کمبود آب در کشورهای خشک همواره یکی از موانع توسعه کشاورزی ، صنعتی و تامین غذای جامعه بوده است یکی از راههای مقابله با این مشکل تبدیل منابع آب شور به آب قابل استفاده است
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
.کمبود آب در کشورهای خشک همواره یکی از موانع توسعه کشاورزی ، صنعتی و تامین غذای جامعه بوده است. یکی از راههای مقابله با این مشکل 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 کم ارزش را پر ارزش میکند. این مسئله در کشور 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 نمک زدایی است. یکی از جدیدترین روشهای نمک زدایی، یون زدایی خازنی است.
در این تحقیق سعی بر این شده که ضمن تحقیق در مورد کارایی آن نمونه ای از آن نیز ساخته شود. این کار با راه اندازی سیستم تست عمومی پمپ در بخش ماشینهای کشاورزی دانشگاه باهنر کرمان آغاز شد و سپس با ساخت پوسته طراحی شده از پلاستیک و تولید کربن فعال با فعال سازی پوسته پسته ادامه داده شد و بعد از آن الکترودی با ساختار رسانا از کربن که دارای مقاومت مکانیکی در مقابل جریان آب باشد و علاوه بر آن پیوستگی لازم با پایه فلزی را داشته باشد، ایجاد شد. سپس آزمایشاتی همچون تیتراسیون کلر،فلیم فوتومتری ،ECسنجی و اندازه گیری pHجهت اثبات قابلیت نمک زدایی همه جانبه و متناسب آنها انجام شد. آزمایشات تیتراسیون کلر نشان داد که یک سلول متشکل از 2 الکترود مثبت و منفی با فاصله مناسب در یک محلول آب شور در یک دقیقه قابلیت جذب بیش از 25% نمک محلول را دارد. آزمایش ECسنجی نیز روند آن تایید کرد. آزمایشات فلیم فوتومتری و pH سنجی نشان داد که با انتخاب ولتاژ و فاصله متناسب با نوع و درصد شوری از تولید محصولات ناخواسته در این فرایند جلوگیری کرد.
کلید واژه ها: نمک زدایی، یون زدایی خازنی، کربن فعال، فلیم فوتومتری، تیتراسیون کلر
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- نمک چیست؟ ......................................................................................... 5
1-5- ارزیابی کیفیت 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 خاک به نمک چه مشکلاتی ایجاد میکند؟................. 7
1-5-3-بررسی کیفی آب از نظر دامداری................................................... 7
1-5-4-حساسیت گیاهان به شوری خاک..................................................... 7
1-6- اهداف................................................................................................. 8
1-6-1-هدف کلی..................................................................................... 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-الکترود های کربن ایروژل.................................................... 34
3-1-6- خواص الکتریکی............................................................ 35
3-1-7- خواص فیزیکی............................................................. 36
3-2- غشای واسط کربن 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 کربن فعال.................................................... . 41
3-4- ساختن کربن 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 نمک 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 الکترودهای با پوشش کربن فعال.............................. 55
4-1-4- آزمایش الکترودهای ساخته شده و یافتن حالت بهینه.......... 55
4-1-5- آزمایش الکترودها بر روی پوسته ساخته شده..................... 55
4-2- راه اندازی دستگاه پایش عملکرد پمپ P6250 (دستگاه تست همکاره) 55
4-3- روش ساختن الکترودهای کربن فعال.................................... 55
4-3-1- روش ایجاد تشکل ورقگونه میان ذرات پودر شده کربن..................... 56
4-3-2- روش آزمایش مقاومت مکانیکی الکترودهای کربن فعال.................. 62 4-4-روش آزمایشات انجام شده:)................................................................. 62
4-4-1- آزمایش مقدار تخلخل نسبی کربن 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 کلر 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 شرکت سازنده............................................................ 82
5-1-2- نتایج به دست آمده در آزمایشات انجام شده ..................................... 82
5-2-نتایج آزمایش عدد یدی کربن فعال1........................................................... 85
5-3- آزمایش اندازه گیری کیفیت رسانایی الکترودهای ساخته شده.............. 86
5-3-1- اندازه گیری آمپراژ و ولتاژ.......................................................... 86
5-3-2-آزمایش و بررسی تغییرات فاکتورهای EC وpH محلول بین دو الکترود 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 الکترود به آلومینیوم 91
5-3-5- آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با الکترود آلومینیوم وچسب 50% 94
5-3-6- آزمایش و اندازه گیری توام EC وpH بر حسب زمان همراه با الکترود آلومینیوم وچسب 50% 96
5-4-1-آزمایش و مقایسه الکترودهای دوطرفه و یکطرفه از نظر جذب یون کلر نمک 99 NaCl
5-4-2-آزمایش تیتراسیون کلرمحلول محتویNaClالکترودهای دوطرفه......... 100
5-4-3-آزمایش و بررسی اثر حجم بر کار کرد یون زدایی الکترودهای دو طرف کربن دار 101
5-4-4-آزمایش و بررسی عملکرد یک الکترود به تعادل رسیده با تازه کردن محلول 101
5-4-5-آزمایش و بررسی بازگشت یون نمک به محلول در صورت معکوس کردن قطبهای الکترود 102
