دستگاه آب شیرین کن صنعتی (Industrial desalination machine) :

دستگاه آب شیرین صنعتی به منظور شیرین سازی آبهای لب شور تا آبهای خیلی شور نظیر آب دریا طراحی و ساخته می شود. این دستگاه ها براساس فرایند اسمز معکوس و غشای نیمه تراوا، آب چاه و آب دریا را تصفیه می کنند

شیرین سازی آب به عنوان یک ضرورت جهت تأمین آب شیرین مورد نیاز در مناطق گرمسیری و مناطقی که با کمبود آب شرب مواجه هستند مورد استفاده قرار می گیرد. در حال حاضر فرایند اسمز معکوس اقتصادی ترین فرایند موجود برای تصفیه آب صنعتی است. فراینداسمز معکوس بر پایه انتقال جرم با استفاده از غشای نیمه تراوا و نیز فشار هیدرواستاتیک، فرایندی است که به طور وسیع در تولید آب آشامیدنی از آب دریا و یا آبهای زیرزمینی و سطحی شور مورد استفاده قرار می گیرد.

دستگاه آب شیرین کن صنعتی با توجه به میزان شوری و ظرفیت(دبی) آب خام ورودی و همچنین آنالیز فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب چاه یا دریا طراحی و ساخته می شود. ظرفیت دستگاه های آب شیرین کن صنعتی از ۱۰ مترمکعب در روز آغاز می شود.

 این دستگاه ها در ظرفیتهای مختلف به صورت پیش ساخته همراه با کلیه لوله کشی ها، اتصالات الکتریکی و کنترلی به انضمام تابلو برق و کنترل به روی یک شاسی در محل ساخته می شود. با افزایش ظرفیت دستگاه تعداد شاسی های مورد نیاز ساخت دستگاه افزایش یافته و لوله کشی های ارتباطی بین مراحل مختلف تصفیه آب در محل نصب دستگاه توسط تیم زبده نصب و راه اندازی می شود.

پیش تصفیه در دستگاه های آب شیرین کن صنعتی :

طراحی دستگاه آب شیرین کن صنعتی براساس کیفیت آب خام ورودی و خروجی انجام می شود. افزایش شوری آب ورودی منجر به افزایش فشار اسمزی و هزینه های سرمایه گذاری اولیه برای ساخت دستگاه آب شیرین کن صنعتی می شود. آنالیز فیزیکی آب خام ورودی نیز تعیین کننده فرایند مورد نیاز پیش تصفیه است. برای حصول طول عمر بهینه در ممبرانهای اسمز معکوس، تمامی آب شیرین کن ها باید به وسیله پیش تصفیه مناسب تجهیز و محافظت شوند.

غشاها یا ممبران های اسمز معکوس نسبت به ورود ذرات معلق نامحلول، روغن و آلودگی های بیولوژیکی آسیب پذیر هستند. از اینرو بخش پیش تصفیه برای عاری سازی آب ورودی از این آلودگی ها پیش بینی می شود. در صورت عدم پیش بینی واحد پیش تصفیه مناسب یا عدم کارایی آن، ممبرانهای اسمز معکوس در معرض خطر فولینگ، رسوب گرفتگی یا گرفتگی های آلی یا بیولوژیکی قرار می گیرند. بکارگیری پیش تصفیه مناسب در دستگاه های آب شیرین کن به روش اسمز معکوس درافزایش طول عمر، کارکرد بهینه تجهیزات، کیفیت و کمیت آب تولیدی تاثیر گذار است.

در نظر گرفتن سیستم پیش تصفیه نامناسب و ناکارآمد بیشترین تاثیر را در افزایش گرفتگی ممبران و در نتیجه افزایش دفعات تعویض ممبران و افزایش میزان استفاده از مواد شیمیایی دارد. از اینرو در شرایط گرفتگی ممبرانها، مقدار آب تولیدی و کیفیت آن کاهش و میزان نمک عبوری از ممبران افزایش می یابد و تمامی موارد ذکر شده که در نتیجه عدم بکارگیری سیستم پیش تصفیه مناسب رخ می دهد باعث افزایش هزینه های بهره برداری و نگهداری سیستم تصفیه آب می شود.

هدف اصلی یک سیستم پیش تصفیه مناسب، کاهش عوامل ایجاد کننده گرفتگی در آب خام ورودی نظیر ذرات کلوییدی و ذرات معلق و همچنین جلوگیری از ایجاد رسوبهای شیمیایی و بیولوژیکی جهت دستیابی به شرایط پایدار و طولانی مدت استفاده از ممبرانهای اسمز معکوس میباشد و اساس انتخاب سیستم پیش تصفیه مناسب جهت دستیابی به این هدف دو فاکتور شاخص اندازه گیری سیلت(SDI) و کدورت(Turbidity) می باشد.

