Ισίδωρος Διαμαντάρας Μηχανολόγος Μηχανικός / Χημικός Μηχανικός του Ε.Μ.Π.
Τρίτη 19 Φεβρουαρίου 2019
Αφαλάτωση αντίστροφης όσμωσης
Αφαλάτωση, είναι ο γενικός όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη διαδικασία της αφαίρεσης άλατος από το νερό για να παραχθεί γλυκό νερό. Γλυκό, ορίζεται το νερό που περιέχει λιγότερο από 1000 mg/L αλάτων ή συνολικών διαλυμένων στερεών (Total Dissolved Solids, TDS). Πάνω από 1000 mg/L, ιδιότητες όπως γεύση, το χρώμα, η τάση διάβρωσης και η μυρωδιά μπορεί να επηρεαστούν αρνητικά.
Πολλές χώρες έχουν υιοθετήσει εθνικά πρότυπα πόσιμου νερού για συγκεκριμένα συστατικά του καθώς και για το TDS, αλλά τα τυπικά όρια διαφέρουν από χώρα σε χώρα ή από περιοχή σε περιοχή. Το αφαλατωμένο νερό που χρησιμοποιείται για άλλους σκοπούς, όπως η άρδευση των καλλιεργειών, μπορεί να έχει υψηλότερη συγκέντρωση TDS. Τα πρότυπα νερού άρδευσης
περιλαμβάνουν συχνά τα όρια συγκέντρωσης για TDS σε χλώριο, νάτριο και βόριο. Ανάλογα με το είδος της καλλιέργειας, το πρότυπο χλωρίου μπορεί να κυμαίνεται από 350 mg/L έως και περισσότερο από 2000 mg/L. Η αλατότητα του νερού προς επεξεργασία για τις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης κυμαίνεται από 1000 mg/L TDS έως 60.000 mg/L TDS, τα παραπάνω ύδατα συνήθως κατατάσσονται σε ένα από τους δύο τύπους: θαλασσινό ή υφάλμυρο νερό. Αν και οι περισσότερες πηγές θαλασσινού νερού περιέχουν 30.000 - 45.000 mg/L TDS, οι μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού που χρησιμοποιούνται μπορούν να επεξεργαστούν επιτυχώς ύδατα εντός του φάσματος των 10.000 - 60.000 mg/L TDS. Οι μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης υφάλμυρου νερού χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία νερού που προέρχεται από τις πηγές (συχνά υπόγεια ύδατα) με εύρος TDS 1000 - 10.000 mg/L. Ο τύπος του νερού τροφοδοσίας μπορεί να υπαγορεύσει πολλές επιλογές σχεδιασμού για μια μονάδα επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου αφαλάτωσης, τα βήματα προεπεξεργασίας, τη μέθοδο διάθεσης των αποβλήτων και την ανάκτηση του προϊόντος (το ποσοστό της εισροής νερού που γίνεται προϊόν).
Ιστορική αναδρομή.
Οι τεχνικές της αφαλάτωσης ξεκίνησαν πριν από χιλιάδες χρόνια όταν Έλληνες ναυτικοί έβραζαν το αλμυρό νερό ώστε να εξατμιστεί το αλάτι και να μείνει το γλυκό νερό οι δε Ρωμαίοι χρησιμοποιούσαν φίλτρα αργίλου για τη δέσμευση του άλατος. Στο σύγχρονο κόσμο, η αφαλάτωση άρχισε να αναπτύσσεται για εμπορική χρήση πάνω στα πλοία. Η απόσταξη, η διαδικασία όπου χρησιμοποιείται μια πηγή θερμότητας για το διαχωρισμό του νερού από το αλάτι, χρησιμοποιήθηκε για την παροχή πόσιμου νερού σε υπερωκεάνια πλοία ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόμενο της εξάντλησης των αποθεμάτων γλυκού νερού πάνω σε αυτά. Η θερμική αφαλάτωση έδωσε στα πλοία τη δυνατότητα να ταξιδέψουν πιο μακριά και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επειδή δεν ήταν πλέον αναγκαία η μεταφορά όλου του φρέσκου νερού που ήταν απαραίτητο για το ταξίδι. Τον 17ο αιώνα, Ιάπωνες ναυτικοί χρησιμοποίησαν μια απλή τεχνική απόσταξης όπου το νερό έβραζε σε δοχεία και για τη συλλογή του νερού που εξατμιζόταν χρησιμοποιούσαν σωλήνες από μπαμπού.
