Ters osmoz - Reverse osmosis

Ters osmoz (RO) bir su arıtma işlemidir. kısmen geçirgen zar ayırmak iyonlar, istenmeyen moleküller ve içme suyundan daha büyük parçacıklar. Ters ozmozda, üstesinden gelmek için uygulanan bir basınç kullanılır. ozmotik basınç, bir ortak mülkiyet tarafından yönlendirilen kimyasal potansiyel çözücünün farklılıkları, a termodinamik parametre. Ters ozmoz, birçok çözülmüş ve askıya alınmış türü ortadan kaldırabilir kimyasal türler biyolojik olanlar (esas olarak bakteriler) sudan elde edilir ve hem endüstriyel süreçlerde hem de üretiminde kullanılır. içme suyu. Sonuç şu ki çözünen membranın basınçlı tarafında tutulur ve saf çözücü diğer tarafa geçmesine izin verilir. "Seçici" olması için, bu zarın büyük moleküllerin veya iyonların geçişine izin vermemesi gerekir. gözenekler (delikler), ancak çözeltinin daha küçük bileşenlerine izin vermelidir (çözücü molekülleri, yani su, H₂O) serbestçe geçmek.^[1]

Normalde ozmoz çözücü, doğal olarak düşük çözünen konsantrasyonlu bir alandan hareket eder (yüksek su potansiyeli ), bir membrandan yüksek çözünen konsantrasyonlu bir alana (düşük su potansiyeli). Çözücünün hareketinin itici gücü, Gibbs serbest enerjisi bir membranın her iki tarafındaki çözücü konsantrasyonundaki fark azaldığında, çözücünün daha konsantre çözeltiye doğru hareket etmesi nedeniyle ozmotik basınç oluşturur. Dolayısıyla, saf çözücünün doğal akışını tersine çevirmek için harici bir basınç uygulamak ters ozmozdur. Süreç, diğer membran teknolojisi uygulamalarına benzer.

Ters ozmoz, sıvı akış mekanizmasının bir membran boyunca ozmoz olması nedeniyle filtrasyondan farklıdır. Membran filtrasyonunda baskın ayırma mekanizması, gözeneklerin 0,01 mikrometre veya daha büyük olduğu yerlerde süzme veya boyut dışlamadır, bu nedenle işlem teorik olarak çözeltinin basıncı ve konsantrasyonu gibi parametrelerden bağımsız olarak mükemmel verimlilik elde edebilir. Ters ozmoz bunun yerine gözeneksiz olan veya 0,001 mikrometre gözenekli nanofiltrasyon kullanan bir membranda solvent difüzyonunu içerir. Baskın ayırma mekanizması, çözünürlük veya yayılma farklılıklarından kaynaklanır ve işlem, basınca, çözünen konsantrasyona ve diğer koşullara bağlıdır.^[2] Ters ozmoz, en çok içme suyu arıtmada kullanımı ile bilinir. deniz suyu, kaldırılıyor tuz ve diğeri atık su moleküllerinden malzemeler.^[3]

Tarih

Yarı geçirgen zarlardan bir ozmoz süreci ilk olarak 1748'de Jean-Antoine Nollet. Sonraki 200 yıl boyunca, ozmoz yalnızca laboratuvarda gözlemlenen bir olguydu. 1950'de Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi ilk araştırıldı tuzdan arındırma yarı geçirgen membranlar kullanılarak deniz suyu. Hem Los Angeles'taki California Üniversitesi'nden hem de Florida üniversitesi 1950'lerin ortalarında deniz suyundan başarılı bir şekilde tatlı su üretti, ancak akı ticari olarak uygun olamayacak kadar düşüktü^[4] Los Angeles'taki California Üniversitesi'ndeki keşfine kadar Sidney Loeb ve Srinivasa Sourirajan^[5] -de Kanada Ulusal Araştırma Konseyi, Ottawa, zarın oldukça gözenekli ve çok daha kalın bir substrat bölgesinin üzerinde desteklenen etkili bir ince "deri" tabakası ile karakterize edilen asimetrik membranlar yapmak için teknikler. John Cadotte FilmTec Corporation, özellikle yüksek akıya ve düşük tuz geçişine sahip zarların şu şekilde yapılabileceğini keşfetti: arayüzey polimerizasyonu nın-nin m-fenilen diamin ve trimesoil klorür. Cadotte'nin bu süreçteki patenti^[6] dava konusu oldu ve o zamandan beri süresi doldu. Hemen hemen tüm ticari ters ozmoz membranı artık bu yöntemle yapılmaktadır. 2001 yılının sonunda, dünya çapında yaklaşık 15.200 tuzdan arındırma tesisi faaliyete geçmiş veya planlama aşamasındaydı.^[2]

Ters osmoz üretim treni, Kuzey Cape Coral Ters Ozmoz Tesisi

1977'de Cape Coral Florida, günde 11,35 milyon litre (3 milyon ABD galonu) başlangıç ​​işletim kapasitesiyle, RO sürecini büyük ölçekte kullanan Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk belediye oldu. 1985 yılına gelindiğinde, Cape Coral nüfusunun hızlı artması nedeniyle, şehir, günde 56,8 milyon litre (15 milyon ABD galonu) (MGD) üretebilen dünyanın en büyük düşük basınçlı ters ozmoz tesisine sahipti.^[7]

Resmi olarak, ters ozmoz, ozmotik basıncın üzerinde bir basınç uygulayarak bir çözücünün yüksek çözünen konsantrasyonlu bir bölgeden yarı geçirgen bir membrandan düşük çözünen konsantrasyonlu bir bölgeye zorlanması işlemidir. Ters ozmozun en büyük ve en önemli uygulaması, saf suyun deniz suyundan ayrılması ve acı sular; deniz suyu veya acı su, zarın bir yüzeyine basınç uygulayarak, tuzdan arınmış suyun zar boyunca taşınmasına ve düşük basınçlı taraftan içilebilir içme suyunun ortaya çıkmasına neden olur.

