مقایسه‌ی روش‌های اسمز معکوس و الکترودیالیز

مقایسه‌ی روش‌های اسمز معکوس و الکترودیالیز

مقایسه‌ی روش‌های اسمز معکوس و الکترودیالیز در تصفیه‌ی آب صنعتی

برای مقابله  با بحران کم آبی در جهان از روش‌های متفاوتی برای تصفیه و جداسازی نمک‌ها و ذرات جامد درون آب‌های لب شور و آب دریاها استفاده می‌شود. با توجه به پیشرفت دانش و مطالعات در زمینه‌ی آب و بحران کم آبی روش‌هایی مانند الکترودیالیز و اسمز معکوس به طور گسنرده مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیند اسمز معکوس تا ۹۹ درصد املاح را از آب حذف می کند و برای تصفیه‌ی هر نوع آب خوراک  کاربرد دارد. در روش الکترو‌دیالیز یون‌های حل شده از ماده‌ی ناخالص از غشا عبور می نمایند. عملکرد دستگاه الکترودیالیز دقیقا معکوس عملکرد فرآیند اسمز معکوس می باشد. در این بخش به طور کامل این دو روش تصفیه‌ی آب را بررسی و مقایسه‌ی روش‌های اسمز معکوس و الکترودیالیز خواهیم نمود.

روش اسمز معکوس: RO(Reverse Osmosis)

اسمز به پدیده‌ای گفته می‌شود که یک غشای نیمه تراوا بین دو محلول با ارتفاع مساوی ولی با غلظت‌های مختلف به گونه‌ای که یک محلول حاوی آب و محلول دیگر حاوی آب و نمک غلیظ باشد. بر اساس اختلاف پتانسیل شیمیایی که در سرتاسر غشای نیمه تراوا وجود دارد مولکول‌های آب از بخش محلول رقیق از غشای نیمه تراوا عبور نموده و وارد بخش غلیظ حاوی نمک می‌شوند و در نتیجه سطح مایع در بخش محلول غلیظ افزایش می‌یابد. انتقال مولکول‌های آب از غشای نیمه تراوا تا زمانی که غلظت هر دو محلول به تعادل برسد، ادامه می یابد. در واقع بین اختلاف فشار و اختلاف پتانسیل شیمیایی تعادل برقرار شده و حرکت مولکول‌های آب متوقف می شود. این تعادل اختلاف فشار را فشار اسمزی می‌گویند. وجود فشار اسمزی باعث ایجاد تعادل بین دو بخش محلول می گردد. اگر فشاری بیش از فشار اسمزی به قسمت محلول غلیظ وارد شود معکوس پدیده اسمز اتفاق می‌افتد که در این صورت مولکول‌های آب از بخش محلول غلیظ به بخش محلول رقیق مهاجرت می‌کنند. در نتیجه آب خالص از غشای نیمه تراوا عبور کرده و املاح در طرف دیگر غشا باقی می‌ماند. در اینجا فرآیند اسمز معکوس انجام می شود.

روش کار فرآیند RO در تصفیه‌ی آب

اساس کار دستگاه RO همانطور که در بالا اشاره شد بر اساس اسمز معکوس می باشد. وجود یک غشای نیمه تراوا در سیستم اسمز معکوس این امکان را می‌دهد که فقط مولکول‌های آب از غشا عبور نمایند و اکثر آلاینده‌ها و املاح آب خام حذف می شوند.

اولین مرحله در این سیستم بخش پیش تصفیه می‌باشد. آب خام ابتدا وارد پیش تصفیه می‌شود در این بخش برخی از آلاینده‌های موجود در آب حذف می شود. با کمک کلر میکروارگانیسم ها حذف شده و آب با کدورت کمتر وارد غشای ممبران دستگاه اسمز معکوس می‌شود. برای عبور مولکول‌های آب از غشای ممبران نیاز به یک فشار بالا می‌باشد که توسط پمپ های فشار قوی تأمین می گردد. منافذ این غشا بسیار کوچک بوده و فقط مولکول های آب از آن عبور می کنند و تمامی املاح در پشت غشا باقی می‌مانند و به این ترتیب آب تصفیه شده از دستگاه RO خارج می‌گردد.