شاخص اندازه گیری سیلت، مهمترین شاخص موثر در پیش بینی زمان گرفتگی ممبرانها و طول عمر آنها است. شرایط عملیاتی بهینه براساس مقدار SDI کمتر از ۳ در ۹۵ درصد مواقع و کمتر از ۴ برای ۱۰۰% مواقع توسط تولید کنندگان ممبران تعیین شده است. هر چقدر میزان SDI ورودی کمتر باشد، میزان مصرف انرژی، مواد شیمیایی مصرفی جهت شستشوی ممبران و دفعات تعویض ممبران کاهش می یابد.

شاخص کدورت نیز برای سنجش میزان شفافیت و زلالی آب کاربرد دارد. در اندازه گیری کدورت آب، پرتوهای نور ساطع شده توسط ذرات معلق و جذب شده توسط ذرات رنگی حل شده در آب، مشخص می شود، و به دلیل سهولت اندازه گیری کدورت، استفاده از این فاکتور در تعیین میزان ذرات معلق نامحلول در پیش تصفیه متداول تر است.

فرایندها و فناوریهای متفاوتی در بخش پیش تصفیه به کار گرفته می شوند که انتخاب آنها وابسته به آنالیز شیمیایی، فیزیکی، بیولوژیکی و میکربی آب شور است. متداول ترین فرایندهایی که در بخش پیش تصفیه آب شیرین کن های صنعتی به کار برده می شوند، عبارتند از:

فرایند انعقاد و لخته سازی :

جداسازی ذرات ریز، کلوییدها و مواد معلق نامحلول سبک که به صورت معمول امکان ته نشینی آنها در زمانهای کوتاه وجود ندارد، از طریق فرایند انعقاد و لخته سازی انجام می شود. برای تسریع در فرایند انعقاد، مواد منعقد کننده مورد استفاده قرار می گیرند. ماده منعقد کننده در مرحله اول بار الکتریکی دافعه ذرات معلق ریز را از بین می برد. سپس نیروهای واندروالس ذرات کلوییدی و کوچک را به یکدیگر متصل کرده و قابلیت ته نشینی آن را ارتقا می دهد.

عملیات لخته سازی بعد از فرایند انعقاد انجام می شود که در آن فلوک های میکرونی ذرات معلق به یکدیگر متصل شده و ذرات قابل رویت با قابلیت ته نشینی سریع را تشکیل می دهند. مواد کمک منعقد کننده که برای لخته سازی مورد استفاده قرار می گیرند، کیفیت الحاق و چسبیدن فلوکها را ارتقا داده تا با سرعت بالایی در مخزن زلال سازی ته نشین شوند.

بسترشنی و کربنی :

بسترهای شنی و کربنی به عنوان یکی از روشهای قدیمی فیلتراسیون در بخش پیش تصفیه شناخته می شوند. بسترهای شنی در دو طرح ثقلی(Gravity sand filter) و تحت فشار(Rapid Sand Filter) ساخته می شوند. در بسترهای شنی تحت فشار، سرعت حرکت آب در بستر از طریق افزایش فشار بالا رفته و سرعت فیلتراسیون بیشتر می شود. انتخاب هر یک از این دو روش وابسته به آنالیز آب و بررسی شرایط فزایندی است.

بستر كربني با ساختار مشابه بستر شنی برای حذف طعم، بو، رنگ، مواد آلي و کلر آزاد موجود در آب مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در این فرایند، آب از بستر كربن فعال(Active carbon) عبور كرده و رنگ، بو و برخی از مواد آلی به واسطه جذب سطحی بالای كربن فعال، جذب سطح کربن می شوند. با گذشت زمان، کربن فعال به تدریج اشباع شده و قابلیت جذب آن کاهش می یابد.

فیلتر خود تمیز شونده اتوماتیک :

فیلترهای خود تمیز شونده(Self-cleaning filter) به فیلترهایی گفته می شود که شستشوی معکوس و رفع گرفتگی سطح فیلتر در آنها به صورت هوشمند و اتوماتیک انجام می شود. مهمترین مشخصه این تجهیزات، شستشوی اتوماتیک سطح فیلتر در صورت افزایش افت فشار فیلتر است. با افزایش افت فشار فیلتر به مقادیر از پیش تعیین شده، سیستم کنترل اتوماتیک، فیلتر را در وضعیت شستشو قزار داده و سطوح با آب فیلتر شده و تحت فشار، تمیز می شوند.

سطح فیلتراسیون(Screen) فیلترهای خود شوینده معمولاً فلزی است که توجه به مقاومت آن در برابر خوردگی آب ورودی بسیار با اهمیت است. با توجه به اینکه افزایش میزان شوری آب، پتانسیل خوردگی متریالهای فلزی نیز افزایش می هد؛ انتخاب متریالهای فلزی مقاوم در برابر خوردگی ضروری است. استفاده از آلیاژهای استیل نظیر داپلکس و سوپر داپلکس یا نیکل/آلومینوم/برنز که مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارند، برای این فیلترها ضروری است.

