تصفیه آب

حذف نیترات از آب به کمک اسمز معکوس

 

از آنجائی که نیترات در آب به‌صورت محلول وجود دارد. روش‌های معمول تصفیه آب قادر به حذف آن نیستند از این رو نیاز روش‌های تصفیه پیشرفته می‌باشد از سوی دیگر چرخه نیترات‌سازی در شهرهائی که دفع نادرست فاضلاب از طریق چاه‌های جذبی انجام می‌شود همچنان ادامه دارد و مشکل تولید پیوسته نیترات و انتشار آن به آب‌های زیرزمینی را سبب می‌گردد.

استاندارد نیترات در آب آشامیدنی :

تیم شهاب صنعت در گرد آوری اطلاعات وبا توجه به مطالعات به‌عمل آمده توسط سازمان بهداشت جهانی در مورد نیترات، این سازمان حداکثر مجاز ۵۰ میلی‌گرم در لیتر (برحسب نیترات) را اعلام نموده است. استاندارد ملی ایران نیز برای نیترات همین مقدار می‌باشد. سازمان حفاظت محیط‌ زیست ایالات متحده، حداکثر مجاز نیترات را ۱۰ میلی‌گرم در لیتر (برحسب نیتروژن) قرار داده که معادل با ۸۲/۴۴ میلی‌گرم در لیتر برحسب نیترات است.

روش‌های حذف نیترات :

نیترات دارای حلالیت زیاد در آب و بدون بو و مزه است که به‌سختی از آب قابل حذف می‌باشد. بنابراین کاهش نیترات اغلب با مشکلات و هزینه زیاد روبرو است. روش‌های متفاوتی برای حذف نیترات از آب آشامیدنی وجود دارد که برخی از آنها در مقیاس بزرگ عملیاتی نیستند. متداول‌ترین روش‌های موجود برای کاهش نیترات در مقیاس بزرگ عبارتند از:

▪ رقیق‌سازی (Dilution)

▪ تبادل یون (Ion Exchange)

▪ اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

فرایند اسمز معکوس (R.O) در حذف نیترات از آب:

در فرآیند اسمز معکوس آب با فشار زیاد از یک سری غشاء نیمه تراوا (Semi-PermeableMembrane) عبور داده می‌شود. این فشار خارجی از فشار اسمزی طبیعی بیشتر است در نتیجه مولکول‌های کوچکتر از منافذ غشاء، عبور می‌کنند در حالی که مولکول‌های بزرگتر، قادر به عبور از غشاء نیستند و سپس در جریانی جانبی از کنار غشاء عبور داده شده و دفع می‌گردند. در این فرآیند میکروارگانیسم‌ها نیز از آب حذف می‌شوند. به‌طور کلی این فرآیند برای شیرین کردن آب‌های شور به‌کار می‌رود ولی در سال‌های اخیر برای حذف آلاینده‌های خاص نظیر نیترات مورد توجه قرار گرفته است. اسمز معکوس یک روش تصفیه فیزیکی و نوعی فیلتراسیون است که نیاز به موادشیمیائی ندارد.

در اغلب منابع از روش اسمز معکوس به‌عنوان روشی موفق و اقتصادی در درازمدت برای کنترل آلاینده‌های آب از جمله نیترات یاد شده است. در این روش علاوه بر نیترات، کل جامدات محلول (TDS) آب نیز کاهش می‌یابد. اگرچه فرآیند RO می‌تواند میکروارگانیسم‌ها را نیز حذف کند، اما توصیه شده که آب پاک از نظر شاخص باکتریائی (بدون کلیفرم) به فرآیند RO وارد گردد. به‌طور کلی فرآیندهای فیلتراسیون برای جداسازی آلاینده‌ها به چهار گروه کلی قابل طبقه‌بندی هستند. میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس که به هایپرفیلتراسیون (HF) شهرت یافته است. ) در برخی منابع قطر منافذ غشاهای صنعتی RO حدود ۰۰۰۵/۰ میکرون (۵۰۰ پیکومتر) و اندازه تقریبی منافذ غشاهای دستگاه‌های تصفیهٔ خانگی نیز تا ۰۰۰۱/۰ میکرون (۱۰۰ پیکومتر) ذکر شده است.