Τι είναι όσμωση.
Η όσμωση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο δύο διαλύματα, όταν χωρίζονται από μία ημιπερατή μεμβράνη, το νερό θα περάσει και θα κινηθεί από το αραιότερο προς το πυκνότερο διάλυμα, ώστε το τελευταίο να αραιωθεί και τελικά να γίνει και αυτό το ίδιο καθαρό. Η διαδικασία αυτή είναι φυσικό φαινόμενο και με αυτόν τον τρόπο ανταλλάσσονται υγρά στα κύτταρα του ανθρώπινου οργανισμού, καθώς επίσης στα ζώα και τα φυτά.
Αντίστροφη όσμωση.
Το αντίθετο της όσμωσης είναι η αντίστροφη όσμωση, όπου το προς καθαρισμό νερό πιέζεται να περάσει μέσα από μία μεμβράνη η οποία επιτρέπει επιλεκτικά μόνο τα μόρια του νερού να περάσουν μέσα από αυτήν. Το εξερχόμενο νερό είναι ελεύθερο από κάθε είδους ακαθαρσίες, από σκουριές, άλατα, οργανικές ουσίες, λιπάσματα, παρασιτοκτόνα, μέχρι και κάθε είδους επικίνδυνους μικροοργανισμούς, βακτήρια και ιούς. Οι παραπάνω προσμίξεις απορρίπτονται στην αποχέτευση μαζί με ένα ποσοστό νερού. Εφαρμόζοντας πίεση στο ακάθαρτο (πυκνό) διάλυμα, η μεμβράνη θα αφήσει να περάσει μόνο το καθαρό νερό, από το πυκνό στο καθαρότερο διάλυμα. Οι ακαθαρσίες θα παραμείνουν στο πυκνό (ακάθαρτο) διάλυμα.
Οσμωτική πίεση.
Οσμωτική πίεση ονομάζεται η πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά, σε διάλυμα που διαχωρίζεται με ημιπερατή μεμβράνη από τον καθαρό διαλύτη του, ώστε να εμποδιστεί το φαινόμενο της όσμωσης χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος. Η αριθμητική τιμή της οσμωτικής πίεσης είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του νερού σε άλατα και της θερμοκρασίας του, ανεξάρτητη δε από τη μεμβράνη. Το κανονικό θαλασσινό νερό αλμυρότητας 35.000 mg/L έχει οσμωτική πίεση 26 bar, ενώ σε νερό με αλμυρότητα 50.000 mg/L η οσμωτική πίεση ανέρχεται σε 38 bar. Η ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή πίεσης ώστε να επιτευχθεί η όσμωση ή αντίστροφη όσμωση, μπορεί να προέλθει από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Αφαλάτωση με αντίστροφη όσμωση.
Αφαλάτωση είναι η διεργασία διαχωρισμού αλάτων και νερού από υδατικά, αλατούχα διαλύματα και εφαρμόζεται σε μεγάλη κλίμακα για την παραγωγή καθαρού νερού για κάθε χρήση (οικιακή, βιομηχανική, αγροτική). Κατά την αφαλάτωση με τη μέθοδο της αντίστροφης όσμωσης το αλμυρό νερό εισέρχεται σε στοιχεία μεμβρανών με πίεση, που εφαρμόζεται μέσω αντλιών, μεγαλύτερη από την οσμωτική πίεση του αλμυρού νερού. Όταν η πίεση του αλμυρού νερού ξεπερνά τη φυσική οσμωτική πίεση, το φρέσκο νερό περνάει διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης και συλλέγεται από τον διάτρητο κεντρικό σωλήνα. Γύρω από τον κεντρικό σωλήνα περιτυλίγεται η μεμβράνη, που διέρχεται από τον άξονα του κυλινδρικού στοιχείου μεμβρανών.
Στάδια αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση.