5-4- 6- تحلیل نتایج آزمایشات قبل................................................... 103
5-5- آزمایش و بررسی اثر ولتاژ بر کار کرد یون زدایی الکترودها 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 نمک 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 نمک زدایی موجود....................................... 26
جدول (2-2) جدول انرژی موردنیاز روشهای نمک زدایی............................. 29
جدول (5-1) نتایج آزمایش الکترود( 20%) دو طرف پوشش کربنی برای غلظت (5%) نمک در ولتاژ v6 داخل ظرف فلزی 87
جدول (5-2) نتایج آزمایش الکترود( 20%) دو طرف پوشش کربنی برای غلظت (5%) نمک در ولتاژ v6 داخل ظرف عایق 87
جدول (5-3) نتایج آزمایش الکترود( 20%) یک طرف پوشش کربنی برای غلظت (5%) نمک 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 الکترود به آلومینیوم 92
جدول(5-6) نتایج آزمایش توام EC وpH بر حسب زمان ، الکترود( 50%) برای غلظت (5%) نمک 94
جدول (5-7) نتایج آزمایش توام EC وpH بر حسب زمان الکترود( 50%) یک طرفه برای غلظت (5%) نمک 96
جدول (5-8) نتایج آزمایش توام EC وpH بر حسب زمان الکترود( 50%) دو طرفه برای غلظت (5%) نمک 96 جدول(5-9) نتایج آزمایش الکترودهای دوطرفه و یکطرفه از نظر جذب یون کلر نمک NaCl 99 جدول (5-10) نتایج آزمایش تیترا سیون کلر محلول محتوی NaCl الکترودهای دوطرفه 100 جدول (5-11) نتایج آزمایش و بررسی اثر حجم بر کار کرد یون زدایی الکترودهای دو طرف کربن دار 101 جدول (5-12) نتایج آزمایش بررسی عملکرد یک الکترود به تعادل رسیده با تازه کردن محلول 101 جدول( 5-13) نتایج آزمایش بررسی بازگشت یون نمک به محلول در صورت معکوس کردن قطبهای الکترود 102 جدول (5-14) مقدار نیترات مصرفی درتیتراسیون کلر 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 کاغذ ثبات دستگاه Flame Photometer 107
فهرست اشکال
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 شماتیک روش یون زدایی خازنی............................. 25
شکل(3-1) سلول پایه الکتروشیمی..................................................... 30
شکل (3-2)نسخه ساده ازنظریه استرن دو لایه........................................... 32
شکل (3-3 ) شکل پایه یون زدایی خازنی................................................ 33
شکل (3-4)تصویر الکترونی ساختار کروی ایروژل کربن............................ 34
شکل (3-5 )تصویر بزرگنمایی شده از فیبر اضافه شده به کربن.......................... 35
شکل(3-6) رسانایی گرمایی ایروژلها.................................................... 37
شکل (4-1) تصویر شماتیکی از طرح 1.............................................. 46
شکل (4-2) طریقه عبور آب یون دار در دستگاه طرح 1........................ 47
شکل( 4-3)طرح شماتیک یک الکترود دستگاه یون زدایی خازنی......... 49
شکل(4-4)مرحله اول کار دستگاه جذب یونهای نا همبار....................... 49
شکل (4-5) مرحله تغییر بار الکترود.................................................... . 50
شکل (4-6) غشای یکطرفه از برگشت یونهای همنام به جریان آزاد جلوگیری میکند 51
شکل (4-7)مرحله تخلیه............................................................................. 51
شکل (4-8)طرح شماتیکی از یک واحد 3 الکترود.................................... 52
شکل (4-9) نمای داخلی پوسته دستگاه پیشنهادی.................................. 53
شکل (4-10) نمای بالای اجزائ داخلی پوسته دستگاه.......................... . 54
شکل (4-11)نمای خارجی دستگاه طرح پیشنهادی................................ 54
شکل (4-12) الکترود یک طرفه ساخته به روش بیان شده در بخش 4-3-4-4 61
شکل(4-13) یک دستگاهflame photometer ................................................... 76
شکل (4-14)نمای شماتیک یک دستگاه فلیم فتومتر Flame photometer 76
شکل (4-15) شکل تفاوت انرژی امواح ساطع شده از عناصر................... 76
شکل(4-16) شعله حاصل از اشتعال عناصر........................................ ......... 77
شکل(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 نمک 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 شرکت سازنده پمپ گریز از مرکز......................... 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 نمک 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 نمک محلول برحسب زمان 5-3-5 95
نمودار (5-17)نمودار مقدار EC بر حسب زمان الکترود یک طرفه آزمایش 5-3-6 97
نمودار( 5-18)نمودار مقدار تغییرات pH بر حسب زمان الکترود یک طرفه آزمایش 5-3-6 97
نمودار (5-19)نمودار مقدار EC بر حسب زمان الکترود دو طرفه آزمایش 5-3-6 98
نمودار (5-20)نمودار مقدار تغییرات pH بر حسب زمان در آزمایش الکترود دو طرفه 5-3-6 98
نمودار (5-21)نمودار مقدار تغییرات کلر بر حسب زمان الکترود یک طرفه آزمایش 5-4-1 99
نمودار (5-22) نمودار مقدار تغییرات کلر بر حسب زمان الکترود 2 طرفه آزمایش 5-4-2 100 نمودار (5-23) نمودار مقدار تغییرات عملکرد یک الکترود به تعادل رسیده با تازه کردن محلول آزمایش 5-4- 102
نمودار(5-24)نمودار مقدار تغییرات کلر در صورت معکوس کردن قطبهای الکترود آزمایش5-4-5 103
نمودار(5-25) مقدار نیترات مصرفی درتیتراسیون کلر 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) کاهش تراکم سدیم در محلول در زمانهای متفاوت آزمایش 5-6 107
