طراحی و ساخت و بررسی عملکرد سیستم نمک زدایی از آب کشاورزی

طراحی و ساخت و بررسی عملکرد سیستم نمک زدایی از آب کشاورزی به روش یون زدایی خازنی در یک سیستم آبیاری مجهز به پمپ سانتریفیوژ  با غشاء واسط کربن فعال

.كمبود آب در كشورهای خشك همواره یكی از موانع توسعه كشاورزی ، صنعتی و تامین غذای جامعه بوده است. یكی از  راههای مقابله با این مشكل تبدیل منابع آب شور به آب قابل استفاده است

.این راه علاوه بر تامین آب نیازمند هزینه های عظیم انتقال و نگه داری خطوط نیست و در عین حال بسیاری از منابع آب كم ارزش را پر ارزش میكند. این مسئله در كشور ایران با توجه به حجم عظیم منابع آب شور اطراف و نبود آّب شیرین در زمینهای ساحلی همچنین چاههای شور داخل ایران اهمیتی دوچندان دارد. روش اصلی این تبدیل نمك زدایی است. یكی از جدیدترین روشهای نمك زدایی، یون زدایی خازنی است.

در این تحقیق سعی بر این شده كه ضمن تحقیق در مورد كارایی آن نمونه ای از آن نیز ساخته شود. این كار با راه اندازی سیستم تست عمومی پمپ در بخش ماشینهای كشاورزی دانشگاه باهنر كرمان آغاز شد و سپس با ساخت پوسته طراحی شده از پلاستیك و تولید كربن فعال با فعال سازی پوسته پسته ادامه داده شد و بعد از آن الكترودی با ساختار رسانا از كربن كه دارای مقاومت مكانیكی در مقابل جریان آب باشد و علاوه بر آن پیوستگی لازم با پایه فلزی را داشته باشد، ایجاد شد. سپس آزمایشاتی همچون تیتراسیون كلر،فلیم فوتومتری ،ECسنجی و اندازه گیری pHجهت اثبات قابلیت نمك زدایی همه جانبه و متناسب آنها انجام شد. آزمایشات تیتراسیون كلر نشان داد كه یك سلول متشكل از 2 الكترود مثبت و منفی با فاصله مناسب در یك محلول آب شور در یك دقیقه قابلیت جذب بیش از 25% نمك محلول را دارد. آزمایش ECسنجی نیز روند آن تایید كرد. آزمایشات فلیم فوتومتری و pH سنجی نشان داد كه با انتخاب ولتاژ و فاصله متناسب با نوع و درصد شوری از تولید محصولات ناخواسته در این فرایند جلوگیری كرد.

كلید واژه ها: نمك زدایی، یون زدایی خازنی، كربن فعال، فلیم فوتومتری، تیتراسیون كلر

فهرست مطالب

فصل اول : مقدمات

1-1-             معرفی پژوهش.......................................................................................                          2

1-2-        تعریف مسئله   ............................................................................................                           2

1-3-        وضعیت موجود آب در ایران......................................................................                        2

1-4-        نمك چیست؟ .........................................................................................                              5

1-5-   ارزیابی كیفیت آب از نظر شوری................................................................                          6

1-5-1-   طبقه بندی آبها از نظر شوری یا هدایت الکتریکی مخصوص (EC یا TDS )                     6

1-5-2-آلودگی آب و خاك به نمك چه مشكلاتی ایجاد میكند؟.................                                 7

1-5-3-بررسی كیفی آب از نظر دامداری...................................................                                    7

1-5-4-حساسیت گیاهان به شوری خاک.....................................................                                  7

1-6-   اهداف.................................................................................................                                    8

1-6-1-هدف كلی.....................................................................................                                    8

1-6-2-اهداف تخصصی...........................................................................                                     8

فصل دوم بررسی منابع

2-1- روشهای فیزیکی..................................................................................                                    10

2-1-1- تبخیر ، تقطیر چند مرحله ای(MSF) ...............................................                               10

2-2-   روشهای شیمیایی..................................................................................                                  11

2-2-1-  اسمز معکوس (RO)................................................................... .                                  11

2-2-2- میکروفیلتراسیونMF..................................................................                                      12

2-2-3- الترافیلتراسیون UF......................................................................                                     13

1- 

1-7-2-2- 

1-7-2-3- 

2-2-4-نانوفیلتراسیونNF...........................................................................                                   13

2-3-   فرایندهای غشایی الکتریکی...............................................................                                     14