Ters ozmoz için kullanılan zarlar, polimer matris içinde yoğun bir katmana sahiptir - ya asimetrik bir zarın dış yüzeyi ya da ince film-kompozit bir zar içinde bir ara yüzey polimerize katman - burada ayrılma meydana gelir. Çoğu durumda, zar, çözünen maddelerin (tuz iyonları gibi) geçişini önlerken yalnızca suyun bu yoğun katmandan geçmesine izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu işlem, membranın yüksek konsantrasyonlu tarafına genellikle 2–17 olmak üzere yüksek bir basınç uygulanmasını gerektirir. bar (30–250 psi ) tatlı ve acı su için ve yaklaşık 27 bar (390 psi) olan deniz suyu için 40–82 bar (600–1200 psi)^[8] aşılması gereken doğal ozmotik basınç. Bu işlem, en iyi kullanımıyla bilinir. tuzdan arındırma (tuzu ve diğer mineralleri deniz suyu üretmek için temiz su ), ancak 1970'lerin başından beri tıbbi, endüstriyel ve evsel uygulamalar için tatlı suyu arıtmak için de kullanılmaktadır.

Tatlı su uygulamaları

İçme suyu arıtma

Dünya çapında, ev içme suyu arınma ters ozmoz aşaması da dahil olmak üzere sistemler genellikle içme ve pişirme için suyu iyileştirmek için kullanılır.

Bu tür sistemler tipik olarak birkaç adım içerir:

• pas ve kalsiyum karbonat dahil olmak üzere parçacıkları yakalamak için bir tortu filtresi
• isteğe bağlı olarak daha küçük gözenekli ikinci bir tortu filtresi
• bir aktif karbon organik kimyasalları yakalamak için filtreleyin ve klor, belirli türlere saldıracak ve bozacak ince film kompozit membran
• ince film kompozit bir membran olan ters osmoz filtresi
• isteğe bağlı olarak ultraviyole ters ozmoz membranı tarafından filtreden kaçabilecek mikropları sterilize etmek için lamba
• isteğe bağlı olarak, ters ozmoz membranı tarafından uzaklaştırılmayan kimyasalları yakalamak için ikinci bir karbon filtre

Bu alandaki son gelişmeler arasında nano malzemeler ve membranlar bulunmaktadır.

Bazı sistemlerde, karbon ön filtresi çıkarılır ve bir selüloz triasetat membran kullanılır. CTA (selüloz triasetat), sentetik bir tabakaya bağlanmış bir kağıt yan ürün membrandır ve sudaki klor ile temasa izin vermek için yapılmıştır. Bunlar, üzerinde bakteri oluşumunu önlemek için su kaynağında az miktarda klor gerektirir. CTA membranları için tipik reddetme oranı% 85-95'tir.

Selüloz triasetat membran, klorlu su ile korunmadıkça çürümeye meyillidir, ince film kompozit membran ise klorun etkisi altında parçalanmaya eğilimlidir. İnce film kompozit (TFC) membran, sentetik malzemeden yapılır ve su membrana girmeden önce klorun giderilmesini gerektirir. TFC membran elemanlarını klor hasarından korumak için, tüm konut ters ozmoz sistemlerinde ön arıtma olarak karbon filtreler kullanılır. TFC membranlar,% 95-98 gibi daha yüksek bir red oranına ve CTA membranlarına göre daha uzun ömre sahiptir.

Taşınabilir ters osmoz su işlemcileri kişisel su arıtma için çeşitli yerlerde satılmaktadır. Etkili çalışması için, bu birimlere su beslemesi bir miktar basınç altında olmalıdır (280 kPa (40 psi) veya daha fazlası normdur).^[9] Taşınabilir ters osmoz su işlemcileri, şehrin su borularından uzakta, temiz susuz kırsal alanlarda yaşayan insanlar tarafından kullanılabilir. Kırsal kesimdeki insanlar, cihazın kullanımı kolay olduğu için nehir veya okyanus suyunu kendileri filtreler (tuzlu su özel membranlara ihtiyaç duyabilir). Uzun tekne gezintileri, balık tutma veya ada kampı gezilerinde veya yerel su kaynağının kirlendiği veya standartların altında olduğu ülkelerde, bir veya daha fazla ultraviyole sterilizatörle birleştirilmiş ters ozmoz su işlemcileri kullanır.

İçinde şişelenmiş maden suyu üretimiSu, kirleticileri ve mikroorganizmaları uzaklaştırmak için ters osmoz su işlemcisinden geçer. Ancak Avrupa ülkelerinde, doğal maden suyunun bu şekilde işlenmesi (bir Avrupa direktifi tarafından tanımlandığı gibi)^[10]) Avrupa yasalarına göre izin verilmez. Pratikte, yaşayan bakterilerin bir kısmı, küçük kusurlardan ters ozmoz membranlarından geçebilir ve geçebilir veya çevreleyen contalardaki küçük sızıntılardan membranı tamamen atlayabilir. Bu nedenle, tam ters osmoz sistemleri, ultraviyole ışık kullanan ek su arıtma aşamalarını içerebilir veya ozon mikrobiyolojik kontaminasyonu önlemek için.

