ระบบรีเวิร์สออสโมซิส
ระบบ รีเวิร์สออสโมซิส ( RO ) เป็น กระบวนการ กรองน้ำที่ใช้เยื่อกึ่งซึมผ่านได้เพื่อแยกโมเลกุลน้ำออกจากสารอื่นๆ RO ใช้แรงดันเพื่อเอาชนะแรงดันออสโมติกที่ช่วยให้การกระจายตัวสม่ำเสมอ RO สามารถกำจัดสารเคมี ที่ละลายหรือแขวนลอยอยู่ รวมถึงสารชีวภาพ (โดยหลักคือแบคทีเรีย ) และใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมและการผลิตน้ำดื่มในประเทศกำลังพัฒนาอย่างเช่นปากีสถาน โรงงานรีเวิร์สออสโมซิสระดับอุตสาหกรรมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคสิ่งทอ ยา และการผลิต เพื่อแก้ไขปัญหาการปนเปื้อนของน้ำบาดาลและรับประกันว่าน้ำที่ใช้ในกระบวนการเป็นไปตามมาตรฐาน
RO จะกักเก็บสารละลายไว้ที่ด้านที่มีแรงดันของเมมเบรน และตัวทำละลาย ที่บริสุทธิ์ จะผ่านไปยังอีกด้านหนึ่ง ขนาดสัมพัทธ์ของโมเลกุลต่างๆ จะเป็นตัวกำหนดว่าอะไรจะผ่านเข้าไปได้ เมมเบรนแบบ "เลือกได้" จะปฏิเสธโมเลกุลขนาดใหญ่ ในขณะที่ยอมรับโมเลกุลขนาดเล็กกว่า (เช่น โมเลกุลของตัวทำละลาย เช่น น้ำ) [ 1 ]
ระบบ รีเวิร์สออสโมซิสเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในการนำไปใช้ในการทำน้ำ ดื่มให้บริสุทธิ์ จากน้ำทะเลโดยการกำจัดเกลือและ สารปน เปื้อน อื่นๆ ออก จากโมเลกุลของน้ำ[ 2 ]ในปี 2013 โรงงานผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลด้วยระบบรีเวิร์สออสโมซิสที่ใหญ่ที่สุดในโลกตั้งอยู่ที่เมืองโซเรก ประเทศอิสราเอลโดยมีกำลังการผลิต624,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน (165 ล้านแกลลอนสหรัฐต่อวัน) [ 3 ] นอกจากนี้ยังมีระบบรีเวิร์สออสโมซิสสำหรับใช้ส่วนตัวในการทำน้ำประปาของเทศบาลหรือน้ำบาดาลที่ผ่านการบำบัดเบื้องต้นแล้วให้บริสุทธิ์[ 4 ]
ประวัติศาสตร์
กระบวนการออสโมซิสผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ถูกสังเกตครั้งแรกในปี ค.ศ. 1748 โดยJean-Antoine Nolletเป็นเวลากว่า 200 ปี ออสโมซิสเป็นเพียงปรากฏการณ์ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น ในปี ค.ศ. 1950 มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ลอสแอนเจลิส (UCLA) ได้ทำการวิจัยการแยก เกลือออกจากน้ำโดยใช้ออสโมซิสเป็นครั้งแรก นักวิจัยทั้งที่ UCLA และมหาวิทยาลัยฟลอริดาได้ทำการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลในช่วงกลางทศวรรษ ค.ศ. 1950 แต่ฟลักซ์ต่ำเกินไปที่จะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้[ 5 ] Sidney Loebที่ UCLA และ Srinivasa Sourirajan [ 6 ]ที่สภาวิจัยแห่งชาติของแคนาดาออตตาวา ได้ค้นพบเทคนิคในการสร้างเยื่อแบบไม่สมมาตรซึ่งมีลักษณะเป็นชั้น "ผิว" บางๆ ที่รองรับอยู่บนบริเวณพื้นผิวที่มีรูพรุนสูงและหนากว่ามาก John Cadotte จากบริษัท Filmtecค้นพบว่าสามารถสร้างเยื่อที่มีฟลักซ์สูงเป็นพิเศษและมีการผ่านของเกลือต่ำได้โดยการพอลิเมอไรเซชันแบบอินเตอร์ เฟซ ของm -phenylene diamineและ trimesoyl chloride สิทธิบัตรของ Cadotte เกี่ยวกับกระบวนการนี้[ 7 ]เป็นเรื่องของการฟ้องร้องและหมดอายุลง ปัจจุบันเมมเบรน RO เชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดผลิตด้วยวิธีนี้ ในปี 2019 มี โรงงาน ผลิตน้ำจืด ประมาณ 16,000 แห่ง ทั่วโลก โดยผลิตได้ประมาณ95 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อวัน (25 พันล้านแกลลอนสหรัฐต่อวัน)ประมาณครึ่งหนึ่งของกำลังการผลิตนี้อยู่ในภูมิภาคตะวันออกกลางและแอฟริกาเหนือ[ 8 ]
ในปี พ.ศ. 2520 เมือง เคปคอรัลรัฐฟลอริดา กลายเป็นเทศบาลแห่งแรกในสหรัฐอเมริกาที่ใช้ RO ในระดับขนาดใหญ่ โดยมีกำลังการผลิตเริ่มต้นที่ 11.35 ล้านลิตร (3 ล้านแกลลอนสหรัฐ) ต่อวัน ภายในปี พ.ศ. 2528 การเติบโตอย่างรวดเร็วทำให้เมืองนี้ดำเนินการโรงงาน RO แรงดันต่ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก โดยผลิตได้ 56.8 ล้านลิตร (15 ล้านแกลลอนสหรัฐ) ต่อวัน (MGD) [ 9 ]
ออสโมซิส
ในกระบวนการออสโมซิส (ไปข้างหน้า) ตัวทำละลายจะเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายต่ำ ( ศักยภาพของน้ำ สูง ) ผ่านเยื่อกั้นไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายสูง (ศักยภาพของน้ำต่ำ) แรงผลักดันสำหรับการเคลื่อนที่ของตัวทำละลายคือการลดลงของพลังงานอิสระของกิบส์ของระบบ ซึ่งความแตกต่างของความเข้มข้นของตัวทำละลายระหว่างด้านของเยื่อกั้นจะลดลง สิ่งนี้เรียกว่าความดันออสโมติก ความดันนี้จะลดลงเมื่อตัวทำละลายเคลื่อนที่เข้าไปในสารละลายที่มีความเข้มข้นมากกว่า การใช้ความดันภายนอกเพื่อย้อนกลับการไหลตามธรรมชาติของตัวทำละลายบริสุทธิ์ จึงเรียกว่าออสโมซิสย้อนกลับ กระบวนการนี้คล้ายคลึงกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเยื่อกั้นอื่นๆ