2-3-1- انواع فرایندهای یون زدایی توسط غشاهای تبادل یونی..................                                     16

2-3-3-1-    الکترودیالیز (Electro Dialysis) ........................................                                   17

2-3-3-2-    الکترودیالیز توسط غشاهای دو قطبی (Electro dialysis with Bipolar Membranes) 17

2-3-3-3-      یون زدایی الکتریکی پیوسته (Electro Deionization  Continuous)                          18

2-3-3-4- نفوذ دیالیزی (diffusion dialysis)............................                                       19

2-3-3-5-     دیالیز دنان ( Donnan dialysis)......................................                                       20

2-3-3-6- یون زدایی خازنی (capacitive deionization).........                                       22

2-4-   بحث و مقایسه روشها.....................................................................                                         24

فصل سوم تئوری روش یون زدایی خازنی

3-    

2-    

3-    

3-1-   تئوری روش یون زدایی خازنی.....................................................                                          30

3-1-1-شیمی سطح الکترود..................................................................                                        31

3-1-2-ظرفیت خازنی............................................................................                                       23

3-1-3-یون زدایی خازنی......................................................................                                        32

2- 

3- 

3-1- 

3-1-4-انرژی مورد نیاز......................................................................                                           33

3-1-5-الكترود های كربن ایروژل....................................................                                             34

3-1-6-        خواص الکتریکی............................................................                                              35

3-1-7-        خواص فیزیکی.............................................................                                                36

3-2-   غشای واسط كربن فعال...........................................................                                               37

2- 

3- 

3-2- 

3-2-1-تولید و بررسی خواص کربن فعال ........................................                                             37

3-2-2-مقدمه..............................................................................                                                  37

3-2-3-مراحل تولید.....................................................................                                                 38

3-2-3-1-  موادخام........................................................................                                            38

3-2-3-2-کربونیزاسیون.................................................................                                             39

3-2-3-3- فعال‌سازی.....................................................................                                            39

3-2-4-کربن‌های فعال پیشرفته.......................................................                                               40

3-2-4-1-  غربال‌کننده‌های مولکولی کربنی (CMS) .................                                             40

3-2-4-2- الیاف کربن فعال............................................................                                            41

3-3-   دلایل استفاده از كربن فعال.................................................... .                                               41

3-4-   ساختن كربن فعال................................................................                                                   42

فصل  چهارم مواد و روشها

4-1- مراحل انجام این پژوهش........................................................                                                 45

3- 

4- 

4-1- 

4-1-1-راه اندازی سیستم پایش عملکرد پمپ سانتریفوژ ................                                               45

4-1-2-طراحی و ساخت دستگاه نمك زدا  .................................                                                 45        

4-1-2-1- طرح های موجود......................................................                                                45

4-1-2-1-1- طرح (1)................................................................                                          46

4-1-2-1-2-  خلاصه طرح.............................................................                                      46

4-1-2-1-3- بررسی طرح........................................................                                             48     

4-1-2-2-طرح شرکت CO  SAMSUNG ELECTRONICS.........                                  48     

4-1-2-2-1- خلاصه طرح.......................................................                                             48

4-1-2-3- طرح پیشنهادی.............................................................                                             52

4-1-2-2-1- مزایا و معایب طرح(2).........................................                                            52

4-1-3-     ساختن الكترودهای با پوشش كربن فعال..............................                                              55

4-1-4-     آزمایش الكترودهای ساخته شده و یافتن حالت بهینه..........                                                55

4-1-5-     آزمایش الكترودها بر روی پوسته ساخته شده.....................                                                55

4-2-   راه اندازی دستگاه پایش عملكرد پمپ P6250 (دستگاه تست همكاره)                                   55

4-3-   روش ساختن الكترودهای كربن فعال....................................                                                  55

4-3-1- روش ایجاد تشكل ورقگونه میان ذرات پودر شده كربن.....................                                  56

4-3-2- روش آزمایش مقاومت مكانیكی الكترودهای كربن فعال..................                                   62                        4-4-روش آزمایشات انجام شده:).................................................................                                   62

4-4-1- آزمایش مقدار تخلخل نسبی كربن فعال تولید شده از فعال سازی پوست پسته                       62

4-4-2- روش اندازه گیری معیار pH .........................................................                                     68

4-4-3- روش اندازه گیری معیارEC  (هدایت الکتریکی آب )................................                         69  

4-4-4- چگونگی آزمایش تیتراسیون رسوبی كلر به روش موهر.............................                           71