فناوری اولترافیلتراسیون :

فناوری اولترافیلتراسیون(Ultrafiltration)، فرایند فیلتراسیون مبتنی بر جداسازی غشای نیمه تراوا با هدف حذف ذرات معلق نامحلول تا اندازه یک صدم میکرومتر است. جریان خروجی از ممبرانهای UF، آب بسیار با کیفیت برای ورود به آب شیرین کن های صنعتی را فراهم می کند که طول عمر بالای ممبرانهای اسمز معکوس را به دنبال دارد.

 غشاهای UF ذرات نامحلول با وزن مولکولی بالا، ذرات کلوییدی، مولکول پلیمرهای آلی و غیر آلی و ذرات با سایز بیشتر از ۲۰-۱۰ نانومتر از جمله گرده ها، جلبکها، باکتریها، ویروسها و میکروبها را از آب ورودی جدا می کنند. غشاهای اولترافیلتراسیون توانایی تولید آب با مقادیر SDI کمتر از ۲٫۵ و کدورت کمتر از یک دهم NTU را دارند.

کیفیت بالای فیلتراسیون مهمترین وجه تمایز فناوری اولترافیلتراسیون نسبت به دیگر فرایندهای پیش تصفیه است. ولی قیمت بالای دستگاه UF استفاده از این فناوری را در پیش تصفیه آب شیرین کن های صنعتی محدود کرده است. بهای نسبتاً بالای ممبرانهای UF، فرایندهای متعدد شستشو/فلاشینگ و سیستم کنترل اتوماتیک، هزینه سرمایه گذاری اولیه این پکیج ها را افزایش داده است.

شیرین سازی با فرایند اسمز معکوس :

فناوری اسمز معکوس، فرایند اصلی تجاری نمک زدایی و جداسازی یونهای محلول در آبهای شور است. در این فرایند آب شور با فشار بالا از غشای نیمه تراوا یا ممبران اسمز معکوس عبور داده می شود. ممبران بستری برای عبور یونهای محلول در طرفین ممبران و از سمت محلول با غلظت بالا(آب شور) به سمت محلول با غلظت پایین(آب شیرین) است.

 میزان شوری(Salinity) آب شور، فشار مورد نیاز برای عبور یونهای محلول یا انتقال جرم از طریق غشای نیمه تراوا را تعیین می کند. افزایش شوری آب منجر به افزایش فشار اسمزی و افزایش انرژی مصرفی برای شیرین سازی آبهای شور می شود.

فشار اسمزی، شاخص اندازه گیری نیروی محرکه انتقال حلال میان دو محلول از طریق غشای نفوذ پذیر است. فشار اسمزی برابر با فشار خارجی است که در صورت اعمال آن به محلول با غلظت کمتر هیچ حرکت خالصی از حلال از طریق غشاء وجود نخواهد داشت. با افزایش اختلاف غلظت میان محلولهای طرفین دو طرف غشا، نیروی محرکه حرکت سیال و فشار اسمزی افزایش پیدا می کند.

بخش فشار قوی آب شیرین کن های صنعتی :

آب خام ورودی پس از عبور از واحد پیش تصفیه و حذف کدورت، ذرات معلق نامحلول و ذرات کلوییدی به واحد شیرین سازی با فرایند اسمز معکوس وارد می شود. در این بخش فشار آب توسط پمپ فشار قوی به بیش از فشار اسمزی افزایش پیدا می کند. فشار اسمزی با مقدار یونهای محلول در آب یا هدایت الکتریکی آب رابطه مستقیم دارد. هرچه مقدار یونهای محلول در آب افزایش پیدا کند، فشار اسمزی آب نیز افزایش می یابد.

 بنابراین آب با فشار بالاتر از فشار اسمزی در جهت معکوس یعنی از جریان با غظت کمتر آب(آب شور) به سمت جریان با غلظت بیشتر آب(آب شیرین) به ممبران وارد می شود.

ممبرانهای استوانه ای در مخازن استوانه ای تحت فشار(pressure vessel) به صورت سِری قرار گرفنه و آب به صورت همزمان در جهت شعاعی و طولی استوانه ممبران حرکت می کند. آب شور ورودی به ممبرانهای اسمز معکوس همزمان با عبور از ممبرانهای موجود در یک Pressure vessel به دو جریان آب شیرین(Permeate) و شورابه(Concentrate) تقسیم می شود. آب شیرین از لوله مرکزی ممبرانها جمع آوری شده و به سمت مخزن ذخیره آب شیرین هدایت می شود.

