مبانی طراحی آب شیرین کن

در مطالب گذشته ابتدا به مفاهیم اسمز و اسمز معکوس که یکی از مهم‌ترین موضوعات در دانش تصفیه آب است پرداختیم (بیشتر بخوانید: تصفیه آب به روش اسمز معکوس چیست؟) و سپس راجع به نحوه عملکرد این فرآیند و نیز آلودگی‌هایی که به کمک آن از آب جدا می‌شود، مطالبی بیان شد (بیشتر بخوانید: اسمز معکوس چگونه عمل می‌کند؟).

هر دستگاه تصفیه آب که از اسمز معکوس در فرآیند خود استفاده می‌کند چه در ابعاد خانگی و چه در ابعاد صنعتی به‌عنوان یک آب شیرین کن شناخته می‌شود. طراحی آب شیرین کن معمولاً با هدف کارکرد بهینه سیستم در جهت حذف بیشترین میزان آلودگی، کاهش هزینه‌های اولیه و عملیاتی، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر فیلترها صورت می‌گیرد و بنابراین نیاز به انجام محاسبات پیچیده و در نظر گرفتن عوامل زیادی دارد. در این مطلب قصد داریم که برخی از اصطلاحات رایج را که در طراحی یک آب شیرین کن به کار می‌روند تعریف کرده و با مبانی طراحی دستگاه آب شیرین کن آشنا شویم.

محاسبات طراحی و عملکرد دستگاه آب شیرین کن

همان‌طور که گفتیم، برای قضاوت راجع به عملکرد یک آب شیرین کن محاسبات و پارامترهای زیادی وجود دارد. یک سیستم اسمز معکوس معمولاً مجهز به تجهیزاتی است که کیفیت، فشار، میزان جریان عبوری و حتی دمای آب را در برخی نقاط یک فرآیند تصفیه آب نشان می‌دهد. برای سنجش عملکرد صحیح یک دستگاه آب شیرین کن لازم است که حداقل پارامترهای زیر مشخص باشد:

1. فشار جریان ورودی
2. فشار جریان خروجی
3. فشار جریان پساب
4. هدایت الکتریکی آب در جریان ورودی
5. هدایت الکتریکی آب در جریان آب تصفیه‌شده
6. دبی جریان ورودی
7. دبی آب تصفیه‌شده
8. دما

درصد حذف نمک در یک آب شیرین کن

درصد حذف نمک در یک سیستم آب شیرین کن اسمز معکوس بیانگر توانایی آن سیستم در بهبود کیفیت آب و حذف ناخالصی‌ها است. این میزان بیانگر نحوه عملکرد تک‌تک فیلترهای ممبران نیست؛ بلکه توانایی کلی سیستم را در عملیات تصفیه آب بیان می‌کند. یک سیستم آب شیرین کن بهینه باید حداقل بین ۹۵٪ تا ۹۹٪ ناخالصی‌های موجود در آب را از آن حذف کند. از رابطه زیر برای به دست آوردن میزان حذف ناخالصی‌ها استفاده می‌شود:

هرچه درصد حذف نمک بیشتر باشد، دستگاه آب شیرین کن در تصفیه آب بهتر عمل کرده و مقدار کم این پارامتر نشان از فرارسیدن زمان شست‌وشو و یا تعویض فیلترهای ممبران دارد.

درصد نمک عبوری

تعریف این پارامتر دقیقاً برخلاف درصد حذف نمک بوده و بیانگر میزان ناخالصی‌هایی است که توانسته‌اند از سطح فیلتر ممبران عبور کنند.

درصد بازیابی

درصد بازیابی یک آب شیرین کن بیانگر درصدی از آب ورودی است که توسط سیستم اسمز معکوس به شکل آب تصفیه‌شده از سیستم خارج شده است. هرچه این میزان بیشتر باشد نشانگر آن است که مقدار آب کمتری به شکل پساب از دستگاه تصفیه آب خارج شده است. باید توجه داشت که در صورت طراحی یک آب شیرین کن با مقدار زیاد درصد بازیابی، ممکن است مشکلاتی از قبیل گرفتگی و رسوب‌گیری برای فیلتر ممبران اسمز معکوس ایجاد شود. درصد بازیابی بر اساس نرم‌افزارهای موجود در طراحی آب شیرین کن و نیز خواص شیمیایی آب ورودی و پیش‌تصفیه‌ای که بر روی آب ورودی صورت گرفته است، تعیین می‌شود؛ بنابراین درصد بازیابی مناسب زمانی تعیین می‌شود که مشخص شود دستگاه آب شیرین کن با چه هدفی طراحی و ساخته شده است. با بررسی درصد بازیابی می‌توان از کارکرد صحیح یک آب شیرین کن اسمز معکوس اطمینان یافت. این مقدار توسط رابطه زیر مشخص می‌شود:

