بررسی تصفیه آب به روش یون زدایی غشایی
آب منبع دارایی گرانقیمتی برای کارخانجات صنعتی است؛ مخصوصا صنایعی که به برجهای خنک کن به عنوان بخشی از فرآیند تولید متکی هستند. برجهای خنک کن از مقادیر زیادی آب بطور مداوم استفاده می کنند و در معرض مشکلات رسوبگذاری و خوردگی قرار دارند. وقتی این تجهیزات درست نگهداری نمی شوند، مقدار آب بیشتری به مصرف می رسد که گاهی اوقات به هدر می رود. برجهای خنک کن گرما را از طریق فرآیند طبیعی تبخير دفع کرده آب خنک فراهم می کنند. بسته به منبع آب، آب می تواند حاوی یونهای طبیعی از قبیل کلسیم، کلراید و سولفات باشد. به خاطر تلفات تبخیری، آب باقیمانده در برج خنک کن با این جامدات محلول تغلیظ می شود که این باعث رسوبگذاری و خوردگی خواهد شد. تجمع این مواد می تواند بر کارایی کلی برج تأثیر گذاشته و حتی و عمر آن را کوتاه کند.
روشهای سنتی کنترل رسوب و خوردگی شامل تزریق مواد شیمیایی یا بلودان می باشد. بلودان، تخلیه بخشی از آب برج خنک کن است که دارای سطح بالایی از مواد جامد محلول (TDS) می باشد. این عمل می تواند به تخلیه حجمهای بالایی از آب و مواد شیمیایی به محیط زیست منجر گردد. تخلیه این آب چنانچه به محیط زیست یا سیستمهای آبی محلی دفع گردد غالبا مستلزم کسب مجوز به منظور تأمین الزامات مقررات شهری و محلی است. در بسیاری از جوامع، مقرراتی وضع شده اند که کارخانجات را ملزم می کنند تا تعادل سیستمهای آبی محلی را حفظ کنند.
کیفیت آب ورودی به سیستم برج خنک کن نقش کلیدی در راندمان فرآیند و فواصل زمانی نگهداری پیشگیرانه ایفاء می کند.
تأمین آب کیفیت پایین از رودخانه
برای کارخانجاتی که قصد استفاده از برجهای خنک کن را دارند. هنگامی که منبع آب دارای نوسانات شدیدی در کیفیت باشد، هزینه ها بیشتر افزایش می یابند. این موضوع در مورد کارخانه فولادسازی Republic واقع در Lorrain اوهایو که برای تأمین آب خود به رودخانه مجاورش به نام Black River متکی است، مصداق دارد. روشهای سنتی فیلتراسیون در نظر گرفته شدند، اما آنها خیلی گران بودند و بعید بود که مؤثر باشند. با این حال، فناوری تصفیه آب ضروری بود: کارخانه فولاد اخیرا یک سیستم گازسازی در زمینی به وسعت 600 جریب در سایت خود نصب کرده بود. سیستم گازسازی برای عملکرد به استفاده از برج خنک کن نیاز داشت. به لحاظ فاصله خط اصلی آب شهر از سیستم گازسازی، برج خنک کن نمی توانست توسط آب شهری تغذیه شود.
کارخانه فولادسازی برآورد هزینه نصب یک لوله آب جدید متصل کننده خط اصلی آب شهر به برج خنک کن و سیستم گازسازی را جویا شد. این هزینه بیش از 2/1 میلیون دلار تخمین زده شد. به لحاظ هزینه بالای ساخت و نصب لوله آب جدید، کارخانه تصمیم گرفت گزینه های دیگر را در نظر بگیرد.
