مقایسه روش های سنتی و روش های معمول در تصفیه آب

نگاهی کلی به تصفیه آب:

در ابتدای این بخش برخی از روش های قدیمی تصفیه آب را مطرح کرده و به ذکر معایب آن می پردازیم سپس وارد بحث غشاها و استفاده از فناوری نانو شده و مزایای آن را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

در تصفیه آب معمولاً دوشیوه اصلی مورد استفاده قرار می گیرد:

• روش های سنتی
• روش های جدید شامل استفاده از غشا‌ها و فن‌آوری نانو

مراحل تصفیه در روش سنتی شامل موارد ذیل می‌باشد:

• عملیات پیش تصفیه
• منعقد شدن ذرات ( از دست دادن بار ذرات آلاینده )
• فلوکاسیون (بهم پیوستن ذرات منعقد شده و تشکیل ذرات بزرگتر).
• رسوب گذاری
• گند زدایی
• هوادهی
• صافی کردن

برخی معایب شیوه سنتی در تصفیه آب:

در برخی از مراحل تصفیه آب به شیوه سنتی معایبی مشاهده می‌گردد که از جمله آن‌ها می‌توان موارد ذیل را خاطر نشان کرد:

هرکدام از فرایندهای شیوه سنتی به تنهایی قادر به از بین بردن تمامی آلودگی‌های آب نیستند. برای مثال در فرایند فیلتراسیون، فیلترهای سرامیکی قادر به از بین بردن ذرات ارگانیکی نبوده و در فیلترهای کربن قادر به حذف جامدات محلول در آب و فلزات سنگین نیستند. بنابراین برای تصفیه کامل آب ما نیازمند استفاده هم زمان از چندین فیلتر هستیم که علاوه بر افزایش هزینه‌های تمام شده‌ی تصفیه بازدهی و سرعت کار پایین می­آید. البته مراحل ذکر شده بسته به استفاده آب مورد نظر قابلیت جابجایی یا حذف و اضافه شدن را دارند.

شیوه سنتی اساساً بر مبنای نصب تأسیسات فرآیندی (مانند حوضچه ته نشینی) و استفاده از چندین فرآیند متوالی می‌باشد. بنابراین امکان حمل و نقل در سیستم‌هایی که از این شیوه استفاده می کنند مشکل است. در بحث جابه جایی تجهیزات نیز مشکلات دیگری از قبیل شکنندگی آن ها (مثلاً فیلتر های سرامیکی) سبب سختی کار می­گردد.

از دیگر معایب این روش می‌توان به کاهش بازدهی برخی فررآیندها با افزایش دبی اشاره کرد. مثلاً فیلترهای کربن فعال که یکی از پرکاربردترین فیلتر ها می‌باشد. با افزایش دبی سریع‌تر اشباع شده و خود این امر باعث وارد شدن برخی آلاینده‌ها به درون آب تصفیه شده می‌گردد.

برخی دیگر از فرآیندها حساسیت زیادی نسبت به شرایط فیزیکی و شیمیایی آب از خود نشان می دهند. بدین معنی که با تغییرات pH، قلیاییت، دما و مقدار ناخالصی‌های مختلف در آب بازدهی فرآیند‌های تغییر پیدا می‌کند. مثلاً در گند زدایی کاهش دما و افزایش تیرگی تأثیر منفی در از بین بردن میکروب‌ها خواهد داشت.

هزینه بهره‌برداری از این سیستم‌ها نسبت به روش‌های غشایی بیشتر است. برای مثال به دلیل استفاده از مواد شیمیایی در فرایندهای مانند منعقدسازی و گندزدایی هزینه‌های نگهداری سیستم بالاتر می‌رود.

به علت استفاده از مواد شیمیایی در برخی فرآیندها (مانند افزودن کلر در عملیات گند زدایی) آب حاصل برای شرب مطبوع نیست.

مقایسه غشاهای RO و NF :

استفاده از یکی از روش‌های ایده‌آل و مناسب برای تهیه  آب با کیفیت می‌باشد. قلب تپنده در این تکنولوژی غشا مورد استفاده است. در این غشای موجود، دو فاز همگن را از هم جدا نگه می‌دارد و با جلوگیری از عبور ناخالصی‌ها به طور انتخابی سبب خالص سازی آب میگردد. برای رسیدن به این مقصود نیازمند استفاده از نیروی جلو برنده می‌باشیم که این نیرو میتواند اختلاف فشار، اختلاف دما، اختلاف غلظت و یا حتی اختلاف پتانسیل باشد. شمای کلی این روش در شکل نشان داده شده است.