در دستگاه های آب شیرین کن صنعتی، جریان شورابه(Reject) با رعایت ملاحظات زیست محیطی به طبیعت بازگردانده می شود. نسب دبی آب شیرین تولید به دبی آب خام ورودی به میزان بازیافت(Recovery) دستگاه آب شیرین کن شناخته می شود. درصد بازیافت آب شیرین در دستگاه های آب شیرین کن وابسته به میزان شوری آب خام، تعداد مراحل اسمز معکوس، نوع ممبرانهای مصرفی و تعداد آنها از ۵۰ تا ۹۰ درصد متغیر است. به طور طبیعی با افزایش میزان ریکاوری، شوری آب شورابه افزایش و دبی آن کاهش می یابد.

انواع طراحی آب شیرین کن های صنعتی :

آب شیرین کن های صنعتی بر اساس کیفیت آب تولیدی مورد نیاز، دما و شوری آب، فرایند اسمز معکوس به صورت یکبار گذر(تک پاس)، دوبار گذر(دو پاس)، تک مرحله ای یا دو مرحله ای طراحی می شود. در اغلب موارد، استفاده از طراحی تک پاس جهت دستیابی به کیفیت مطلوب آب آشامیدنی مناسب می باشد. در واحدهای اسمز معکوس دو پاس، آب شیرین تولیدی توسط پاس اول برای افزایش خلوص یا حذف برخی از ترکیبات محلول مجدداً از یک مرحله غشا گذر داده می شود. در این طراحی امکان دستیابی به آب فوق خالص(Ultra Pure Water) با TDS کمتر از ۵ میلیگرم بر لیتر وجود دارد.

طراحی یکبار گذر و تک مرحله ای( Single pass & Single stage):

طراحی یکبار گذر اسمز معکوس برای تولید آب نمک زدایی شده در یک مرحله عبور از ممبران و با استفاده از مجموعه ای از غشاهای RO بطور موازی انجام می شود. این طراحی فرایند در واحدهای BWRO و SWRO به طور گسترده ای برای تولید آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، این سیستم ها کاربرد صنعتی محدودی خصوصاً در شیرین سازی آب دریا دارند که عمدتاً به دلیل کیفیت آب تولید شده است.

 استفاده از این طراحی در آب شیرین کن های دریایی، حتی در صورت استفاده از ممبرانهای RO با بالاترین میزان حذف نمک( که امروزه به صورت تجاری در دسترس است) نمی تواند به طور مداوم محصولی با TDS کمتر از ۲۰۰ میلی گرم در لیتر، غلظت کلراید کمتر از ۱۰۰ میلی گرم در لیتر و غلظت بور پایین تر از نیم میلی گرم در لیتر، به ویژه هنگامی که دمای آب منبع بیش از ۱۸ درجه سانتیگراد است را به دنبال داشته باشد.

طراحی دوبار گذر(Double Pass):

در این روش طراحی، آب شیرین خروجی از مرحله اول اسمز معکوس(First pass) به مرحله دوم(Second pass) هدایت می شود. به دلیل فشار پایین جریان آب شیرین(کمتر از نیم بار) استفاده از بوستر پمپ برای غلبه به فشار اسمزی در گذر دوم اسمز معکوس اجتناب ناپذیر است. به طور طبیعی فشار مورد نیاز برای گذر دوم اسمز معکوس به دلیل کاهش شوری آب در گذر دوم، نسبت به گذر اول پایینتر است.

طراحی دوبار گذر در شیرین سازی آب دریا معمولاً زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که شوری آب دریا نسبتاً بالا باشد.(بالاتر از ۴۵۰۰۰ میلیگرم در لیتر) یا الزامات کیفی آب شیرین سختگیرانه باشد. به عنوان مثال، اگر آب دریا با شوری بالا/دمای بالا(مانند آب خلیج فارس) در ترکیب با ممبرانهای دریایی استفاده شود، ممکن است که طراحی تک مرحله ای نتواند محصول مناسبی را برای استفاده به عنوان آب آشامیدنی فراهم کنند.

 در این حالت، طراحی دو بار گذر می تواند که چیدمان کارآمد و مقرون به صرفه تری برای تولید آب آشامیدنی باشد. امروزه واحدهای شیرین سازی RO با دو یا چند بار گذر به طور گسترده برای تولید آب صنعتی با خلوص بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

طراحی دوبار گذر دریایی معمولاً شامل ترکیبی از یک بخش تک گذر و یک سیستم BWRO تک یا چند گذر متوالی است. محصول گذر اول اسمز معکوس برای اینکه آب نهایی با یونهای محلول کمتری تولید شود، به سیستم BWRO(یعنی گذر دوم) هدایت می شود. معمولاً شورابه گذر دوم اسمز معکوس نیز به خوراک گذر اول(First pass) جهت افزایش کارایی و ظرفیت تولید کلی دستگاه آب شیرین کن صنعتی بازگردانده می شود.