Membran gözenek boyutları, filtre tipine bağlı olarak 0.1 ila 5.000 nm arasında değişebilir. Partikül filtreleme, 1 partiküllerini ortadan kaldırır µm veya daha büyük. Mikrofiltrasyon 50 nm veya daha büyük parçacıkları kaldırır. Ultrafiltrasyon kabaca 3 nm veya daha büyük parçacıkları temizler. Nanofiltrasyon, 1 nm veya daha büyük parçacıkları kaldırır. Ters ozmoz, membran filtrasyonu, hiperfiltrasyonun son kategorisindedir ve 0,1 nm'den büyük partikülleri ortadan kaldırır.^[11]

Merkezi olmayan kullanım: güneş enerjili ters ozmoz

Bir güneş enerjili tuzdan arındırma ünitesi üretir içme suyu itibaren Tuzlu su kullanarak fotovoltaik güneş enerjisini ters osmoz için gerekli enerjiye dönüştüren sistem. Güneş ışığının farklı coğrafyalarda yaygın olarak kullanılabilir olması nedeniyle, güneş enerjisiyle çalışan ters ozmoz, elektrik şebekesi bulunmayan uzak ortamlarda içme suyu arıtmaya çok uygundur. Dahası, Güneş enerjisi genellikle yüksek enerjili işletme maliyetlerinin üstesinden gelir vesera emisyonları Konvansiyonel ters ozmoz sistemlerinin geliştirilmesiyle uyumlu, sürdürülebilir bir tatlı su çözümü haline getiriyor. Örneğin, uzak topluluklar için tasarlanmış güneş enerjili bir tuzdan arındırma ünitesi, Kuzey Bölgesi nın-nin Avustralya.^[12]

Güneş ışığının aralıklı yapısı ve gün boyunca değişken yoğunluğu, PV verimliliği tahminini zorlaştırır ve gece boyunca tuzdan arındırmayı zorlaştırırken, çeşitli çözümler mevcuttur. Örneğin, günışığı olmayan saatlerde tuzdan arındırma için gereken enerjiyi sağlayan piller, gündüz güneş enerjisini depolamak için kullanılabilir. Geleneksel pillerin kullanımının yanı sıra, güneş enerjisi depolaması için alternatif yöntemler mevcuttur. Örneğin, termal enerji depolama sistemler bu depolama sorununu çözer ve güneş ışığının olmadığı saatlerde ve bulutlu günlerde bile sabit performans sağlayarak genel verimliliği artırır.^[13]

Askeri kullanım: ters ozmoz su arıtma ünitesi

Ters ozmoz su arıtma ünitesi (ROWPU) taşınabilir, bağımsız bir su arıtma bitki. Askeri kullanım için tasarlandı, sağlayabilir içilebilir hemen hemen her su kaynağından gelen su. Tarafından kullanılan birçok model vardır. Amerika Birleşik Devletleri silahlı kuvvetleri ve Kanada Kuvvetleri. Bazı modeller konteyner içine alınmış bazıları treyler, bazıları da kendilerine ait araçlar.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Amerika Birleşik Devletleri silahlı kuvvetlerinin her şubesinin kendi ters ozmoz su arıtma ünitesi modelleri serisi vardır, ancak hepsi benzerdir. Su, ham kaynağından ters osmoz su arıtma ünitesi modülüne pompalanır ve burada bir polimer başlatmak için pıhtılaşma. Daha sonra, bulanıklığı gidererek birincil arıtmaya tabi tutulduğu bir multimedya filtresinden geçirilir. Daha sonra, genellikle spiral sarımlı pamuk olan bir kartuş filtreden pompalanır. Bu işlem, 5'ten büyük partiküllerin suyunu temizler. µm ve neredeyse hepsini ortadan kaldırır bulanıklık.

Berraklaştırılmış su daha sonra yüksek basınçlı pistonlu bir pompadan, ters ozmoza tabi olduğu bir dizi kaba beslenir. Ürün suyu, ham suyun% 90.00-99.98'i içermez. toplam çözünmüş katılar ve askeri standartlara göre 1000–1500'den fazla olmamalıdır milyonda parça ölçüsü ile elektiriksel iletkenlik. Daha sonra dezenfekte edilir klor ve daha sonra kullanılmak üzere saklanır.^{[kaynak belirtilmeli ]}

İçinde Birleşik Devletler Deniz Piyadeleri Ters smosis su arıtma ünitesi hem Hafif Su Arıtma Sistemi hem de Taktik Su Arıtma Sistemleri ile değiştirilmiştir.^[14] Hafif Su Arıtma Sistemleri, Humvee ve saatte 470 litre (120 US gal) filtre edin. Taktik Su Arıtma Sistemleri, bir Orta Taktik Araç Değişimi kamyon ve saatte 4,500 ila 5,700 litre (1,200 ila 1,500 US gal) filtreleyebilir.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Su ve atık su arıtma

Fırtına kanalizasyonlarından toplanan yağmur suyu ters osmoz su işlemcileri ile arıtılarak Los Angeles ve diğer şehirlerde su kıtlığı sorununa çözüm olarak peyzaj sulama ve endüstriyel soğutma için kullanılmaktadır.

Endüstride ters ozmoz, mineralleri kazan suyu -de enerji santralleri.^[15] Su damıtılmış bir kaç sefer. Makine üzerinde tortu bırakmaması veya korozyona neden olmaması için mümkün olduğu kadar saf olmalıdır. Kazan borularının içindeki veya dışındaki birikintiler, kazanın düşük performansına, verimliliğini azaltmaya ve zayıf buhar üretimine, dolayısıyla türbinde zayıf güç üretimine neden olabilir.