RO แตกต่างจากการกรองตรงที่กลไกการไหลของของเหลวจะกลับกัน โดยตัวทำละลายจะไหลผ่านเมมเบรน ทิ้งตัวถูกละลายไว้ข้างหลัง กลไกการกำจัดหลักในการกรองด้วยเมมเบรนคือการกรองหรือการแยกตามขนาด โดยที่รูพรุนมีขนาด 0.01 ไมโครเมตรหรือใหญ่กว่า ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้วกระบวนการนี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพที่สมบูรณ์แบบได้โดยไม่คำนึงถึงพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความดันและความเข้มข้นของสารละลาย ในทางกลับกัน RO เกี่ยวข้องกับการแพร่ของ ตัวทำละลาย ผ่านเมมเบรนที่ไม่มีรูพรุนหรือใช้การกรองระดับนาโนที่มีรูพรุนขนาด 0.001 ไมโครเมตร กลไกการกำจัดหลักมาจากความแตกต่างใน ความสามารถใน การละลายหรือการแพร่และกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับความดันความเข้มข้นของตัวถูกละลาย และเงื่อนไขอื่นๆ[ 10 ]
ระบบ RO ต้องการแรงดันระหว่าง 2–17 บาร์ (30–250 psi ) สำหรับน้ำจืดและน้ำกร่อย และ 40–82 บาร์ (600–1200 psi) สำหรับน้ำทะเล น้ำทะเลมีแรงดันออสโมติกตามธรรมชาติ ประมาณ 27 บาร์ (390 psi) [ 11 ]ที่ต้องเอาชนะ สำหรับการใช้พลังงาน ระบบ RO สำหรับน้ำทะเลโดยทั่วไปต้องการ 2.9-5.5 kWh/m³ [ 12 ] แม้ว่าระบบที่ทันสมัยที่สุดจะอยู่ที่ประมาณ 2.3 kWh / m³ [ 13 ]
ขนาดรูพรุนของเมมเบรนแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0.1 ถึง 5,000 นาโนเมตร การกรองอนุภาคจะกำจัดอนุภาคที่มีขนาด 1 ไมโครเมตรขึ้นไปการกรองระดับไมโครจะกำจัดอนุภาคที่มีขนาด 50 นาโนเมตรขึ้นไปการกรองระดับอัลตราจะกำจัดอนุภาคที่มีขนาดประมาณ 3 นาโนเมตรขึ้นไป การกรองระดับนาโนจะกำจัดอนุภาคที่มีขนาด 1 นาโนเมตรขึ้นไป RO อยู่ในประเภทสุดท้ายของการกรองเมมเบรน คือการกรองระดับสูง และกำจัดอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า ~0.2 นาโนเมตร[ 14 ]
การใช้งานในน้ำจืด
การทำน้ำดื่มให้บริสุทธิ์
ทั่วโลก ระบบ กรองน้ำดื่ม ในครัวเรือน ซึ่งรวมถึงขั้นตอนการกรองแบบ RO (Reverse Osmosis) เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อปรับปรุงคุณภาพน้ำสำหรับดื่มและปรุงอาหาร
ระบบดังกล่าวโดยทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้:
- ตัว กรอง ตะกอนเพื่อดักจับอนุภาคต่างๆ รวมถึงสนิมและแคลเซียมคาร์บอเนต
- ตัวกรองตะกอนตัวที่สองที่มีรูพรุนขนาดเล็กกว่า
- ตัว กรอง ถ่านกัมมันต์เพื่อดักจับสารเคมีอินทรีย์และคลอรีนซึ่งทำให้เมมเบรนคอมโพสิตแบบฟิล์ม บางบางชนิดเสื่อมสภาพ
- เมมเบรนคอมโพสิตฟิล์มบาง RO
- หลอด ไฟ อัลตราไวโอเลตสำหรับฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ที่หลงเหลืออยู่ในระบบ RO
- ตัวกรองคาร์บอนตัวที่สองเพื่อดักจับสารเคมีที่หลงเหลืออยู่ในระบบ RO
ในบางระบบ ตัวกรองคาร์บอนจะถูกแทนที่ด้วย เมมเบรน เซลลูโลสไตรอะซิเตต (CTA) CTA เป็นเมมเบรนที่เป็นผลพลอยได้จากกระดาษซึ่งเชื่อมติดกับชั้นสังเคราะห์ที่ช่วยให้สัมผัสกับคลอรีนในน้ำได้ ระบบนี้ต้องการคลอรีนในปริมาณเล็กน้อยในแหล่งน้ำเพื่อป้องกันการก่อตัวของแบคทีเรีย อัตราการกรองโดยทั่วไปของเมมเบรน CTA อยู่ที่ 85–95%
เยื่อเซลลูโลสไตรอะซิเตตจะเน่าเปื่อยหากไม่ได้รับการปกป้องด้วยน้ำที่มีคลอรีนในขณะที่เยื่อคอมโพสิตแบบฟิล์มบางจะเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับคลอรีน เยื่อคอมโพ สิต แบบฟิล์มบาง (TFC) ทำจากวัสดุสังเคราะห์ และจำเป็นต้องกำจัดคลอรีนออกก่อนที่น้ำจะเข้าสู่เยื่อ เพื่อป้องกันความเสียหายจากคลอรีนต่อองค์ประกอบของเยื่อ TFC จึงใช้ ตัวกรองคาร์บอนเป็นขั้นตอนการบำบัดเบื้องต้น เยื่อ TFC มีอัตราการกรองสูงกว่า 95–98% และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเยื่อ CTA
เพื่อให้การทำงานมีประสิทธิภาพ น้ำที่ส่งไปยังหน่วยเหล่านี้ควรอยู่ภายใต้แรงดัน (โดยทั่วไปคือ 280 kPa (40 psi) หรือมากกว่า) [ 15 ]
แม้ว่าเครื่องกรองน้ำ RO แบบพกพาจะมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์และใช้กันอย่างแพร่หลายในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำดื่มที่สะอาด แต่ในยุโรป การประมวลผลน้ำแร่ ธรรมชาติ (ตามที่กำหนดโดยคำสั่งของยุโรป) [ 16 ]ดังกล่าวไม่ได้รับอนุญาต ในทางปฏิบัติ แบคทีเรียที่มีชีวิตเพียงบางส่วนจะผ่าน RO ผ่านความไม่สมบูรณ์ของเมมเบรนหรือผ่านเมมเบรนไปโดยสิ้นเชิงผ่านรอยรั่วในซีล
ระบบ RO ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
