1. بنام خدا فرایندهای 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.
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
نمک زدایی از آب
Water Desalination

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
Membrane process
Year
Application
Microfiltration (Germany)
1920
Laboratory use (bacteria filter)
Ultrafiltration (Germany)
1930
Laboratory use
Hemodialysis (Netherlands)
1950
Artificial Kidney
Electrodialysis (USA)
1955
Desalination
Reverse Osmosis (USA)
1960
Sea water desalination
Ultrafiltration (USA)
Concentration of macromolecules

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 بر اساس 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) → < TDS < mg/l
Sea water (آب شور) → < TDS < mg/l
Brine (آب نمک) → TDS > 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
Molecular Property
Separation Processes
Size
Filtration, MF, UF, NF, Dialysis, Gas separation
Affinity
Adsorption/ Absorption , RO, Evaporation, Gas separation
Charge
Ion Exchange, Electro dialysis
Density
Centrifugation
Vapour Pressure
Membrane Distillation
Freezing Point
Crystallization
Chemical Nature
Complexation, Carrier mediated transport

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

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

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

19. Merits and Demerits of Membrane Process
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. Desalination Processes
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. فرآیند تقطیر بخارآب بخار آب دریا T2 T1 پساب تبخیرکننده کندانسور heater
آب شیرین T1
بخارآب
کندانسور
تبخیرکننده
heater

32. Solar Energy
Solar Distillation

33. روش انجماد

34. مراحل روش انجماد 2- جداسازی کریستال یخ و شستشوی آن
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. فرآیند انجماد آب شستشو آب شور آب دریا P = 0.12 in.Hg Brine محفظه شستشو
محفظه انجماد
در خلاء
Vacuum
Freezing
محفظه شستشو
محفظه ذوب
آب شور
آب دریا
P = 0.12 in.Hg
کریستال یخ
Brine
آب شستشو
آب شیرین

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 = (J/ mol.° K)
C: Concentration gradient (difference) ,

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

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: psi (23-27atm) و برای آب لب شور 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. فرآیند الکترودیالیز(ED)- +
ورود آب
Cl-
غشاء عبوردهندة
کاتیون
Na+
غشاء عبوردهندة
آنیون
پساب brine
آب شیرین
پساب brine

41. Evaluation of Membrane Performance
Qc, Cc
QF, CF
QP CP
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. Membrane Classification
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
Based on Morphology or Structure
Symmetric: All porous or non-porous ( m)of identical
morphology.
Asymmetric: membrane constituted of two or more structural planes of non-identical morphologies:
- A thin dense layer ( 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) : to 0.2 micron
Nanofiltration (NF) : to micron
Reverse Osmosis (RO): micron

47. Micro filtration Microfiltration: Simple screening mechanism
Pore size μm 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. Ultra filtration Ultrafiltration: Screening and Adsorption
Pore size nm
P to 1 MPa
Membrane is classified in terms of Molecular Weight-Cut off
(MWCO) : ,000
MWCO Approx. pore size (nm) 1,
10,
100,
1000,
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. Nano filtration Nanofiltration:
NF Removes molecules in the micron range
P 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
Nanofiltration: Water softening, removal of organic matter,
desalting of organic reaction products.
Some salts pass
some return
Water passes
Macro molecules
return
Solid particles
Typical Retentates
Salts (small molecules)
sodium nitrate, sugar,
soluble dyes, amino acid
Nominal Pore Size :250 MWCO

51. Reverse Osmosis Typical Retentates
Membrane: similar to UF, thin active layer; porous support layer
Desalination (seawater and brackish water), metal plating effluent treatment,
color removal from textile effluents, production of high purity water
(boiler feed, electronics, medical, pharmaceutical)
Operating Pressure: MPa
RO has the separation range of to 0.001m
Salts return
Water passes
Macro molecules
return
Solid particles
Typical Retentates
Dissolved ions
sodium, chloride, macromolecules

52. Flux in RO and NF System:
Flux (Fw) = Kw ()
Kw = Water mass transfer coefficient
 = Mean imposed pressure gradient
 = Mean osmotic pressure gradient
Collier County, FL
Typical RO System

53. Based on Modules
Membrane module refers to the device which houses the membrane element:
Tubular membrane module
Hollow fibre membrane module
Spiral wound membrane module
Plate and frame

54. Tubular membrane module
Membrane is cast inside the support tube
Tubular membranes have a diameter of mm
High SS tolerance
Flow is usually inside out
Mainly MF and UF
Low packing density, high prices per module

55. Hollow fibre membrane module
Consists of a bundle of hundreds and thousands of hallow fiber
Entire assembly is inserted into a pressure vessel
Feed can be applied inside of the fiber (inside-out flow) outside (outside-in flow)
Highest packing density of all.
Hollow fiber is used mainly for NF and RO