Τα στάδια επεξεργασίας αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση είναι τα εξής: 1. Το αλμυρό νερό τροφοδοσίας αντλείται από τη θάλασσα ή από υπόγεια ύδατα. 2. Το νερό προεπεξεργάζεται για την απομάκρυνση των στερεών και τη ρύθμιση του pH για την προστασία του εξοπλισμού. 3. Το νερό οδηγείται μέσω μεμβρανών οι οποίες παρεμποδίζουν την διέλευση του αλατιού. 4. Το προϊόν μετεπεξεργάζεται με σταθεροποίηση του pH (ρύθμιση οξύτητας / αλκαλικότητας) 5. Το νερό αποθηκεύεται και διανέμεται σε κοινότητες όταν είναι απαραίτητο.
Υφάλμυρο νερό αντίστροφης όσμωσης.
Οι πηγές υφάλμυρου νερού είναι συχνά υπόγειες. Αυτά τα υπόγεια ύδατα μπορεί να είναι είτε φυσικά αλατούχα υδροφόρα στρώματα είτε υπόγεια ύδατα που έχουν γίνει υφάλμυρα λόγω διείσδυσης θαλασσινού νερού (π.χ., υπερβολική χρήση και άρδευση). Επιφανειακά υφάλμυρα νερά είναι λιγότερο συχνά, αλλά μπορεί να εμφανιστούν φυσικά ή από ανθρώπινες δραστηριότητες. Τα υφάλμυρα νερά μπορούν να έχουν ένα ευρύ φάσμα σε αλατότητα (TDS) (1000- 10.000 mg / L) και συνήθως χαρακτηρίζονται από χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα και χαμηλή ποσότητα σωματιδίων ή κολλοειδών ρύπων. Ορισμένα συστατικά του υφάλμυρου νερού, όπως το βόριο και πυρίτιο, έχουν συγκεντρώσεις που μπορεί να ποικίλουν ευρέως από πηγή σε πηγή. Ένας σημαντικός παράγοντας στη βελτιστοποίηση ενός συστήματος αντίστροφης όσμωσης υφάλμυρου νερού είναι ο ακριβής χαρακτηρισμός της ειδικής τροφοδοσίας ύδατος. Άλλοι ρυπαντές υφίστανται σε ορισμένους πόρους νερού, είτε λόγω φυσικής εμφάνισης είτε λόγω ανθρώπινης δραστηριότητας. Ρυπογόνες ουσίες, όπως τα ραδιονουκλίδια και το φθόριο, υπάρχουν φυσικά σε ορισμένους υπόγειους υδάτινους πόρους υφάλμυρου νερού. Οι πηγές νερού ανθρώπινης δραστηριότητας έχουν επίσης τεχνητώς αυξημένα τα επίπεδα νιτρικών αλάτων (λιπάσματα), φυτοφάρμακα (γεωργική χρήση της γης), αρσενικό (εξορυκτικές δραστηριότητες) και ενδοκρινικούς διαταράκτες (φαρμακευτικά προϊόντα σε υγρά απόβλητα). Κατά την διήθηση μέσω μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης (RO), αυτές οι προσμείξεις συγκρατούνται στο συμπύκνωμα, και το πυκνό διάλυμα πρέπει να επεξεργαστεί πριν από τη διάθεση. Συγκεκριμένοι ρυπαντές νερού μπορούν να υπαγορεύσουν επίσης τον τύπο απόρριψης συμπυκνώματος που χρησιμοποιείται. Το κρίσιμο πρόβλημα ρύπανσης σε συστήματα RO υφάλμυρου νερού είναι η καθίζηση αλάτων και η κλιμάκωση της μεμβράνης (scaling). Οι υψηλότερες σχετικές συγκεντρώσεις του ασβεστίου, των ανθρακικών και θειικών αλάτων, σε συνδυασμό με τις υψηλότερες ανακτήσεις που είναι δυνατές για υφάλμυρο νερό, προκαλούν ιζήματα θειικού ασβεστίου και ανθρακικών που αποτελούν τυπικές ανησυχίες στην RO υφάλμυρου νερού. Ένας σημαντικός παράγοντας στη δυνητική ρύπανση της μεμβράνης από διαλυμένα ανόργανα