ضمن اینکه قطر مولکول نیترات بدون آب ۲۵۰ پیکومتر (۰۰۰۲۵/۰ میکرون) و نیترات هیدارته ۰۰۰۶/۰ میکرون اندازه‌گیری شده است. به‌دلیل قابلیت‌های چشمگیر غشاهای RO، امروزه در سیستم‌های تصفیه در نقطه مصرف Point of Use)) یا همان دستگاه‌های تصفیهٔ خانگی بسیار متداول شده است.

در این موارد نیز عملکرد فیلترهای RO بستگی مستقیم به کیفیت و فشار آب ورودی دارد و به‌دلیل قرار گرفتن فیلتر کربن فعال در کنار فیلتر RO در این دستگاه‌ها، قابلیت کاهش ترکیبات آلی فرار (VOCs) نظیر کلروفرم و ترکیبات نفتی و همچنین ترکیبات آلی محلول (SOCs) نظیر دی‌اکسین‌ها و آفت‌کش‌ها نیز فراهم آمده است.

به‌طور کلی حذف یون‌ها، نمک‌ها و مولکول‌ها توسط روش اسمز معکوس، براساس چهار عامل بار ذرات، وزن مولکولی، اشاره ذرات و ساختار شیمیائی آنها می‌باشد. در واقع حذف ذرات توسط فرآیند اسمز معکوس تطبیقی از ۴ عامل یاد شده است. اگر از نظر وزن مولکولی بررسی کنیم، MWCO یک فاکتور بسیار مهم برحسب دالتون است که نشان می‌دهد ۹۰ درصد ترکیبات با وزن مولکولی بزرگتر از آن توسط غشاء حذف خواهند شد.

از نظر بار ذرات، آب ورودی شامل آنیون‌ها و کاتیون‌هائی است که وقتی در مجاورت بار منفی غشاء قرار می‌گیرند، آنیون‌ها از غشاء دفع می‌شوند و غلظت کاتیون‌ها در غشاء از غلظت آنها در آب خروجی بیشتر می‌گردد. همزمان غلظت آنیون‌ها در غشاء نسبت به آب خروجی کاهش یافته و در نتیجه یک پتانسیل الکتریکی به‌نام پتانسیل دوتان بین غشاء و محلول پدید می‌آید. این پتانسیل، کاتیون‌ها را به سمت غشاء جذب کرده و بنابراین آنیون‌ها دفع و درصد حذف آنها افزایش می‌یابد.

همچنین در فرآیند اسمز معکوس، ساختار شیمیائی ترکیبات نیتروژن تأثیر بسیار مهمی روی حذف آنها دارد. ترکیبات یونی نیتروژن مانند آمونیوم، نیتریت و نیترات نسبت به ترکیبات آلی آن به‌علت فعل و انفعالات الکتریکی با غشاء حذف بیشتری دارند.

با تخمین شعاع یون‌های محلول به شعاع منافذ غشاء می‌توان میزان حذف یون‌های محلول را به‌دست آورد. اگر میزان شعاع یون‌های محلول به شعاع منافذ غشاء بزرگتر از ۸/۰ و پتانسیل دوتان بزرگتر از V پنج درصد باشد، حذف بسیار خوبی حاصل می‌گردد. در غیر این‌صورت میزان حذف ضعیف خواهد بود.

نیترات یک آنیون تک‌ظرفیتی است. نمک‌های نیترات بسیار محلول در آب بوده و برای سیستم RO به لحاظ ایجاد رسوب و جرم مشکلی ایجاد نمی‌کنند. با توجه به اینکه ترکیبات معدنی و نمک‌ها براساس تئوری هیدراتاسیون در آب محلول هستند، یون‌های دیسوسیه شده براساس بار یونی و شعاع یونی خود جذب مولکول‌های آب شده و هیدراته می‌‌گردند.