Ayrıca atık suyu temizlemek için kullanılır ve acı yeraltı suyu. Daha büyük hacimlerde atık su (500 m'den fazla³/ gün) önce bir atık su arıtma tesisinde arıtılmalı, ardından berrak atık su ters ozmoz sistemine tabi tutulur. Ters ozmoz sisteminin tedavi maliyeti önemli ölçüde azaltılır ve membran ömrü uzar.

Ters osmoz işlemi, üretim için kullanılabilir. deiyonize su.^[16]

Su arıtma için ters osmoz işlemi termal enerji gerektirmez. Akış ters osmoz sistemleri, yüksek basınçlı pompalarla düzenlenebilir. Arıtılmış suyun geri kazanımı, membran boyutları, membran gözenek boyutu, sıcaklık, çalışma basıncı ve membran yüzey alanı gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.

2002 yılında, Singapur adlı bir süreç olduğunu duyurdu YENİ gelecekteki su planlarının önemli bir parçası olacaktır. NEWater'ı rezervuarlara geri boşaltmadan önce evsel atık suyu arıtmak için ters ozmoz kullanmayı içerir.

Gıda endüstrisi

Tuzdan arındırmaya ek olarak, ters ozmoz, gıda sıvılarını (meyve suları gibi) konsantre etmek için geleneksel ısıl işlem işlemlerinden daha ekonomik bir işlemdir. Portakal suyu ve domates suyu konsantrasyonu üzerinde araştırmalar yapılmıştır. Avantajları, daha düşük işletme maliyeti ve ısıl işlem süreçlerinden kaçınma kabiliyetini içerir, bu da onu ısıya duyarlı maddeler için uygun kılar. protein ve enzimler çoğu gıda ürününde bulunur.

Ters ozmoz, süt endüstrisinde peynir altı suyu protein tozlarının üretimi ve nakliye maliyetlerini düşürmek için süt konsantrasyonu için yaygın olarak kullanılmaktadır. Peynir altı suyu uygulamalarında, peynir altı suyu (peynir üretiminden sonra kalan sıvı) ters ozmoz ile% 6 toplam katıdan önce% 10-20 toplam katıya konsantre edilir. ultrafiltrasyon işleme. Ultrafiltrasyon retentatı daha sonra çeşitli peynir altı suyu tozları yapmak için kullanılabilir. peynir altı suyu proteini izolatı. Ek olarak, aşağıdakileri içeren ultrafiltrasyon geçirgenliği laktoz, laktoz tozunun kristalizasyon ve kurutma maliyetlerini azaltmak için% 5 toplam katıdan% 18-22 toplam katıya kadar ters ozmoz ile konsantre edilir.

Sürecin kullanımından bir zamanlar şarap endüstrisinde kaçınılmasına rağmen, şimdi yaygın olarak anlaşılmakta ve kullanılmaktadır. Tahminen 60 ters osmoz makinesi kullanımdaydı Bordeaux, Fransa, 2002'de. Bilinen kullanıcılar, elit sınıflı birçok büyümeyi (Kramer) içerir. Château Léoville-Las Kılıfları Bordeaux'da.

Akçaağaç şurubu üretimi

1946'da bazıları akçaağaç şurubu üreticiler suyu çıkarmak için ters ozmoz kullanmaya başladı öz öz kaynatılmadan önce şurup. Ters ozmoz kullanımı, suyun yaklaşık% 75-90'ının özsuyundan uzaklaştırılmasına izin vererek, enerji tüketimini ve şurubun yüksek sıcaklıklara maruz kalmasını azaltır. Membranların mikrobiyal kontaminasyonu ve degradasyonu izlenmelidir.

Düşük alkollü bira

Normal alkol konsantrasyonundaki bira ters ozmoza maruz kaldığında, hem su hem de alkol membrandan diğer bileşenlere göre daha kolay geçer ve bir "bira konsantresi" bırakır. Konsantre daha sonra uçucu olmayan bileşenleri orijinal yoğunluklarına geri döndürmek için tatlı su ile seyreltilir.^[17]

Hidrojen üretimi

Küçük ölçekli hidrojen üretimi ters osmoz bazen yüzeyinde mineral birikintilerinin oluşumunu önlemek için kullanılır. elektrotlar.

Akvaryumlar

Birçok resif akvaryumu bakıcılar yapay deniz suyu karışımları için ters osmoz sistemleri kullanırlar. Sıradan musluk suyu aşırı klor, kloraminler, bakır, nitratlar, nitritler, fosfatlar, silikatlar veya resif ortamındaki hassas organizmalar için zararlı olan diğer birçok kimyasal içerebilir. Azot bileşikleri ve fosfatlar gibi kirleticiler aşırı ve istenmeyen alg büyümesine neden olabilir. Hem ters osmozun hem de deiyonizasyon resif akvaryum sahipleri arasında en popüler olanıdır ve düşük sahip olma maliyeti ve minimum işletme maliyetleri nedeniyle diğer su arıtma işlemlerine göre tercih edilir. Nerede klor ve kloraminler Suda bulunursa, resif bekçileri tarafından kullanılan yaygın konut membranı bu bileşiklerle baş edemediğinden, membrandan önce karbon filtrasyonuna ihtiyaç vardır.

Tatlı su akvaryumcuları, birçok tropikal su kütlesinde bulunan çok yumuşak suları kopyalamak için ters osmoz sistemlerini de kullanır. Pek çok tropikal balık uygun şekilde işlenmiş musluk suyunda hayatta kalabilirken, üreme imkansız olabilir. Birçok su atölyesi bu amaçla ters ozmoz suyu kapları satmaktadır.