είναι η πόλωση της συγκέντρωσης. Ενώ το ανθρακικό ασβέστιο είναι συχνά το κύριο ίζημα ανησυχίας, πολλά άλλα άλατα μπορούν να είναι προβληματικά σε υφάλμυρο νερό RO. Το θειικό βάριο, το θειικό στρόντιο, και τα πυριτικά άλατα έχουν χαμηλή διαλυτότητα και μπορούν να γίνουν περιοριστικοί παράγοντες στην ανάκτηση υφάλμυρου νερού RO. Ωστόσο, τα ιζήματα βαρίου και του στροντίου τείνουν να είναι λιγότερο σημαντικά επειδή τα κατιόντα υπάρχουν σε χαμηλές συγκεντρώσεις, σε σύγκριση με το ασβέστιο. Χημικές ουσίες που ονομάζονται αντικαθαλωτικά χρησιμοποιούνται σε συστήματα αντίστροφης όσμωσης υφάλμυρου νερού για την αποφυγή καθίζησης. Τα αντικαθαλωτικά παρεμποδίζουν την καταβύθιση με διάσπαση ενός ή περισσοτέρων πτυχών των σταδίων κρυστάλλωσης. Τα αντικαθαλωτικά αναπτύχθηκαν αρχικά το 1800 για χρήση σε λέβητες και νερό ψύξης ̇ σήμερα, οι χημικές ουσίες έχουν προσαρμοστεί για χρήση σε συστήματα RO. Τα αντικαθαλωτικά είναι οργανοφωσφορικού, πολυφωσφορικού ή πολυμερούς τύπου ενώσεις που προστίθενται στο νερό τροφοδοσίας πριν από την είσοδό του στη μονάδα RO. Τα αντικαθαλωτικά δεν αντιμετωπίζουν πλήρως την καθίζηση σε υψηλές συγκεντρώσεις ιόντων και καθώς η συγκέντρωση άλατος αυξάνει η καθίζηση τελικά θα εμφανιστεί. Τα ίδια τα αντικαθαλωτικά μπορούν να γίνουν ρυπαντές αν χρησιμοποιηθούν σε υπερβολικές συγκεντρώσεις ̇ οι τυπικές συγκεντρώσεις αντικαθαλωτικών στην τροφοδοσία RO δεν υπερβαίνουν τα 35 mg / L και είναι συχνά μικρότερες από 10 mg / L.
Εκμετάλλευση των καταλοίπων αντίστροφης Όσμωσης.
Κανένα χημικό, μηχανικό φιλτράρισμα δεν γίνεται χωρίς κατάλοιπα. Στην προκειμένη περίπτωση τα κατάλοιπα της μεθόδου αντίστροφης όσμωσης (νερά που δεν περάσαν από την λειτουργία ανάκτησης) χρησιμοποιούνται για την ψύξη της μονάδας, ενώ το αλάτι που μένει στα φίλτρα και απομακρύνεται από αυτά το χρησιμοποιούμε για χρήση σε βιομηχανίες σαν πρώτη ύλη όπως είναι η κατασκευή οδοτάπητα, λιπασμάτων, ζωοτροφών, εκρηκτικών υλών, αλάτι για τους δρόμους και ανάλογα με τα χημικά που έχουμε προσθέσει μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως και στο μαγείρεμα μετά από κατάλληλη επεξεργασία. Ο αστικός μύθος που επικρατεί όσον αφορά την επιστροφή στην θάλασσα των καταλοίπων άλατος και ότι αυτά επιβαρύνουν την χλωρίδα και πανίδα με περίσσεια άλατος είναι ΛΑΘΟΣ και είναι πιθανό να εξυπηρετεί συμφέροντα. Κατά τους θερινούς μήνες η εξάτμιση των δισεκατομμυρίων κυβικών μέτρων του νερού γίνεται σύννεφα όμως αυτό δεν επηρεάζει την αλατότητα του νερού και κατ’ επέκταση την ζωή στην θάλασσα. Να μην ξεχνάμε ότι η γη και η ατμόσφαιρά της ταξιδεύουν στην ηλιακή τροχιά σε κλειστό κύκλωμα. Ούτε το χειμώνα κατά την διάρκεια τον βροχοπτώσεων αλλάζει η αλατότητα της θάλασσας. Και να μην ξεχνάμε ότι η θάλασσα καλύπτει τα δύο τρίτα του Πλανήτη μας.
Επίλογος.