مزایا و معایب دستگاه اسمز معکوس

• کاهش ۹۵ درصدی سختی آب و کاربرد گسترده در صنعت و کشاورزی
• تولید آب بدون سرب
• حذف انگل و میکروارگانیسم های موجود در آب
• مصرف انرژی نسبتا پایین دارد
• کاربرد به صورت مداوم و بدون نیاز به توقف دستگاه
• کاربرد آسان، به صورت اتوماتیک
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
• بازدهی بالا در تأمین آب شرب
• کاربرد برای تصفیه ی انواع آب‌ها ( غشای اسمز معکوس توانایی حذف نمک‌ها از آب‌های لب شور، آب اقیانوس، دریاها و شوره زارها را دارد).

معایب

از مشکلات اساسی در دستگاه اسمز معکوس گرفتگی ممبران‌ها می باشد. مواد جامد و املاح موجود در آب خام بر روی سطح غشای ممبران باقی مانده و انباشته می‌شود. در نتیجه عملکرد ممبران به شدت کاهش می یابد و تولید آب تصفیه شده کمتر خواهد بود. برای حل این مشکل از واحد پیش تصفیه در دستگاه RO استفاده می‌شود. بخش پیش تصفیه املاح آب خام را تا حدودی حذف می‌کند تا برای عبور از غشای ممبران در حد قابل قبولی باشد.

از مشکلات دیگر در دستگاه اسمز معکوس می توان به ایجاد رسوب کربنات کلسیم و سولفات کلسیم اشاره نمود که در این موارد از آنتی اسکالانت یا ضد رسوب استفاده می‌شود.

روش الکترودیالیز Electro Dialysis Technology  (EDI)

الکترودیالیز یک روش صنعتی برای شیرین سازی آب‌های شور می‌باشد که با استفاده از جداسازی یون‌های باردار از طریق ایجاد یک میدان الکتریکی نمک‌ها را  از آب حذف می‌کند. در فرآیند الکترودیالیز غشاهای نیمه تراوا وجود دارد و کاتیون ها و آنیون‌های آب شور به سمت غشای نیمه تراوا  با بار مخالف آن حرکت می‌کنند. بدین ترتیب ممبران‌های کاتیونی مانع حرکت ذرات باردار کاتیون شده و ممبران‌های آنیونی مانع حرکت ذرات آنیونی می‌شود. غشاهای ممبران به صورت یک در میان آنیونی و کاتیونی قرار می‌گیرند و به صورت یک در میان آب شیرین و فاضلاب شور تشکیل می‌شود. بر طبق تصویر اگر غشای آند و کاتد به منبع برق وصل شوند، میدان الکتریکی ایجاد شده و یون‌های کاتد (منفی) و آند (مثبت) به سمت غشا با بار مخالف خود حرکت می‌کنند. در الکترودیالیز جریان برق باعث جداسازی یون‌ها و تصفیه‌ی آب می‌شود. زمانی که یک جریان مستقیم به آب خام اعمال شود یون‌های مثبت نمک‌های موجود در آب به سمت الکترود منفی یا کاتد می‌روند و ذرات با بار منفی به سمت الکترود مثبت یا آند حرکت می‌کنند. غشای نیمه تراوای کاتیونی (منفی) به یون‌های مثبت اجازه‌ی عبور می‌دهد و مانع حرکت یون‌های منفی می‌شود. در مقابل غشای نیمه تراوای آند یون‌های بار منفی را جذب می‌کند و ذرات باردار مثبت را دفع می‌نماید. بدین ترتیب ذرات باردار معلق در آب کمتر می‌شود و آب تصفیه شده با روش الکترودیالیز تأمین می‌گردد ولی این روش تاثیر چندانی در بهبود ذرات معلق بدون بار یا رنگ و مزه‌ی آب ندارد.

