توسط EIA، پیش بینی می شود بازار مصرفی انرژی در جهان ۴۹ درصد افزایش یابد. این در حالی است که هنوز ۱.۵ میلیارد نفر در جهان دسترسی به برق هم ندارند [۴]

یکی از راه های مقابله با معضل کمبود آب، استفاده از منابع آب نامتعارف است که می تواند آب شور اقیانوس ها و ذخایر بزرگ آب های زیرزمینی لب شور باشد. این منابع بیش از ۹۷ درصد آب موجود در جهان تشکیل می دهند و با صرفنظر از محدودیت های اقتصادی، عملا یک منبع نامحدود از آب می باشند. با این حال، هزینه های مرتبط با نمکزدایی این نوع منابع آبی، نسبتا بالا است. در حال حاضر، اسمز معکوس با به دست آوردن مقبولیت بالا و به عنوان یک فناوری آب۔ شیرین کن موفق، تقریبا تمام واحدهای آب شیرین کن امروزی را به تسخیر خود درآورده است. مزیت عمده آن قابلیت دستیابی به احیای بالاتر از آب نسبت به نمونه حرارتی آن و مصرف انرژی کمتر است. با این حال، هنوز هم مصرف برق بالایی دارد و مشکلات تخلیه پساب شور کماکان باقی می ماند [۶].

با توجه به اولویت دار بودن مسائل مرتبط با مصرف انرژی و بازیافت آب در آب شیرین کن، بسیاری از کشورها در حال بررسی یک فرآیند جایگزین برای سیستم های آب شیرین کن هستند. اسمز مستقیم (FO)، به عنوان یک فناوری نوظهور نشان داده است که می تواند هم در تامین آب و هم در تولید انرژی، و حتی در صنایع مختلف مثل فرآیندهای غذایی، کنترل دارو و غنی سازی محصولات پزشکی مثمر ثمر باشد. با این حال، تاکنون بیشترین مطالعات بر روی فرآیند اسمز مستقیم تنها در دو بخش انرژی و تولید آب متمرکز شده است [۷].

اسمز مستقیم همانند اسمز معکوس یک فرآیند جداسازی غشایی است که تنها با تکیه بر خصوصیت نیمه تراوایی غشاء، نمک را حذف می نماید و بر خلاف اسمز معکوس، نیروی محرکه آن برای جداسازی نمک از آب، فشار اسمزی است؛ نه فشار هیدرولیکی. نیروی محرکه این اختلاط خود به خودی، اختلاف شوری بین آب دریا و آب شیرین می باشد که با حفظ یونها در یک سمت، آب را از بین غشای نیمه تراوا عبور می دهد. با استفاده از یک محلول غلیظ با فشار اسمزی بالا به نام محلول کشنده، آب وادار به عبور از غشا می شود و این در حالی است که نمک سمت دیگر غشا باقیمانده است. بنابراین، در عمل، این سیستم نسبت به اسمز معکوس، سازگارتر با محیط زیست و با دفع حداقلی مواد شیمیایی مضر می باشد [۵]

با توجه به سابقه افزایش بهای نفت، اسمز مستقیم به تازگی، در زمینه تصفیه پساب، شیرین کردن آب دریا / آب لب شور، فرآیندهای غذایی و تولید برق توجهات بسیاری را به سمت خود جلب کرده است؛ چرا که این فرآیند نیازی به فشار و درجه حرارت بالا ندارد و در مقایسه با فرآیندهای غشایی مرسوم بر پایه فشار، مزایای شناخته شده ای از جمله دفع آلودگی بالا، گرفتگی اندک غشاء و مصرف انرژی بالقوه کمتر ، حذف ساده تر رسوب و بازیابی بالاتر آب نسبت به فرآیندهای فشارمحور مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون (NF) و اولترافیلتراسیون (UF) دارد [۸]. توجه داشته باشید که در این مقاله، اسمز مستقیم، یک اصطلاح کلی از مجموع هر دو فرایند اسمز مستقیم و فرآیندهای اسمزی وابسته به فشار (PRO) است.

در این مقاله سعی شده است روابط بنیادی در اسمز مستقیم و کاربردهای اخیر آن در صنایع مختلف مرور شود. در ادامه روش های مطرح شده برای شیرین سازی آب به روش اسمز مستقیم و همچنین مزایای استفاده از فرایند اسمز مستقیم نسبت به دیگر فرآیندهای غشایی فشار – محور مورد بررسی قرار دهد. سپس، در مورد کاربردهای اخیر آن، براساس مزایای فوق، بحث شده است. در نهایت، آنالیز فنی و اقتصادی استفاده از روش های ترکیبی اسمز مستقیم در نمک زدایی آب، تولید برق و کود آبیاری مورد بحث قرار گرفته است.

مروری بر مطالعات گذشته

۲۰۱. محلول کشنده

یکی از اجزای کلیدی در پیشبرد فن آوری اسمز مستقیم، انتخاب یک محلول کشنده مناسب است. ملاک اول برای انتخاب محلول کشنده، فشار اسمزی بالاتر از محلول خوراک برای تولید شار آب بیشتر است. شار آب (JW) در اسمز مستقیم را می توان با رابطه زیر بیان کرد:

(J_w = A (π_D.b – π_F.b

که در این رابطه، A، ضریب نفوذپذیری آب در غشا، ILDb، فشار اسمزی محلول کشنده در بالک و ICFD، فشار اسمزی محلول خوراک در بالک می باشد. در این معادله فرض شده است که غشای اسمز مستقیم نسبت به محلول کشنده نفوذناپذیر است. همچنین در این معادله، از اثر غلظت قطبی صرف نظر شده است. غلظت قطبی را تجمع و یا تخلیه املاح در نزدیکی سطح غشا تعریف می کنند. از آنجا که غشای اسمز مستقیم نامتقارن از یک لایه متراکم و یک لایه نگهدارنده متخلخل بر روی آن تشکیل شده است، غلظت قطبی در فصل مشترک خوراک- غشا و محلول کشنده – غشاء و همچنین در داخل لایه نگهدارنده متخلخل غشاء رخ می دهد. غلظت قطبی منجر به تغليظ محلول از املاح در سمت خوراک غشاء رقیق شدن در داخل لایه نگهدارنده متخلخل غشاء است که در شکل ۱ نشان داده شده است. دو فرآیند ICP و ECP تاثیر زیادی بر روی شار عبوری از غشا دارند؛ زیرا همانطور که در این شکل نشان داده است، مقدار قابل توجهی از میزان فشار اسمزی موثر در طول غشا را کاهش می دهند. همچنین غلظت قطبی باعث نفوذ معکوس محلول کشنده می شود که این خود نیروی محرکه فشار اسمزی را کاهش میدهد و حتی ممکن است باعث آلودگی محلول خوراک شود.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ شیرین سازی آب های شور توسط تکنولوژی تقطیر غشائی

⇐ انواع عناصر و ترکیبات حائز اهمیت در آب و فاضلاب