4-4-5- روش اندازه گیری میزان تغییر سدیم در محلول بر حسب زمان با استفاده از دستگاهFlame photometer      75

فصل  پنجم آزمایشات و نتایج آن

5-1-  نتایج آزمایشات انجام شده بر روی سیستم P6270..............................                                  82

5-1-1- نتایج ادعایی شركت سازنده............................................................                                  82

5-1-2- نتایج به دست آمده در آزمایشات انجام شده .....................................                               82

5-2-نتایج آزمایش عدد یدی كربن فعال1...........................................................                              85

5-3-  آزمایش اندازه گیری كیفیت رسانایی الكترودهای ساخته شده..............                                   86  

5-3-1- اندازه گیری آمپراژ و ولتا‍ژ..........................................................                                      86

5-3-2-آزمایش و بررسی تغییرات فاكتورهای EC وpH محلول بین دو الكترود در زمانهای مختلف89

5-3-2-1-نتایج آزمایش اندازه گیری تغییرات pH بر حسب زمان...................                             89

5-3-3-آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با تغییر جنس فلزات                 90

5-3-4-آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با تغییر جنس الكترود به آلومینیوم                 91

5-3-5- آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با الكترود آلومینیوم وچسب 50%                     94

5-3-6- آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با الكترود آلومینیوم وچسب 50%                     96

5-4-1-آزمایش و مقایسه الكترودهای دوطرفه و یكطرفه از نظر جذب یون كلر نمك 99          NaCl

5-4-2-آزمایش تیتراسیون كلرمحلول محتویNaClالكترودهای دوطرفه.........                            100

5-4-3-آزمایش و بررسی اثر حجم بر كار كرد یون زدایی الكترودهای دو طرف كربن دار           101

5-4-4-آزمایش و بررسی عملكرد یك الكترود به تعادل رسیده با تازه كردن محلول                    101

5-4-5-آزمایش و بررسی بازگشت یون نمك به محلول در صورت معكوس كردن قطبهای الكترود                    102

5-4- 6- تحلیل نتایج آزمایشات قبل...................................................                                         103

5-5- آزمایش و بررسی اثر ولتاژ بر كار كرد یون زدایی الكترودها همراه با اندازه گیریpHو                     EC103

5-5-1- تحلیل و نتیجه گیری...................................................                                                  106

5-6- آزمایش اندازه گیری مقدار سدیم در زمانهای مختلف پس از آغاز نمك زدایی به روش فلیم فوتومتری                   106

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه گیری......................................................................                                                     109

6-2-پیشنهادات.......................................................................                                                       109        

 پیوست...................................................................................                                                       111

فهرست جداول

جدول (1-1)میزان استفاده از منابع آب در ایران ........................................                                          4

جدول (2-1)  مقایسه روشهای نمك زدایی موجود.......................................                                     26

جدول (2-2) جدول انرژی موردنیاز روشهای نمك زدایی.............................                                    29

جدول (5-1) نتایج آزمایش الكترود( 20%) دو طرف پوشش كربنی برای غلظت (5%) نمك در ولتاژ v6 داخل ظرف فلزی    87

جدول (5-2) نتایج آزمایش الكترود( 20%) دو طرف پوشش كربنی برای غلظت (5%) نمك در ولتاژ v6 داخل ظرف عایق     87

جدول (5-3) نتایج آزمایش الكترود( 20%) یك طرف پوشش كربنی برای غلظت (5%) نمك در ولتاژ v6 داخل ظرف عایق  87

جدول (5-4) نتایج آزمایش اندازه گیری تغییرات pH  بر حسب زمان                                                89

جدول (5-5) نتایج آزمایش اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با تغییر جنس الكترود به آلومینیوم      92

جدول(5-6) نتایج آزمایش توام EC وpH  بر حسب زمان ، الكترود( 50%) برای غلظت (5%) نمك      94

جدول (5-7) نتایج آزمایش توام EC وpH بر حسب زمان الكترود( 50%) یك طرفه برای غلظت (5%) نمك             96

جدول (5-8) نتایج آزمایش توام EC وpH بر حسب زمان الكترود( 50%) دو طرفه برای غلظت (5%) نمك               96 جدول(5-9) نتایج آزمایش الكترودهای دوطرفه و یكطرفه از نظر جذب یون  كلر نمك NaCl  99  جدول (5-10) نتایج آزمایش  تیترا سیون  كلر محلول محتوی NaCl الكترودهای دوطرفه  100           جدول (5-11) نتایج آزمایش و بررسی اثر حجم بر كار كرد یون زدایی الكترودهای دو طرف كربن دار                101 جدول (5-12) نتایج آزمایش بررسی عملكرد یك الكترود به تعادل رسیده با تازه كردن محلول 101 جدول( 5-13) نتایج آزمایش بررسی بازگشت یون نمك به محلول در صورت معكوس كردن قطبهای الكترود  102 جدول (5-14) مقدار نیترات مصرفی درتیتراسیون كلر با تغییر ولتاژ.................                                 104