หน่วยแยกเกลือออกจากน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ผลิตน้ำดื่มจากน้ำเค็มโดยใช้ ระบบ เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อจ่ายพลังงาน พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานได้ดีสำหรับการทำน้ำให้บริสุทธิ์ในสถานที่ที่ไม่มีไฟฟ้าจากโครงข่าย และสามารถลดต้นทุนการดำเนินงานและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ ตัวอย่างเช่น หน่วยแยกเกลือออกจากน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบผ่านการทดสอบในดินแดนทางเหนือของออสเตรเลีย[ 17 ]
ลักษณะที่ไม่ต่อเนื่องของแสงแดดทำให้การคาดการณ์ผลผลิตทำได้ยากหากไม่มีความสามารถในการจัดเก็บพลังงาน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่หรือ ระบบ จัดเก็บพลังงานความร้อนสามารถให้พลังงานได้เมื่อไม่มีแสงแดด[ 18 ]
ทหาร
เครื่องกรองน้ำระบบรีเวิร์สออสโมซิส (ROWPU) ขนาดใหญ่กว่านั้นก็มีให้ใช้ในทางการทหารเช่นกัน โดยกองทัพสหรัฐฯและกองทัพแคนาดา ได้นำไปใช้งานแล้ว บางรุ่นบรรจุอยู่ในตู้คอนเทนเนอร์บางรุ่นเป็นรถพ่วง และบางรุ่นก็เป็นยานพาหนะโดยตรง
น้ำจะถูกบำบัดด้วยโพลิเมอร์เพื่อเริ่มกระบวนการตกตะกอนจากนั้นจะถูกส่งผ่านตัวกรองหลายชั้นเพื่อทำการบำบัดขั้นต้น โดยกำจัดความขุ่น ออก ไป หลังจากนั้นจะถูกปั๊มผ่านตัวกรองแบบตลับ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นสำลีแบบม้วนเป็นเกลียว กระบวนการนี้จะกำจัดอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า 5 ไมโครเมตรและกำจัดความขุ่นออกไปได้เกือบทั้งหมด
จากนั้น น้ำใสจะถูกส่งผ่านปั๊มลูกสูบแรงดันสูงไปยังชุดถัง RO โดยจะ กำจัด ของแข็งที่ละลายใน น้ำดิบได้ 90.00–99.98% และมาตรฐานทางทหารกำหนดให้ค่า การนำไฟฟ้า ของน้ำ ต้องไม่เกิน 1000–1500 ส่วนในล้านส่วน (ppm ) จากนั้นจึงฆ่าเชื้อด้วยคลอรีน
การบำบัดน้ำและน้ำเสีย
น้ำฝนที่ผ่านการกรองด้วยระบบ RO ซึ่งเก็บรวบรวมจากท่อระบายน้ำฝน ถูกนำไปใช้ในการรดน้ำต้นไม้และระบายความร้อนในโรงงานอุตสาหกรรมในลอสแอนเจลิสและเมืองอื่นๆ
ในภาคอุตสาหกรรม RO จะกำจัดแร่ธาตุออกจากน้ำหม้อไอน้ำในโรงไฟฟ้า [ 19 ] น้ำจะถูกกลั่นหลายครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่ทิ้งคราบตะกอนบนเครื่องจักรหรือทำให้เกิดการกัดกร่อน
ระบบรีเวอร์สออสโมซิ ส (RO) ใช้ในการทำความสะอาดน้ำเสียและน้ำบาดาลกร่อย น้ำเสียปริมาณมาก (มากกว่า 500 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน) จะต้องได้รับการบำบัดในโรงบำบัดน้ำก่อน จากนั้นจึงส่งผ่านระบบ RO กระบวนการผสมผสานนี้ช่วยลดต้นทุนการบำบัดได้อย่างมากและยืดอายุการใช้งานของเมมเบรน
RO สามารถใช้ในการผลิตน้ำปราศจากไอออนได้[ 20 ]
ในปี 2545 สิงคโปร์ประกาศว่ากระบวนการที่ชื่อว่าNEWaterจะเป็นส่วนสำคัญของแผนการจัดการน้ำ โดยจะใช้ระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO) ในการบำบัดน้ำเสียก่อนปล่อยน้ำที่ผ่านการบำบัดแล้วลงสู่แหล่งเก็บน้ำ
อุตสาหกรรมอาหาร
การรีเวิร์สออสโมซิสเป็นวิธีที่ประหยัดกว่าในการทำให้ของเหลว (เช่น น้ำผลไม้) เข้มข้นขึ้นเมื่อเทียบกับการใช้ความร้อนแบบดั้งเดิม การทำให้เข้มข้นของน้ำส้มและน้ำมะเขือเทศมีข้อดีหลายประการ เช่น ต้นทุนการดำเนินงานที่ต่ำกว่า และความสามารถในการหลีกเลี่ยงการใช้ความร้อน ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับสารที่ไวต่อความร้อนเช่นโปรตีนและเอนไซม์
ระบบรีเวิร์สออสโม ซิส (RO) ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมนมเพื่อผลิตผงโปรตีนเวย์ และนมเข้มข้น เวย์ (ของเหลวที่เหลือหลังจากการผลิตชีส) จะถูกทำให้เข้มข้นด้วย RO จากความเข้มข้นของของแข็ง 6% เป็น 10-20% ก่อนที่จะ ผ่านกระบวนการ อัลตรา ฟิลเตรชัน สารที่เหลือจาก การกรอง (retentate) สามารถนำไปใช้ทำผงเวย์ รวมถึงโปรตีนเวย์ไอโซเลตได้ นอกจากนี้ สารที่ผ่านการกรอง (permeate) ซึ่งมีแลคโตส อยู่ จะถูกทำให้เข้มข้นด้วย RO จากความเข้มข้นของของแข็ง 5% เป็น 18% เพื่อลดต้นทุนการตกผลึกและการอบแห้ง
แม้ว่าในอดีตการใช้ระบบ RO (Reverse Osmosis) จะถูกหลีกเลี่ยงในอุตสาหกรรมไวน์ แต่ปัจจุบันกลับแพร่หลายมากขึ้น มีการประมาณการณ์ว่ามีการใช้เครื่อง RO ประมาณ 60 เครื่องในเมืองบอร์โดซ์ประเทศฝรั่งเศส ในปี 2545 ผู้ใช้งานที่รู้จักกันดี ได้แก่ บริษัทชั้นนำหลายแห่ง เช่นChâteau Léoville-Las Cases
การผลิตน้ำเชื่อมเมเปิล
ในปี 1946 ผู้ผลิต น้ำเชื่อมเมเปิล บางราย เริ่มใช้ระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO) เพื่อกำจัดน้ำออกจากน้ำเม เปิล ก่อนนำไปต้มเป็นน้ำเชื่อมระบบ RO สามารถกำจัดน้ำได้ประมาณ 75-90% ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและการสัมผัสอุณหภูมิสูงของน้ำเชื่อม
เบียร์แอลกอฮอล์ต่ำ