Temiz pencere

Giderek daha popüler olan bir pencere temizleme yöntemi, "su beslemeli direk" adı verilen sistemdir. Pencereleri geleneksel yolla deterjanla yıkamak yerine, uzun bir direğin ucunda yer seviyesinden tutulan bir fırça kullanılarak, tipik olarak 10 ppm'den daha az çözünmüş katı içeren yüksek derecede saflaştırılmış suyla temizlenirler. Ters ozmoz, suyu saflaştırmak için yaygın olarak kullanılır.

Çöp sızıntı suyu arıtma

Ters ozmoz ile tedavi sınırlıdır ve yüksek konsantrasyonda düşük geri kazanımlarla sonuçlanır ( elektiriksel iletkenlik ) ve RO membranlarının kirlenmesi. Ters ozmoz uygulanabilirliği iletkenlik, organikler ve CaSO4, Si, Fe ve Ba gibi inorganik elementlerin ölçeklenmesi ile sınırlıdır. Düşük organik ölçekleme, biri spiral sargılı membran tipi modül kullanmak üzere iki farklı teknoloji kullanabilir ve yüksek organik ölçekleme, yüksek iletkenlik ve daha yüksek basınç (90 bara kadar) için ters ozmoz membranlı disk tüp modülleri kullanılabilir. Disk tüp modülleri, genellikle yüksek düzeyde organik malzeme ile kirlenmiş olan çöp sahası sızıntı suyu arıtımı için yeniden tasarlandı. Yüksek hızdaki çapraz akış nedeniyle, aynı membran yüzeyi üzerindeki akışı konsantre olarak bırakılmadan önce 1.5 ila 3 kez devridaim eden bir akış yükseltici pompa verilir. Yüksek hız aynı zamanda membran ölçeklenmesine karşı iyidir ve başarılı membran temizliğine izin verir.

Bir disk tüp modülü sistemi için güç tüketimi

RO membran yastıklı ve RO membranlı Spiral sarımlı modüllü disk tüp modülü

Tuzdan arındırma

Yüzey suyu veya yeraltı suyu bulunmayan veya sınırlı olan alanlar, tuzdan arındırmak. Ters ozmoz, nispeten düşük enerji tüketimi nedeniyle giderek yaygınlaşan bir tuzdan arındırma yöntemidir.^[18]

Son yıllarda, enerji tüketimi yaklaşık 3 kWh / m'ye düştü³daha verimli geliştirme ile enerji geri kazanımı cihazlar ve geliştirilmiş membran malzemeleri. Uluslararası Tuzdan Arındırma Derneği'ne göre, 2011 için, kurulu tuzdan arındırma kapasitesinin% 66'sında (0,0445 / 0,0674 km³ / gün) ve neredeyse tüm yeni tesislerde ters ozmoz kullanılmıştır.^[19] Diğer bitkiler çoğunlukla termal damıtma yöntemlerini kullanır: çok etkili damıtma ve çok aşamalı flaş.

Bir membran işlemi olan deniz suyu ters ozmozu (SWRO) tuzdan arındırma 1970'lerin başından beri ticari olarak kullanılmaktadır. İlk pratik kullanımı, Sidney Loeb Kaliforniya Üniversitesi'nden Los Angeles'ta Coalinga, Kaliforniya ve Srinivasa Sourirajan, National Research Council, Canada. Isıtma veya faz değişikliği gerekmediğinden, enerji gereksinimleri düşüktür, yaklaşık 3 kWh / m³, diğer tuzdan arındırma işlemlerine kıyasla, ancak yine de atık suyun ters ozmoz arıtımı dahil olmak üzere diğer su temini türleri için gerekli olanlardan çok daha yüksektir, 0,1 ila 1 kWh / m³. Deniz suyu girdisinin% 50'ye kadarı tatlı su olarak geri kazanılabilir, ancak daha düşük geri kazanımlar membran tıkanmasını ve enerji tüketimini azaltabilir.

Acı su ters ozmozu, genellikle nehir haliçlerinden veya tuzlu su kuyularından deniz suyundan daha düşük tuz içeriğine sahip suyun tuzunun giderilmesi anlamına gelir. Süreç esas itibarıyla deniz suyu ters ozmozu ile aynıdır, ancak daha düşük basınç ve dolayısıyla daha az enerji gerektirir.^[1] Yem tuzluluğuna bağlı olarak, besleme suyu girişinin% 80'e kadarı tatlı su olarak geri kazanılabilir.

Aşkelon İsrail'deki deniz suyu ters osmoz tuzdan arındırma tesisi dünyanın en büyüğüdür.^[20][21] Proje bir yap-işlet-devret üç uluslararası şirketten oluşan bir konsorsiyum tarafından: Veolia Su, IDE Teknolojileri ve Elran.^[22]

Tipik tek geçişli deniz suyu ters ozmoz sistemi şunlardan oluşur:

• Alım
• Ön işlem
• Yüksek basınç pompası (enerji geri kazanımı ile birleştirilmezse)
• Membran montajı
• Enerji geri kazanımı (kullanılıyorsa)
• Yeniden mineralleştirme ve pH ayarı
• Dezenfeksiyon
• Alarm / kontrol paneli