جدول(5-15) مقدار pH در زمانهای متفاوت با تغییر ولتاژ.............................                                  104

جدول (5-16) مقدار (ms/cm) EC در زمانهای متفاوت با تغییر ولتاژ..............                                  105

جدول (5-17)نتایج نمایش داده شده بر روی  كاغذ ثبات دستگاه Flame Photometer                 107

فهرست اشكال

شکل (2-1) تبخیر،تقطیرچندمرحله ای(MSF)..............................................                                   10

شکل (2-2) نقشه ونمایی از کارخانه آب شیرین کنی..................................                                      12

شکل (3-2) فرایند اسمز معکوس ................................................. .......                                            12

شکل (4-2 )طریقه کار میکروفیلتر...............................................................                                     13

شکل (2-5) طیف ذرات تصفیه شده توسط فیلترهای غشایی........................                                      14

شکل (2-6 ) طرحی شماتیک از ساختار غشای تبادل یونی کاتیونی..........                                          15

شکل( 2-7) طرحی شماتیک اصول نمک زدا یی توسط فرایند الکترودیالیز                                       16

شکل(2-8) طرح شماتیک الکترودیالیز  توسط غشا های دوقطبی.............                                          18

شکل (2-9)طرح شماتیک اصول یون زدا یی الکتریکی پیوسته...............                                           19  

شکل( 2-10) طرح شماتیک نفوذ دیالیزی جهت بازیابی اسید از مخلوط نمک در یک غشای تبادل یونیآنیونی         20

شکل(2-11) طرح شماتیک فرایند دیالیز دنان جهت جا بجایی یون های Na+ و Ca2+ دریک غشای تبادل یونی     21

شکل (2-12) طرح شماتیک فرایند یون زدا یی خازنی.........................                                              22

شکل (2-13) طرح شماتیک فرایند یون زدا یی خازنی همراه با غشاهای تبادل یونی.                           24

شکل (2-14) شکل شماتیک یک الکترود دو قطبی                                             ……………….MCDI25

شکل (2-15) مدل شماتیك روش یون  زدایی خازنی.............................                                           25

شکل(3-1) سلول پایه الكتروشیمی.....................................................                                               30

شکل (3-2)نسخه ساده ازنظریه استرن دو لایه...........................................                                         32

شکل (3-3 ) شكل پایه یون زدایی خازنی................................................                                          33

شكل (3-4)تصویر الكترونی ساختار كروی ایروژل كربن............................                                      34

شكل (3-5 )تصویر بزرگنمایی شده از فیبر اضافه شده به كربن..........................                                 35

شکل(3-6) رسانایی گرمایی ایروژلها....................................................                                            37

شکل (4-1) تصویر شماتیكی از طرح 1..............................................                                               46

شکل (4-2) طریقه عبور آب یون دار در دستگاه طرح 1........................                                            47

شکل( 4-3)طرح شماتیك یك الكترود دستگاه یون زدایی خازنی.........                                           49

شکل(4-4)مرحله اول كار دستگاه جذب یونهای نا همبار.......................                                           49

شکل (4-5) مرحله تغییر بار الكترود.................................................... .                                            50

شكل (4-6) غشای یكطرفه از برگشت یونهای همنام به جریان آزاد جلوگیری میكند                         51

شکل (4-7)مرحله تخلیه.............................................................................                                       51      

شکل (4-8)طرح شماتیكی از یك واحد 3 الكترود....................................                                        52

شکل (4-9) نمای داخلی پوسته دستگاه پیشنهادی..................................                                            53

شكل (4-10) نمای بالای اجزائ داخلی پوسته دستگاه.......................... .                                           54

شكل (4-11)نمای خارجی دستگاه طرح پیشنهادی................................                                            54

شکل (4-12) الكترود یك طرفه ساخته به روش بیان شده در بخش 4-3-4-4                                   61

شکل(4-13) یك دستگاهflame photometer ...................................................                                          76

شکل (4-14)نمای شماتیک یک دستگاه فلیم فتومتر  Flame photometer                                     76

