مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقدمه :

فرایندهای غشایی با دارا بودن مزایایی مانند كاهش مصرف انرژی ، انتقال جرم و راندمان بالا و سهولت كاربرد، از اهمیت بسزایی برخوردارند. در فرایندهای غشایی ، جداسازی اجزا مختلف از یکدیگر به دلیل مکانیسم غربالی ، انتقال ممانعتی از درون حفرات باریک غشا و سایر تقابل های بین اجزا و مواد غشا (از قبیل جذب سطحی و تقابل هابی الکتریکی) صورت می گیرد . برخی از موارد کاربرد این سیستم ها در صنایع غذایی ، تصفیه آب ، تغلیظ  و شفاف سازی اب میوه ها ، فراورده های شیر ، نوشابه های الکلی و پساب می باشد . در سیستم های جداسازی غشایی در مقایسه با یک تبخیر کننده ، آب بدون آن که تغییر فاز دهد از محلول جدا می شود . در یک سیستم جداسازی غشایی سیالی با دو جز یا بیشتر در تماس با غشا قرار گرفته که غشا اجازه می دهد ، اجزای خاصی از سیال (آب موجود در سیال) راحت تر از دیگر اجزا از آن عبور کنند . ماهیت فیزیکی و شیمیایی غشا (اندازه منافذ و توزیع اندازه منافذ در ان) روی جداسازی مایع تاثیر می گذارد .

غشا :

غشا به عنوان یك فاز كه اجزای خوراك به صورت انتخابی از آن عبور می كنند، تعریف می گردد به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی كه اجزای جداشونده خوراك با سرعت های متفاوت از آن عبور می كنند عمل می كند در این روش، معمولاً تغییر فازی صورت نمی گیرد و محصولات نیز در همدیگر قابل امتزاج هستند

نمونه ای از یک غشاء

در فرایندهای غشایی، جزئی از خوراك كه از غشا عبور می كند به نام تراوش كرده((Permeate  و بخشی كه نتواند از غشا عبور كند، نگه داشته شده (Retentate)  نامیده می شود كه بر اساس هدف جداسازی ، هركدام از آنها می توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند.  در حالت كلی ، روشهای غشایی در مواقعی كه غلظت مواد كم باشد كارایی بسیار زیادی دارند .

نیروی محركه لازم در فرایندهای غشایی می تواند به صورت اختلاف غلظت ، فشار ، دما و پتانسیل الكتریكی باشد. ساده ترین نوع غشاها بر اساس اختلاف اندازه ذرات عمل می كنند كه از این نظر مشابه فیلترها هستند ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه آنها و نیز نحوه جریان با فیلترها تفاوت دارند كارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردند كه شامل دبی عبور كرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است .

فرایندهای غشایی با داشتن مزایایی چون كاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم كم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شكل و اندازه، افت فشار كم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق ، نیاز كم به مواد افزودنی و حلا لها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت كاربرد آنها در مقیا سهای صنعتی و همچنین به دلیل اینكه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روشهای جداسازی متمایز شده اند . با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی (تفاوت در قابلیت تراوش پذیری ذرات با اندازه های مختلف سبب می شود که ذراتی که نسبتا کندتر عبور می کنند در مجاورت غشا تجمع یابند و بدین ترتیب توزیع غلظت در جریان خوراک تغییر یابد . این پدیده قطبش غلظتی نام دارد که در صورت تداوم ، یکی از مهم ترین دلایل گرفتن غشاهاست ) و گرفتگی غشاها ، طول عمر كوتاه غشا ، انتخاب پذیری و دبی كم عبوری ازغشاها و هزینه بالای ساخت را دارد .

خواص غشا :

بررسی خواص غشا از لحاظ پیش بینی چگونگی انجام فرایند جداسازی توسط آنها مفید است . این خواص با توجه به موادی که در ساخت غشا به کار گرفته شده است ، روش ساخت و اصلاحات بعدی حاصل می گردد .

