فرایند اسمز معکوس با کارایی بالا
High Efficiency Reverse Osmosis (HERO)
گردآورنده : دکتر محمد مهدیارفر
فرایند HERO
- در سال 2003 توسط Debasish Mukhopadhyay پتنت شد.
اصول کلی فرایند HERO
- حذف سختی از خوراک RO
- حذف قلیائیت از خوراک RO
- حذف دی اکسید کربن از خوراک RO
- افزایش pH خوراک RO توسط تزریق مواد قلیایی
- ارسال خوراک به واحد Ro
حذف سختی در فرایند HERO
- حذف سختی ( یون های منیزیم، کلسیم، استرانسیوم، باریم، ….) از خوراک Ro
- فرایند تبادل یون با زرین کاتیونی ضعیف ( WAC )
- فرایند تبادل یون با زرین کاتیونی قوی ( مبادله کننده سدیمی )
- فراینده آهک زنی
فرایند تبادل یون با رزین کاتیونی ضعیف ( WAC )
- رزین های کاتیونی ضعیف دارای مزایای زیر هستند :
- ظرفیت مبادله بالا برای یون های دو ظرفیتی
- احیای رزین ها با مقادیر کم اسید ( 120% مقدار استوکیومتری )
- به منظور عملکرد مناسب رزین های کاتیونی ضعیف لازم است به میزان سختی موجود، قلیائیت کافی در آّب وجود داشته باشد.
- در صورت نیاز، با تزریق سدیم کربنات می توان نسبت مناسب را فراهم کرد.
- این رزین ها یون های سختی ( از جمله منیزیم و کلسیم ) را با یون هیدروژن مبادله می کنند :
2R-H+M2 R-M-R + 2H+
- سایز کاتیون های چند ظرفیتی نظیر آهن، منگنز و آلومینیوم نیز توسط رزین کاتیونی ضعیف جداسازی می شوند.
فرایند تبادل یون با رزین کاتیونی قوی
- این رزین ها یون های سختی ( از جمله منیزیم و کلسیم ) را با یون سدیم مبادله می کنند :
- 2R-H+M2 R-M-R + 2H+
- احیای رزین ها با آب نمک غلیظ صورت می گیرد.
فرایند سختی گیری با آهک زنی
- با استفاده از فرایند آهک زنی می توان بخش عمده ای از سختی ( و نه همه سختی ) را از خوراک اولیه حذف کرد :
- فرایند آهک زنی می تواند سختی کربناتی را با واکنش های زیر حذف نماید:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 ↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓ + 2CaCO3 ↓ + 2H2O
- در صورتی که سختی غیر کربناته نیز وجود داشته باشد، تزریق سدیم کربنات ( سودا اش) نیز به منظور تامین قلیائیت لازم، ضرورت خواهد داشت.
حذف قلیائیت در فرایند HERO
- حذف قلیائیت ازخوراک Ro از طریق افزودن H+ صورت می گیرد.
- یون هیدروژن های آزاد شده از رزین های کاتیونی اسیدی، قلیائیت موجود در آب را به اسید کربنیک ( دی اکسید کربن محلول ) تبدیل می کند:
H+ + HCO3– ⮂ Co2 + H2 O (H2 CO3)
- در صورت نیاز، اسید (مانند اسید کلریدریک) به آب تزریق می گردد تا تبدیل قلیائیت موجود به دی اکسید کربن محلول، کامل شود.
- در صورتی که حذف سختی توسط رزین های سدیمی صورت گرفته باشد، تزریق اسید به منظور تبدیل قلیائیت به دی اکسید کربن ضرورت دارد.
حذف دی اکسید کربن در فرایند HERO
- استفاده از سیستم های گاززدا اعم از هوادهی و یا گاززدایی تحت خلاﺀ برای حذف CO2 محلول
- در صورت عدم حذف CO2 ، در مرحله بعد و سپس تزریق سود، دی اکسید کربن مجدداً به قلیائیت کربناتی تبدیل خواهد شد و پتانسیل تشکیل رسوب کلسیم کربنات را افزایش خواهد داد.
افزایش pH خوراک در فرایند HERO
- روش متداول: تزریق سود
- روش جایگزین: ستون تبادل یون آنیونی
- افزایش pH خوراک RO تا حداکثر pH قابل تحمل غشاها
- با توجه به اینکه حداکثر pH قابل تحمل غشاهای RO تجاری امروزی 11 است، و با توجه به افزایش pH در طول سیستم RO ، دستیابی به pH=10.5 در خوراک RO مطلوب است.
مزایای فرایند HERO
- افزایش ریکاوری واحد RO
- افزایش میزان پس زدگی اجزا توسط غشای RO
- کاهش شدید فولینگ بیولوژیکی
- کاهش فولینک بیولوژیکی
- کاهش مصرف مواد شیمیایی
- کاهش آنتی اسکالانت
- افزایش فلاکس
- افزایش خلوص محصول
- سهولت شستشوی سیستم RO
- امکان استفاده از Reject واحد در برخی کاربرد ها
افزایش ریکاوری واحد RO
- در اغلب واحد های Ro، ریکاوری سیستم به دلیل تشکیل رسوب، محدود می شود.