در این روش 4 نوع مختلف غشا قابل ذکر است:

(Micro Filter ( MF	میکرو فیلتر با ابعاد و روزنه mm 10- 5/0
(Ultra Filter ( UF	الترا فیلتر با ابعاد و روزنه nm 100-1
(Nano Filter ( NF	نانو فیلتر  با ابعاد و روزنه nm 2
(Reverse osmosis Filter ( Ro	فیلتر اسمزی با ابعاد و روزنه کمتر از nm  2

RO و NF در تصفیه آب بسیار کاربرد دارند، ولی نوع MF و UF بیشتر در عملیات پیش تصفیه مورد استفاده قرار می‌گیرند. مزیت اصلی استفاده از غشاها برای تصفیه آب، عدم نیاز به مواد شیمیایی، انرژی کم مورد نیاز برای تصفیه و استفاده، راه اندازی و نگهداری آسان آنهاست. تکنولوژی غشاهای NF کاربرد وسیعی در حذف نمک‌های محلول در آب، میکرو اروگانیزم ها ( از قبیل مواد سمی چون آرسنیک و کادمیوم ) و گرفتن سختی آب دارند.

تصفیه با غشاهای RO و NF در دومرحله صورت می گیرد:

1-مرحله پیش تصفیه

2-استفاده از غشاء

مرحله اول شامل خروج ذرات معلق در آب بوده و در مرحله دوم مواد ذیل محلول و کم محلول موجود در آب حذف می‌گردد.

غشاRO همه موارد محلول و غیر محلول در آب را حذف می‌کند ولی غشای نانو فیلتر به صورت انتخابی مواد موجود را پس می‌زند. بدین معنی که مواد معدنی مغذی موجود در آب که برای کار کرد طبیعی بدن لازم هستند را می‌

توان با استفاده از این غشاها در آب نگه داشت و بقیه مضر حذف کرد.

این خاصیت انتخابی بودن غشا NF باعث برتری آن ها نسب به غشاهای RO شده است. غشاهای نانو به حفظ مواد مغذی در آب کمک می کند به عنوان مثال می توان یون کلسیم را که برای سلامتی استخوان ها لازم است با این شیوه در آب نگه داشت.

غشاهای NF:

امروزه دانشمندان با استفاده از نانو موادی از قبیل نانو تیوب‌های کربنی به دنبال دستیابی به غشاهایی هستند که شکل ساخت، نوع و اندازه روزنه‌های آن قابل کنترل باشد. به عنوان مثال غشاهای استوانه‌ای شکل ساخته شده‌اند که به واسطه روزنه‌هایش قادر به فیلتر کردن کوچکترین ارگانیسم‌ها نیز هستند.

از جمله غشاها می‌توان به نانو تیوب‌های کربنی اشاره کرد که قادر به حذف ذرات در اندازه میکرومتر تا نانومتر می‌باشند. از این غشاها معمولاً برای حذف باکتری‌ها و ویروس‌ها استفاده می‌شوند. و مزیت اصلی این غشا نسبت به غشاهای قدیمی در این است که خاصیت ارتجاعی بالاتری دارد و امکان بازیابی و استفاده مجدد از آن بیشتر است. در ضمن غشاهای نانو قادرند که دبی بالاتری را ازخود عبور داده و همچنین می توان آن ها را به وسیله گرم کردن تمیز نموده، بر ای استفاده مجدد آماده کرد. نوع دیگر از غشاهای نانو که از اکسید آلومینیوم ساخته شده اند قادرند که مواد بیوارگانیزم، باکتری‌ها و ویروس‌ها را فیلتر کنند. روزنه‌های این غشاها نسبتاً بزرگ هستند بنابراین با سرعت بالاتری آب را از خود عبور می‌دهند ، در نتیجه این روش بسیار مؤثرتر بوده و دارای بازدهی بالاتری می‌باشد .با استفاده از این غشا ما قادریم تا 999/99 % ویروس ها را حذف کنیم، در این روش با استفاده از این نیروی بازو و بدون نیاز به هیچ نیروی اضافی دیگری قادر به تصفیه آب هستیم، در نتیجه برای مقاصد استفاده در مناطق روستایی بسیار مناسب است.