خواص غشا را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود :

1 . خواص فیزیکی :

الف : اندازه حفره های غشا :

ذراتی که بزرگتر از اندازه حفرات غشا باشند نمی توانند از غشا عبور نمایند . به طور کلی اندازه منافذ غشا به دو صورت قطر منافذ و یا (Molecular weight cut-off) بیان می شود . (این فاکتور معمولا از طریق اندازه گیری میزان عبور یک پلیمر خاص از درون حفره های غشا بدست می اید . اندیس (MWCO) برابر وزن مولکولی پلیمری است که بیش از 90 درصد ان توسط غشا دفع شود) .

ب : توزیع اندازه حفرات :

اندازه حفرات یک غشا یکسان نیست . هر غشایی یک اندازه اسمی دارد که نشان گر متوسط اندازه حفره هاست . حفره های کوچکتر و بزرگتر از اندازه اسمی نیز در غشا وجود دارند . توزیع اندازه حفره های غشا نشان دهنده محدوده تغییر اندازه حفره ها و تعداد نسبی آنهاست . هر چه توزیع اندازه حفرات یکنواخت تر باشد جداسازی در عمل با انتظارات ما نزدیکتر خواهد بود .

ج : تعداد حفرات :

تعداد حفرات در واحد سطح ، دانسیته حفره نامیده می شود که حدود 108 تا 109 حفره در سانتی متر مربع است تعداد حفرات بیانگر سهولت اجزایی است که می توانند از غشا عبور کنند .

د: شکل حفره ها :

حفره های غشا به ندرت به صورت استوانه ای هستند و در اغلب موارد به شکل معابر پر پیچ و خم می باشند . مسلما هر چه حفره پیچ و خم کمتری داشته باشد ، عبور اجزا از ان ساده تر خواهد بود .

و: ضخامت غشا :

ضخامت کمتر غشا بیانگر مقاومت کمتر در مقابل انتقال جرم است . غشاهای بسیار نازک دارای یک نگهدارنده هستند که مقاومت مکانیکی لازم را فراهم می اورد .

ه: تخلخل :

که نشان دهنده فضای آزاد موجود در غشا است . در بسیاری از غشاها حدود 60 تا 80 درصد غشا باز است که باعث عبور سیال می شود .

ن: چروک خوردگی :

سطح غشا می تواند صاف یا دارای چین و چروک باشد . این مسئله تاثیر مهمی در جذب یا دفع مواد بر روی سطح غشا دارد

2 . خواص شیمیایی :

الف : بار سطحی :

اجزای شیمیایی موجود در سطح غشا ممکن است دارای گروههای عامل خنثی یا باردار (مثبت ومنفی) باشند . بار سطحی غشا از این جهت اهمیت دارد که عامل جاذبه یا دافعه الکترواستاتیکی بین غشا و ذرات موجود در محلول است . بار سطحی غشا به قدرت یونی محلول مجاور آن بستگی دارد .

ب: هدایت الکتریکی :

اکثر غشاهای پلیمری هادی الکتریسیته نیستند ولی غشاهای هادی نیز ساخته شده اند .

ج: جذب کنندگی :

با توجه به عوامل موجود در سطح غشا و بار ، انها امکان جذب یا دفع ذرات توسط سطح غشا وجود دارد . به علاوه بسیاری از ذراتی که داخل حفره های غشا می گردند جذب سطح داخلی حفره ها شده و امکان عبور از آنها را نمی یابند .

و: آبدوست یا آبگریز بودن غشا :

غشا ممکن است ابدوست یا آبگریز باشد . این موضوع با توجه به ساختار مولکولی سطح غشا حاصل می شود . با تغییر و اصلاح سطح غشا می توان این خاصیت را تغییر داد . آبدوستی یا ابگریزی می تواند در جداسازی تاثیر بگذارد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در بيشتر مواقع آب تصفيه شده با مواد معدني و نمكها همراه است و به طور كامل خالص نيست. املاح موجود در آب تصفيه شده به عنوان سختي آب مطرح مي شوند. اين مواد معدني و نمكها اثرات قابل ملاحظه اي بر غلظت سيالات برشكاري و سيالات سنگ زني دارند.