طراحی دو مرحله ای(Double Stage):

در صورت رعایت الزامات متعدد طراحی فرایند اسمز معکوس، افزایش میزان بازیافت و استحصال آب شیرین از طریق طراحی فرایند اسمز معکوس به صورت دو مرحله ای وجود دارد. در طراحی دو مرحله ای، شورابه خروجی از مرحله اول به مرحله دوم فرایند اسمز معکوس وارد می شود.

شورابه تولید شده در مرحله اول دارای فشار کمی پایینتر از فشار ورودی آب خام به مرحله اول است. معمولاً قشار شورابه برای غلبه بر فشار اسمزی مرحله دوم کافی است. ولی امکان آن وجود دارد که به دلیل ملاحظات طراحی، برای افزایش فشار میان دو مرحله از بوستر پمپ استفاده شود.

بازیابی مجدد آب شیرین در مرحله دوم اسمز معکوس منجر به افزایش مقدار ریکاوری و افزایش میزان شوری در شورابه می شود. از اینرو طراحی دوبار گذر معمولاً با هدف افزایش درصد بازیافت آب شیرین و استفاده حداکثری از منابع آب خام مورد استفاده قرار می گیرد.

توجه: استفاده از طراحی دو مرحله ای بدون رعایت الزامات طراحی فرایند اسمز معکوس منجر به فولینگ و رسوب گذاری روی ممبرانهای اسمز معکوس می شود. 

شبیه سازی و طراحی پکیج های آب شیرین کن صنعتی را با توجه به آنالیز آب شور ورودی، شرایط آب و هوایی و کیفیت آب شیرین تولیدی انجام می دهند.

الزامات طراحی آب شیرین کن های صنعتی :

طراحی آب شیرین کن صنعتی در بخش اسمز معکوس مستلزم شبیه سازی دقیق فرایند RO با نرم افزارهای رایانه ای مورد تأیید تولید کنندگان ممبران است. رعایت الزمات و شاخص های طراحی براساس دستورالعمل هایی که تولید کنندگان ممبران تدوین کرده اند برای دستیابی به کارایی و طول عمر ممبرانها بسیار ضروری است. متأسفانه بسیاری از سازندگان فاقد صلاحیت دستگاه های آب شیرین کن صنعتی بدون توجه به الزامات طراحی نسبت به ساخت پکیج آب شیرین کن اقدام می کنند که نتیجه آن طول عمر پایین ممبران، کیفیت پایین آب شیرین و خرابی های متعدد در طول مدت بهره برداری خواهد بود.

مهمترین شاخص های طراحی فرایند اسمز معکوس بر اساس دستورالعمل های تولید کنندگان عبارتند از:

انتخاب نوع ممبران: تولید کنندگان ممبران انواع مختلف غشاهای اسمز معکوس را برای کاربریهای متفاوت تصفیه آب و پساب تولید می کنند. معیارهای متعددی در انتخاب نوع ممبران متناسب با کاربری مورد نیاز وجود دارد که انتخاب صحیح ممبران را بعضاً دشوار می کند. ظرفیت، میزان شوری، درصد حذف یونهای محلول، فشار عملیاتی، مقاومت در برابر فولینگ، دمای عملیاتی، آنالیز فیزیکی آب شور و ملاحظات اقتصادی در انتخاب نوع ممبران تأثیر گذار هستند.

درصد بازیافت آب شیرین(Recovery): تعیین درصد بازیافت به عوامل متعددی نظیر ظرفیت، نوع ممبران، تعداد ممبرانهای در یک pressure vessel، ملاحظات زیست محیطی دفع شورابه، شرایط عملیاتی و آنالیز آب ورودی وابسته است. با توجه به تعدد متغیرهای تأثیر گذار، بهینه سازی میزان بازیافت با لحاظ کلیه شرایط بهره برداری بسیار با اهمیت است.

شار عبوری از ممبران(فلاکس): نرخ جریان عبوری آب شیرین(Permeate) از واحد سطح ممبران با شاخص شار یا فلاکس شناخته می شود که معمولا با واحد گالن در فوت مربع در روز(gfd) یا لیتر در مترمربع ساعت اندازه گیری می شود. انتخاب شار مناسب ممبران در طراحی فرایند اسمز معکوس بسیار با اهمیت است.

 انتخاب نادرست شار منجر به کاهش طول عمر ممبران، کاهش کیفیت آب شیرین و افزایش هزینه های بهره برداری و تعمیرات و نگهداری می شود. انتخاب فلاکس مناسب ممبران به شوری آب(Salinity)، کیفیت آب خام، نوع پیش تصفیه و نوع ممبران بستگی دارد.

فشار آب خام: تعیین دقیق فشار آب ورودی به ممبرانها از طریق شبیه سازی فرایند و انتخاب پمپ مناسب برای دستیابی به شرایط طراحی به مانند دیگر مراحل طراحی نیازمند تخصص و دانش مهندسی در این زمینه است. فشار ناصحیح و عدم تناسب پمپ با توجه به منحنی مشخصه کارکرد، دستیابی به شرایط عملیاتی طراحی را دشوار و هزینه های بهره برداری و نگهداری را افزایش می دهد.