Ön işlem

Spiral sargılı tasarımlarının doğası nedeniyle ters ozmoz ve nanofiltrasyon membranları ile çalışırken ön işlem önemlidir. Malzeme, sistemde yalnızca tek yönlü akışa izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle, spiral sargılı tasarım, yüzeyini ovmak ve katıları çıkarmak için su veya hava çalkalama ile geri püskürtmeye izin vermez. Membran yüzey sistemlerinden biriken malzeme uzaklaştırılamadığı için kirlenmeye (üretim kapasitesi kaybı) karşı oldukça hassastırlar. Bu nedenle, herhangi bir ters ozmoz veya nanofiltrasyon sistemi için ön işlem bir gerekliliktir. Deniz suyu ters ozmoz sistemlerinde ön arıtmanın dört ana bileşeni vardır:

• Katıların taranması: İnce partikül veya biyolojik büyüme ile membranların kirlenmesini önlemek ve yüksek basınçlı pompa bileşenlerine zarar verme riskini azaltmak için su içindeki katılar uzaklaştırılmalı ve su arıtılmalıdır.
• Kartuş filtreleme: Genellikle ip sarımlı polipropilen filtreler 1-5 partikülleri çıkarmak için kullanılır.µm çap.
• Dozlama: Bakterileri öldürmek için klor gibi oksitleyici biyositler eklenir, ardından ince film kompozit bir zarı tahrip edebilecek kloru devre dışı bırakmak için bisülfit dozajı eklenir. Ayrıca orada biyolojik kirlilik bakterileri öldürmeyen, ancak zar yüzeyinde ve bitki duvarlarında balçık büyümesini engelleyen inhibitörler.
• Ön filtreleme pH ayarlaması: Besleme suyundaki pH, sertlik ve alkalinite, red akımında konsantre olduklarında ölçeklenme eğilimine neden olursa, karbonatları çözünür karbonik asit formunda tutmak için asit dozlanır.

CO₃²⁻ + H₃Ö⁺ = HCO₃⁻ + H₂Ö

HCO₃⁻ + H₃Ö⁺ = H₂CO₃ + H₂Ö

• Karbonik asit oluşturmak için kalsiyum ile birleşemez kalsiyum karbonat ölçek. Kalsiyum karbonat ölçekleme eğilimi, Langelier doygunluk indeksi kullanılarak tahmin edilir. Karbonat ölçeklerini kontrol etmek için çok fazla sülfürik asit eklemek, ters ozmoz membranında kalsiyum sülfat, baryum sülfat veya stronsiyum sülfat tortusu oluşumuna neden olabilir.
• Ön filtreleme antiskalantları: Kireç önleyicileri (ayrıca antiskalantlar olarak da bilinir), aside kıyasla tüm pulların oluşumunu önler, bu da yalnızca kalsiyum karbonat oluşumunu önleyebilir ve kalsiyum fosfat ölçekler. Antiskalantlar, karbonat ve fosfat pullarını inhibe etmenin yanı sıra sülfat ve florür pullarını inhibe eder ve kolloidleri ve metal oksitleri dağıtır. Antiskalantların silika oluşumunu engelleyebileceği iddialarına rağmen, hiçbir somut kanıt silika polimerizasyonunun antiskalantlar tarafından engellenebileceğini kanıtlamaz. Antiskalantlar, sülfürik asit kullanarak aynı ölçeği kontrol etmek için gereken dozajın bir kısmında asitte çözünen ölçekleri kontrol edebilir.^[23]
• Bazı küçük ölçekli tuzdan arındırma üniteleri 'sahil kuyuları' kullanır; genellikle deniz kıyısında okyanusa yakın yerlerde delinirler. Bu su alma tesislerinin yapımı nispeten basittir ve topladıkları deniz suyu, kaynak suyu çıkarma alanındaki yer altı kum / deniz tabanı oluşumları yoluyla yavaş filtrasyon yoluyla ön arıtmaya tabi tutulur. Sahil kuyuları kullanılarak toplanan ham deniz suyu, açık deniz suyu girişlerine kıyasla katı maddeler, silt, yağ ve gres, doğal organik kirlilik ve suda yaşayan mikroorganizmalar açısından genellikle daha iyi kalitededir. Bazen, sahilden alınan sular daha düşük tuzlulukta kaynak su da verebilir.

Yüksek basınç pompası

Yüksek basınç pompa Membran tuzun içinden geçişini reddetse bile suyu membrandan geçirmek için gereken basıncı sağlar. Tipik basınçlar acı su 1,6 ila 2,6 MPa (225 ila 376 psi) aralığı. Deniz suyu söz konusu olduğunda, 5,5 ila 8 MPa (800 ila 1,180 psi) arasında değişir. Bu, büyük miktarda enerji gerektirir. Enerji geri kazanımının kullanıldığı yerlerde, yüksek basınç pompasının işinin bir kısmı enerji geri kazanım cihazı tarafından yapılır ve sistem enerji girişlerini azaltır.

Membran montajı

Bir zarın katmanları

Membran tertibatı, besleme suyunun kendisine bastırılmasına izin veren bir membrana sahip bir basınçlı kaptan oluşur. Membran, kendisine uygulanan her türlü baskıya dayanacak kadar güçlü olmalıdır. Ters ozmoz membranları çeşitli konfigürasyonlarda yapılır, en yaygın iki konfigürasyon spiral sargılı ve içi boş fiberdir.

Membran tertibatına pompalanan salin besleme suyunun sadece bir kısmı, tuz çıkarılmış olarak membrandan geçer. Kalan "konsantre" akışı, konsantre tuz çözeltisini yıkamak için zarın salin tarafı boyunca geçer. Tuzlu su besleme akışına karşı üretilen tuzdan arındırılmış su yüzdesi "geri kazanım oranı" olarak bilinir. Bu, besleme suyunun tuzluluğuna ve sistem tasarım parametrelerine göre değişir: tipik olarak küçük deniz suyu sistemleri için% 20, daha büyük deniz suyu sistemleri için% 40 -% 50 ve acı su için% 80 -% 85. Konsantre akışı tipik olarak besleme basıncından sadece 3 bar / 50 psi daha düşüktür ve bu nedenle hala yüksek basınçlı pompa giriş enerjisinin çoğunu taşır.