نکات مهم و کاربردی در استفاده از روش الکترودیالیز

• فضای بین دو غشای نیمه تروای کاتد و آند را یک واحد سل می‌نامند. هر چه فاصله‌ی سل‌ها کمتر باشد، مقاومت الکتریکی کمتر خواهد بود و هزینه‌ی برق مصرفی کاهش می یابد.
• نوع و کیفیت آب ورودی به دستگاه ED بسیار مهم و در کیفیت آب خروجی تاثیر گذار است. یون‌های مهم موجود در آب شامل بی‌کربنات‌ها، سدیم، کلسیم، منیزیم، آهن، سیلیس و کلرید می‌باشد.
• دمای آب ورودی اثرات مهمی بر روی بازدهی دستگاه و کیفیت آب خروجی دارد. دمای بالای آب خام باعث کاهش مقاومت الکتریکی می‌شود و جریان برق مصرفی کمتر خواهد بود. غشاهای الکترودیالیز به طور معمول دمای آب ورودی تا ۴۵ درجه‌ی سانتی گراد را تحمل می‌کنند و همچنین دمای آب خام نباید کمتر از ۱۰ درجه‌ی سانتی گراد باشد.

معایب روش الکترودیالیز

• جنس غشاهای یونی در این فرآیند از جنس رزین‌های تبادلی می باشند. رزین‌های تبادلی ذرات جامدی هستند که می‌توانند یون‌های نامطلوب را با یون‌های مطلوب و مفید تبادل و جایگزین کنند و به شکل صفحات یک متری در دستگاه قرار می‌گیرند. غشاهای یونی با گذشت زمان خواص آنها توسط غلظت محلول و دما دچار تغییر شده و کیفیت و کارایی آنها کاهش می‌یابد.
• در الکترودیالیز مواد معدنی باردار حذف می‌شوند و با گذشت زمان رسوب مواد معدنی بر روی ممبران انباشته شده و کارایی ممبران‌ها بشدت کاهش می‌یابد. لذا باید مرحله‌ی پیش تصفیه داشته باشد.
• به دلیل پیشرفته بودن دستگاه نیاز به نگهداری و تعمیرات تخصصی دارد و نیروی انسانی دقیق و ماهر برای راه اندازی دستگاه نیاز می‌باشد.
• این روش تصفیه برای آب‌هایی با TDS بالاتر از ۲۵۰۰ میلی گرم بر لیتر مناسب نیست. بنابراین برای تصفیه‌ی آب دریا و اقیانوس‌ها به علت بالا بودن مواد جامد محلول الکترودیالیز کاربرد مناسبی ندارد.
• در این دستگاه جریان برق مستقیم با ولتاژ بالا استفاده می‌شود و باید محیط دستگاه کاملا ایمن و عایق بندی شود.
• غشاها دارای بار الکتریکی هستند و کلوئید‌ها می‌توانند منافذ غشا را مسدود نموده و قابلیت انتقال یون‌ها را کاهش دهند و در نتیجه سیستم الکترودیالیز نیاز به شست و شوی منظم دارد.

مزایا

• در صورت نگهداری مناسب از ممبران‌ها حدود ۱۲ تا ۱۵ سال می‌توان از ممبران استفاده نمود و نیازی به تعویض ندارند.
• گرفتگی ممبران‌ها نسبت به دستگاه RO کمتر می‌باشد.
• نیاز به پیش تصفیه کمتر دارد.
• تا ۹۰ درصد آب خام ورودی تصفیه شده و ذرات باردار در ۱۰ درصد آب باقی می‌مانند و باید به طور صحیح این فاضلاب تولیدی دفع گردد زیرا می‌تواند اثرات زیست محیطی نامطلوب داشته باشد.

مطلب پایانی

با توجه به مطالبی که ذکر شد روش مناسب برای تصفیه‌‍ی آب به عوامل بسیاری بستگی دارد و نمی‌توان به طور دقیق روش خاصی را بیان نمود. برای نمک زدایی از آب دریا و اقیانوس‌ها بهتر است از روش اسمز معکوس استفاده شود.

برای تصفیه‌ی آب‌های سطحی می‌توان از روش اسمز معکوس و الکترودیالیز استفاده نمود.

اگر کیفیت آب خروجی از دستگاه ۲۵۰ تا ۱۰۰ ppm باشد، حتما از روش اسمز معکوس استفاده می‌شود.

بزرگترین مشکل در سیستم RO گرفتگی غشای ممبران‌ها می‌باشد که با قرار دادن واحد پیش تصفیه تا حد زیادی این مشکل رفع می‌شود اگر آب ورودی دارای املاح زیادی باشد روش اسمز معکوس می تواند مفید باشد.