با توجه به موقعیت کارخانه، رودخانه محلی Black River به عنوان تنها منبع آب ممکن در نظر گرفته شد. اما آب خام رودخانه قبل از اینکه بتوان آن را به عنوان آب تغذیه برای برج خنک کن مورد استفاده قرار داد، به تصفیه بیشتری نیاز دارد. به گفته یکی از مسئولین کارخانه فولادسازی، “کیفیت آب بسیار مهم است. اگر آب کثیف باشد، در خنک کنهای ما رسوب ایجاد می کند. اگر این امر اتفاق افتد، ما مجبور به رسوبزدایی و توقف تولید خواهیم شد که این خسارات مالی زیادی را تحمیل می کند.” در ابتدا، کارخانه فولاد روشهای سنتی تصفیه آب از قبیل اسمز معکوس را مورد بررسی قرار داد. روشهای سنتی به لحاظ تصفية سنگين مورد نیاز، پیش تصفیه و هزینه های عملیاتی مستمر غیر قابل اجتنابی را ایجاب می کردند علاوه بر این، به خاطر مواد شیمیایی لازم برای عملیاتی نگه داشتن تجهیزات، کسب مجوزهای زیست محیطی خاص از “دپارتمان کیفیت محیط زیست” اوهایو ضروری بود.
به عنوان یک گزینه جایگزین، کارخانه فولاد روش یون زدایی با استفاده از فناوری “یون زدایی خازنی غشایی”(CapDI) که توسط شرکت Voltea عرضه می شود را مورد بررسی قرار داد. به گفته برایان بريستر، یکی از مسئولین شرکت Voltea، CapDI به لحاظ مقتضیات پیش تصفیه نسبتا ساده و همچنین این واقعیت که به کسب مجوزهای خاص نیاز ندارد، یک راه حل فوق العاده جذاب به شمار می رود. این فناوری به منظور عملکرد خود از مواد شیمیایی استفاده نمی کند.”
یون زدایی خازنی غشایی (شکل ۱)، کل مواد جامد محلول (TDS) را از منابع آب خارج می سازد در حالی که به حداقل پیش تصفیه نیاز دارد. این فناوری نمکهای محلول و سایر مواد معدنی را از طریق جریان DC حذف می کند (الکترودیونیزاسیون)؛ بدین صورت که یونهای باردار شده نمک جذب الکترودهای با بار مخالف می شوند. آب از سلولها در یک فرآیند دو مرحله ای خالص سازی و بازیابی عبور می کند (شکل ۲).
به گفته بريستر، “تفاوت اصلی بین این فناوری و سیستمهای سنتی مانند اسمز معکوس، قابلیت تنظیم آن است. این بدین معنی است که کاربران می توانند سطح نمکهای محلولی که اخراج می شوند را انتخاب کنند؛ به عبارت دیگر، میزان اخراج نمکها قابل تنظیم است. “او می افزاید: “همه کاربردها به نرخ اخراج یکسانی نیاز ندارند. ویژگی “قابلیت تنظیم” از افزودن مجدد مواد معدنی (re-mineralization) که ممکن است هنگام استفاده از فناوریهای نمک زدایی و سختی گیری ضروری باشد اجتناب می کند.”
کاهش تاثیر زیست محیطی
دلایلی که باعث شدند تا کارخانه فولاد فناوری یون زدایی خازنی غشایی را برگزیند، به قرار زیرند:
به پیش تصفیه کمی نیاز دارد؛
انرژی کمتری مصرف می کند؛
به حداقل دخالت انسانی نیاز دازد؛
نیازی به کسب مجوزهای خاص ندارد.
علاوه بر این، هزینه های عملیاتی پیش بینی شده کمتر از سایر فناوریهای نمک زدایی بودند؛ بنابراین کارخانه اقدام به نصب سیستم الکترو دیونیزاسیون نمود.
به گفته بريستر، با فناوری یون زدایی خازنی غشایی، لازم نیست که املاح نرم یا مواد شیمیایی به سیستم افزوده شوند تا جایگزین املاح سختی گردند که اخراج شده اند. این اجازه می دهد تا همان سطح املاح و مواد معدنی که در منبع آب اصلی وجود داشتند بصورت پساب سیستم (ما حصل شستشو) به محیط زیست تخلیه شوند؛ بدون املاح اضافی و بیشتر. سختی گیر هایی که املاح سخت را با املاح نرم تعویض می کنند، در بعضی مناطق ممنوع شده اند؛ مخصوصا در مناطق خشکی زده.