Σημαντικό ρόλο στην αντίστροφη όσμωση υφάλμυρου νερού έχει ο ενεργός υδροφόρος ορίζοντας, η ποσότητα δηλαδή του νερού που περιέχεται στο υπόστρωμα του εδάφους υπό τη μορφή αρτεσιανών φρεάτων αλλά και ρευμάτων που οδηγούν το γλυκό νερό προς τη θαλάσσια οδό. Η συνεχής εκμετάλλευση του υδροφόρου ορίζοντα με τη μέθοδο των γεωτρήσεων οδηγεί στην ελάττωση της ποσότητας του νερού (όλοι έχουμε δει πηγάδια και γεωτρήσεις να στερεύουν). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το νερό να περιέχει ενεργά στοιχεία σε μεγαλύτερη ποσότητα αφού αυτά έχουν την τάση να δημιουργούν καθιζήματα στα τοιχώματα του υπεδάφους. Εκεί δηλαδή που γίνεται η ροή των υδάτων, με αποτέλεσμα να τα καθιστά ακατάλληλα προς επεξεργασία αντίστροφης όσμωσης. Λιπάσματα, φυτοφάρμακα, σκουπίδια, προϊόντα και υποπροϊόντα κλασματικής απόσταξης πετρελαίου, σίδερα και προϊόντα οξειδώσεως (θαμμένα στο υπέδαφος), χρώνια άρδευση και εκμετάλλευση προς οικιακή ή οποιαδήποτε άλλη χρήση, το μόνο που δημιουργούν είναι μόλυνση και ακαταλληλότητα των κοιτασμάτων υπογείων υδάτων. Η υπεράντληση των γεωτρήσεων που προέκυψε μετά από την ραγδαία Οικιστική ανάπτυξη στην περιοχή μας, τα τελευταία 30 χρόνια, οδήγησε στην ανάγκη εύρεσης νέων κοιτασμάτων υδροφόρου ορίζοντος αφού η αυξημένη ζήτηση σε νερό για οικιακή, αγροτική χρήση αποτέλεσε μονόδρομο στην κατάχρηση των υπόγειων πόρων . Η ημερήσια κατανάλωση της περιοχής κατά τους χειμερινούς μήνες, υπολογίζοντας τα περίπου 14.000 άτομα που ζουν στην επαρχία μας, είναι γύρω στα 4500-5000 κυβ. / ανά ημέρα. Ενώ τους θερινούς μήνες η ζήτηση σε νερό αυξάνεται κατακόρυφα λόγω τουρισμού και παραθεριστικών κατοικιών στα 8.000 - 9000 κυβ. /ανά ημέρα. Ο υπολογισμός γίνεται κατά μέσο όρο 300 λίτρα το άτομο. Βλέπουμε λοιπόν ότι ο καταπονημένος υδροφόρος ορίζοντας δεν μπορεί να υποστηρίξει τέτοια αυξημένη ζήτηση. Κανένας δεν μπορεί να προβλέψει την απότομη πιθανή αύξηση της αλατότητας του υφάλμυρου νερού των γεωτρήσεων. Ούτε και είναι δυνατόν κάποιος να εγγυηθεί την ποσότητα του νερού που μπορεί να υπάρχει στο υπέδαφος αφού αυτό είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων όπως καθιζήσεις, μετακινήσεις, σεισμικές δονήσεις, στόμωση των κεντρικών αρτηριών από καθιζήματα, λασπώδης ύλη.κλπ. Προφανώς, η μεταβολή της τιμής του κόστους λειτουργίας μιας εγκατάστασης αντίστροφης όσμωσης με υφάλμυρα νερά είναι πολύ πιθανή εάν συμβούν τα παραπάνω προβλήματα. Μία σημαντική λεπτομέρεια που θα πρέπει να έχουμε πάντα στο μυαλό μας όταν έχουμε να κάνουμε με αντίστροφη όσμωση είναι ότι πιθανόν το νερό σαν τελικό προϊόν στην περιοχή μας να είναι μόνο για οικιακή χρήση και άρδευση.Και αυτό διότι η χρώνια κατακάθιση ιζημάτων στους κεντρικούς αγωγούς που τροφοδοτούν τις οικιές αλλά και στις σωληνώσεις που έχουμε μέσα στα σπίτια μας είναι ήδη μολυσμένα με σκουριά, καθιζήματα και επικαθίσεις. Όσο λοιπόν καθαρό και να βγαίνει το νερό από μια μονάδα θα παραμένει επιβλαβές για την υγεία μας.