از دیگر روش های تصفیه آب می توان به استفاده از زئولیت هایی با روزنه‌هایی در حدود نانومتر و یا استفاده از پلیمر های نانو اشاره کرد.

زئولیت‌ها:

زئولیت‌ها سال‌ها مورد استفاده قرارداشتند ولی امروزه کنترل اندازه ذرات تشکیل دهنده‌ی غشا و ایجاد غشاهایی همگن از این مواد امکان بالا بردن بازدهی را فراهم نموده‌ایم. زئولیت‌ها کریستال‌های جامدی هستند که روزنه‌هایی در ابعاد میکرومتر دارند و معمولاً از سیلیکون، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده‌اند و در یک قالب قرار گرفته‌اند. این مواد به صورت کانی‌های طبیعی وجود دارند که با هزینه‌های بالا بدست می‌آیند، نوع دیگر آن‌ها به صورت مصنوعی ساخته شده که برای مقاصد خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دانشمندان به دنبال شناخت دقیق‌تر ترکیب شیمیایی این مواد هستند. زئولیت‌ها قادر به حذف مواد آلی خطرناک و همچنین یون‌های فلزات سنگین از آب می‌باشند.

پلیمرها:

نوع جدیدی از مواد پلیمری ساخته شده که قادر به کاهش غلظت آلاینده‌های آلی رایج در آب تاحد PPT (یک بخش در تریلیون) میباشد. در ساخت این پلیمرها اندازه‌ی روزنه‌ها در حدود nm 102-507  کنترل شده‌اند. قدرت حذف مواد آلیبا این روش تا 100.000 برابر از کربن فعال (که در حال  حاضر برای این مقصود مورد استفاده قرار می‌گیرد) بیشتر است.

این روش می‌تواند برای تهیه آب تصفیه شهر‌ها و یا دوباره در چرخه قراردادن آب های صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

نمک زدایی:

خروج نمک‌های محلول در آب توسط غشاها و یا حرارت را نمک زدایی گویند.در عملیات حرارتی ابتدا آب را می جوشانند و پس از دوباره متراکم و سرد کردن بخار، آب حاصل نسبتاً خالی از نمک ها می باشد. در عملیات حرارتی ابتدا آب را می جوشانند و پس از دوباره متراکم و سرد کردن بخار، آب حاصل نسبتاً خالی از نمک ها می باشد. در عملیات غشایی با استفاده از نیروی جلو برنده ای ماننذد ایجاد اختلات فشار می توانیم آب تصفیه شده را از آب خام ورودی بدست آوریم. همچنان که قبلاً نیز ذکر گردیده فیلتر هایRO تمام نمک های حل شده در آب را حذف می کنند در حالی که فیلتر  هایNF با ایجاد حالت انتخابی در جذب مواد به ما حق انتخاب بیشتری در تولید آب با کیفیت مورد نظر را می‌دهد.

مهمترین عامل عدم رشد نمک زدایی، قیمت بالای تهیه آب با استفاده از این فرآیند می‌باشد. با استفاده از این تکنولوژی انتظار می‌رود قیمت تمام شده آب حاصل از نمک زدایی پایین آید تا امکان استفاده از این روش فراهم گردد. باید در نظر داشت که3/1 هزینه های مورد نیاز این فرایند صرف انرژی لازم برای عبور از غشاها می‌شود. محققان به دنبال تولید غشاهایی هستند که دارای عمر بیشتری بوده و برای تولید به انرژی کمتری نیاز داشته باشند. غشاهای جدید در حال توسعه با استفاده از ایجاد فشار در دو مرحله سبب کاهش کلی فشار مورد نیاز شده و هزینه های جاری را پایین می آورند.

دیگر کاربرد های نانو تکنولوژی در تهیه آب پاک :

با گسترش فناوری نانو، نانو مواد، نانو کاتالیست ها و نانو ذرات جدیدی گسترش یافته‌اند که در تصفیه آب دارای بازدهی بالاتری بوده و می توانند به طور مؤثرتری مواد آلاینده را از آب حذف کنند. بعضی از این تکنولوژی‌ها  همچنان در مراحل تحقیقاتی هستند و با تکمیل اطلاعات مورد نیاز امکان استفاده از آن‌ها در آینده مسیر خواهد شد.