در ميان انواع آبها، آب باران سخت نبوده و عاري از مواد معدني است. آب رودخانه و نهرها به طور تقريبي از مواد معدني عاري است و اين بستگي به توانايي جريان آب در باقي گذاشتن اين موارد در بستر رودخانه دارد. در مقابل، آب چاهها به دليل حضور مواد معدني سخت است.

وجود مواد معدني در آب مخلوط شده با سيال خنك كننده، موجب خوردگي ابزار و قسمتهاي مختلف ماشين و افزايش ميزان رسوب بر روي ابزار آلات مي شود. اين عوامل رشد باكتريها را افزايش داده و در نتيجه باعث كاهش طول عمر سيال خنك كننده مي گردد. بنابراين آبي كه در توليد امولسيون سيال خنك كننده مصرف مي شود مي بايست تا اندازه اي خالص باشد كه مشكلاتي از اين قبيل را به حداقل برساند.

سختي آب براساس نسبت 17.1ppm كربنات كلسيم بر U.S گالن كه اصطلاح grain ناميده  مي­شود، محاسبه مي گردد. در اصل سختي آب توسط يونهاي كلسيم و منيزيم ايجاد مي شود. وجود عناصري مانند آهن و آلومينيوم در آب نيز اثرات خورندگي را افزايش مي دهد. سختي آب مي تواند توسط روي (Zine) كه از لوله هاي گالوانيزه جديد نشات مي گيرد به تدريج زياد شود.

مواد معدني موجود در آب (به عنوان سختي آب) به صورت رسوب چسبيده بر روي ماشين و قسمت هاي مختلف آن ظاهر مي شود و اين امر موجب زنگ زدگي دستگاه و در نتيجه تخريب سيالات خنك كننده مي شود. كلريد سديم و سولفات سديم از ديگر نمكهاي موجود در آب و عوامل زنگ زدگي يا خوردگي هستند. بنابراين در فرمولاسيون بيشتر سيالات برش نياز به حضور مواد بازدارنده خوردگي است. علاوه بر اين، تركيبات سولفاته تركيباتي مشكل آفرين محسوب مي شوند زيرا باعث افزايش رشد باكتري خاصي موسوم به «Desulfurization » و در نتيجه توليد بوي نامطبوعي مشابه بوي تخم مرغ فاسد شده مي شوند.

مخزن خنك كننده ماشين مانند يك كتري چاي عمل مي كند. هر چه سيال بيشتر سيركوله شود (گردش کند)، ميزان آب بيشتري تبخير مي گردد. در اثر اين فرايند، غلظت مواد معدني در فاز آبي زياد مي شود و اين امر به نوبه خود فرصت خوردگي و مشكلات جانبي را افزايش مي دهد. به طور معمول، ميزان سرريز سيال يا افزودنيها در مخزن،5 تا20 درصد در روز است كه اين ميزان بسته به نوع عمليات و ظرفيت مخزن تعيين مي شود.

پس از يك دوره يكماهه، مواد جامد موجود در امولسيون خنك كننده تا3 الي4 برابر ميزان اوليه در آب مي شود. بنابراين هر چه آب مصرفي خالص تر باشد كارايي بيشتري داشته، مشكلات خوردگي در مدت زمان طولاني تري ايجاد مي شود. غلظت بيشتر مواد معدني موجب تسريع تجمع آنها و اثرات منفي اين مواد مي شود. در واقع، آبهاي سخت براي تهيه امولسيون مناسب نيستند و در صورت استفاده از آنها مي بايست با برنامه هفتگي تانك حاوي سيال خنك كننده براي جلوگيري از توليد مواد صمغي و مشكلات خورندگي، تعويض شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

خوردگی از 8 روش می تواند به سطوح فلزی حمله کند. این 8 روش عبارتند از :

حمله یکنواخت Uniform Attack
در این نوع خوردگی که متداول ترین نوع خوردگی محسوب می شود ، خوردگی به صورتی یکنواخت به سطح فلز حمله می کند و به این ترتیب نرخ آن از طریق آزمایش قابل پیش بینی است .