- تشکیل انواع متعدد رسوبات از جمله کلسیم کربنات، کلسیم سولفات، استرانسیوم سولفات، باریم سولفات، کلسیم فلورایدو سلیس موجب می گردند، علیرغم تزریق آنتی اسکالانت، نتوان ریکاوری را از حد معینی بالا تر برد.
- در فرایند HERO به دلیل حذف تقریباً کامل یون های منیزیم، کلسیم، استرانسیوم و باریم و نیز حذف قلیائیت، پتانسیل تشکیل این رسوبات از بین می رود.
- در فرایند HERO به دلیل افزایش pH تا حد قابل تحمل غشاها ( به عنوان مثال 11 در جریان Reject ) می توان سلیس را تا غلظت های 450-500 ppm به صورت محلول نگاه داشت.
- در شرایط معمول، حداکثر غلظت سیلیس محلول ppm 150 است.
- با حذف پتانسیل تشکیل رسوب، امکان افزایش ریکاوری و تغلیظ بالاتر وجود خواهد داشت.
- با استفاده از فرایند HERO می توان به سهولت در ریکاوری بالاتر از 90% ( تا 98%) واحد RO را بهره برداری نمود.
- میزان افزایش ممکن در ریکاوری باید با دقت توسط غلظت کلسیم، منزیم و قلیائیت خروجی از واحدهای پیش تصفیه HERO مورد ارزیابی قرار گیرد.
- چنانچه یون های رسوب گذار به خوبی حذف شوند، ریکاوری فرایند HERO تنها توسط فشار اسمزی محدود می گردد. در این صورت دستیابی به TDS حدود 100000ppm در جریان دورریز ممکن خواهد بود.
افزایش میزان پس زدگی اجرا توسط غشای RO
- در فرایندهای تولید آب خالص برای کاربردهای زیر، میزان پس زدگی غشا برای اجزای خوراک اهمین کلیدی دارد:
- تولید آب خالص برای بویلر های فشار بالا
- تولید آب خالص برای صنعت نیمه هادی
- تولید آب خالص برای صنایع دارویی
- عبور مقدار کمی از برخی اجزا از غشای RO ، بار فرایند های پس تصفیه را به مقدار بسیار زیادی افزایش می دهد.
- برخی اجزای خوراک به خوبی توسط غشای RO پس زده نمی شوند:
- سیلیس
- بور
- TOC
- میزان پس زدگی غشاهای RO برای یک گونه تابع عوامل زیر است:
- سایز
- شکل
- دانسیته بار
- گونه های محلول غیریونیزه از درصد بالای پس زدگی برخوردار نیستند و عبور آن ها از غشای RO فشار زیادی به فرایند های بعدی وارد می کند.
- سلیس: در شرایط معمول، پس زدگی 90%
- بور: در شرایط معمول، 70-60%
- TOC: در شرایط معمول، 95-90%
سیلیس
- در شرایط متعارف به فرم سیلیسیک اسید است: H2Sio3,H2O
- بخش عمده سیلیس به فرم مولگولی است که به خوبی پس زده نمی شود.
- با افزایش pH در فرایند HERO ، درصد یونیزاسیون سیلیس افزایش می یابد.
H2SiO3,H2O + 2OH– → SiO32- + 3H2O
- میزان پس زدگی از 90% در pH=7 به 95/99% در pH=11 افزایش می یابد.
- این امر حداقل 10 برابر به کارایی فرایند بعدی برای حذف سیلیس عبوری ( فرایند تبادل یون آنیونی ) کمک می کند.
- در فرایند HERO شاهد رخ دادن پارادوکس افزایش غلظت سیلیس در بالا دست غشا همزمان با کاهش غلظت سیلیس در محصول RO هستیم.
TOC
- آب های طبیعی عمدتا حاوری اسیدهای آلی با جرم مولکولی بالا و مشتقات آن ها مانند هیومیک، فولویک و اسیدها هستند.
- هیومیک اسیدها در pH های بالا محلول و در pH های اسیدی نامحلول هستند.
- فولویک اسیدها در محیط های اسیدی و قلیایی محلول هستند.
- این ترکیبات و محصولات حاصل از تجزیه آن ها، پتانسیل بالایی برای ایجاد فولینگ برای غشاهای RO دارند.
- با افزایش pH خوراک در فرایند HERO ، میزان پس زدگی این مواد از محدوده 95-90% در شرایط متعارف با
66/99 % افزایش خواهد یافت.
افزایش میزان پس زدگی اجزا توسط غشای RO
- تجارب عملی نشان داده اند که در فرایند HERO میزان پس زدگی برای گونه هایی که به شدت یونیزه هستند نیز افزایش می یابد.
