مهندسی آب تصفیه

مهندسی آب تصفیه (Clean Water) چیست؟

امروزه کمبود منابع آب پاک (آب تصفیه) در سراسر جهان مهمترین چالش بشری است. به طور کلی کمتر از 3 درصد از منابع آبی جهان را آب پاک تشکیل می‌دهند. رشد جمعیت و افزایش بی‌رویه مصرف آب خانگی، افزایش مصرف آب در صنعت، افزایش مصرف آب در کشاورزی و … از عوامل کاهش منابع آبی موجود در جهان است.

افزایش فعالیت‌های صنعتی، رشد گازهای گلخانه‌ای، افزایش آلودگی هوا و درنهایت گرم شدن بیش از حد زمین نیز از عواملی هستند که امکان جبران آب در چرخه طبیعت از طریق بارندگی را کاهش می‌دهند.

بنابراین نمک‌زدایی (desalination) یا تصفیه آب یکی از مهم‌ترین مسائل دنیاست. نمک‌زدایی آب علم جدیدی نیست و چندین سال است که در کشورهای مختلف درحال پیشرفت است. بسیاری از محققین و مهندسان برروی این موضوع کار می‌کنند تا طرح‌ها و روش‌هایی ارائه دهند که بازدهی فرآیند نمک‌زدایی آب را افزایش دهد.

نمک‌زدایی آب به معنای مجموعه‌ای از فرآیندهایی است که برای تصفیه آب شور و ناخالص انجام می‌شود. از طریق آن تمام مواد محلول در آب جدا می‌شوند. لازم به ذکر است که نمک‌زدایی صرفاً به معنای جداسازی نمک محلول در آب نیست. همچنین عملیات تصفیه آب با حذف ناخالصی‌های آب مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها نیز جزئی از این صنعت محسوب می‌شود.

در سال‌های اخیر روش‌های زیادی برای تصفیه آب پیشنهاد شده است. هر روشی مزایا و معایبی دارد و با توجه به کاربردش مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌های زیادی برای تصفیه آب وجود دارد، اما اگر بخواهیم یک دسته بندی کلی ارائه دهیم، همه روش‌ها به دو دسته کلی نمک‌زدایی حرارتی (thermal desalination) و نمک زدایی غشایی (membrane desalination) تقسیم می‌شوند.

تعاریف زیادی برای بیان تفاوت بین روش‌های حرارتی و غشایی ارائه شده است. تفاوت اصلی این دو روش در این است که در روش حرارتی تغییر فاز رخ می‌دهد؛ درحالی که در روش غشایی تغییر فاز هرگز اتفاق نمی‌افتد.

هر روش نمک‌زدایی با توجه به مزایا و معایب، کاربردهای خاصی دارد. بنابراین، انتخاب سیستم مناسب برای تولید بهینه آب تصفیه شده مهم است. لازم است برای دستیابی به انتخاب صحیح، عملکرد سیستم‌های مذکور به درستی تحلیل شود. با تحلیل عملکرد این سیستم‌ها می‌توان به قابلیت‌های آنها پی برد.

روش‌های تجربی یا آزمایشگاهی روش مناسبی برای بررسی عملکرد این سیستم‌ها نیستند؛ زیرا مستلزم هزینه زیادی است و از طرفی زمان زیادی تلف می‌شود. بنابراین می‌توانیم به شبیه سازی عددی روی بیاوریم. مدل سازی مورد مطالعه، تعریف سیالات مورد نظر و استفاده از حلگر و روش گسسته سازی در مبحث دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) گنجانده شده است.

نرم افزارهای تجاری زیادی برای حل عددی وجود دارد. یکی از قوی‌ترین و دقیق‌ترین نرم افزارها نرم افزار ANSYS Fluent می‌باشد. ما چندین نوع سیستم نمک زدایی آب را با نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی عددی کرده‌ایم.

روش حرارتی نمک‌زدایی مانند چرخه طبیعی آب عمل می‌کند. یعنی آب نمک با دریافت گرما تبخیر می‌شود. بخار تولید شده خالص و بدون نمک و ناخالصی است. حال کافی است این بخار در محیط سرد قرار گیرد تا با از دست دادن گرمای خود باعث تراکم شود. آب حاصل از تراکم کاملاً خالص است.