خوردگی گالوانیک  Galvanic Corrosion
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که دو فلز یا آلیاژ متفاوت ( یا دو ماده متفاوت دیگر همانند الیاف کربن و فلز ) در حضور یک ذره خورنده با یکدیگر تماس پیدا کنند . در منطقه تماس ، فرایندی الکترو شیمیایی به وقوع می پیوندد که در آن ماده ای به عنوان کاتد عمل کرده و ماده دیگر آند می شود . در این فرآیند کاتد در برابر اکسیداسیون محافظت شده و آند اکسید می شود .

خوردگی شکافی Crevice Corrosion
این ساز و کار وقتی رخ می دهد که یک ذره خورنده در فاصله ای باریک ، بین دو جزء گیر کند . با پیشرفت واکنش ، غلظت عامل خورنده افزایش می یابد . بنابراین واکنش با نرخ فزاینده ای پیشروی می کند.

آبشویی ترجیحی Selective Leaching
این نوع خوردگی انتخابی وقتی رخ می دهد که عنصری از یک آلیاژ جامد از طریق یک فرآیند خوردگی ترجیحی و عموما ً با قرار گرفتن آلیاژ در معرض اسیدهای آبی خورده می شود . متداول ترین مثال جدا شدن روی از آلیاژ برنج است . ولی آلومینیوم ، آهن ، کبالت و زیرکونیم نیز این قابلیت را دارند .

خوردگی درون دانه ای Intergranular Corrosion
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که مرز دانه ها در یک فلز پلی کریستال به صورت ترجیحی مورد حمله قرار می گیرد . چندین عامل می توانند آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن آستنیتی را مستعد این نوع خوردگی سازند . از جمله حضور ناخالصی ها و غنی بودن یا تهی بودن مرزدانه از یکی از عناصر آلیاژی .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسمز معکوس، فرآیند جداسازی است که از سیستم فشار استفاده می کند برای وارد کردن یک محلول از طریق غشایی که ماده حل شده را در یک طرف نگه میدارد و به حلال خالص اجازه عبور به سمت دیگر را میدهد.
تعریف رسمی تر این فرآیند عبارتست از: عبور حلال از میان غشاء با استفاده از فشار زیاد اسمزی از یک منطقه پرغلظت و ورود به منطقه کم غلظت.
این فرآیند در واقع عکس فرآیند اسمز طبیعی است که عبارتست از حرکت طبیعی حلال از یک منطقه دارای غلظت پایین از طریق غشاء و ورود به منطقه دارای غلظت بالا بدون استفاده از فشار زیاد. غشاء در اینجا نیمه تراواست بدین معنا که اجازه عبور حلال را میدهد اما نه از ماده حل شده. غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس دارای مانعی متراکم در شبکه پلی مر هستند که بیشترین جداسازی در آن صورت می گیرد، در حالیکه از عبور مواد حل شده مثل یونهای نمکی جلوگیری میکند. این فرآیند احتیاج به فشار بالایی دارد که روی بخشی از غشاء که دارای غلظت بالاست وارد میشود که معمولا 17-2 بار (30-250psi) برای آب تازه و آب شور و 70-40 بار (600-1000psi) برای آب دریا میباشد که دارای 24 بار (350psi) فشار اسمزی طبیعی است که باید به آن غلبه شود.
این فرآیند به کاربرد آن در نمک زدایی (زدودن نمک از آب دریا برای دستیابی به آب تازه) معروف است اما از دهه 1970 از این فرآیند در جهت تصفیه آب تازه برای موارد استفاده پزشکی، صنعتی و خانگی نیز استفاده شده است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

ایجاد طرح شماتیک شبکه



گام اول- ایجاد فایل جدید

منوی Start- گزینه Haestad Methods- SewerCAD ، Stand-Alone را اجرا کنید.