เมื่อเบียร์ที่มีความเข้มข้นปกติถูกทำให้ผ่านกระบวนการรีเวิร์สออสโมซิส ทั้งน้ำและแอลกอฮอล์จะผ่านเยื่อกรองได้ง่ายกว่าส่วนประกอบอื่นๆ ทำให้ได้ "เบียร์เข้มข้น" จากนั้นจึงนำเบียร์เข้มข้นนี้ไปเจือจางด้วยน้ำสะอาดเพื่อคืนส่วนประกอบที่ไม่ระเหยให้กลับมามีความเข้มข้นเท่าเดิม[ 21 ]
การผลิตไฮโดรเจน
สำหรับ การผลิตไฮโดรเจนในปริมาณน้อยบางครั้งจะใช้ RO เพื่อป้องกันการเกิดคราบแร่ธาตุบนพื้นผิวของ อิเล็ก โทรด
ตู้ปลา
ผู้เลี้ยง ตู้ปลาทะเลหลายคนใช้ระบบ RO เพื่อให้ได้น้ำทะเลที่เป็นมิตรต่อปลา น้ำประปาทั่วไปอาจมีคลอรีนคลอรามีนทองแดงไนเตรตไนไตรต์ฟอสเฟตซิลิเกตหรือสารเคมีอื่นๆ ที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตในทะเล สารปนเปื้อน เช่นไนโตรเจนและฟอสเฟต อาจทำให้เกิดสาหร่ายเจริญเติบโตที่ไม่พึงประสงค์ การผสมผสานที่มีประสิทธิภาพระหว่างระบบ RO และการกำจัดไอออนเป็นที่นิยมในหมู่ผู้เลี้ยงตู้ปลาทะเล และเป็นที่นิยมมากกว่ากระบวนการกรองน้ำอื่นๆ เนื่องจากต้นทุนการเป็นเจ้าของและต้นทุนการดำเนินงานต่ำ ในกรณีที่ พบ คลอรีนและคลอรามีนในน้ำ จำเป็นต้องใช้การกรองคาร์บอนก่อนระบบ RO เนื่องจากเมมเบรนที่ใช้ในบ้านทั่วไปไม่สามารถกำจัดสารประกอบเหล่านี้ได้
นักเลี้ยงปลาน้ำจืดก็ใช้ระบบ RO เพื่อจำลองสภาพน้ำอ่อนที่พบในแหล่งน้ำเขตร้อนหลายแห่ง แม้ว่าปลาเขตร้อนหลายชนิดจะสามารถอยู่รอดได้ในน้ำประปาที่ผ่านการบำบัดแล้ว แต่การเพาะพันธุ์อาจเป็นไปไม่ได้ ร้านขายอุปกรณ์เลี้ยงปลาหลายแห่งจึงจำหน่ายน้ำ RO บรรจุภาชนะสำหรับจุดประสงค์นี้ เป็นไปได้ที่จะผลิตน้ำ RO จากน้ำประปาในบ้าน อุปกรณ์ติดตั้งง่าย และทำงานได้ที่แรงดันน้ำประปาปกติ อย่างไรก็ตาม เมมเบรนในไส้กรอง RO จะเสื่อมประสิทธิภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป และจำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นครั้งคราว
การทำความสะอาดหน้าต่าง
วิธีการทำความสะอาดหน้าต่างที่ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ คือระบบ "เสาน้ำทำความสะอาด" แทนที่จะล้างหน้าต่างด้วยผงซักฟอกทั่วไป จะใช้น้ำบริสุทธิ์ที่มีปริมาณของแข็งละลายในน้ำน้อยกว่า 10 ppm ขัดถู โดยใช้แปรงที่ปลายเสาซึ่งถือจากระดับพื้นดิน โดยทั่วไปจะใช้ระบบ RO ในการทำให้น้ำบริสุทธิ์
การบำบัดน้ำชะจากหลุมฝังกลบขยะ
การบำบัดด้วยระบบ RO มีข้อจำกัด ทำให้ได้อัตราการฟื้นตัวต่ำเมื่อมีความเข้มข้นสูง (วัดด้วยค่าการนำไฟฟ้า ) และเกิดการอุดตันของเมมเบรน การใช้งาน RO ถูกจำกัดด้วยค่าการนำไฟฟ้า สารอินทรีย์ และธาตุอนินทรีย์ที่ก่อให้เกิดตะกอน เช่น CaSO₄ Si, Fe และ Ba หากมีตะกอนอินทรีย์ต่ำ สามารถใช้เทคโนโลยีได้สองแบบ คือ เมมเบรนแบบม้วนเกลียว และ (สำหรับตะกอนอินทรีย์สูง ค่าการนำไฟฟ้าสูง และแรงดันสูง (สูงสุด 90 บาร์)) สามารถใช้โมดูลแบบท่อจานที่มีเมมเบรน RO ได้ โมดูลแบบท่อจานได้รับการออกแบบใหม่สำหรับ การทำความบริสุทธิ์ ของน้ำชะ จากหลุมฝังกลบขยะ ซึ่งมักปนเปื้อนด้วยสารอินทรีย์ เนื่องจากมีการไหลแบบไขว้ จึงมีการใช้ปั๊มเพิ่มแรงดันเพื่อหมุนเวียนการไหลผ่านเมมเบรนประมาณ 1.5 ถึง 3 ครั้งก่อนที่จะปล่อยออกมาเป็นสารเข้มข้น ความเร็วสูงช่วยป้องกันการเกิดตะกอนบนเมมเบรนและช่วยให้ทำความสะอาดเมมเบรนได้ง่าย
การใช้พลังงานสำหรับระบบโมดูลท่อดิสก์
| ปริมาณการใช้พลังงานต่อลูกบาศก์เมตรของน้ำชะล้าง | |||
|---|---|---|---|
| ชื่อโมดูล | 1 ขั้นตอน สูงสุด 75 บาร์ | 2 ขั้นตอน สูงสุด 75 บาร์ | 3 ขั้นตอน สูงสุด 120 บาร์ |
| โมดูลท่อดิสก์ | 6.1–8.1 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ ลบ.ม. | 8.1–9.8 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ ลบ.ม. | 11.2–14.3 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ ลบ.ม. |
การแยกเกลือออกจากน้ำ
พื้นที่ที่มีน้ำผิวดินหรือน้ำใต้ดินจำกัดอาจเลือกใช้วิธีการแยกเกลือออกจาก น้ำ RO เป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น เนื่องจากมีการใช้พลังงานค่อนข้างต่ำ[ 22 ]
การใช้พลังงานอยู่ที่ประมาณ3 kWh/m³ ( 11,000 J/L)โดยมีการพัฒนา อุปกรณ์ กู้คืนพลังงาน ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และวัสดุเมมเบรนที่ได้รับการปรับปรุง ตามข้อมูลของสมาคมการกลั่นน้ำทะเลระหว่างประเทศในปี 2011 RO ถูกนำมาใช้ในกำลังการผลิตการกลั่นน้ำทะเลที่ติดตั้งไว้ 66% (0.0445 จาก 0.0674 km³ /วัน) และเกือบทั้งหมดเป็นโรงงานใหม่[ 23 ]โรงงานอื่นๆ ใช้วิธีการกลั่นด้วยความร้อน ได้แก่การกลั่นแบบหลายขั้นตอนและ การ กลั่นแบบแฟลชหลายขั้นตอน
การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลด้วยระบบรีเวิร์สออสโมซิส (SWRO) ต้องใช้พลังงานประมาณ 3 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตรซึ่งสูงกว่าพลังงานที่จำเป็นสำหรับระบบน้ำประปาแบบอื่น ๆ รวมถึงการบำบัดน้ำเสียด้วยระบบรีเวิร์สออสโมซิส ซึ่งใช้พลังงานเพียง 0.1 ถึง 1 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตรสามารถนำน้ำทะเลที่ป้อนเข้าระบบกลับมาเป็นน้ำจืดได้มากถึง 50% แม้ว่าอัตราการนำกลับมาใช้ใหม่ที่ต่ำกว่าอาจช่วยลดการอุดตันของเมมเบรนและลดการใช้พลังงานได้
การรีเวิร์สออสโมซิสของน้ำกร่อย (BWRO) คือการแยกเกลือออกจากน้ำที่มีเกลือน้อยกว่าน้ำทะเล ซึ่งโดยปกติจะมาจากปากแม่น้ำหรือบ่อน้ำเค็ม กระบวนการนี้โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับ SWRO แต่ต้องการแรงดันที่ต่ำกว่าและพลังงานน้อยกว่า[ 1 ]สามารถกู้คืนน้ำจืดได้มากถึง 80% ของน้ำป้อน ขึ้นอยู่กับความเค็มของน้ำป้อน
โรงงาน ผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล Ashkelonในอิสราเอลเป็นโรงงานที่ใหญ่ที่สุดในโลก[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
ระบบ SWRO แบบผ่านครั้งเดียวโดยทั่วไปประกอบด้วย:
- การรับเข้า
- การเตรียมการก่อนการรักษา
- ปั๊มแรงดันสูง (หากไม่ได้ใช้ร่วมกับระบบการกู้คืนพลังงาน)
- การประกอบเมมเบรน
- การกู้คืนพลังงาน (หากมีการใช้งาน)
- การเติมแร่ธาตุและการปรับค่า pH
- การฆ่าเชื้อโรค
- แผงควบคุม/สัญญาณเตือน
การเตรียมการก่อนการรักษา
การเตรียมการก่อนใช้งานมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้เมมเบรนนาโนฟิลเทรชัน เนื่องจากโครงสร้างแบบม้วนเป็นเกลียว วัสดุถูกออกแบบมาเพื่อให้มีการไหลทางเดียว การออกแบบนี้ไม่อนุญาตให้มีการสวนทางด้วยน้ำหรืออากาศเพื่อชะล้างพื้นผิวและกำจัดของแข็งที่สะสมอยู่ เนื่องจากไม่สามารถกำจัดวัสดุออกจากพื้นผิวเมมเบรนได้ จึงทำให้เกิดการอุดตัน ได้ง่าย (ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง) ดังนั้น การเตรียมการก่อนใช้งานจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบ RO หรือนาโนฟิลเทรชันทุกระบบ การเตรียมการก่อนใช้งานประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสี่ส่วน:
- การกรองของแข็ง: ต้องกำจัดของแข็งและบำบัดน้ำเพื่อป้องกันการอุดตันของเมมเบรนจากอนุภาคหรือการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ และลดความเสี่ยงต่อความเสียหายของชิ้นส่วนที่มีแรงดันสูง
- การกรองแบบตลับ: โดยทั่วไปจะใช้ตัวกรองโพ ลี โพรพีลีน แบบพันเส้นใยเพื่อกำจัดอนุภาคที่มี เส้นผ่านศูนย์กลาง 1–5 ไมโครเมตร
- การให้สารเคมี : สารฆ่าเชื้อ ที่มีฤทธิ์ออกซิไดซ์ เช่น คลอรีน จะถูกเติมลงไปเพื่อฆ่าแบคทีเรีย ตามด้วยการเติมไบซัลไฟต์เพื่อลดฤทธิ์ของคลอรีน ซึ่งอาจทำลายเยื่อคอมโพสิตแบบฟิล์มบางได้ สารยับยั้ง การเกิดคราบจุลินทรีย์จะไม่ฆ่าแบคทีเรีย แต่จะป้องกันไม่ให้แบคทีเรียสร้างเมือกบนพื้นผิวของเยื่อและผนังของพืช
- การปรับค่า pHก่อนการกรอง: หากค่า pH ความกระด้างและความเป็นด่างในน้ำป้อนส่งผลให้เกิดคราบตะกรันในขณะที่มีความเข้มข้นในน้ำทิ้ง จะมีการเติมกรดเพื่อรักษาสภาพของคาร์บอเนต ให้อยู่ใน รูปของกรดคาร์บอนิกที่ละลายได้
- CO 2− + H O + = HCO - + H O
- HCO − + H O + = H CO + H O
- กรดคาร์บอนิกไม่สามารถรวมตัวกับแคลเซียมเพื่อก่อตัวเป็น คราบ แคลเซียมคาร์บอเนตได้ แนวโน้มการเกิดคราบแคลเซียมคาร์บอเนตสามารถประเมินได้โดยใช้ดัชนีความอิ่มตัวของแลงเจลิเยร์ การเติม กรดซัลฟิวริกมากเกินไปเพื่อควบคุมคราบคาร์บอเนตอาจส่งผลให้เกิด คราบ แคลเซียมซัลเฟตแบเรียมซัลเฟตหรือสตรอนเทียมซัลเฟตบนเมมเบรนได้
- สารป้องกันการเกิดตะกรันก่อนการกรอง: สารยับยั้งการเกิดตะกรัน (หรือที่รู้จักกันในชื่อสารป้องกันการเกิดตะกรัน) ป้องกันการเกิดตะกรันได้มากกว่ากรด ซึ่งสามารถป้องกันการเกิดตะกรันแคลเซียมคาร์บอเนตและแคลเซียมฟอสเฟต เท่านั้น นอกจากจะยับยั้งการเกิดตะกรันคาร์บอเนตและฟอสเฟตแล้ว สารป้องกันการเกิดตะกรันยังยับยั้งการเกิดตะกรันซัลเฟตและฟลูออไรด์ และกระจายคอลลอยด์และออกไซด์โลหะ แม้จะมีการอ้างว่าสารป้องกันการเกิดตะกรันสามารถยับยั้งการเกิดซิลิกา ได้ แต่ก็ไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดที่พิสูจน์ได้ว่าการเกิดพอลิเมอไรเซชัน ของซิลิกา ถูกยับยั้งโดยสารป้องกันการเกิดตะกรัน สารป้องกันการเกิดตะกรันสามารถควบคุมตะกรันที่ละลายได้ในกรดได้ในปริมาณที่น้อยกว่าปริมาณที่จำเป็นในการควบคุมตะกรันชนิดเดียวกันโดยใช้กรดซัลฟิวริก[ 27 ]