با افزایش PH به‌دلیل اثر روی بار یون‌ها، حذف نیترات بهتر انجام می‌گیرد. کاهش PH، تعادل را از سمت یون تک‌ظرفیتی نیترات به سمت مولکول اسید نیتریک (که بدون بار است) جابجا می‌نماید و در نتیجه چنین مولکول بدون بار و کوچکی، به‌راحتی می‌تواند از غشاءهای RO عبور نماید. با افزایش PH سطوح غشاءها شدیداً دارای بار منفی شده که در نتیجه آنیون‌ها طبق پدیده دوتان دفع می‌گردند. در مقایسه دو غشاء پلی‌آمیدی آروماتیک (PA) و استات سلولز (CA)، حذف یون نیترات توسط غشاءهای PA بهتر انجام می‌گیرد که این امر به‌علت تفاوت در خصوصیات شیمیائی سطح پلیمری غشاءها و کوچکتر بودن قطر منافذ PA می‌باشد.

نفوذپذیری مواد محلول توسط اثر دونان کنترل می‌گردد لذا دانستن شعاع یونی هیدراته برای یون‌های مختلف جهت تعیین میزان نفوذپذیری الکترولیت‌های یونی بسیار مفید است.

ساختار فیلتر اسمز معکوس :

اغلب مواردی که در تهیه غشاءهای RO به‌کار می‌روند. مخلوطی از لایه نازک پلی‌آمید (TFC) با انواع سلولزی آن مانند سلولز استات (CA) و یا سلولز تری استات (CTA) و یا مخلوطی از هر دو می‌باشند. مواد به‌کار رفته در غشاها می‌توانند به صورت یک الیاف مارپیچی دور یک لوله و یا فیبر توخالی که به‌هم گره خورده‌اند، قرار گیرند که در نتیجه سطح وسیعی برای تصفیه‌ٔ آب از داخل یک محیط استوانه‌ای فشرده فراهم می‌آورند .

غشاهای CA/CTA دارای ظرفیت کافی برای اغلب مصارف خانگی هستند ولی اگر نیاز به تصفیه حجم زیادی از آب باشد، غشاهای TFC مورد استفاده قرار می‌گیرند. غشاهای RO براساس توانائی‌شان در حذف ترکیبات موجود در آب دسته‌بندی می‌گردند. اگرچه غشاءهای لایه نازک بسیار گران هستند ولی در عوض دارای دوام و استحکام بالائی می‌باشند. و میزان حذف TDS در آنها بیش از ۹۵ درصد است ولی در صورت استفاده از غشاهای سلولزی، میزان حذف حدود ۸۸-۹۴ درصد می‌گردد.

در مورد نیترات درصد حذف به‌طور متوسط ۹۰ تا ۹۵ درصد می‌باشد که بسته به نوع غشاء متفاوت است.

عملکرد یک سیستم RO بستگی به نوع غشاء، کنترل جریان، کیفیت آب ورودی (مانند کدورت، TDS، PH) دما و فشار دارد. میزان کارآئی سیستم از طریق تقسیم کردن حجم آب تصفیه شده تولیدی به حجم آب ورودی به سیستم محاسبه می‌گردد. اگر طراحی سیستم RO مناسب نباشد، برای تولید آب تصفیه شده، مقادیر زیادی آب باید وارد سیستم گردد. اکثر سیستم‌های RO خانگی برای کارائی ۲۰-۳۰ درصد طراحی شده‌اند که افزایش این کارآئی ممکن است عمر غشاها را کاهش دهد در صورتی‌که ناخالصی‌های جدا شده فوراً به خارج از فیلتر منتقل نگردند، غشاءهای RO به آسانی آلوده می‌شوند.

اگر میزان جریان ورودی خیلی زیاد باشد، کارآئی سیستم کاهش یافته و آب خیلی زیادی به سمت پساب (Brine) هدایت شده و هدر می‌رود. در یک سیستم RO با عملکرد مناسب باید فشار آب ورودی کافی باشد. اگر فشار شبکه آب از حدی کمتر باشد، کارآئی سیتم افت نموده و در نتیجه میزان حذف ناخالصی‌ها کاهش می‌یابد. به همین دلیل در اغلب سیستم‌های تصفیه برای افزایش فشار و بهبود کارآئی از پوستر پمپ‌های کمکی استفاده می‌شود.

