بنام خدا فرایندهای غشایی برای تصفیه آب و فاضلاب

1. بنام خدافرایندهای غشایی برای تصفیه آب و فاضلاب دکتر افشین ابراهیمی دانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط مرکز تحقیقات محیط زیست دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی اصفهان

2. محدودیت منابع آب شیرین(Freshwater Shortage) مشکل اساسی در تأمین نیازهای آبی است. نمک زدایی از آب Water Desalination نا محدود بودن میزان آب های شور در کرة زمین (دریاها و اقیانوس ها) تغییر و اصلاح کیفیت آب های شور جهت رفع نیازهای آبی

3. How Membrane Works? K I D N E Y Works for = 70 years Operational Pressure = 40 mmHg No Fouling - Clogging Large Surface Area Compare with Membrane 1. keep the concentrations of various ions and other important substances constant 2. keep the volume of water in your body constant 3. remove wastes from your body (urea, ammonia, drugs, toxic substances) 4. keep the acid/base concentration of your blood constant

4. تاریخچه نمک زدایی

5. History of Membrane Process • Osmosis: First reported by a French researcher – Abbe Nollet in • 1748: water diffuses from dilute to concentrated solution. • Dialysis: by an English scientist - Graham in 1861. Development of practical membrane processes

6. از حدود 400 سال پیش در کشتی ها، برای تولید آب شیرین جهت آشامیدن • از قرن نوزدهم (سال 1873) در معادن نیترات در شیلی • کشف نفت در کشورهای حاشیه خلیج فارس و در دریای کارائیب • توسعه تکنولوژی نمک زدایی بعد از جنگ جهانی دوم

7. کاربرد سیستم های نمک زدایی در جهان به ترتیب ظرفیت بهره برداری : • عربستان • امارات متحده عربی • اسپانیا به ترتیب استفاده از روش: • MSF: واحد های نمک زدایی- 62% • RO: واحدهایی نمک زدایی - 25% • سایر سیستم ها: - واحدهای نمک زدایی 13%

8. ظرفيت نصب شده تاسيسات نمک زدايي براساس نوع فرايند و کيفيت آب خام

9. ظرفيت جهاني نمک زدايي در تاسيسات غشايي و گرمايي(2001-1950)

10. طبقه بندی آب ها از نظر میزان املاح محلول • Fresh water (آب شیرین)→ TDS < 1000 mg/l • Brackish water (آب لب شور) → 1000 < TDS < 10000 mg/l • Sea water (آب شور)→10000 < TDS < 45000 mg/l • Brine (آب نمک)→TDS > 45000 mg/l

11. Ionic composition of sea water (mg/l) Persian

12. Separation Processes

13. Separation Processes Membrane Process is essentially a separation process based on molecular properties. Separation processes based on the molecular properties

14. Why do we need MEMBRANE ? • Regulatory pressure • Smaller footprint requirement • Water scarcity- Water reuse and reclamation • Improved membrane technology and reduced membrane cost

15. Alternative Sources of Water Supply by MEMBRANE • 1.Desalination of Seawater and Brackish Water • Major source of water in arid regions • High treatment cost, low transportation cost • 2.Wastewater Reuse and Recycling • Cost effective • Sustainable water source • Treated water can be used for industrial and other process

16. Residual Disinfection Addition Disinfection Addition Coagulant Addition Raw Water Filtration To Distribution Coagulation/ Flocculation Rapid Mix Sedimentation Disinfection Conventional: Physical-chemical Process Conventional Process

17. Membrane Module Residual Disinfection Addition Small area Raw Water Easy to operate To Distribution Raw Water Tank Permeate Tank Disinfection Membrane Process Membrane Process:

18. Conventional ASP GAC adsorption Air stripping Recarbo- nation Sand filtration Pre-treatment Primary clarifier Activated sludge Secondary clarifier Lime softening RO Clarification Treated water Raw sewage Sludge dewatering / disposal Sludge digester Membrane ASP : External Loop Pre-treatment Primary clarifier Activated sludge Secondary clarifier MF/UF RO Raw sewage Treated water Sludge dewatering / disposal Sludge digester Membrane ASP : Immersed Immersed membrane activated sludge Pre-treatment RO Treated water Raw sewage Sludge dewatering / disposal Conventional & Membrane Biological Process

19. Merits and Demerits of Membrane Process • Merits • It reduces the number of unit processes in treatment systems • Potential for process automation and plant compactness • Much smaller footprint than the conventional plants of the same capacity • Easy scale-up, expansion and retrofication • Less or no chemical use and provides highest quality water • No formation of secondary chemical by-products • Less sludge production • Water reuse and recycling • Demerits • Membrane fouling • Low membrane life time • Low selectivity • High capital and operating cost???