56. Spiral wound membrane module
Flexible permeate spacer is provided between two flat sheet membranes
Membrane: sealed three side and open side is attached to perforated pipe
Flow is in a spiral pattern.
Membrane envelop is spirally wound along with a feed spacer
Filtrate is collected within the envelop and piped out
Packing density:high
RO and NF

57. Three major mechanisms of resistance flow: Pore narrowing
Membrane Fouling
Fouling: Deposition or accumulation of solids on the membrane.
Fouling causes resistance to flow through the membrane and eventual decline in overall flux.
Three major mechanisms of resistance flow:
Pore narrowing
Pore plugging
Gel/cake formation due to concentration polarization

58. Operating characteristics of membrane and rapid granular filters

59. Comparison between membrane filtration and reverse osmosis

60. Comparison between membrane filtration and reverse osmosis

61. روش هاي آبگيري جهت تأسيسات آب شيرين کن از دریا
1 ـ آبگيرهاي مستقيم
در اين شيوه هدايت مستقيم آب دريا به لوله آبگير و تأسيسات تصفيه مورد نظر مي باشد.
2 ـ آبگير قائم کف
دراين روش آبگيري هدايت آب از طريق يک شافت داراي درپوش و منفذهاي روي لوله در زير درپوش ، به لوله آبگير منتهي به ساحل هدايت ميشود.
3 ـ آبگيري با اسکرين هاي پاسيو (Passive Screens)
يکي از روشهاي آبگيري مستقيم استفاده از لوله هاي افقي مشبک است که در آن سوراخهاي روي لوله داراي مقطع ذوزنقه اي با اندازه 0/5 تا 10 ميليمتر در امتداد طول لوله با سطح کل بازشدگي به گونه اي ايجاد مي‌شوند که سرعت عبور آب كمتر از 15 سانتيمتر در ثانيه باشد. اندازه، تعداد و شکل منافذ به گونه اي خواهد بود که عبور موجودات و مواد آلي معلق در آب به حداقل برسد. اين شيوه آبگيري براي محلهائي که جريان هاي متقاطع مداوم وجود داشته باشند مناسبتر است.

62. 4 ـ آبگيرهاي زير سطحي
اين قبيل آبگيرها ممکن است شامل چاههاي عمودي يا افقي ساحلي، گالري هاي نشتي يا سيستمهاي نشتي احداث شده در بستر دريا باشند. در هريک از اين طرحها مواضع ورود آب به سيستم با آب آزاد دريا با استفاده از پوششهاي ژئولوژيکي (نظير شن ، ماسه دانه بندي شده يا مواد بستر دريا) از يکديگر جدا مي­شود.
الف ) چاههاي قائم ساحلي
اين چاهها عبارت از حفره هاي کم عمق ايجاد شده در شنهاي ساحلي براي فيلتر نمودن آب برداشتي هستند. چاههاي ساحلي به دليل تصفيه طبيعي مقدماتي آب مي­توانند گزينه هاي مقرون به صرفه اي براي تأسيسات برداشت آب تا حدود متر مکعب در روز باشند.
ب )چاههاي شعاعي
کلکتورهاي شعاعي جمع کننده و هدايت کننده آب منتهي به چاه قائم که نقش حوضچه پمپاژ را دارد باعث افزايش ظرفيت آبدهي چاه مي­شود. افزون بر اين، در مناطقي که ضرائب هيدروديناميکي تشکيلات مواد بستري سواحل مناسب نباشد، استفاده از اين روش نياز به حفر چاههاي قائم متعدد را منتفي مي کند.
ج ) گالري هاي نشتي
سيستم گالري هاي نشت در واقع نوعي از چاه هاي شعاعي است که در بخش قبلي توضيح داده شد. اين شيوه عموماً در نقاطي مورد استفاده قرار ميگيرد که تشکيلات زمين ساختي ساحلي نفوذناپذير يا با نفوذپذيري کم هستند يا ضخامت آنها کافي نيست.

63. جنبه های میکروبیولوژی

64. ED RO NF UF MF
اجزا +
کدورت
کريپتو/ژيارديا
ويروس
TOC رنگ/
طعم/رنگ
سختي
سولفات
-/+
TDS
نيترات
فلوريد
آرسنيک

65. Membrane Filters More recent development and use in drinking water
Microfilters: several tenths of M to M diameter pore size
nano- & ultra-filters: retention by molecular weight cutoff
Typically 1, ,000 MWCO
Reverse osmosis filters: pore size small enough to remove dissolved salts; used to desalinate (desalt) water as well as particle removal
High >99.99% removal of cellular microbes
Virus removals high >99.9% in ultra-, nano- and RO filters
Virus removals lower (99%) by microfilters
Membrane and membrane seal integrity critical to effective performance