- หน่วยผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลขนาดเล็กบางแห่งใช้ "บ่อชายหาด" ซึ่งโดยทั่วไปจะเจาะลงบนชายฝั่งทะเล สิ่งอำนวยความสะดวกในการรับน้ำเหล่านี้สร้างได้ค่อนข้างง่าย และน้ำทะเลที่เก็บได้จะได้รับการบำบัดเบื้องต้นโดยการกรองอย่างช้าๆ ผ่านชั้นทราย/พื้นทะเลใต้ผิวดิน น้ำทะเลดิบที่เก็บได้โดยใช้บ่อชายหาดมักมีคุณภาพดีกว่าในแง่ของของแข็ง ตะกอน น้ำมัน ไขมัน สารปนเปื้อนอินทรีย์ และจุลินทรีย์ เมื่อเทียบกับการรับน้ำจากน้ำทะเลแบบเปิด นอกจากนี้ น้ำทะเลจากบ่อชายหาดอาจมีความเค็มต่ำกว่าด้วย
ปั๊มแรงดันสูง
ปั๊มแรงดันสูงจะดันน้ำผ่านเยื่อกรอง แรงดันทั่วไปสำหรับน้ำกร่อยอยู่ระหว่าง 1.6 ถึง 2.6 เมกะปาสคาล (225 ถึง 376 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ในกรณีของน้ำทะเล แรงดันจะอยู่ระหว่าง 5.5 ถึง 8 เมกะปาสคาล (800 ถึง 1,180 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ซึ่งต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ในกรณีที่มีการใช้ระบบกู้คืนพลังงาน งานบางส่วนของปั๊มแรงดันสูงจะถูกดำเนินการโดยอุปกรณ์กู้คืนพลังงาน ทำให้ลดการใช้พลังงานลง
การประกอบเมมเบรน
ชุดเมมเบรนประกอบด้วยถังแรงดันที่มีเมมเบรนซึ่งยอมให้น้ำป้อนถูกดันเข้าไป เมมเบรนต้องมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทนต่อแรงดันได้ เมมเบรน RO ผลิตขึ้นในรูปแบบต่างๆ สองแบบที่พบได้บ่อยที่สุดคือแบบม้วนเป็นเกลียวและแบบเส้นใยกลวง
มีเพียงส่วนหนึ่งของน้ำที่ถูกสูบเข้าไปในเมมเบรนเท่านั้นที่จะผ่านไปได้ ส่วนที่เหลือซึ่งเป็น "สารเข้มข้น" จะไหลไปตามด้านที่มีความเค็มของเมมเบรนและชะล้างเกลือและสิ่งตกค้างอื่นๆ ออกไป เปอร์เซ็นต์ของน้ำที่แยกเกลือออกได้เรียกว่า "อัตราการฟื้นตัว" ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามความเค็มและพารามิเตอร์การออกแบบระบบ โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 20% สำหรับระบบน้ำทะเลขนาดเล็ก 40% – 50% สำหรับระบบน้ำทะเลขนาดใหญ่ และ 80% – 85% สำหรับน้ำกร่อย การไหลของสารเข้มข้นโดยทั่วไปจะต่ำกว่าแรงดันน้ำป้อนประมาณ 3 บาร์/50 psi ดังนั้นจึงยังคงรักษาพลังงานที่ป้อนเข้าไปไว้ได้มาก
ความบริสุทธิ์ของน้ำที่ผ่านการแยกเกลือออกจากน้ำขึ้นอยู่กับความเค็มของน้ำป้อน การเลือกใช้เมมเบรน และอัตราการฟื้นตัว เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้น สามารถเพิ่มรอบการกรองครั้งที่สอง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะต้องใช้รอบการสูบน้ำเพิ่มอีกหนึ่งรอบ ความบริสุทธิ์ที่แสดงในรูปของปริมาณของแข็งที่ละลายทั้งหมดโดยทั่วไปจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 100 ถึง 400 ส่วนในล้านส่วน (ppm หรือ mg/ลิตร) สำหรับน้ำทะเลป้อน โดยทั่วไปแล้วระดับ 500 ppm เป็นขีดจำกัดสูงสุดสำหรับน้ำดื่ม ในขณะที่สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐอเมริกาจัดประเภทน้ำแร่ว่าเป็นน้ำที่มีปริมาณของแข็งละลายอย่างน้อย 250 ppm
การกู้คืนพลังงาน
การนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่สามารถลดการใช้พลังงานได้ 50% หรือมากกว่านั้น พลังงานที่ป้อนเข้าไปส่วนใหญ่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้จากกระแสของสารเข้มข้น และประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์นำพลังงานกลับมาใช้ใหม่จะช่วยลดความต้องการพลังงานลงอย่างมาก อุปกรณ์ที่ใช้เรียงตามลำดับการประดิษฐ์ ได้แก่:
- กังหันน้ำหรือล้อเพลตัน : กังหันน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสน้ำเข้มข้น เชื่อมต่อกับเพลาขับของปั๊มเพื่อผลิตพลังงานส่วนหนึ่ง ในระบบขนาดเล็ก อาจใช้มอเตอร์ลูกสูบแกนหมุนแบบปริมาตรคงที่แทนกังหันน้ำได้
- เทอร์โบชาร์จเจอร์: กังหันน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยการไหลของสารเข้มข้น เชื่อมต่อโดยตรงกับปั๊มแรงเหวี่ยงที่เพิ่มแรงดันเอาต์พุต ลดแรงดันที่ต้องการจากปั๊มและด้วยเหตุนี้จึงลดพลังงานที่ป้อนเข้า[ 28 ] หลักการสร้างคล้ายกับ เทอร์โบชาร์จเจอร์ของเครื่องยนต์รถยนต์
- เครื่องแลกเปลี่ยนความดัน : ใช้การไหลของสารเข้มข้นที่มีความดัน ผ่านการสัมผัสโดยตรงหรือลูกสูบ เพื่อเพิ่มความดันให้กับส่วนหนึ่งของการไหลของสารป้อนเมมเบรนให้ใกล้เคียงกับความดันการไหลของสารเข้มข้น[ 29 ]จากนั้นปั๊มเพิ่มความดันจะเพิ่มความดันนี้ขึ้นโดยทั่วไป 3 บาร์ / 50 psi ให้เท่ากับความดันการไหลของสารป้อนเมมเบรน ซึ่งจะช่วยลดปริมาณการไหลที่ต้องการจากปั๊มแรงดันสูงลงเท่ากับปริมาณการไหลของสารเข้มข้น โดยทั่วไป 60% และลดการใช้พลังงานลงด้วย เครื่องแลกเปลี่ยนความดันแบบนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบพลังงานต่ำขนาดใหญ่ สามารถใช้พลังงานได้ 3 kWh/m³ หรือน้อยกว่า