نیاز کارخانه فولادسازی به آب با کیفیت بالا که توسط پایین ترین سطح TDS سنجیده می شود، منجر به انتخاب و استفاده از فناوری CapDI ساخت شرکت Voltea شد. (شکل 3).
نتایج قابل اندازه گیری
قبل از نصب، سطوح کلراید، سولفات و فسفات در آب تغذیه رودخانه Black River بطور چشمگیری بالاتر از مقادیر هدف تعیین شده توسط سازنده برج خنک کن بودند. بنابراین نمک زدایی آب رودخانه ضروری بود تا آن را به عنوان منبع تغذیه برای برج خنک کن مناسب سازد. در نتیجه، سیستم یون زدایی خازنی غشایی بر روی نرخ اخراج يون ثابتی تنظیم شد. این اجازه می داد تا الزامات کیفی آب از نظر املاح که توسط کارخانه فولاد و سازنده برج خنک کن تعیین شده بود تأمین گردند.
بعد از اینکه سیستم یون زدایی خازنی غشایی نصب شد، سطح املاح آب تغذیه برج خنک کن الزامات سازنده آن را برآورده کرد. از میان داده های گزارش شده می توان به موارد زیر اشاره نمود:
• یونهای کلراید در آب تصفیه ش ده به میزان ۷۷ درصد کاهش یافتند.
• غلظت یونهای س ولفات و فسفات به میزان 67 درصد کاهش پیدا کردند.
• سختی و قابلیت هدایت (رسانایی) به ترتیب ۷۸ درصد و 62 درصد کاهش یافتند.
جدول ۱، متوسط سطوح املاح و مواد معدنی در آب تصفیه نشده Black River، سطوح هدف در آب تغذيه برج خنک کن، و همچنین مقادیر این مواد در آب تصفیه شده تولیدی توسط سیستم یون زدایی خازنی غشایی را نشان می دهد.
به گفته بريستر، اجرای کنترل دینامیک بر سیستم تصفیه آب موجب بهبود عملکرد کلی می شود (شکل 4). این امر، امکان پایش مداوم و تنظيم عملکرد بر مبنای نوسانات واقعی در کیفیت آب را فراهم می س ازد. در نتیجه، کیفیت ثابت آب تصفیه شده صرف نظر از تغییرات در آب تغذیه ورودی به سیستم یون زدایی خازنی غشایی، تأمین می شود. شکل ه، داده های مربوط به یک ماه پایش مداوم را نشان می دهد.
نتیجه گیری
رودخانه Black River که قبلا برای کاربردهای برج خنک کن با استفاده از فناوریهای نمک زدایی مرسوم نامناسب پنداشته می شد، به دنبال اجرای فناوری الکترودیونیزاسیون به یک منبع مطمئن آب تغذیه تبدیل شد. این فناوری همچنین امکان کاهش مواد شیمیایی، مصرف آب، و فاضلاب را فراهم می سازد. این فناوری عاری از مواد شیمیایی، کارخانه فولاد را قادر می سازد تا پساب تغلیظ شده سیستم را مستقیما به رودخانه تخلیه کند بدون اینکه مجبور باشد یک مجوز اضافی برای دفع به رودخانه کسب کند.
فناوری الکترودیونیزاسیون کمک می کند تا رودخانه Black River یک منبع آب طبیعی بالانس شده باقی بماند و بنابر این به عنوان یک گزینه تصفیه آب برج خنک کن با کمترین تأثیر زیست محیطی قلمداد می شود.
مأخذ : 2018 .Process Cooling, Nov
ترجمه: دکتر سید علی اکبر طباطبایی