اجزای اصلی آب شیرین کن های صنعتی :

آب شور ورودی به پکیج آب شیرین کن صنعتی پس از عبور از واحد پیش تصفیه به بخش شیرین سازی آب با فرایند اسمز معکوس وارد می شود. غشای نیمه تراوای اسمز معکوس، پمپ فشار قوی،تجهیز بازیابی فشار(Energy Recovery Device)و سیستم کنترل/مانیتورینگ از اجزای اصلی آب شیرین کن های صنعتی هستند.

ممبران اسمز معکوس(RO)

ممبرانهای اسمز معکوس(غشای نیمه تراوا) در مقیاس صنعتی، استوانه های پلیمری با قطر ۴ و ۸ اینچی هستند که عموماً از جنس پلی آمید ساخته می شوند. ممبران RO از تعداد زیادی لایه های به هم پیچیده شده تشکیل شده که با چسب مخصوص به هم متصل شده اند. لایه های ممبران معمولاً از جنس پلی استر به ضخامت حدودی ۲۰۰ میکرون، لایه تقویت کننده پلی سولفون به ضخامت حدودی ۵۰ میکرون و لایه موثر از جنس پلی آمید به ضخامت حدودی ۴۰ تا ۲۶۰ نانومتر تشکیل شده اند. المانهای اسمز معکوس در دو گروه ممبرانهای دریایی و آب لب شور به صورت تجاری تولید می شوند. غشاهای تجاری که از جنس پلی آمید فیلم نازک هستند، از دو ورقه غشایی که از سه طرف به هم چسبیده شده اند و در سمت چهارم باز هستند، مشابه یک پاکت نامه تشکیل شده اند.  این مشابهت سبب شده است که به ممبرانهای اسمز معکوس، پاکت غشایی نیز گفته شود. قسمت باز پاکت های غشایی به لوله مرکزی جمع کننده با منافذ ورودی کوچک متصل می شود که آب شیرین تولید شده را از پاکت های غشایی جمع آوری می کند. پاکت های متعدد غشایی نازک به صورت مارپیچ در اطراف لوله نفوذی مرکزی پیچیده می شوند تا استوانه ای به قطر هشت یا چهار اینچ به نام ممبران تشکیل شود. سطح بیرونی پاکت های غشایی از ساختار متخلخل مولکولی میکروسکوپی تشکیل شده است که می تواند یونهای محلول، میکروارگانیسم ها و سایر ناخالصی های با اندازه کوچکتر از ۲۰۰ دالتون را جداسازی کند. فیلمهای نازک پلی آمید توسط لایه غشایی ضخیم تر از جنس پلی سولفون با تخلخل بالاتر تقویت می شود. لایه های پلی سولفون مقاومت لایه های غشایی را در برابر فشار آب افزایش می دهد و دارای چندین نوع ورودی با منافذ غشایی بزرگتر می باشند. پاکت های غشایی توسط جداکننده خوراک(spacer) جدا می شوند که کانال‌های خوراک را تشکیل داده و انتقال جریان خوراک – کنسانتره را در طول عناصر غشایی تسهیل می کند. در برخی از ممبرانهای  RO فاصله بیشتری بین پاکتها ( ۸۷/ ۰ میلیمتر) وجود دارد. هر چه کانال تغذیه بین پاکت ها گسترده تر باشد، قبل از اینکه غشاها به شستشو نیاز داشته باشند، رسوبات بیشتری جمع می شود. عناصر RO با جداکننده های ضخیم تر معمولا برای آبهای شور با پتانسیل رسوب گذاری بالا و سیستمهای فیلتراسیون با پیش تصفیه محدودتر، ترجیح داده می شوند.

خرابی و نگهداری از ممبران :

ساختار ممبران و جنس لایه های تشکیل دهنده آن ضرورت رعایت دقیق الزامات نگهداری و بهره برداری را با توجه به پتانسیل بالای آسیب دیدگی ممبران، تعیین می کند. کاهش طول عمر ممبران و انواع آسیبهای مختلف عملیاتی هنگام بهره برداری از متداول ترین رویدادهای آب شیرین کن های اسمز معکوس هستند که شاخص های طراحی در آنها به طور کامل رعایت نشده است. آسیبهای وارده به ممبرانهای اسمز معکوس به آسیبهای فیزیکی، شیمیایی و گرفتگی یا فولینگ(Fouling) تقسیم می شوند. مهمترین آسیبهای فیزیکی وارده به ممبرانهای صنعتی اسمز معکوس عبارتند از:

• تلسکوپی شدن ممبران
• خراشیدگی بافت یا لایه های ممبران
• جابجایی یا بیرون زدگی Spacer های یا جدا کنند های لایه ها
• فشردگی ممبران
• آسیب فیزیکی لایه پلی آمید
• آسیب مکانیکی ناشی عدم رعایت شرایط عملیاتی نظیر دما یا فشار