پس این روش باید منبع حرارتی برای تغییر فازها داشته باشد. به همین دلیل این دسته از سیستم‌های نمک‌زدایی را روش حرارتی می‌نامند.

مهم‌ترین چالش در روش حرارتی، بازدهی این سیستم‌ها است. عیب اصلی روش‌های حرارتی این است که آنها به منبع گرما نیاز دارند. استفاده از منبع حرارتی باعث مصرف زیاد انرژی و درنتیجه هزینه بالا می‌شود. به همین دلیل از روش حرارتی عمدتاً در نیروگاه‌های مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.

چندمرحله‌ای کردن سیستم و استفاده از روش‌های بازیابی حرارتی به افزایش راندمان در سیستم حرارتی کمک می‌کند. علاوه براین، این سیستم‌های حرارتی معمولاً در مجاورت منابع آبی بزرگ مانند دریاها، رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها استفاده می‌شوند. این کار به این دلیل است که حجم زیادی از آب را می‌توان در مقیاس بزرگ نمک‌زدایی کرد.

تقطیر کننده آب (Water Distiller)

حال، اگر قرار باشد سیستم‌های حرارتی در مقیاس کوچک مدل‌سازی شوند، تحلیل عددی آن‌ها برای بررسی عملکرد آن‌ها مهم می‌شود. یکی از روش‌های تولید آب تصفیه شده استفاده از دستگاه‌های تقطیر آب خانگی است. ابعاد این دستگاه کوچک و میزان تولید آب شیرین پایین است. مهم‌ترین ویژگی این سیستم اندازه کوچک آن است. بنابراین، این دستگاه در منزل مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌تواند به راحتی حمل و جابجا شود. علاوه براین، اندازه کوچک آن انرژی کمتری مصرف می‌کند و از این‌رو، هزینه ساخت کمتری دارد.

این دستگاه دارای بدنه‌ای تقریباً استوانه‌ای با ابعاد کوچک می‌باشد. قسمت پایین آن مخزن آب شور (saltwater) است. یک بخاری (heater) برقی در زیر این قسمت برای گرم کردن آب قرار داده شده است. بنابراین، قسمت پایین آن را تبخیر کننده (evaporator) می‌نامند. یک لوله با گام پیچ کم در قسمت بالایی آن قرار داده شده است. یک فن در بالای این قسمت قرار می‌گیرد تا سرمایش را به لوله مدور منتقل کند.

آب مخزن با دریافت گرما تبخیر می‌شود. وقتی که تبخیر رخ می‌دهد، آب خالص (pure water) به بخار تبدیل می‌شود و نمک و ناخالصی‌ها در داخل مخزن می‌نشینند. حالا این بخار خالص وارد لوله خنک کننده می‌شود و دما کاهش می‌یابد. درنتیجه چگالش (condensation)، بخار به آب خالص تبدیل می‌شود.

ما این مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی کرده‌ایم. نتایج این شبیه سازی را با چند انیمیشن و چند کانتور ارائه کرده‌ایم.

رطوبت‌ زنی – رطوبت گیری (Humidification – DeHumidification)

برخی از سیستم‌های حرارتی را می‌توان در اندازه‌های مختلف طراحی کرد. به عنوان مثال، می‌توان آنها را در ابعاد کوچک و برای کاربری مسکونی طراحی کرد و در ابعاد بزرگ و در کنار آب دریا ساخت. هزینه مصرف و میزان آب شیرین تولیدی عواملی هستند که می‌توان با استفاده از آنها ابعاد مناسب برای سیستم مورد نظر را انتخاب کرد.

یکی از روش‌های موجود در این دسته نمک‌زدایی با رطوبت زنی و رطوبت گیری (DHD) است. این سیستم‌ها از دو بخش اصلی تشکیل شده‌اند. محفظه استوانه‌ای به عنوان رطوبت‌گیر (dehumidifier) یا کندانسور (condenser) عمل می‌کند و محفظه استوانه‌ای به عنوان رطوبت‌زن (humidifier) یا اواپراتور (evaporator) عمل می‌کند. فرآیند نمک‌زدایی در این سیستم چرخه‌ای است. آب شور توسط یک منبع حرارتی گرم می‌شود و وارد رطوبت‌زن می‌شود.

در این قسمت قطره آب گرم روی لایه‌های غشایی پاشیده می‌شود. از طرفی هوای خشک وارد کف این محفظه شده و با آب داغ موجود در این لایه‌های غشایی برخورد می‌کند. تماس بین این دو مایع منجر به جداسازی ناخالصی‌ها از آب می‌شود. آب خالص تبخیر می‌شود و با هوای خشک مخلوط می‌شود تا هوای مرطوب خالص تولید کند. هوای مرطوب از بالای دستگاه رطوبت‌زن خارج شده و وارد محفظه رطوبت‌گیر می‌شود.

در داخل این بخش، لوله‌های انتقال جریان سرد وجود دارد. هوای مرطوب پس از تماس با لوله‌های سرد، دما را کاهش داده و چگالش می‌شود. درنتیجه، آب شیرین در پایان چرخه تولید می‌شود.

ما این مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی کرده‌ایم. نتایج این شبیه سازی را با چند انیمیشن و چند کانتور ارائه کرده‌ایم.

تقطیر خورشیدی (Solar Distillation)

مهم‌ترین مسئله در روش‌های نمک‌زدایی حرارتی مصرف انرژی آنهاست. نسبت تولید محصول به مصرف انرژی باید مقدار مناسبی باشد. به عبارت دیگر، راندمان سیستم باید بالا باشد. استفاده از انرژی‌های نو می‌تواند راه حل خوبی در این زمینه باشد. انرژی خورشیدی (solar) در دسترس ترین و ارزان ترین انرژی برای جایگزینی منابع سوخت است.

چندین روش نمک‌زدایی حرارتی با استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. در یکی از این سیستم‌ها از سطوح شیشه‌ای شیب‌دار استفاده می‌شود. پرتوهای خورشیدی از شیشه عبور می‌کنند و به سطح آب در داخل سیستم می‌رسند. گرم شدن سطح آب باعث تبخیر سطحی (surface evaporation) می‌شود. بخار تولید شده به صورت خالص بوده اما ناخالصی در انتهای سیستم ته نشین شده است. این بخار خالص به سطح داخلی شیشه شیب‌دار برخورد کرده و با از دست دادن گرما باعث چگالش می‌شود. شیب استفاده شده برای سطوح شیشه‌ای باعث می‌شود که قطرات آب مقطر روی سطح شیشه بلغزد و به سمت خروجی سیستم هدایت شود.

ما این مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی کرده‌ایم. نتایج این شبیه سازی را با چند انیمیشن و چند کانتور ارائه کرده‌ایم.

اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

برخلاف روش حرارتی، سیستم‌های نمک‌زدایی غشایی نیازی به منبع گرما یا تغییر فاز ندارند. بنابراین انرژی بسیار کمی مصرف می‌کنند و هزینه مصرف را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. در این سیستم‌ها از غشاهای خاصی برای به دام انداختن ناخالصی‌های محلول در آب استفاده می‌شود.

درواقع سیال ناخالص با اعمال فشار خارجی مانند الکتروپمپ‌ها به سمت غشاها یا فیلترهای تعبیه شده در سیستم هدایت می‌شود. وجود این غشاها در سیستم باعث می‌شود که سیال خالص در یک طرف غشا و مایع با غلظت بالای ناخالصی در طرف دیگر ظاهر شود. به همین دلیل، این دسته از سیستم‌های نمک‌زدایی را روش غشایی می‌نامند.

چندین روش غشایی برای تولید آب شیرین وجود دارد. معروف‌ترین روش غشایی، سیستم‌های اسمز معکوس است. این سیستم در صورت قرار گرفتن دو سیال با غلظت‌های مختلف در کنار یکدیگر مناسب‌ترین روش برای بازدهی و مصرف انرژی محسوب می‌شود.