- ปั๊มกู้ คืนพลังงาน : ปั๊มลูกสูบแบบเคลื่อนที่ขึ้นลง แรงดันของสารละลายเข้มข้นจะถูกส่งไปยังด้านหนึ่งของลูกสูบแต่ละตัวเพื่อช่วยขับเคลื่อนการไหลของสารละลายป้อนเข้าเมมเบรนจากด้านตรงข้าม อุปกรณ์กู้คืนพลังงานชนิดนี้ใช้งานง่ายที่สุด โดยรวมปั๊มแรงดันสูงและการกู้คืนพลังงานไว้ในหน่วยเดียวที่ควบคุมตัวเองได้ จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำ สามารถใช้พลังงาน ได้ 3 kWh/m³ หรือ น้อยกว่า
- การทำงานแบบแบทช์: ระบบ RO ที่ทำงานด้วยปริมาตรของของเหลวคงที่ (ในทางเทอร์โมไดนามิกเป็นระบบปิด ) จะไม่ประสบปัญหาพลังงานสูญเปล่าในกระแสน้ำเกลือ เนื่องจากพลังงานที่ใช้ในการอัดของเหลวที่แทบจะอัดไม่ได้ (น้ำ) นั้นมีน้อยมาก ระบบดังกล่าวมีศักยภาพที่จะบรรลุประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สองได้ถึง 60% [ 1 ] [ 30 ] [ 31 ]ระบบดังกล่าวสามารถสร้างได้หลายวิธี รวมถึงการใช้ถังแรงดันที่มีลูกสูบ[ 30 ]หรือกระเพาะปัสสาวะ[ 31 ]หรือถังแรงดันต่ำที่มี ERD แบบดั้งเดิม[ 32 ]
การเติมแร่ธาตุและการปรับค่า pH
น้ำที่ผ่านกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำจะถูกปรับสภาพให้คงตัวเพื่อปกป้องท่อส่งและแหล่งเก็บน้ำปลายทาง โดยปกติจะเติมปูนขาวหรือโซดาไฟเพื่อป้องกันการกัดกร่อนของพื้นผิวคอนกรีต ปูนขาวใช้เพื่อปรับค่า pH ให้อยู่ระหว่าง 6.8 ถึง 8.1 เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของน้ำดื่ม โดยหลักแล้วเพื่อการฆ่าเชื้อโรคอย่างมีประสิทธิภาพและการควบคุมการกัดกร่อน อาจจำเป็นต้องเติมแร่ธาตุเพื่อทดแทนแร่ธาตุที่ถูกกำจัดออกจากน้ำโดยกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ แม้ว่ากระบวนการนี้จะพิสูจน์แล้วว่ามีต้นทุนสูงและไม่สะดวก เพื่อตอบสนองความต้องการแร่ธาตุของมนุษย์และพืชเช่นเดียวกับที่พบในน้ำจืดทั่วไป ตัวอย่างเช่น น้ำจากระบบประปาแห่งชาติของอิสราเอลโดยทั่วไปจะมีระดับแมกนีเซียมละลายอยู่ที่ 20 ถึง 25 มิลลิกรัมต่อลิตร ในขณะที่น้ำจาก โรงงาน Ashkelonไม่มีแมกนีเซียม น้ำจาก Ashkelon ทำให้เกิด อาการ ขาดแมกนีเซียมในพืชผล รวมถึงมะเขือเทศ โหระพา และดอกไม้ และต้องแก้ไขโดยการใส่ปุ๋ย มาตรฐานน้ำดื่มของอิสราเอลกำหนดให้มีระดับแคลเซียมขั้นต่ำ 20 มิลลิกรัมต่อลิตร กระบวนการบำบัดหลังการแยกเกลือออกจากน้ำของ Askelon ใช้กรดซัลฟิวริกในการละลายแคลไซต์ (หินปูน) ส่งผลให้ความเข้มข้นของแคลเซียมอยู่ที่ 40 ถึง 46 มิลลิกรัมต่อลิตร ซึ่งต่ำกว่า 45 ถึง 60 มิลลิกรัมต่อลิตรที่พบในน้ำจืดทั่วไปของอิสราเอล
การฆ่าเชื้อโรค
การฆ่าเชื้อหลังการบำบัดให้การป้องกันขั้นที่สองต่อเมมเบรนที่เสียหายและปัญหาปลายทาง การฆ่าเชื้อโดยใช้ หลอด อัลตราไวโอเลต (UV) (บางครั้งเรียกว่าฆ่าเชื้อโรคหรือแบคทีเรีย) อาจใช้เพื่อฆ่าเชื้อก่อโรคที่หลบเลี่ยงกระบวนการ RO การคลอริเนชันหรือคลอรามิเนชัน (คลอรีนและแอมโมเนีย) ช่วยป้องกันเชื้อโรคที่อาจตกค้างอยู่ในระบบจ่ายน้ำปลายทาง[ 33 ]
ข้อเสีย
โดยทั่วไป ระบบอุตสาหกรรม/เทศบาลขนาดใหญ่สามารถนำน้ำป้อนกลับมาใช้ใหม่ได้ 75% ถึง 80% หรือสูงถึง 90% เนื่องจากสามารถสร้างแรงดันที่สูงกว่าที่จำเป็นได้
น้ำเสีย
เครื่องกรองน้ำ RO สำหรับใช้ในครัวเรือนใช้ปริมาณน้ำมากเนื่องจากมีแรงดันย้อนกลับต่ำ โดยทั่วไปเครื่องกรองน้ำ RO สำหรับใช้ในครัวเรือนจะผลิตน้ำที่ใช้ได้ 1 ลิตรและน้ำเสีย 3-25 ลิตร[ 34 ]ส่วนที่เหลือจะถูกปล่อยทิ้ง โดยปกติจะลงท่อระบายน้ำ เนื่องจากน้ำเสียมีสารปนเปื้อนที่ถูกปฏิเสธ การนำน้ำนี้กลับมาใช้ใหม่จึงไม่สามารถทำได้จริงสำหรับระบบในครัวเรือน โดยทั่วไปน้ำเสียจะถูกส่งไปยังท่อระบายน้ำของบ้าน เครื่องกรอง RO ที่ผลิต น้ำที่ผ่านการบำบัดแล้ว 20 ลิตร (5.3 แกลลอนสหรัฐ ) ต่อวันยังปล่อยน้ำเสียระหว่าง50 ถึง 80 ลิตร (13 ถึง 21 แกลลอนสหรัฐ ) สิ่งนี้ทำให้ ศาลสิ่งแวดล้อมแห่งชาติของอินเดียเสนอให้ห้ามใช้ระบบกรองน้ำ RO ในพื้นที่ที่ ปริมาณ ของแข็งที่ละลายทั้งหมด (TDS) ในน้ำน้อยกว่า 500 มิลลิกรัมต่อลิตรในเดลี การใช้เครื่องกรองน้ำ RO ในครัวเรือนในวงกว้างได้เพิ่มความต้องการน้ำทั้งหมดของ เขตเมืองหลวงแห่งชาติของอินเดียซึ่งขาดแคลนน้ำอยู่แล้ว[ 35 ]
สุขภาพ
RO กำจัดทั้งสารปนเปื้อนที่เป็นอันตรายและแร่ธาตุที่พึงประสงค์ การศึกษาบางชิ้นรายงานความสัมพันธ์ระหว่างผลกระทบต่อสุขภาพในระยะยาวกับการบริโภคน้ำที่มีแคลเซียมและแมกนีเซียม ต่ำ แม้ว่าการศึกษาเหล่านี้จะมีคุณภาพต่ำก็ตาม[ 36 ]
การพิจารณาเกี่ยวกับกระแสของเสีย
ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ กระแสตัวทำละลายหรือกระแสสารละลายของ RO จะเป็นของเสีย สำหรับการใช้งานในการทำให้เข้มข้นของอาหาร กระแสสารละลายที่เข้มข้นจะเป็นผลิตภัณฑ์ และกระแสตัวทำละลายจะเป็นของเสีย สำหรับการใช้งานในการบำบัดน้ำ กระแสตัวทำละลายจะเป็นน้ำบริสุทธิ์ และกระแสสารละลายจะเป็นของเสียที่มีความเข้มข้น[ 37 ]กระแสของเสียตัวทำละลายจากการแปรรูปอาหารอาจใช้เป็นน้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้แต่อาจมีทางเลือกน้อยลงสำหรับการกำจัดกระแสของเสียสารละลายที่มีความเข้มข้น เรืออาจใช้การทิ้งลงทะเลและโรงงานผลิตน้ำจืดชายฝั่งมักใช้ท่อระบายน้ำลงทะเลโรงงาน RO ที่อยู่บนบกอาจต้องใช้บ่อระเหยหรือบ่อฉีดเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนน้ำใต้ดินหรือน้ำไหลบ่าบนพื้นผิว[ 38 ]
วิจัย
การปรับปรุงเมมเบรนในปัจจุบัน
เมมเบรน RO ในปัจจุบัน ซึ่งเป็นเมมเบรนโพลีอะไมด์คอมโพสิตฟิล์มบาง (TFC) กำลังได้รับการศึกษาเพื่อหาวิธีปรับปรุงการซึมผ่าน นักวิจัยสามารถสร้างแบบจำลอง 3 มิติของเมมเบรนและตรวจสอบว่าน้ำไหลผ่านอย่างไรโดยใช้วิธีการสร้างภาพแบบใหม่ พวกเขาพบว่าเมมเบรน TFC ที่มีบริเวณที่มีการไหลต่ำจะลดการซึมผ่านของน้ำลงอย่างมาก[ 39 ]โดยการทำให้เมมเบรนมีความสม่ำเสมอและปล่อยให้น้ำไหลอย่างต่อเนื่องโดยไม่ชะลอตัว การซึมผ่านของเมมเบรนสามารถปรับปรุงได้ 30–40% [ 40 ]
อิเล็กโทรไดอะลิซิส
งานวิจัยได้ศึกษาการบูรณาการระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO) กับระบบอิเล็กโทรไดอะลิซิสเพื่อปรับปรุงการกู้คืนผลิตภัณฑ์ปราศจากไอออนที่มีมูลค่าสูง หรือเพื่อลดปริมาณสารเข้มข้น
ความดันต่ำ การฟื้นตัวสูง (LPHR)
อีกแนวทางหนึ่งคือระบบรีเวอร์สออสโมซิสหลายขั้นตอนความดันต่ำประสิทธิภาพสูง (LPHR) ระบบนี้ผลิตน้ำเกลือ เข้มข้น และน้ำจืดโดยการหมุนเวียนน้ำที่ได้ผ่านเยื่อกรองที่มีรูพรุนค่อนข้างมากซ้ำๆ ที่ความดันค่อนข้างต่ำ แต่ละรอบจะกำจัดสิ่งเจือปนเพิ่มเติม เมื่อน้ำที่ได้มีความบริสุทธิ์ค่อนข้างดีแล้ว จะถูกส่งผ่านเยื่อกรองรีเวอร์สออสโมซิสแบบดั้งเดิมที่ความดันปกติเพื่อทำการกรองให้เสร็จสมบูรณ์ พบว่า LPHR มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ โดยสามารถกู้คืนน้ำได้มากกว่า 70% ด้วยความดันเปิด (OPD) ระหว่าง 58 ถึง 65 บาร์ และเหลือค่า TDS ไม่เกิน 350 ppm จากน้ำทะเลที่มี TDS 35,000 ppm
ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs)
ท่อนาโนคาร์บอนมีศักยภาพในการแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างการซึมผ่านและการเลือกสรรของเยื่อ RO CNT มีคุณสมบัติที่เหมาะสมหลายประการ ได้แก่ ความแข็งแรงเชิงกล ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอน และยังมีความยืดหยุ่นในระหว่างการดัดแปลง โดยการปรับโครงสร้างท่อนาโนคาร์บอนและการเคลือบหรือการแทรกซึมด้วยสารประกอบทางเคมีอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตเยื่อเหล่านี้ให้มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์ทั้งหมดได้ ความหวังของเยื่อ CNT คือการค้นหาการผสมผสานระหว่างการซึมผ่านของน้ำสูงในขณะเดียวกันก็ลดปริมาณสารละลายที่เป็นกลางที่ถูกกำจัดออกจากน้ำ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานและต้นทุนการเติมแร่ธาตุหลังจากการทำให้บริสุทธิ์ผ่านเยื่อ[ 41 ]
กราฟีน
เมมเบรนกราฟีนถูกออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จากความบางของมันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ กราฟีนเป็นชั้นอะตอมคาร์บอนชั้นเดียว ดังนั้นจึงบางกว่าเมมเบรนที่มีอยู่ประมาณ 1,000 เท่า เมมเบรนกราฟีนมี ความหนาประมาณ 100 นาโนเมตร ในขณะที่เมมเบรนปัจจุบันมีความหนาประมาณ 100 ไมโครเมตร นักวิจัยหลายคนกังวลเกี่ยวกับความทนทานของกราฟีนและว่ามันจะสามารถรับมือกับแรงดัน RO ได้หรือไม่ งานวิจัยใหม่พบว่าขึ้นอยู่กับพื้นผิว (ชั้นรองรับที่ไม่ทำหน้าที่กรองและให้การรองรับโครงสร้างเท่านั้น) เมมเบรนกราฟีนสามารถทนต่อแรงดันได้ถึง 57 MPa ซึ่งประมาณ 10 เท่าของแรงดันทั่วไปสำหรับ RO น้ำทะเล[ 42 ]
ระบบ RO แบบแบทช์อาจให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ที่สูงขึ้น อุปกรณ์ทนทานมากขึ้น และรองรับความเค็มได้สูงกว่า
แนวทางดั้งเดิมอ้างว่าโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ทีละตัว ทีมวิจัยได้คิดค้นทฤษฎี "การละลาย-แรงเสียดทาน" โดยอ้างว่าโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นกลุ่มผ่านรูพรุนชั่วคราว การกำหนดลักษณะของกระบวนการดังกล่าวสามารถชี้นำการพัฒนาเยื่อหุ้มเซลล์ได้ ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับคือโมเลกุลน้ำแต่ละตัวแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเรียกว่าแบบจำลอง "การละลาย-การแพร่" [ 43 ]
ดูเพิ่มเติม
แหล่งที่มา
- เมตคาล์ฟ; เอ็ดดี้ (1972). วิศวกรรมน้ำเสีย . นิวยอร์ก: บริษัท แมคกรอว์-ฮิลล์ บุ๊ค. ISBN 978-0-070-49539-5.