20. تعریف نمك زدايي

21. منظور از نمک زدایی آب ها، به کارگیری سیستم و فرآیندی است که توسط آن میزان TDS آب تا حد قابل قبول برای مصارف گوناگون تقلیل داده شود.

22. طبقه بندی فرآیندهای نمک زدایی: گروه اول: فرآیندهایی که در آنها آب از محلول جدا می شود. گروه دوم: فرآیندهایی که در آنها، نمک از محلول جدا می شود.

23. فرآیندهای نمک زدایی Desalination Processes

24. گروه اول • فرآیند تقطیر یا تبخیر(Distillation; Evaporation) • انجماد (Freezing) • اسمز معکوس Reverse Osmosis (RO) • استخراج با حلال (Solvent Extraction) • گروه دوم • فرآیند الکترودیالیزElectrodialysis (ED) • فرآیند تبادل یونی (Ion-exchange)

25. انواع سیستم ها در فرآیند تقطیر 1- تقطیر ناگهانی چند مرحله ای Multi-Stage Flash Distillation (MSF) 2- تقطیر چند تأثیره Multiple-Effect Distillation (MED) 3- تقطیر با تراکم بخار Vapor Compression (VC) 4- تقطیر خورشیدی Solar Distillation

26. Driving Force in Membrane Separation • Pressure driven membrane processes • Microfiltration (MF) : P • Ultrafiltration (UF) : P • Nanofiltration (NF) : P • Reverse Osmosis (RO) : P • Electrical driven membrane processes • Electrodialysis (ED) : E • Concentration driven membrane processes • Dialysis : C • Osmosis : C

27. انواع انرژی های قابل استفاده • انرژی حرارتی حاصل از سوخت های فسیلی • انرژی خورشیدی • انرژی آب • انرژی گرمایی زمین • انرژی هسته ای • انرژی باد • انرژی امواج دریا

28. فرآیند تقطیر

29. اصول نمک زدایی با فرآیند تقطیر • مراحل عملیات در روش تقطیر: • تشکیل بخار آب (از آب دریا) • جداسازی بخار آب • میعان بخارآب و بازیابی حرارتی

30. مشکلات عمده در روش تقطیر: • تشکیل Scale(کربنات و سولفات کلسیم، هیدرواکسید منیزیم،...) • کاهش ضریب تبادل حرارتی • افزایش انرژی مصرفی • کنترل دما وpH • تزریق اسید • استفاده از Antiscalants & Antifoam

31. بخارآب بخار آب شیرین heater آب دریا آب دریا T1 T2 پساب تبخیرکننده کندانسور فرآیند تقطیر

32. Solar Energy 0 0 0 0 0 0 Solar Distillation

33. روش انجماد

34. مراحل روش انجماد 1-تولید کریستال یخ (با بازیافت انرژی حرارتی از آب شور) 2- جداسازی کریستال یخ و شستشوی آن 3- ذوب کریستال و تولید آب شیرین

35. آب شستشو محفظه انجماد در خلاء Vacuum Freezing آب شور محفظه شستشو آب دریا آب شیرین محفظه ذوب کریستال یخ P = 0.12 in.Hg Brine فرآیند انجماد

36. اسمز و اسمزمعکوس هر گاه دو محلول آب با غلظت های متفاوت نمک، توسط یک غشاء نیمه تراوا، که فقط امکان عبور آب را فراهم می سازد، از هم جدا شده باشند، به صورت طبیعی آب از سمت محلول رقیق به سمت محلول غلیظ منتقل می شود. این فرایند تحت فشاری انجام می شود که آن را فشار اسمزی Osmotic Pressure” " می نامند: Π = RT.n / V = R.T.C Where: ח: Osmotic pressure (Pa) T: Temperature (°K) R: Ideal gas constant = 8.314 (J/ mol.° K) C: Concentration gradient (difference) ,

37. C1 > C2 C2 C1 C2 C1 آب غشاء نیمه تراوا آب اسمز معکوس (RO) اسمز فرآیند اسمز

38. Prof. Simin Naseri

39. حال چنانچه فشاری به اندازه(P>) P روی محلول غلیظ وارد شود، جهت انتقال آب، معکوس می شود. به این ترتیب، آب از محلول شور جدا می شود و آب شیرین تولید می گردد. • برای آب دریاP:400-600 psi (23-27atm) و برای آب لب شور100-150 psi جنس غشاء • استات سلولز • پلی آمیدهای حلقوی (B9 برای TDS پائین وB10T برای TDS بالا) مشکل اصلی غشا گرفتگی یا Fouling می باشد.