افزون بر آسیبهای فیزیکی، عوامل شیمیایی دومین گروه از عوامل آسیب رسان به ممبران هستند که منجر به خرابی یا کاهش کارایی آن می شوند. مهمترین و متداول ترین آسیب شیمیایی به ممبران، اکسیداسیون لایه پلی آمید-پلی سولفون توسط اکسید کننده ها نظیر کلر، ازن و مواد شیمیایی است که منجر به آسیب جزیی یا کلی بازگشت ناپذیر می شود. تماس با شستشودهنده های شیمیایی با قدرت بالا و تجاوز از PH مجاز عملیاتی نیز منجر به آسیب دیدگی ممبران یا کاهش کارایی آن می شود. 

گرفتکی یا فولینگ ها سومین عامل شایع آسیب به ممبران یا غشای نیمه تراوا هستند. المانهای RO در طول مدت بهره برداری و با توجه به شرایط بهره برداری دچار گرفتگی می شوند که کارایی عملکرد ممبران ها را کاهش می دهد. کاهش جریان آب شیرین، افزایش اختلاف فشار طرفین ممبران و آسیب فیزیکی به ممبران از نشانه های فولینگ ممبرانها است.

با توجه به گستردگی مواد محلول و نامحلول موجود در آب شور ورودی و شرایط بهره برداری واحد آب شیرین کن، احتمال بروز گرفتگی و رسوب گذاریهای متنوعی در المانها وجود دارد؛ از جمله:

• فولینگ بیولوژیکی
• فولینگ آلی یا آلی/معدنی
• فولینگ اکسید های هالوژن
• رسوب گذاری ترکیبات سیلیس
• رسوب گذاری گل و لای
• رسوب گذاری مواد فلزی
• رسوب گذاری سولفات کلسیم
• رسوب گذاری کربنات کلسیم

پمپ فشار قوی آب شیرین کن:

آب شور خام ورودی به پکیج آب شیرین کن بعد از عبور از بخش پیش تصفیه و عبور از میکروفیلترها به پمپ فشار قوی وارد می شود. پمپ فشار قوی وظیفه افزایش فشار آب ورودی برای غلبه به فشار اسمزی و شیرین سازی آب را به عهده دارد. پمپهای فشار قوی مورد استفاده در واحدهای آب شیرین کن صنعتی مشتمل بر انواع مختلفی هستند.

پمپهای طبقاتی عمودی از پرکاربردترین انواع پمپهای فشار قوی برای فشارهای میانی تا حدود ۲۰ بار و با سطح اشغال پایین فضا هستند. فشار آب ورودی در این پمپها از طریق چند پروانه متوالی بر روی محور عمودی افزایش پیدا می کند. آب پس از افزایش فشار در هر مرحله به مرحله بعدی منتقل شده و فشار آب در هر مرحله افزوده می شود.

افزایش فشار در هر مرحله با استفاده از دیفیوزر(Diffiuser) انجام می شود. دیفیوزر انرژی افزایش یافته ناشی از سرعت را در هر مرحله به فشار تبدیل کرده و آب پرفشار را به پروانه بعدی منتقل می کند. در واقع عملکرد دیفیوزر در تبدیل سرعت افزایش یافته از پروانه به فشار در هر مرحله منجر به افزایش فشار می شود.

تجهیز بازیابی فشار(ERD)

آب شور ورودی به واحد آب شیرین کن صنعتی به دو جریان آب شیرین و شورابه تقسیم می شود. فشار آب شور در مسیر عبور هر ممبران و در طول pressure vessel کاهش پیدا می کند. شرکتهای تولید کننده ممبران، افت فشار مجاز عملیاتی هر ممبران را ۰٫۳ بار تا ۰٫۵ بار تعیین کرده اند. در صورت گرفتگی(فولینگ)، وجود رسوب یا آسیب به ممبران، افت فشار جریانهای ورودی و خروجی به المان افزایش پیدا می کند.

در صورت افزایش افت فشار ممبران به فشار یک بار، خطر آسیب مکانیکی یا تلسکوپی شدن ممبران حتی در زمانهای کم به شدت افزایش می یابد. از اینرو ضروری است که در اولین فرصت عملیات شستشوی شیمیایی(CIP) برای رفع آلودگیهای انباشته شده روی ممبران انجام شود.