در صورت مشاهده پنجره Welcome گزینه Create New Project را انتخاب کنید.

در غیر اینصورت از منوی File گزینه New را انتخاب کنید.

نامی برای پروژه تان تایپ کنید و دکمه Save را کلیک کنید.اطلاعات پروژه را وارد کنید و بر روس دکمه Next کلیک کنید تا به دکمه Finish برسید و بر روی آن کلیک کنید.

گام دوم- جانمایی شبکه

سیستم اندازه گیری را به حالت متریک تنظیم کنید.

ابزار Pipe Layout را انتخاب کنید و به ترتیب منهول MH-1، چاهک WW-1، پمپ،

 اتصالات تحت فشار و خروجی را ترسیم کنید.

 به محل کاربرد چاهک، اتاقک اتصال و منهول توجه کنید.منهول MH-2  و اتاقک اتصال را ترسیم کنید. نرم افزار توانایی به دونیم کردن لوله ها را دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

آرسنیک شبه فلزی، خاکستری- نقره ای یا زرد، بدون بو و مزه می باشد. ماده ای طبیعی است که به دو صورت معدنی و آلی وجود دارد. آرسنیک معدنی در آب، خاک و بستر سنگ یافت می شود و برای بدن سمی است.آرسنیک و ترکیبات آن در صنعت کاربرد زیادی دارد و در ساخت شیشه، چوب، حشره کش، علف کش، اجزاء الکترونیکی و آلیاژها استفاده می کنند. آرسنیک از راه تنفس، غذا، آب، خاک و پوست منتقل می شود. سوزاندن مواد حاوی آرسنیک از قبیل چوب آرسنیک را در هوا منتشر می کند و هم چنین تنباکو و سیگار نیز حاوی مقدار ناچیز آرسنیک هستند.ماهی ها و غذاهای دریایی و مکمل های کلسیم که از صدف های دریایی ساخته می شود نیز حاوی مقدار زیادی آرسنیک می باشند، اما برای بدن سمی نیستند.در نقاط مختلف دنیا جمعیتی که آب غنی از آرسنیک را می نوشند مخاطرات بهداشتی شدیدی مشاهده شده است. آب آشامیدنی از نظر آرسنیک تهدید جدی برای بهداشت عمومی است.

آرسنیک شبه فلزی، خاکستری- نقره ای یا زرد، بدون بو و مزه می باشد. ماده ای طبیعی است که به دو صورت معدنی و آلی وجود دارد. آرسنیک معدنی در آب، خاک و بستر سنگ یافت می شود و برای بدن سمی است.آرسنیک و ترکیبات آن در صنعت کاربرد زیادی دارد و در ساخت شیشه، چوب، حشره کش، علف کش، اجزاء الکترونیکی و آلیاژها استفاده می کنند. آرسنیک از راه تنفس، غذا، آب، خاک و پوست منتقل می شود.

سوزاندن مواد حاوی آرسنیک از قبیل چوب آرسنیک را در هوا منتشر می کند و هم چنین تنباکو و سیگار نیز حاوی مقدار ناچیز آرسنیک هستند.ماهی ها و غذاهای دریایی و مکمل های کلسیم که از صدف های دریایی ساخته می شود نیز حاوی مقدار زیادی آرسنیک می باشند، اما برای بدن سمی نیستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