بنابراین درصورتی‌که درصد بازیابی ۷۵٪ باشد، به ازای هر ۱۰۰ گالن آب ورودی به سیستم ۷۵ گالن آب تصفیه‌شده و ۲۵ گالن پساب خواهیم داشت. یک سیستم تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس معمولاً در محدوده درصد بازیابی ۵۰٪ تا ۸۵٪ عمل کرده و مقدار دقیق آن به مشخصات آب ورودی و سایر پارامترهای طراحی بستگی دارد.

عامل غلظت

عامل غلظت که به درصد بازیابی یک آب شیرین کن بستگی دارد، پارامتر مهمی در طراحی سیستم‌های اسمز معکوس محسوب می‌شود. هرچه درصد آب تصفیه‌شده خروجی از دستگاه بیشتر باشد (درصد بازیابی بالاتر باشد)، جریان پساب حاوی مقادیر بیشتری از ناخالصی‌ها بوده و غلظت نمک در آن بیشتر است. پس هرچه عامل غلظت بیشتر باشد، احتمال بروز رسوب بر روی فیلتر ممبران بیشتر است. عامل غلظت از رابطه زیر به دست می‌آید:

این مفهوم برای دیگ‌های بخار و برج‌های خنک‌کننده نیز صادق است. در هر دو این تجهیزات یک جریان آب تصفیه‌شده خروجی (بخار) و یک پسماند حاوی ناخالصی‌ها وجود دارد. هرچه اندازه عامل غلظت بیشتر باشد، احتمال بروز رسوب بر روی سطح تجهیزات بیشتر است.

برای مثال اگر ۱۰۰ لیتر آب ورودی به دستگاه آب شیرین کن داشته باشیم و ۷۵ لیتر آب به شکل تصفیه‌شده از سیستم خارج شود، درصد بازیابی برابر با ۷۵٪ بوده و عامل غلظت بر اساس رابطه بالا برابر با ۴ خواهد بود. این عدد نشان می‌دهد که جریان پساب ۴ برابر غلیظ‌تر از جریان آب ورودی است. یا به عبارت دیگر اگر غلظت نمک در آب ورودی ۵۰۰ppm در هر لیتر باشد، غلظت نمک در جریان پساب برابر با ۲۰۰۰ppm در هر لیتر خواهد بود.

شار جریان آب

برای مثال فرض کنید یک دستگاه آب شیرین کن در هر دقیقه ۷۵ گالن آب تصفیه‌شده تولید می‌کند. این دستگاه دارای ۳ عدد پرشر وسل بوده که هرکدام از آنها ۶ فیلتر ممبران را در خود جای داده است؛ بنابراین درمجموع ۱۸ ممبران اسمز معکوس خواهیم داشت. در این دستگاه از ممبران‌های فیلمتک مدل Filmtec BW30-365 استفاده شده است که هرکدام بر اساس اعلام شرکت سازنده مساحتی معادل با ۳۶۵ فوت مربع دارند. با جایگذاری اعداد بیان‌شده در رابطه بالا، شار جریان آب برابر با ۱۶ گالن بر فوت مربع بر روز خواهد بود.

معنی عدد محاسبه‌شده این است که در هر شبانه‌روز ۱۶ گالن آب از یک فوت مربع از سطح هر ممبران عبور می‌کند. این عدد می‌تواند با توجه به کیفیت آب ورودی و نیز طراحی سیستم، عددی خوب و یا بد باشد. در جدول زیر یک قانون سرانگشتی برای حدود شار جریان آب در کیفیت‌های مختلف آب ورودی آمده است. محاسبه دقیق‌تر این موضوع نیاز به استفاده از نرم‌افزارهای طراحی سیستم‌های آب شیرین کن دارد. اگر در مثال بالا از ممبران‌های Filmtec LE-440i استفاده شود، شار جریان آب معادل ۱۴ خواهد بود؛ بنابراین انتخاب نوع فیلتر ممبران از اهمیت بالایی برخوردار است.