افزایش میزان پس زدگی اجزای به شدت یونیزه
- دلایل احتمالی :
- تغییر در مورفولوژی غشا
- کاهش ضخامت لایه پلاریزاسیون (به دلیل کاهش کشش سطحی در شرایط بازی قوی)
- تورم اتصالات لاستیکی (از جمله ارینگ ها) و آب بندی بهتر آنها
- مزایا:
- افزایش کیفیت محصول (کاهش TDS محصول)
- کاهش میزان نشت سدیم در سیستم تبادل یون کاتیونی (در بخش پس تصفیه)
کاهش شدید فولینگ بیولوژیکی
- pH بالای حاکم بر فرایند HERO موجب می گردد اغلب میکروب ها نابود شوند.
- صابونی شدن چربی ها در pH بالا موجب نابودی میکروارگانیسم ها و شسته شدن آن ها از روی سطح غشا می گردد.
- ویروس ها و اندوتوکسین ها نیز توسط فرایند lysis تخریب می شوند.
- جمعیت باکتری در محصول RO نیز صفر خواهد بود.
کاهش فولینگ ذرات معلق
- نرم سازی خوراک RO موجب ناپایداری ذرات معلق شده پتانسیل فولینگ توسط آنها را کاهش می دهد.
- در pH های بالا، کاهش پتانسیل زتا بین سطح غشا (با بار منفی) و ذرات معلق (که معمولا دارای بار منفی هستند) موجب کاهش تمایل به اتصال می گردد.
- ایجاد سورفاکتنت های طبیعی در نتیجه صابونی شدن مواد حاوی چربی، نیز موجب کاهش اتصال ذرات به سطح غشا می شوند.
- افزایش قابلیت تحمل ذرات معلق در خوراک، موجب حذف نیاز به فرایند هایی نظیر فیلتر های شنی، تزریق مواد منعقد کننده و لخته ساز در پیش تصفیه RO می گردد.
کاهش مصرف مواد شیمیایی
- در pH بالا، بخش عمده کلر آزاد به فرم یون هیپوکلریت بوده و اسید هیپوکلرو ( HCIO ) عملا بسیار ناچیز است. این فرم از کلر برای غشاهای RO مخرب نیست و نیازی به حذف آن وجود ندارد.
- به دلیل فوق، در فرایند HERO نیاز به استفاده از کربن فعال و یا تزریق سدیم و بی سولفات یا SMBS برای حذف کلر وجود ندارد.
- حذف نیاز به تزریق انواع شیمیایی در بخش پیش تصفیه، به خصوص در فرایندهای تولید آب با گرید دارویی اهمیت زیادی دارد.
کاهش مصرف آنتی اسکالانت
- در فرایند HERO به عدم حذف تقریبا کامل عوامل رسوب گذار، نیاز به تزریق آنتی اسکالانت به طور کامل منتفی می گردد.
- در صورت تزریق آنتی اسکالانت، مشکلی برای فرایند HERO ایجاد نمی شود.
افزایش فلاکس
- به دلیل کاهش ضخامت لایه پلاریزاسیون و کاهش پتانسیل فولینگ توسط ذرات معلق در فرایند HERO می توان فلاکس RO را نسبت به فرایند متداول افزایش داد.
- چنانچه مقدار متعارف فلاکس در یک فرایندRO ، 15 gfd باشد، در صورت تبدیل این فرایند به HERO، می توان فلاکس را تا 20-25 gfd افزایش داد.
- این امر موجب کاهش هزینه سرمایه گذاری واحد RO می گردد.
افزایش خلوص محصول
- افزایش میزان پس زدگی یون ها در کنار افزایش فلاکس در فرایند HERO موجب افزایش خلوص محصول می گردد.
- استفاده از فرایند HERO و افزایش فلاکس از 15 gfd به 25 gfd موجب کاهش 40 درصدی مقدار TDS محصول می گردد.
سهولت شستشوی سیستم RO
- تجربه میدانی نشان داده است که در هنگام بهره برداری از سیستم HERO ، عملیات CIP به سهولت توسط مواد قلیایی شوینده مانند سدیم هیدروکسید و Na4EDTA و مواد اسیدی شوینده مانند اسید هیدروکلریک قابل اجرا بوده و نیازی به مواد شوینده خاص نیست.
- عدم نیاز به اجرای شستشوهای مکرر و با مواد شیمیایی قوی و شرایط خشن، موجب افزایش عمر غشاها می گردد.
امکان استفاده از Reject واحد در برخی کاربرد ها
- جریان Reject واحد HERO به دلیل بالا بودن pH و عدم وجود سختی و قلیائیت کربناتی، می تواند به عنوان آب جبرانی در اسکرابرهای گاز های اسیدی مورد استفاده قرار گیرد.
- به دلیل کاهش حلالیت سیلیس در نتیجه کاهش pH ، این استفاده باید به صورت یک بار گذر ( once-through) باشد.
ثبت ديدگاه