Tuzdan arındırılmış suyun saflığı, besleme suyu tuzluluğunun, membran seçiminin ve geri kazanım oranının bir fonksiyonudur. Daha yüksek saflık elde etmek için, genellikle yeniden pompalama gerektiren ikinci bir geçiş eklenebilir. Saflık olarak ifade edildi toplam çözünmüş katılar tipik olarak deniz suyu beslemesinde milyonda 100 ila 400 parça (ppm veya mg / litre) arasında değişir. ABD Gıda ve İlaç Dairesi, içme suyu için üst sınır olarak genellikle 500 ppm seviyesi kabul edilir. maden suyu en az 250 ppm içeren su olarak.

Enerji geri kazanımı

Ters ozmoz tuzdan arındırma sisteminin şeması basınç değiştirici.
1: Deniz suyu girişi,
2: Tatlı su akışı (% 40),
3: Konsantre akışı (% 60),
4: Deniz suyu akışı (% 60),
5: Konsantre (boşaltma),
A: Pompa akışı (% 40),
B: Sirkülasyon pompası,
C: Membranlı ozmoz ünitesi,
D: Basınç değiştirici

Bir enerji geri kazanım pompası kullanan ters osmoz tuzdan arındırma sisteminin şeması.
1: Deniz suyu girişi (% 100, 1 bar),
2: Deniz suyu akışı (% 100, 50 bar),
3: Konsantre akışı (% 60, 48 bar),
4: Tatlı su akışı (% 40, 1 bar),
5: Boşaltmak için konsantre edin (% 60, 1 bar),
A: Basınç geri kazanım pompası,
B: Membranlı ozmoz ünitesi

Enerji geri kazanımı, enerji tüketimini% 50 veya daha fazla azaltabilir. Yüksek basınçlı pompa girdi enerjisinin çoğu, konsantre akışından geri kazanılabilir ve enerji geri kazanım cihazlarının artan verimliliği, ters ozmoz tuzdan arındırmanın enerji ihtiyaçlarını büyük ölçüde azaltmıştır. Buluş sırasına göre kullanılan cihazlar şunlardır:

• Türbin veya Pelton çarkı: giriş gücünün bir kısmını sağlamak için yüksek basınç pompası tahrik şaftına bağlanan konsantre akışı tarafından çalıştırılan bir su türbini. Daha küçük sistemlerde türbinlerin yerine pozitif deplasmanlı eksenel pistonlu motorlar da kullanılmıştır.
• Turboşarj: konsantre akışı ile tahrik edilen, doğrudan bir santrifüj pompası yüksek basınç pompası çıkış basıncını artıran, yüksek basınç pompasından ihtiyaç duyulan basıncı ve dolayısıyla enerji girişini azaltan, yapı prensibinde araba motoruna benzer turboşarjlar.
• Basınç değiştirici: Membran besleme akışının bir kısmını neredeyse konsantre akış basıncına kadar basınçlandırmak için doğrudan temas halinde veya bir piston yoluyla basınçlı konsantre akışının kullanılması. Bir takviye pompası daha sonra bu basıncı tipik olarak 3 bar / 50 psi kadar membran besleme basıncına yükseltir. Bu, yüksek basınç pompasından ihtiyaç duyulan akışı, konsantre akışına eşit bir miktarda, tipik olarak% 60 ve dolayısıyla enerji girdisini azaltır. Bunlar, daha büyük düşük enerjili sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. 3 kWh / m kapasitesine sahiptirler³ veya daha az enerji tüketimi.
• Enerji-geri kazanım pompası: membran besleme akışının karşı taraftan sürülmesine yardımcı olmak için her bir pistonun bir tarafına uygulanan basınçlı konsantre akışına sahip ileri geri hareket eden bir pistonlu pompa. Bunlar, yüksek basınç pompasını ve enerji geri kazanımını tek bir kendi kendini düzenleyen ünitede birleştiren, uygulanabilecek en basit enerji geri kazanım cihazlarıdır. Bunlar, daha küçük düşük enerjili sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. 3 kWh / m kapasitesine sahiptirler³ veya daha az enerji tüketimi.
• Toplu işlem: Ters ozmoz sistemleri sabit bir sıvı hacmi ile çalışır (termodinamik olarak kapalı sistem ) hemen hemen sıkıştırılamaz bir sıvıyı (su) basınçlandırmak için gereken enerji ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, tuzlu su akışında boşa harcanan enerjiden muzdarip olmayın. Bu tür sistemler,% 60'lık ikinci yasa verimliliklerine ulaşma potansiyeline sahiptir.^[1]