کاربرد نانو ذرات در حذف کاتالیستی آلاینده‌ها:

کاتالیست به ماده‌ای اطلاق می‌گردد که توانایی افزایش سرعت واکنش را (بدون آنکه خود در واکنش شرکت کند) دارد. محققان با بررسی بعضی از نانو کاتالیست‌ها از جمله TiO₂ (اکسید تیتانیوم) و نانو ذرات آهن موفق به خروج آلاینده‌ها آلی، نمک‌های محلول و فلزات سنگین از آب شده‌اند. آنچه انتظار می‌رود که این کاتالیست‌ها قادر به تصفیه آب‌های شدیداً آلوده و یا سرشار از نمک بوده و می‌توانند حداقل آب بهداشتی مناسب برای شستشو را فراهم کنند.

کاربرد اصلی تصفیه آب‌های آلوده توسط فناوری نانو کاتالیست‌ها مربوط به زمانی است که دیگر روش‌های تصفیه مفید واقع نمی‌شوند و یا اقتصادی نیستند. دانشمندان در تلاش هستند تا کاتالیستی از ذرات آهن در ابعاد نانو بسازند که قادر به حذف آرسنیک از آب‌های زیر زمینی باشد، به عنوان مثال ماده‌ای با روزنه‌های بسیار زیاد از نانو فیبر های MnO₂ به همراه هیدروکسید آهن دانه بندی ساخته شده که توانایی حذف آرسنیک را دارد. محققان چینی نانو کاتالیست‌های نوری با خاصیت اکسید کنندگی طراحی کرده‌اند که قادر به حذف باکتری ها و آلاینده های آب می‌باشد. در این تکنولوژی از فیلترها که توسط ذرات نانوی TiO₂ پوشش داده شده‌اند استفاده گردیده که این ذرات با شروع یک واکنش شیمیایی مواد مضر و خطرناک را به موادکم خطر و بی‌خطر شکسته و یا آن ها را طی یک فرآیند شیمیایی – نوری به CO₂ و آب تبدیل می‌کنند. تحقیقات دیگری که توسط دانشمندان آمریکایی انجام پذیرفته نتایج مثبتی در جهت حذف آلاینده­های اکسید کننده (از جمله نیترات ها) به ارمغان آورده است.

نکته قابل توجه این است که حذف نیترات‌ها از آب به دلیل بسیار بالای آن ها و توانایی کم انعقاد و ته نشینی به سادگی امکان پذیر نیست و معمولاً باید از رزین های تعویض یونی برای این منظور استفاده کرد. در تحقیقاتی دیگر این دانشمندان توانسته اند به کاتالیستی دست یابند که توانایی حذف آلودگی‌های آروماتیکی و بخش عظیمی از مواد شیمیایی ( از قیبل کودها ) را از آب‌های زیر زمینی دارد.

کاربرد نانو ذرات مغناطیسی در تصفیه آب :

این مواد بدین جهت توسعه یافته‌اند که توانایی حذف آلودگی فلزی و ترکیبات آلی را دارند. به نظر می‌رسد این شاخه از علم نانو برای از میان برداشتن آلاینده‌های آلی و حذف نمک‌ها و فلزات سنگین بسیار مناسب باشد.

محققان برزیلی طی تحقیقاتی با پوشش دادن نانو ذرات SPM بر روی پلیمرها به ترکیبی دست یافته اند که می‌تواند در سطح وسیعی کاربرد داشته باشد. و به دلیل اندازه این ذرات و میل ترکیبی بسیار بالای آن ها، قادر به حذف تقریباً 100% عوامل آلودگی از آب هستند. اندازه ذرات در این فن آوری در بین nm20-15 است که برای جداسازی مغناطیسی اندازه مناسبی است. این دانشمندان معتقدند که این نانو ذرات به همان خوبی کانی‌های آهنی قادر به جذب آرسنیک و حذف آن از آب هستند. این تحقیقات نشان داده است که نانو ذرات معلق مغناطیسی در جذب آرسنیک بسیار موثر واقع شده­اند. مخصوصاً اینکه در pH پایین هم می‌تواند کار کند.