66. Cryptosporidium Reductions by Membrane Filtration
Log10 Cryptosporidium
Reduction
Membrane,
Type
Pore Size
A, MF
0.2 µm
>4.4
B, MF
0.2 µm
>4.4
C, MF
0.1 µm
4.2->4.8
D, UF
500 KD
>4.8
E, UF
300 KD
>4.8
F, UF
100 KD
>4.4
MF = microfilter filter; UF = ultrafilter
Jacangelo et al., JAWWA, Sept., 1995

67. عوامل موثر در انتخاب نوع فرایند نمک زدایی:
Financial issues.
Energy Requirements
Source water characteristics
Product water requirements
Operational and maintenance issues
Geographical and location constraints
Environmental factors and waste disposal options

68. عوامل تشکیل دهنده هزینه در نمک زدایی
هزینه سرمایه گزاری
هزینه انرژی های مصرفی
هزینه بهره برداری و نگهداری
هزینه تعمیرات
هزینه مواد شیمیایی مصرفی
هزینه نیروی انسانی
هزینه های عمومی

69. ارزیابی اثرات زیست محیطی

70. پساب واحد های نمکزدایی بسیار غلیظ است
آب شور یا لب شور
آب شیرین
پساب (brine)
انرژی یا کار
واحد نمکزدایی
پساب واحد های نمکزدایی بسیار غلیظ است
(مشتمل برهمة املاح جدا شده از آب، بعلاوه مسی که در اثر خوردگی لوله ها و سیستم های مبدل حرارتی واردآب شده است، و باقیمانده مواد شیمیایی مصرفی).

71. با پساب واحد نمک زدایی چه باید کرد؟
1- تخلیه به دریا (برای واحدهایی که در مناطق ساحلی استقراریافته اند)، از طریق لوله کشی تا فاصله حداقل 2 کیلومتری از ساحل و استفاده ازJet Diffusers)
2- تبخیر خورشیدی در حوضچه هایی که برای این کار ایجاد شده اند (برای واحد های داخل خشکی).
نمک حاصل در حوضچه تبخیر را می توان با برنامه ریزی مناسب، جداسازی نموده و در داروسازی قابل استفاده است.

72. روش هاي دفع پساب شور
1 ـ دفع پساب شور از طريق تخليه مستقيم به اقيانوس (بواسطه يک لوله تخليه)
2 ـ تخليه به ساحل يا کناره دريا
3 ـ دفع پساب شور از طريق اختلاط با آب دفعي برج هاي خنک کننده نيروگاه
4 ـ دفع پساب شور از طريق اختلاط با پساب تصفيه شده فاضلاب
5 ـ‌ دفع پساب شور از طريق احداث يک سازه تخليه کننده زير سطحي
6 ـ تزريق در چاه هاي عميق
7 ـ استخرهاي تبخير
8 ـ استخرهاي خورشيدي

73. نمک زدایی، گزینه ای است که باید در کنار سایر گزینه های تأمین آب در هر منطقه مورد مطالعات امکان سنجی(Feasibility Study) قرارگیرد:
انتقال آب از راه دور و از سایر حوزه های آبریز
توزیع آب با تانکر
انتقال یخ های قطبی
حفر چاه های بسیار عمیق
استفاده مجدد از فاضلاب تصفیه شده
Other options
در مورد هریک از گزينه هاي موجود، لازم است جنبه های امکان سنجی فنی و مهندسی، زیست محیطی، سیاسی و اقتصادی بررسی شود تا بهترین گزینه، انتخاب گردد.

74. نتيجه گيري نمک زدايي تجارتي مطمئن و در حال رشدي است.
اسمز معکوس بهترين فناوري نمک‌زدايي در دسترس است که بدليل بازدهي انرژي، قيمت تمام شده آب، انعطاف راهبري، اثرات زيست محيطي کمتر و .... در محدوده وسيعي از مکان ها و شرايط بکار برده مي‌شود.

75. نتيجه گيري
معايب اوليه اسمز معکوس در کارايي و هزينه سرمايه‌گذاري آن بوده که در حال حاضر بدليل پيشرفت هاي دائم در خصوصيات فني و قيمت غشاء بسيار کمتر شده است که اين روند کاهشي با پيشرفت هاي احتمالي و نويد بخش در مواد غشاء‌هاي جديد، ابزار بازيافت انرژي و در فرآيندهاي پيش‌تصفيه پيشرفته مانند کاربرد فرآيندهاي غشايي ترکيبي ادامه خواهد داشت.

76. دکتر افشین ابراهیمی با تشکر از بذل توجه شما
دانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط
مرکز تحقیقات محیط زیست، دانشکده بهداشت
دانشگاه علوم پزشکی اصفهان