40. ورود آب + - فرآیند الکترودیالیز(ED) Cl- Cl- Cl- غشاء عبوردهندة آنیون Na+ Na+ Na+ غشاء عبوردهندة کاتیون پساب brine آب شیرین پساب brine

41. Qc, Cc QF, CF QP CP Evaluation of Membrane Performance • Selectivity: For dilute aqueous mixtures of a solvent (water) and a solute (particles), the selectivity is expressed in terms of retention “R” • towards solute. CF and Cp are solute concentration in feed and permeate R = 100% (complete retention) of solute R = 0% (solute and solvent) pass thru membrane • Water Recovery: QP/QF

42. Based on Material • Biological: Animal or Plant origin • Synthetic: Organic (polymeric) and Inorganic (ceramics) • membranes are of importance in Env. Eng. (Example of organic membrane: cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides, polysulfones, etc.); organic-cheaper. Ceramic: Alumina, Titania, and Zirconia: high thermal/chemical resistant Membrane Classification • Based on Morphology or Structure • Symmetric: All porous or non-porous (10-200 m)of identical • morphology. • Asymmetric: membrane constituted of two or more structural planes of non-identical morphologies: • - A thin dense layer (0.1 -0.5m)or skin supported by a porous sub layer(50 – 150 m).

43. A decrease in membrane thickness results in an increased permeation rate

44. Based on Operational Modes • Dead-end: The fluid flows at right angle to the membrane. • Cross-flow: The fluid runs parallel to the membrane. • High shear force near the • membrane surface • Minimize cake formation • Recycling of feed stream • More energy requirement • Stable flux • Deposited particles form • “Cake Layer” • Suitable for more concentrated • Suspension • More frequent cleaning

45. Based on Pore Size • Microfiltration (MF) : 0.15 to 50 micron or higher • Ultrafiltration (UF) : 0.003 to 0.2 micron • Nanofiltration (NF) : 0.001 to 0.003 micron • Reverse Osmosis (RO): 0.0005 micron

47. Microfiltration: • Simple screening mechanism • Pore size 0.01 μm - 10 μm • P  0.01 to 0.5 MPa • Low pressure process • Most effectively remove particles and microorganisms • (bacteria) • High flux • Colloids/Macromole ---> theoretically pass through • the membrane Micro filtration Solid Particles return Water passes Salts pass Macro molecules pass Typical Retentates Solids Kaolin, silica, yeast, bacteria, dextrose ‘mud’, granular starch, pigments Nominal Pore Size : 0.1 um

48. Typical MF Membrane System

49. Ultrafiltration: • Screening and Adsorption • Pore size 1 - 100 nm • P 0.1 to 1 MPa • Membrane is classified in terms of Molecular Weight-Cut off • (MWCO) : 1000 - 100,000 • MWCO Approx. pore size (nm) • 1,000 2 • 10,000 5 • 100,000 12 • 1000,000 28 • Two layers: a thin (0.1 to 0.5 µm), skin layer and • a porous substructure support layer • Separation of macromolecules • Only surface deposition - no internal pore plugging- • so, relatively easy to remove, irreversible Ultra filtration Solid particles return Macro molecules return Water passes Salts pass Typical Retentates Macromolecules proteins, polyvinyl alcohol, gelatinized starch, pectin, dispersed dyes Nominal Pore Size :0.01um 20000 MWCO

50. Nanofiltration: • NF Removes molecules in the 0.001 micron range • P 0.5 to 6 MPa • MWCO: 0.2 to 200 • NF is essentially a lower-pressure version of reverse osmosis • NF performance characteristics between reverse osmosis • and ultrafiltration Some salts pass some return Macro molecules return Solid particles return Water passes Nanofiltration: Water softening, removal of organic matter, desalting of organic reaction products. Nano filtration Typical Retentates Salts (small molecules) sodium nitrate, sugar, soluble dyes, amino acid Nominal Pore Size :250 MWCO