برای اطمینان از عملکرد بهینه، باید سسیتم‌های RO به‌خوبی نگهداری شوند. اگر آلودگی غشاء RO در مراحل اولیه تصفیه، شناسائی گردد، اغلب با تمیز کردن می‌تواند دوباره وارد مدار شود. روش تمیز کردن بسته به نوع غشاء و میزان آلودگی، متفاوت سات. در عین حال غشاءهای RO که مسدود و یا پاره شده باشند باید تعویض گردند. علاوه بر این، فیلترهای قبل و بعد از غشاء RO بسته به کیفیت آب ورودی و حجم آب ورودی، باید به‌طور مرتب تعویض شوند. چون آسیب‌دیدگی غشاء RO به‌راحتی قابل مشاهده نمی‌باشد بنابراین هدایت الکتریکی آب تصفیه شده باید به‌صورت دوره‌ای مورد آزمایش قرار گیرد.

مزایای روش اسمز معکوس به اختصار عبارتند از:

- یک روش تصفیه فیزیکی بدون استفاده از مواد شیمیائی است.

- گرچه فرآیند RO در اصل برای حذف جامدات محلول، سختی و رنگ به‌کار می‌رود ولی علاوه بر اینها، نیترات، سولفات، سیم، میکروارگانیسم‌ها، فلزات سنگین سمی نظیر سرب، رادیوم و آزبست را نیز بین ۵۰ تا ۹۰ درصد کاهش می‌دهد.

- هزینه نگهداری این سیستم‌ها در درازمدت کمتر از سیسم‌های تبادل یون است.

معایب روش اسمز معکوس نیز عبارتند از:

- محدودیت ظرفیت آبگذر سیستم وجود دارد که در واقع میزان بارگذاری حجمی سیسم غیرقابل انعطاف بوده و محدود می‌باشد.

- استفاده از این روش ممکن است سبب بر هم زدن تعادل نسبت کلسیم/ کربنات، کاهش اکسیژن محلول و تغییر مزه آب خروجی می‌شود که ممکن است نیاز به تنظیم مجدد یا هوادهی داشته باشد.

- به‌دلیل حساسیت غشاءها، در صورت وجود رسوبات نیاز به یک پیش تصفیه ساده قبل از سیستم‌های اسمز معکوس وجود دارد.

- برای دفع پساب که به‌ازاء هر یک حجم آب خروجی حدود ۵ تا ۱۰ درصد حجم پساب تولید می‌گردد، باید از قبل تدابیر خاص اندیشیده شود.

مقایسه اقتصادی:

بررسی‌ها نشان داده که هزینه سرمایه‌گذاری اولیه برای احداث یک واحد اسمز معکوس نسبت به یک واحد تبادل یون در ظرفیت مساوی، بیشتر است. اما در ادامه، روش تبادل یون نیاز به هزینه بیشتری برای نگهداری (شامل هزینه عملیات احیاء و قیمت موادشیمیائی احیاء کننده و هزینه جایگزینی رزین‌هائی که کارآئی آنها کاهش یافته است) دارد.

قیمت مواد شیمیائی حدود ۷۰ درصد هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری روش تبادل یون را شامل می‌شود. از راه‌های دیگر برای کاهش هزینه بهره‌برداری سیستم‌های تبادل یون، تأسیس واحدهای تولیدی مواد شیمیائی موردنیاز برای فرآیند، در کنار تصفیه‌خانه است که نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه زیادی دارد در مقابل روش اسمز معکوس نیاز به انرژی فراوان دارد که کاملاً مرتبط با قیمت برق می‌باشد.

در سال‌های اخیر با دستیابی به فناوری تولید غشاءهای فشار پائین، مقدار برق مصرفی سیستم‌های اسمز معکوس بین ۳۰ تا ۶۰ درصد کاهش یافته است.

زیرا سیستم‌های قدیمی با فشاری معادل ۴۰۰PSI تا ۶۰۰PSI کار می‌کردند و سیستم‌های جدید با فشاری معادل ۲۵۰PSI (برای سیستم‌های خانگی ۵۰PSI ـ ۱۰۰) بهره‌برداری می‌شوند بنابراین از آنجائی که میزان برق مصرفی رابطه مستقیم با فشار سیستم دارد. در نتیجه میزان برق مصرفی نیز کاهش می‌یابد.

در عین حال باید توجه نمود که هزینه مصرف برق هر سال افزایش پیدا می‌کند. با توجه به مصرف زیاد برق پمپ‌های سیستم اسمز معکوس، و هنگامی‌که در مقیاس بزرگ از این سیستم‌ها می‌خواهد استفاده شود، هزینه برق مصرفی باید به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد.