سیستم نمک زدایی و تصفیه مدار بسته (CCDTM) یک بستر نوظهور برای تصفیه آب و نمک زدایی اسمز معکوس است، که فشار را کاهش می دهد، عملکرد غشا را بهبود می بخشد، انعطاف پذیری عملیاتی را افزایش و نیاز به دستگاه های بازیاب انرژی را فقط با استفاده از تجهیزات استاندارد RO از بین می برد. برای کاربردهای تصفیه آب صنعتی و آب شیرین کن، فناوری CCD با صرفه جویی در مصرف انرژی ، حداکثر بازیابی را در واحد تک مرحله ای به دست می آورند. متناوبا ، یک واحدCCD می تواند به یک فرآیند معمولی RO اضافه شود تا آب نمک را متمرکز کرده و بازیابی را افزایش دهد. بیش از 97 ٪ بهبودی بازیابی آب در یک عملیات تک مرحله ای نشان داده شده است. میزان بازیابی یک واحد CCD می تواند در صفحه کنترل بدون تغییر در سخت افزار سیستم تنظیم شود، و فقط با ویژگیهای مقیاس گذاری آب محدود می شود.

حداکثر عملیات بازیابی و انعطا ف پذیری بالا پیامدهای قابل توجهی در کاهش هزینه ها برای تصفیه آب صنعتی و نمک زدایی آب شور داخلی دارد ، جایی که هم هزینه تأمین آب خوراک و هم هزینه های دفع آب نمک می تواند قابل توجه باشد. سیستم ها CCD مقاومت بسیار خوبی در برابر رسوب و رسوب گذاری نشان می دهند. جریان متقاطع تأمین شده توسط پمپ گردش در غشاها را شسته و چرخه شوری را مختل می کند و پوسته پوسته شدن و رسوب گذاری را تا حد زیادی کاهش می دهد. مولفه های غشای کوتاه و جریان متقاطع بالا به فرایند CCD اجازه می دهد تا در جریان های متوسط بالاتر نسبت به فرآیندهای معمولی RO کار کند ، بدون این که از مشخصات تولیدی یا بازیابی غشا بیشتر باشد. در این مقاله طراحی و مدل سازی فرآیندهای CCD با بازده بالا ارایه می شود، و سطح مصرف انرژی خاص اندازه گیری شده و محاسبه شده برای تأیید روش ها و ابزارهای مدل سازی مقایسه می شود. دو مورد RO آب شور در نظر گرفته شده است ، یکی با استفاده از فرآیند SWRO-CCD Desalitech و دیگری با استفاده از فرآیند ترکیبی PFD-SWRO-CCD سیستم های CCD با روش مرسوم RO که با همان آب تغذیه ، پمپ ها و غشاهای فشار بالا کار می کنند و با همان شار متوسط و درصد بازیابی کلی ، مطلوب هستند .

 

فناوری نمک زدایی مدار بسته CCD

فناوری نمک زدایی مدار بسته CCD به عنوان یک فرآیند پیشرفته اسمز معکوس (RO) برای تصفیه آب در نمک زدایی شور و آب دریا ، تصفیه فاضلاب و استفاده مجدد و تصفیه آب در حال ظهور است 1 – 5 . از همان ابزارهای مورد استفاده برای طراحی سیستم های RO معمولی برای طراحی سیستم های CCD استفاده می شود ، یعنی مدل های فرافکنی سازنده غشا ، مشخصات غشا و پمپ و سایر داده ها ، منابع و روش های مهندسی مکانیک به طور کلی موجود. به ندرت می توان برای مقایسه عملکرد آنها، از دو فناوری RO متفاوت در یک شرایط استفاده کرد. با این وجود ، میتوان در یک مطالعه با استفاده از ابزارها و مدل های طراحی RO ، یک مقایسه ایده آل A-B از طرح ها یا اجزای فرایند جایگزین انجام داد، یا عملکرد در طیف گسترده ای از خصوصیات آب تغذیه یا شرایط عملیاتی را در نظر گرفت.

SWRO-CCD

طراحی و مدل سازی فرآیند SWRO-CCD در شکل 1 نشان داده شده است، با یک مخزن تحت فشار غشا ، نمایانگر چندین ماژول است که به طور موازی کار می کنند. پمپ فشار قو ی (HP) یک حلقه بسته متشکل از یک مرحله غشاها و پمپ گردش خون CP را تغذیه میکند. نفوذ با سرعت برابر با دبی HP تولید می شود. آب نمک در عملیات دسته ای مانند دوباره گردش می کند. با رسیدن به سطح بازیابی مطلوب ، آب نمک با آ ب تغذیه از محفظه کناری تحت فشار هیدرواستاتیک جابجا می شود. مبادله آب نمک و خوراک بدون توقف پمپ فشار بالا، پمپ گردش خون یا تولید نفوذ آب انجام می شود. فشار تغذیه غشایی اولیه هر دنباله CCD دقیق بالاتر از فشار اسمزی آب تغذیه است و حداکثر فشار دقیقا بالاتر از فشار اسمزی آب نمک نهایی است و در نتیجه فشار تغذیه غشایی به طور متوسط بس یار کمتر از فشار تغذیه معمول است.

RO میزان جریان ، فشار و انرژی مورد نیاز یک سیستم CCD را می توان با استفاده مجدد از نرم افزار پیش بینی استاندارد تولید کنندگان غشا 6 – 8 و اطلاعات مربوط به آب تغذیه و پمپ محاسبه کرد. روند کار به صورت زیر است :
– یک پیش بینی غشایی برای اولین چرخش CCD با پیکربندی فرآیند به طور معمولی 4 غشا در هر ماژول و سرعت جریان و سرعت بازیابی ماژول اجرا می شود. بازیابی ماژول معمولا 20 تا 50 ٪ است – بسیار کمتر از میزان بازیابی کلی در بیشتر برنامه های آب شور و صنعتی.

 

– ترکیب خوراک غشا در چرخش دوم با ترکیب آب نمک از طرح اولیه با ترکیب خوراک تازه به نسبت مربوط به میزان بازیابی غشا محاسبه می شود. نرم افزار برای بار دوم اجرا می شود که دارای فشار تغذیه غشای بالاتر، فشار دیفرانسیل مشابه و ترکیب جدید شور است .
– مرحله 2 برای هر گردش مجدد اضافی لازم است برای دستیا بی به بهبود کلی مورد نظر تکرار می شود. متناوبا ، مرحله 2 را می توان برای آخرین گردش مطابق با بهبود کلی مورد نظر اعمال کرد .
– مصرف انرژی با میانگین فشارهای تغذیه غشا، میانگین فشارهای دیفرانسیل غشا، میزان جریان پمپ و بازده پمپ و موتور محاسبه می شود. محاسبه همچنین وظایف پمپ و کیفیت نفوذ را ارائه می دهد.

 

یک سیستم RO به طور معمول با همان آب خوراک تا درصد با زیابی یکسان کارکند به سه مرحله نیاز دارد. برای متعادل کردن شار سه مرحله و درنتیجه جلوگیری از رسوب بیش از حد عناصر غشای سرب ، به گاز مایع نفوذ می کنید و یا افزایش فشار بین مرحله ای. حداکثر شار هد در تمام تنظیمات فرآیند در نظر گرفته شده 34 لیتر در متر مربع در ساعت (Imh) یا 21.3 گالن در فوت مربع در روز (gfd) مطابق با حداکثر شار برآورد شده در نصب میدان CCD بود. نتایج آزمایش میدانی 2 ، نتایج مدلسازی CCD و عملکرد پیش بینی شده سیستم های مرسوم RO سه مرحله ای با گاز مایع در مرحله اول و دوم یا گاز مایع در مرحله اول و پمپ تقویت کننده تغذیه کننده مرحله سوم در جدول 2 آورده شده است. مصرف انرژی RO بدون فشار منبع تغذیه خورده ذکر شده محاسبه شد.

 

این داده ها همبستگی خوبی بین مصرف انرژی ، جریان ها و فشارهای خاص سیستم SWRO-CCD اندازه گیری شده و مدل شده را نشان می دهد. داده ها همچنین نشان می دهد که یک سیستم RO معمولی با نفوذ 56 ٪ انرژی بیشتری مصرف می کند زیرا سیستم CCD در حال اجرا و یک سیستم معمولی با پمپ تقویت کننده بینا بینی 22 ٪ بیشتر مصرف میکند.
توصیف و عملکرد فرآیند ترکیبی PFD-CCD و RO فرآیند ترکیبی PFD-CCD از یک مرحله معمولی RO (PFD) تغذیه یک سیستم SWRO-CCD تشکیل شده است. مجرای جانبی سیستم CCD می تواند از طریق آب نمک تحت فشار از مرحله PFD تغذیه شود یا در موردی که در اینجا در نظر گرفته شده، با آب کم فشار تغذیه می شود. بنابراین ، واحد CCD به عنوا ن یک کنسانتره آب نمک عمل می کند. فرایندی که به این روش پیکربندی شده است می تواند به عنوان مقاوم سازی در فرآیند RO اجرا شود و تقریبا به هیچ تغییری در سیستم RO اصلی احتیاج ندارد. یک واحد هیبریدی PFD-CCD 1320 متر در روز به عنوان یک تاسیسات تجاری در حال بهره برداری است و برای شیرین سازی آب شور در سایت ماگان مایکل در اسرائیل استفاده می شود. مانند منبع Reim ، آب منبع Maagan دارای شوری متغیر است و مملو از مواد گل آلوده ای است که ثابت شده است برای سیستم های معمولی RO که از یک منبع تغذیه میشوند مشکل ساز است. مرحله PFD به عناصر غشایی 400 فوت مجهز است و مرحله CCD دارای عناصر غشایی 440 فوت است. جزئیات واحد و عملکرد آن در مقاله 3 مرجع آورد ه شده است. به منظور مقایسه ، مرحله اول سیستم متعارف RO فرضی با عناصر غشا 400 فوت و مراحل دوم و سوم با عناصر 440 فوت مدل سازی شده است. آب خوراک ترکیبی است که در جدول 3 ذکر شده است .

 

یک سیستم که همان درصد نفوذ را از همان آب خوراک استخراج کند، به سه مرحله نیاز دارد. برای ایجاد تعادل در شار، از مرحله اول و دوم نفوذ می کنند یا به تناوب، از مرحله اول نفوذ می کنند و بین مرحله دوم و سوم از یک پمپ تقویت کننده استفاده می شود. حداکثر شار عنصر هد به 33 Imh (20.6 gfd) محدود شد. نتایج آزمایش میدانی نتایج مدل سازی CCD و عملکرد پیش بینی شده و سیستم متناوب RO در جدول آورده شده است. مقادیر مصرف انرژی گزارش شده منحصر به فشارها ی تأمین آب خوراک ذکر شده در جدول 4 است
این داده ها همبستگی خوبی بین مصرف انرژی ویژه سیستم SWRO-CCD اندازه گیری شده و مدل شده تا 6 ٪ با مصرف انرژی کمتر توسط سیستم نصب شده دارد. همچنین داده ها نشان می دهد که یک سیستم RO معمولی با گاز نفوذ دو برابر بیشتر از سیستم CCD در حال اجرا و یک سیستم معمولی با پمپ تقویت کننده بین مرحله 41 ٪ بیشتر انرژی مصرف می کند. توجه داشته باشید که بازده ترکیبی پمپ گردش و موتور در سیستم CCD واقعی بسیار کم بود – فقط 30 ٪ – نشان می دهد که اندازه این پمپ به درستی برای این کاربرد مناسب نبوده است. با این وجود، همان کارایی پمپ در سیستم CCD مدل فرض شده است. اگر بازده پمپ گردش و موتور 60 ٪ معمولی تر باشد، مصرف انرژی ویژه سیستم CCD حدود 2 ٪ از مقادیر مشخص شده در جدول 4 کاهش می یابد. در مدل سیستم RO معمولی با پمپ تقویت کننده بین مرحله، راندمان پمپ 60 ٪ فرض شده است.

 

اگر در عوض ، یک پمپ تقویت کننده بین مرحله ای 30 ٪ کارآمد در نظر گرفته شود یا اگر بازده پمپ از 60 ٪ به 30 ٪ کاهش یابد، زیرا نقطه کار پمپ از بهترین نقطه کارایی خود دور شده است، مصرف انرژی خاص سیستم RO معمولی0.92 کیلووا ت ساعت در متر مکعب یا 11 درصد بیشتر از آنچه در جدول 4 پیش بینی شده است. این ملاحظات نشان می دهد که مصرف انرژی در سیستم های مرسوم RO چند مرحله ای نسبت به فرآیندهای مشابه CCD نسبت به فرآیندهای مشابه CCD بس یار حساس تر به تغییر در شرایط کارکرد سیستم یا خصوصیات آب خوراک است

 

نتیجه گیری

عملکرد میدانی و تجزیه و تحلیل فوق مشاهدات و نتیجه گیری های زیر را پشتیبان ی می کند:
• با استفاده از مدل تکرار غشایی و محاسبات استاندارد مهندسی مکانیک ، با مقایسه عملکرد اندازه گیری شده در تأسیسات تجاری ، مصرف انرژی سیستم و اندازه پمپ را می توان به طور دقیق مدل سازی کرد. بنابراین ، از این روش مدل سازی می توان برای مقایسه عملکرد و تجهیزات مورد نیاز سیستمهای CCD و RO معمولی برای طیف وسیعی از ترکیبات آب و با طیف و سیعی از مدلهای غشایی و پمپ استفاده کرد.
• تجزیه و تحلیل یک واحد SWRO-CCD تک مرحله ای است که با بیش از 88 درصد بازیابی کار میکند. آزمایشات میدانی با فناوری CCD نشان داده است که بیش از 97 ٪ بازیابی قابل دستیابی است.
• پیش بینی شده است که سیستمهای در نظر گرفته شده به میزان قابل توجهی انرژی کمتری نسبت به سیستمهای RO ساخته شده با غشاها و پمپهای فشار قوی با همان شار و بازیابی مصر ف می کنند. سیستم های CCD نسبت به سیستم های مرسوم RO چند مرحله ای انعطاف پذیرتر هستند در برابر تغییر شرایط کار یا خصوصیات آب تغذیه ، زیرا بازیابی، جریان متقابل و شار را می توان به طور مستقل وحتی به طور خودکار با نقاط تنظیم شده صفحه کنترل، کنترل کرد.
• ثابت شده است که دو سیستم نصب شده در مزرعه ، در تصفیه آبهای سخت منبع که به احتمال زیاد باعث غرق شدن غشاها در فرآیندها ی معمولی RO می شوند ، بسیار مطمئن هستند. این عملکرد عالی از آرایه های غشای کوتاه ، جریان متقاطع نسبت بالا و نرخ بازیابی ماژول پایین که در طراحی های فرایند CCD استفاده می شود ، ناشی می شود. علاوه بر این، چرخه شوری ذاتی در عملیات نیمه دسته ای سیستم های CCD تمایل به برهم زدن تشکیل بیو فیلم و رسوب مقیاس دارد.
• این فرآیند می تواند برای ایجاد ساختمان های جدید یا به عنوان مقاوم سازی مجدد سیستم های مرسوم RO موجود برای بهبود باز یابی کلی ، کاهش مصرف انرژی خاص و بهبود قابلیت اطمینان فرایند RO استفاده شود. ترکیبات آب، میزان بازیابی و شارهای انتخاب شده برای این تجزیه و تحلیل دلخواه بودند. عملکرد میدانی سیستم های CCD که در اینجا توضیح داده شده تأیید کرده است که میزان بازیابی هر واحد CCD می تواند در پنل کنترل با پمپ های نصب شده و بدون تغییر سخت افزار سیستم تنظیم شود. حداکثر عملیات بازیابی و انعطا ف پذیر ی با لاپیامده ای قابل توجهی در هزینه های تصفیه آب صنعتی و نمک زدایی شور داخلی دارد، جایی که کمپوزیتون آب تغذیه می تواند متفاوت باشد و هر دو هزینه تأمین آب و هزینه های دفع آب نمک قابل توجه است .

 

References

1. A. Efraty, R. Barak and Z. Gal, Closed Circuit Desalination — A New Low Energy High Recovery Technology without Energy Recovery Desalination and Water Treatment, 31 (2011) 95-101.
2. A. Efraty, Closed Circuit Desalination Series No-4: High Recovery Low Energy Desalination of Brackish Water by a New Single Stage Method without any loss of Brine Energy, Desalination and Water Treatment, in press 2011.
3. A. Efraty, Z. Gal, Closed Circuit Desalination Series No 7: Retrofit Design for Improved Performance of Conventional BWRO System, Desalination and Water Treatment, in press 2011.
4. R. Stover, CCD Starts a New Generation for RO, Desalination and Water Reuse, November-December 2011, pp. 34 – 35.
5. R. Stover and N. Efraty, Record Low Energy Consumption with Closed Circuit Desalination, Proceedings of the International Desalination World Congress Meeting in Perth Australia, Paper Number 375, October 2011.
6. Integrated Membrane Solution Design Software, IMS Design Ver. 2011, Hydranautics, A Nitto Denko Company, 2011.
7. Reverse Osmosis System Analysis, ROSA, The Dow Chemical Company, 2010.
8. RO Membrane System Design Software, CSMPRO Ver. 4, Woojin Chemical Company, 2012.