Yeniden mineralleştirme ve pH ayarı

Tuzdan arındırılmış su, aşağı akış boru hatlarını ve depolamayı korumak için, genellikle kireç ekleyerek veya kostik soda beton kaplı yüzeylerin korozyonunu önlemek için. Kireçleme malzemesi, öncelikle etkili dezenfeksiyon ve korozyon kontrolü için içme suyu spesifikasyonlarını karşılamak üzere pH'ı 6.8 ile 8.1 arasında ayarlamak için kullanılır. Sudan çıkarılan mineralleri tuzdan arındırma ile değiştirmek için yeniden mineralizasyon gerekebilir. Bu işlemin maliyetli olduğu ve insanlar ve bitkiler tarafından mineral talebini karşılaması amaçlanıyorsa çok uygun olmadığı kanıtlanmıştır. Daha önce tatlı su kaynaklarının sağladığı aynı mineral talebi. Örneğin İsrail'in ulusal su taşıyıcısından gelen su tipik olarak 20 ila 25 mg / litre çözünmüş magnezyum seviyeleri içerirken, Ashkelon fabrikasından gelen su magnezyum içermez. Çiftçiler bu suyu kullandıktan sonra, domates, fesleğen ve çiçekler de dahil olmak üzere mahsullerde magnezyum eksikliği semptomları ortaya çıktı ve gübreleme ile düzeltilmesi gerekiyordu. Mevcut İsrail içme suyu standartları minimum 20 mg / litre kalsiyum seviyesi belirlemiştir. Ashkelon tesisindeki desalinasyon sonrası arıtmada kalsit (kireçtaşı) çözmek için sülfürik asit kullanılır ve bu da 40 ila 46 mg / litre kalsiyum konsantrasyonu sağlar. Bu yine de tipik İsrail tatlı suyunda bulunan 45 ila 60 mg / litreden daha düşüktür.

Dezenfeksiyon

Son arıtma, suyun filtrasyondan sonra dağıtıma hazırlanmasından oluşur. Ters ozmoz, patojenlere karşı etkili bir engeldir, ancak son tedavi, riskli membranlara ve aşağı akış sorunlarına karşı ikincil koruma sağlar. İle dezenfeksiyon ultraviyole Ters ozmoz sürecini atlayan patojenleri sterilize etmek için (UV) lambaları (bazen mikrop öldürücü veya bakterisit olarak da adlandırılır) kullanılabilir. Klorlama veya kloraminasyon (klor ve amonyak), yeni inşaat, geri yıkama, riskli borular vb. gibi akış aşağı dağıtım sisteminde bulunabilecek patojenlere karşı koruma sağlar.^[24]

Dezavantajları

Ev tipi ters ozmoz üniteleri, geri basınçları düşük olduğundan çok fazla su kullanır. Sonuç olarak, sisteme giren suyun yalnızca% 5 ila 15'ini geri kazanırlar. Kalan kısım atık su olarak boşaltılır. Atık su, reddedilen kirleticileri beraberinde taşıdığından, bu suyu geri kazanma yöntemleri ev sistemleri için pratik değildir. Atık su tipik olarak ev giderlerine bağlanır ve evsel septik sistem üzerindeki yükü artıracaktır. Günde 19 litre (5,0 ABD galonu) arıtılmış su veren bir ters ozmoz ünitesi, günlük 75 ila 340 litre (20 ila 90 ABD galonu) atık suyu boşaltabilir.^[25] Bunun gibi mega şehirler için feci bir sonucu var Delhi ev R.O.'nun büyük ölçekli kullanımı cihazlar, halihazırda kavrulmuş Hindistan Ulusal Başkent Bölgesi'nin toplam su talebini artırdı.^[26]

Büyük ölçekli endüstriyel / belediye sistemleri, besleme suyunun tipik olarak% 75 ila% 80'ini veya% 90'ı kadar yüksek bir oranda geri kazanır, çünkü daha yüksek geri kazanımlı ters ozmoz filtrasyonu için gereken yüksek basıncı oluşturabilirler. On the other hand, as recovery of wastewater increases in commercial operations, effective contaminant removal rates tend to become reduced, as evidenced by product water toplam çözünmüş katılar seviyeleri.

Reverse osmosis per its construction removes both harmful contaminants present in the water, as well as some desirable minerals. Modern studies on this matter have been quite shallow, citing lack of funding and interest in such study, as re-mineralization on the treatment plants today is done to prevent pipeline corrosion without going into human health aspect. They do, however link to older, more thorough studies that at one hand show some relation between long-term health effects and consumption of water low on calcium and magnesium, on the other confess that none of these older studies comply to modern standards of research ^[27]

Waste-stream considerations

Depending upon the desired product, either the solvent or solute stream of reverse osmosis will be waste. For food concentration applications, the concentrated solute stream is the product and the solvent stream is waste. For water treatment applications, the solvent stream is purified water and the solute stream is concentrated waste.^[28] The solvent waste stream from food processing may be used as Islah edilmiş su, but there may be fewer options for disposal of a concentrated waste solute stream. Ships may use Deniz çöplüğü and coastal desalination plants typically use marine outfalls. Landlocked reverse osmosis plants may require buharlaşma havuzları veya enjeksiyon kuyuları to avoid polluting yeraltı suyu veya yüzeysel akış.^[29]

Yeni gelişmeler

Since the 1970s, prefiltration of high-fouling waters with another larger-pore membrane, with less hydraulic energy requirement, has been evaluated and sometimes used. However, this means that the water passes through two membranes and is often repressurized, which requires more energy to be put into the system, and thus increases the cost.

Other recent developmental work has focused on integrating reverse osmosis with elektrodiyaliz to improve recovery of valuable deionized products, or to minimize the volume of concentrate requiring discharge or disposal.

In the production of drinking water, the latest developments include nano ölçek ve grafen zarlar.^[30]

The world's largest RO desalination plant was built in Sorek, Israel, in 2013. It has an output of 624,000 m³ bir gün.^[31] It is also the cheapest and will sell water to the authorities for US$0.58/m³.^[32]

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar

• Metcalf; Eddy (1972). Atık Su Mühendisliği. New York: McGraw-Hill Book Company.