جریان سیال به طور طبیعی تمایل دارد از محلولی با غلظت کمتر به غلظت بالاتر جریان یابد تا زمانی که غلظت دو طرف متعادل شود. این حرکت تا زمانی که تعادل از نظر غلظت برقرار شود، ادامه می‌یابد. بنابراین، اختلاف سطح در دو قسمت ایجاد می‌شود که درنتیجه، باعث اختلاف فشار می‌شود. به این اختلاف فشار، اختلاف فشار اسمزی (osmotic pressure difference) می‌گویند.

حال اگر فشاری بیشتر از فشار اسمزی به قسمت ناخالص سیستم وارد شود، جهت حرکت طبیعی آب برعکس می‌شود. سیستم نمک‌زدایی اسمز معکوس با استفاده از پمپ فشاری فراتر از فشار اسمزی ایجاد می‌کند و از یک غشاء خاص عبور می‌کند تا نیترات‌ها، مواد معدنی، مواد شیمیایی و باکتری‌ها را حذف کند.

ما این مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی کرده‌ایم. نتایج این شبیه سازی را با چند انیمیشن و چند کانتور ارائه کرده‌ایم.

تقطیر غشایی (Membrane Distillation)

گاهی اوقات می‌توان سیستم‌هایی را طراحی کرد که ترکیبی از دو روش حرارتی و غشایی باشند. این بدان معنی است که تغییر فاز در داخل سیستم اتفاق می‌افتد و از یک غشاء نیز استفاده می‌شود. دلیل اصلی طراحی چنین سیستم‌هایی، افزایش بازدهی آنهاست.

روش تقطیر غشایی در این دسته از سیستم‌های نمک‌زدایی قرار می‌گیرد. در این نوع سیستم‌ها دو مسیر مجزا وجود دارد. در یک طرف سیستم، جریان آب تغذیه شور حرکت می‌کند و توسط یک منبع حرارتی گرم می‌شود. سپس این جریان آب نمک گرم از طرف دیگر سیستم وارد می‌شود.

یک لایه غشایی بین دو مسیر سیال گرم و سرد قرار می‌گیرد. جریان داغ وارد غشا می‌شود و در تماس با دیواره کانال آب سرد چگالش می‌شود. این سیستم‌های تقطیر غشایی به دسته‌های DCMD ،AGMD ،VMD و SGMD تقسیم می‌شوند. در تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD)، جریان سیال داغ مستقیماً به سطح خارجی مجرای سرد برخورد می‌کند.

در نمک‌زدایی غشایی گپ هوا (air gap membrane desalination (AGMD))، یک گپ هوا نیز بین لایه غشا و مجرای سرد قرار می‌گیرد. این گپ هوا جایی است که چگالش اتفاق می‌افتد. در نمک‌زدایی غشایی خلاء (vacuum membrane desalination (VMD))، یک لایه مخصوص بخار را با یک پمپ خلاء مکش می‌کند تا در خارج از سیستم توسط کندانسور چگالش شود و آب شیرین تولید کند. در نمک‌زدایی غشای گاز سوییپی (sweeping gas membrane desalination (SGMD))، یک لایه ویژه جریان گاز را سوییپ می‌کند تا در خارج از سیستم توسط یک کندانسور چگالش شود و آب شیرین تولید کند.

ما این مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی کرده‌ایم. ما نتایج این شبیه سازی را با چند کانتور ارائه کرده‌ایم.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی آب تصفیه

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی آب تصفیه به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شبیه سازی و تحلیل رطوبت‌زنی و رطوبت زدایی (HDH) و غیره
• شبیه سازی جریان در مورد تقطیر خورشیدی، تقطیر کننده آب خانگی و غیره
• شبیه سازی جریان در اسمز معکوس، فشار معکوس و غیره
• شبیه سازی CFD انواع مختلف تقطیر غشایی
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی آب تصفیه را در فروشگاه آموزشی (Training Shop) بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی آب تصفیه به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر (ansysfluent expert consultation) به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید (order your project) تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.