فشار جریان شورابه با لحاظ افت فشار مجاز ممبران ها کمی پایین تر از فشار آب شور ورودی است. در صورت دفع شورابه با فشار بالا، انرژی قابل توجهی که صرف افزایش فشار آب شده، تلف می شود. از اینرو بازیابی فشار شورابه با رویکرد بهینه سازی مصرف انرژی یکی از موضوعات مهم توسعه آب شیرین کن های صنعتی اسمز معکوس در دو دهه اخیر بوده است. در آب شیرین کن های دریایی به دلیل بالا بودن فشار پمپ، تجهیز بازیابی فشار(ERD) برای کاهش انرژی مصرفی بسیار حایز اهمیت است. توسعه فناوریهای بازیابی انرژی از توربین فرانسیس(FT) به توربین پلتون(PT) تا به فناوریهای ایزوباریک نظیر تبادل کننده فشار(PX) منجر به افزایش راندمان مصرف انرژی آب شیرین کن های آب دریا شده است.

انواع دیگر آب شیرین کن های صنعتی:

فناوری حرارتی مهمترین رقیب فرایند اسمز معکوس در شیرین سازی آبهای شور در مقیاس صنعتی و تجاری است. در واقع این دو فرایند تنها فناوری های اقتصادی توسعه یافته برای تولید آب شیرین از آب دریاها برای مصارف شرب، صنعتی و کشاورزی هستند. به طوریکه امروزه بیش از ۹۹ درصد ظرفیت تولید آب شیرین در واحدهای نمک زدایی به فرایندهای حرارتی و غشایی اختصاص دارد.

در تشریح فناوریهای حرارتی نمک زدایی به زبان ساده می توان گفت که در فرایند های حرارتی آب شور به وسیله انرژی حرارتی تبخیر شده و آب شیرین از میعان بخار آب تولید می شود. مصرف بالای انرژی مهمترین نقطه ضعف فناوری حرارتی و قابلیت پذیرش آبهای شور با کیفیت پایین مهمترین نقطه قوت فرایند حرارتی است.

البته مهمترین نیرو محرک توسعه آب شیرین کن های حرارتی در دنیا، قابلیت استفاده از حرارت اتلافی(Waste Heat) در صنایع مختلف خصوصاً صنعت نیروگاهی است.

آب شیرین کن حرارتی فلاش چند مرحله ای:

در فرایند MSF آب شور ورودی به آب شیرین کن، با استفاده از تبخیر مرحله ای آب در فشار پایین تبخیر می شود. تغییر فاز بخار به مایع، تولید آب شیرین را به دنبال دارد. در این فرایند آب پیش گرم شده دریا در مراحل مختلف و در یک روند کاهشی فشار تبخیر می شود. سپس بخارات ایجاد شده کندانس و بازیابی شده و به عنوان آب خالص شیرین مورد استفاده قرار می گیرد.

گرمای لازم برای تبخیر آب توسط بویلر و بخار آب داغ تأمین می شود. به منظور کاهش مصرف انرژی در بویلر، لوله های ورودی آب دریا به مخازن، توسط بخار آب حاصل از تبخیر آب شورِ موجود در مخازن پیش گرم می شوند. بخار آب موجود در مخازن نیز در تماس با لوله های آب شور ورودی، سرد شده و به فاز مایع تبدیل شده و به عنوان آب شیرین جمع آوری می شود.

مهمترین مزیت استفاده از فرایند MSF، توانایی پذیرش آب دریا با کیفیت پایین است. با توجه به کیفیت مطلوب آب تولید شده از این فرایند در نیروگاه های حرارتی، فرایند های صنعتی و برای کاربرد های نیاز به آب با خلوص بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

آب شیرین کن حرارتی تقطیر چند مرحله ای:

فرایند MED یا تقطیر چند مرحله ای نیز مشابه MSF بر مبنای تبخیر و تقطیر چند مرحله ای آب در فشار پایین، آبهای شور را نمک زدایی می کند. تفاوت اصلی این دو فرایند در ورود آب دریا به مخازن و روش تقطیر بخار و جمع آوری آب حاصل از میعان است. در فرایند MED آب دریا بعد از پیش گرمایش اولیه، در مخازن به روی لوله های داغ محتوی بخار آب، اسپری می شود.

 بخشی از بخار حاصل از انتقال حرارت میان جریان آب شور و سطح خارجی لوله های داغ حاوی بخار آب، در مرحله بعدی(مخزن بعدی) در فشار پایینتر به آب شیرین، تغییر فاز می دهد و این توالی تا مرحله آخر ادامه پیدا می کند. توالی مراحل پشت سر هم با کاهش دما و فشار در هر مرحله همراه است.

بخار آب حاصل از آب شور در هر مرحله اول به سمت مرحله بعدی هدایت شده و محتوای حرارت آن صرف تبخیر آب شور در مرحله بعدی می شود. بخار آب پس از طی مراحل مختلف در مرحله آخر در کندانسور به آب شیرین مبدل می شود. بخار حاصل از هر مرحله با استفاده از تیوبهای مه گیر(Demister) به مرحله بعد هدایت می شود. در هر مرحله بخشی از بخار درون تیوب در اثر انتقال حرارت با آب شور خارج از تیوب به فاز مایع تبدیل می شود.