شکل (4-15) شكل تفاوت انرژی امواح ساطع شده از عناصر...................                                          76

شکل(4-16) شعله حاصل از اشتعال عناصر........................................ .........                                      77

شكل(5-1) نتایج اندازه گیری عدد یدی نمونه مورد نظر........................                                           85

شکل( 5-2 )طریقه قرار گیری مدار اعمال ولتاژ و الکترودها....................                                          86

 فهرست نمودارها

نمودار (2-1)روشهای استفاده نمك زدایی در جهان تا سال 1998.................................                     28

نمودار (4-1) نتایج آزمایش دستگاه طرح1 در مورد یون سدیم...................................                       47

نمودار (5-1)نمودار H-Q ادعایی شركت سازنده پمپ گریز از مركز.........................                        82

نمودار (5-2)نمودار H-Q  پمپ سانتریفیوژ مورد آزمایش.......................................                          83

نمودار (5-3)نمودار P-Q توان مصرفی به دبی پمپ سانتریفیوژ مورد آزمایش............                        83

نمودار (5-4) نمودار نسبت راندمان به افزایش دبی پمپ سانتریفیوژ مورد آزمایش......                        84

نمودار (5-5) نمودار  H-Q پمپ سانتریفوژ  مورد آزمایش در دورهای متفاوت............                     84

نمودار (5-6) خط ترسیم شده برکاغذ لگاریتمی  برای هر دز کربن مقادیر X/M(محور عمودی) نسبت به c           85

نمودار (5-7) مقایسه ولتاژهای  مصرفی مدار آزمایش در 3 آزمایش  5-3-3-1 ......                          88

نمودار (5-8) مقایسه جریان  مصرفی مدار آزمایش در 3 آزمایش 5-3-3-1........                              88

نمودار (5-9) نمودار مقدار تغییرات pH بر حسب زمان  آزمایش 5-3-2-1........                               90

نمودار(5-10) نمودار مقدار تغییرات  pH بر حسب زمان  آزمایش 5-3-3...........                              91

نمودار( 5-11) نمودار مقدار EC بر حسب زمان در آزمایش 5-3-4 ..................                                92

نمودار( 5-12)نمودار مقدار تغییرات pH  بر حسب زمان آزمایش 5-3-4.........                                 93

نمودار( 5-13)نمودا ر مقدار تغییرات غلظت نمك محلول برحسب زمان آزمایش 5-3-4                  93

نمودار(5-14) نمودار مقدار EC بر حسب زمان آزمایش 5-3-5 ....................                                   94

نمودار( 5-15) نمودار مقدار تغییرات pH  بر حسب زمان  آزمایش 5-3-5.....                                   95

نمودار( 5-16) نمودا ر مقدار تغییرات غلظت نمك محلول برحسب زمان 5-3-5                               95

نمودار (5-17)نمودار مقدار EC بر حسب زمان الكترود یك طرفه  آزمایش 5-3-6                           97

نمودار( 5-18)نمودار مقدار تغییرات pH  بر حسب زمان الكترود یك طرفه آزمایش 5-3-6              97

نمودار (5-19)نمودار مقدار EC بر حسب زمان الكترود دو طرفه آزمایش 5-3-6                               98

نمودار (5-20)نمودار مقدار تغییرات pH  بر حسب زمان در آزمایش الكترود دو طرفه 5-3-6            98

نمودار (5-21)نمودار مقدار تغییرات كلر  بر حسب زمان الكترود یك طرفه آزمایش 5-4-1              99

نمودار (5-22) نمودار مقدار تغییرات كلر بر حسب زمان الكترود 2 طرفه آزمایش 5-4-2       100     نمودار (5-23) نمودار مقدار تغییرات عملكرد یك الكترود به تعادل رسیده با تازه كردن محلول آزمایش 5-4-    102

نمودار(5-24)نمودار مقدار تغییرات كلر در صورت معكوس كردن قطبهای الكترود آزمایش5-4-5                   103    

نمودار(5-25) مقدار نیترات مصرفی درتیتراسیون كلر با تغییر ولتاژ  آزمایش 5-5                             104

نمودار(5-26)مقدار pH در زمانهای متفاوت با تغییر ولتاژ آزمایش 5-5.........                                  105

نمودار( 5-27) روند تغییر( ms/cm)EC در زمانهای متفاوت و ولتاژهای مختلف آزمایش 5-5           106

نمودار(5-28) كاهش تراكم سدیم در محلول در زمانهای متفاوت آزمایش 5-6                              107