استفاده از منابع آب نامتعارف مثل استفاده مجدد از پساب فاضلاب تصفیه شده و همچنین زهابهای برگشتی کشاورزی و حتی استفاده از آب دریا ها و اقیانوسها و یخهای قطبی راهکاری جدید برای رویارویی با بحران آب است. مهمترین بحث در زمینه گسترش آنها مسئله هزینه است که محدودیت های بسیار زیادی را ایجاد کرده است. البته استفاده از پساب فاضلاب در آبیاری فضای سبز و همچنین استفاده از زهابهای برگشتی کشتزارها برای آبیاری گیاهان مقاوم به شوری و همچنین گیاهان شور پسند رو به گسترش است اما استفاده از یخهای قطبی و تصفیه آب دریاها برای شرب به علت هزینه بالا بسیار محدود می باشد. یکی دیگر از مسایل پیش رو مشکلات زیست محیطی است. لزوم پژوهش در زمینه منابع آب نامتعارف و پیامدهای مثبت و منفی آن بخصوص برای مناطق کم آب و همچنین مناطق با کیفیت آب نامناسب بیش از پیش احساس می شود .

مقادير تخميني توزيع آب در جهان:

منبع آب	حجم آب به كيلومتر مكعب	حجم آب به مايل مكعب	درصد آب شيرين	درصد كل حجم آب
اقيانوس‌ها، درياها و گذرگاه‌ها	1,338,000,000	321,000,000	--	96.5
توده‌هاي يخ،‌يخچال‌ها و برف‌هاي دائمي	24,064,000	5,773,000	68.7	1.74
آب زيرزميني	23,400,000	5,614,000	--	1.7
شيرين	10,530,000	2,526,000	30.1	0.76
شور	12,870,000	3,088,000	--	0.94
رطوبت خاك	16,500	3,959	0.05	0.001
يخ زيرزميني و يخ دائمي	300,000	71,970	0.86	0.022
درياچه‌ها	176,400	42,320	--	0.013
شيرين	91,000	21,830	0.26	0.007
شور	85,400	20,490	--	0.006
اتمسفر	12,900	3,095	0.04	0.001
آب تالاب‌ها	11,470	2,752	0.03	0.0008
رودخانه‌ها	2,120	509	0.006	0.0002
آب بيولوژيكي	1,120	269	0.003	0.0001
كل	1,386,000,000	332,500,000	-	100

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

گند زدایی آب با استفاده از سولفات مس (II)

از سولفات مس (II)آبدار یا کات کبود برای جلوگیری از رشد جلبک ها هنگام ذخیره آب تصفیه شده منبع ها استفاده میشود. برای این منظور 2 گرم از این نمک باید به هر  متر مکعب آب اضافه شود.

 کاربردهای نانو در تصفيه آب :
سازمان ملل پیش بینی نموده است كه در سال 2025 ميلادی ، 48 کشور جهان (معادل 32% جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی می شوند، تخلیص و نمک زدایی آب به کمک فناوري نانو از زمینه های مورد توجه در دفاع پیشگیرانه و امنیت زیست محیطی است.
سامانه های طراحی شده براساس فناوري نانو می توانند آب دریا را با صرف انرژی 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطیر،نمک زدایی کنند.
استقاده از نانو ذرات و نانوفیلترها امکان تصفیه و بهسازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم می کند همچنين استفاده از نانو فیلترها در حذف آلودگیهای میکروبی آب (Bioremediation) کاربری گسترده ای دارد.

انسان قادر است حدود يك ماه، بدون غذا زندگي كند، درصورتي كه بدون آب فقط يك هفته مي تواند زنده بماند.

آب درفشار1atmدردماي100°c ودرفشار0.1atm دردماي حدود 45 °c ودر فشار 0.01atm دردماي حدود 10 °c به جوش مي آيد و درفشار 0.001atm  دردماي حدود  20 °c - مستقيماً ازحالت يخ به بخار تبديل مي شود.

يک ليتر نفت که روي زمين ريخته شود مي تواند 750000 ليتر آب را آلوده نمايد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب