Η γενική βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, κυρίως όμως η εκρηκτική πληθυσμιακή αύξηση των μεγάλων αστικών κέντρων έχει επιφέρει δυσανάλογη αύξηση της ζήτησης νερού και εξ’ ίσου δυσανάλογη σπατάλη με αποτέλεσμα οι πηγές τροφοδότησης με νερό χρήσης μεγάλων περιοχών του πλανήτη να στερέψουν σταδιακά.
Η ραγδαία όμως αύξηση του πληθυσμού έχει και έναν άλλο σημαντικό και εξ’ ίσου θλιβερό αποτέλεσμα: την ραγδαία αύξηση της ρύπανσης και μόλυνσης όλων σχεδόν των υδάτινων αποθεμάτων. Αυτή η ρύπανση και μόλυνση προέρχεται τόσο από τα λύματα οικιακής χρήσης καθώς και από τα βιομηχανικά απόβλητα και την αλόγιστη χρήση φυτοφαρμάκων και λιπασμάτων.
Στον πλανήτη μας υπάρχουν τεράστιες άγονες περιοχές όπου οι κλιματολογικές συνθήκες προσφέρουν ελάχιστη έως μηδενική βροχόπτωση, όπου η έλλειψη του νερού είναι απόλυτη. Το πρόβλημα αυτό παρουσιάζουν πολλές παράκτιες περιοχές όπου η έλλειψη πόσιμου νερού, έστω και υφάλμυρου, είναι η ίδια όπως και στις ηπειρωτικές ερήμους. Υπολογίζεται ότι σε όλη την γη υπάρχουν περίπου 33.000 km άγονες ακτές, το μεγαλύτερο μέρος των οποίων βρίσκεται στον Ινδικό Ωκεανό, στην Αραβική χερσόνησο και κατά μήκος των Αφρικανικών ακτών.
Τα νησιά του Αιγαίου γενικά και οι Κυκλάδες και τα Δωδεκάνησα ειδικά, έχουν χαμηλά μέσα ετήσια ύψη βροχόπτωσης. Όσον αφορά τη ζήτηση υδατικών αναγκών: Την τελευταία επταετία η αύξηση των υδρευτικών αναγκών είναι πολύ μεγάλη και έχουν επεκταθεί θεαματικά τα έργα υδροληψίας (νέες γεωτρήσεις, αφαλατώσεις, μεταφερόμενες ποσότητες), ενώ παράλληλα δεν υπάρχει διαχειριστική πολιτική μείωσης της υδρευτικής ζήτησης όπως ο περιορισμός των απωλειών, τιμολογιακή πολιτική, ευαισθητοποίηση των πολιτών, σχεδιασμός έργων κ.λ.π..
Αυτό αποδεικνύεται τόσο από την αύξηση των μεταφερόμενων ποσοτήτων σε νησιά από το 1996 και μετά, όσο και από τις καταμετρημένες καταναλώσεις, όπου αυτές είναι διαθέσιμες. Η αύξηση υπερβαίνει το 15% και έχει διαρκώς περαιτέρω αυξητική τάση.
Αντίστοιχα σημαντική είναι και η συνολική ζήτηση άρδευσης, η οποία αποτελεί περισσότερο από το 50% των σημερινών αναγκών των νησιών. Η ζήτηση για άρδευση είναι μεν γενικά σταθερή και δεν έχει αυξητικές τάσεις, αλλά είναι και στην πλειοψηφία της ανεξέλεγκτη, με αποτέλεσμα να μην είναι σήμερα δυνατή η εφαρμογή ολοκληρωμένης διαχειριστικής πολιτικής, όπως αναφέρει ο Νικητάκος (2008).
Η υφιστάμενη κατάσταση επιβεβαιώνει την ελλειμματικότητα των περισσότερων διαχειριστικών μέσων ιδιαίτερα την περίοδο τουριστικής αιχμής, καθώς και την υπεράντληση των υπόγειων υδροφορέων που αποτελούν την κύρια πηγή κάλυψης των υδατικών αναγκών. Για τα νησιά του Αιγαίου και εφ’ όσον δεν έχει βρεθεί άλλη, οικονομικότερη συμβατική λύση, το μόνο μέσο παροχής νερού είναι η αφαλάτωση του θαλασσινού ή υφάλμυρου νερού, εάν και εφ’ όσον το επιτρέπουν οι τοπικές οικονομικές συνθήκες.
Μέθοδοι και συστήματα αφαλάτωσης
Οι μέθοδοι αφαλάτωσης, που βρήκαν ευρεία εφαρμογή, έχουν πλήρως δοκιμαστεί και κυκλοφορούν στο εμπόριο τα τελευταία 30 έως 40 χρόνια είναι η εξάτμιση (απόσταξη), η ιοντικές μέθοδοι, και η αντίστροφη ώσμωση. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι αφαλάτωσης αλλά δεν βρήκαν ευρεία εμπορική εφαρμογή, όπως η ψύξη και η απόσταξη με μεμβράνες, όπως αναφέρουν οι Δεληγιάννη και Μπελεσιώτης, (1995).
Η βασική αρχή της μεθόδου αφαλάτωσης με εξάτμιση είναι η αλλαγή φάσης του νερού από υγρό σε αέριο. Οι ατμοί του νερού επανασυμπυκνώνονται σε υγρό, που είναι τελείως απαλλαγμένοι από τα άλατα του αρχικού διαλύματος. Η αλλαγή φάσης γίνεται με την προσαγωγή θερμότητας, θεωρητικά ίση με την λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού η οποία αποδίδεται ξανά στο σύστημα κατά την συμπύκνωση των ατμών.
Γενικά η απόσταξη κατατάσσεται σε τρεις μεγάλες ομάδες, 1) η εξάτμιση πολλαπλών βαθμίδων (Multiple - Effect – Evaporation ή ΜΕ), 2) η πολυβάθμια εκρηκτική εξάτμιση ή πολυβάθμιος εκτόνωση (Multi Stage – Flash – Evaporation ή MSF και 3) εξάτμιση με επανασυμπίεση ατμών (Vapor Compression ή VC).
Τα συστήματα αφαλάτωσης πολλαπλών βαθμίδων (ME), αποτελούνται από ένα λέβητα θέρμανσης, εξατμιστήριο (αποστακτήριο), ένα συμπυκνωτή των ατμών και ένα διαχωριστή από όπου ο ατμός περνάει ελεύθερα, αλλά οι λεπτές σταγόνες της άλμης παγιδεύονται και αποχωρίζονται από τον ατμό. Η μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στα εξατμιστήρια μίας βαθμίδας οδήγησε στην κατασκευή εξατμιστηρίων με περισσότερες βαθμίδες, δηλαδή πολλά εξατμιστήρια στην σειρά, ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη εκμετάλλευση της θερμότητας του όλου συστήματος.
Σε μία εγκατάσταση με πολλές βαθμίδες ο ατμός θέρμανσης εισάγεται μόνο στην πρώτη βαθμίδα, όπου θερμαίνει την άλμη έως την θερμοκρασία βρασμού (100 οC). Οι ατμοί που σχηματίζονται στην πρώτη βαθμίδα χρησιμοποιούνται ως ατμός θέρμανσης στην δεύτερη βαθμίδα, η οποία βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση από την πρώτη ώστε το διάλυμα της άλμης να βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία κ.ο.κ. Στις περισσότερες εγκαταστάσεις εξατμιστηρίων πολλαπλών βαθμίδων η κυκλοφορία της άλμης και των ατμών γίνεται κατά ομορροή.
Στην πολυβάθμια εκρηκτική εξάτμιση (MSF), όταν μία ποσότητα θαλασσινού νερού θερμανθεί σε μια ορισμένη πίεση, σε θερμοκρασία ελάχιστα χαμηλότερη από αυτή του σημείου βρασμού του και στην συνέχεια εισαχθεί σε ένα θάλαμο ο οποίος βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση από αυτή του διαλύματος, τότε θα συμβεί ένας εκρηκτικός, απότομος βρασμός του διαλύματος.
Σε όλη την μάζα του υγρού σχηματίζονται στιγμιαία φυσαλίδες και το νερό εξατμίζεται έως ότου για την πίεση που επικρατεί επέλθει ισορροπία του διαλύματος με τους σχηματιζόμενους ατμούς. Ο εκρηκτικός αυτός βρασμός με τον σχηματισμό ατμών έχει σαν αποτέλεσμα την ψύξη του διαλύματος. Η ψύξη αυτή είναι σημαντική π.χ. για την εξάτμιση περίπου του 7% μίας ποσότητας θαλασσινού νερού αρχικής θερμοκρασίας 100 οC, η θερμοκρασία του φθάνει μετά την εξάτμιση περίπου τους 60 οC. Για να είναι δυνατή μία νέα εκρηκτική εξάτμιση στην επόμενη βαθμίδα πρέπει η πίεση στο θάλαμο να είναι χαμηλότερη από αυτή που αντιστοιχεί στο σημείο βρασμού του διαλύματος στην προηγούμενη βαθμίδα.
Στην εξάτμιση με επανασυμπίεση ατμών (VC), οι ατμοί οι οποίοι παράγονται κατά την εξάτμιση της άλμης, βρίσκονται, λόγω της ανύψωσης του σημείου βρασμού, σε κατάσταση υπερθέρμανσης και έχουν χαμηλότερη πίεση από αυτήν που αντιστοιχεί στην πίεση κορεσμού του καθαρού νερού. Συμπυκνώνονται επομένως, χάνοντας την θερμότητα υπερθέρμανσης, σε θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτή του σημείου βρασμού του διαλύματος. Η λανθάνουσα αυτή θερμότητα συμπύκνωσης που προσφέρεται από την πλευρά της εξάτμισης στον συμπυκνωτή είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ως θερμότητα θέρμανσης, στην άλλη πλευρά του συμπυκνωτή.
Αυτό επιτυγχάνεται με την συμπίεση των ατμών σε υψηλότερη πίεση, εφαρμόζοντας μηχανική ενέργεια στο σύστημα με την βοήθεια ενός συμπιεστή ο οποίος δρα ως αντλία θερμότητας ή με θερμοσυμπίεση χρησιμοποιώντας έναν εκτοξευτή ατμού. Με την επαναθέρμανση των ατμών σε κατάλληλη πίεση και θερμοκρασία, η ενέργεια που προστίθεται στο σύστημα αντισταθμίζει τις απώλειες πίεσης και κρατά το διάλυμα στο σημείο βρασμού.
Θερμότητα από εξωτερική πηγή παρέχεται στο σύστημα, μόνο κατά την έναρξη της λειτουργίας της εγκατάστασης και για χρονικό διάστημα τόσο όσο απαιτείται για να φτάσει το διάλυμα τροφοδότησης στο σημείο βρασμού. Οπότε διακόπτεται η παροχή ενέργειας και το σύστημα διατηρείται σε λειτουργία μόνο από την προσφερόμενη ενέργεια του συμπιεστή και από πιθανή συμπλήρωση των απωλειών θερμότητας, από πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια. Η υπόλοιπη εξωτερική ενέργεια που απαιτείται για την εγκατάσταση είναι αυτή για την κίνηση των αντλιών κυκλοφορίας των διαλυμάτων.
Στην αφαλάτωση με ιοντικές μεθόδους, η ποσότητα των περιεχομένων αλάτων στο νερό τροφοδότησης είναι πρωταρχικής σημασίας, και επηρεάζουν ουσιαστικά την οικονομία της μεθόδου. Υπάρχουν δύο τρόποι για τον διαχωρισμό των ιόντων από ένα διάλυμα με χρήση των ιοντικών μεθόδων. Η μία στηρίζεται στις ηλεκτρικές ιδιότητες των ιόντων, (ηλεκτροδιάλυση), ενώ η δεύτερη χρησιμοποιεί τις χημικές αντιδράσεις των ιόντων για τον διαχωρισμό (εναλλαγή ιόντων).
Η μέθοδος εναλλαγής ιόντων, χρησιμοποιεί ρητίνες ανιόντων και κατιόντων, οι οποίες προσροφούν τα ιόντα του διαλύματος και τα ανταλλάσσουν με τα κινητά ιόντα που βρίσκονται στο πλέγμα της ρητίνης. Η ηλεκτροδιάλυση χρησιμοποιεί μεμβράνες ανιόντων και κατιόντων, οι οποίες σχηματοποιούνται από ρητίνες εναλλαγής και οι οποίες επιτρέπουν την δίοδο, εκλεκτικά δια των μεμβρανών ιόντων, υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου ως δύναμης κίνησης.
Οι εγκαταστάσεις εναλλαγής ιόντων λειτουργούν χωρίς να παρουσιάζουν ιδιαίτερα προβλήματα, έχουν γενικά χαμηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, εργάζονται αυτόματα και επομένως έχουν μικρό λειτουργικό κόστος. Δεν παρουσιάζουν αξιόλογα προβλήματα διάβρωσης και το νερό τροφοδοτείται χωρίς καμιά προκατεργασία ή προσαρμογή του ΡΗ.
Οι μέθοδοι αφαλάτωσης με εναλλάκτες ιόντων, κατατάσσονται γενικά σε δύο τύπους, 1) μέθοδος σταθεράς κλίνης και 2) μέθοδος συνεχούς λειτουργίας. Στην σταθερή κλίνη λειτουργίας οι ρητίνες τοποθετούνται σε δοχεία τα οποία ονομάζονται «φίλτρα» διότι φιλτράρουν το νερό μέσα από τις ρητίνες. Ενώ στις μεθόδους σταθερής κλίνης η ρητίνη παραμένει ακίνητη καθώς διοχετεύεται το διάλυμα ή το νερό διαμέσου της κλίνης, στις μεθόδους συνεχούς λειτουργίας η ρητίνη ιόντων κινείται μαζί με το διάλυμα, έως ένα καθορισμένο σημείο της στήλης.
Η ηλεκτροδιάλυση είναι μία ηλεκτροχημική μέθοδος διαχωρισμού στην οποία τα ιόντα μεταφέρονται μέσα από μεμβράνες, από την πλευρά όπου το διάλυμα έχει την μικρότερη συγκέντρωση ιόντων σε αυτή με την μεγαλύτερη συγκέντρωση και με την εφαρμογή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος.
Ανάλογα με την πορεία της λειτουργίας μίας μονάδας, ηλεκτροδιάλυσης η μέθοδος χωρίζεται σε, 1) Ηλεκτροδιάλυση διακεκομμένης λειτουργίας, 2) Ηλεκτροδιάλυση συνεχούς λειτουργίας μίας κατεύθυνσης (μονόδρομης) και 3) Ανάστροφος ηλεκτροδιάλυση, η οποία είναι συνεχούς λειτουργίας. Η ασυνεχής ηλεκτροδιάλυση ήταν η πρώτη μέθοδος που εφαρμόστηκε σε αλμυρά και υφάλμυρα νερά. Αποτελείται από ένα κελί ηλεκτροδιάλυσης και μία δεξαμενή συλλογής του αφαλατούμενου διαλύματος το οποίο επανακυκλοφορούσε μεταξύ των μεμβρανών.
Η συμβατική ή μίας κατεύθυνσης ηλεκτροδιάλυση, αποτελείται συνήθως από δύο βαθμίδες σε σειρά σε ένα κελί ή δύο κελιά μπορούν να συνδεθούν στην σειρά. Η αντίστροφη ηλεκτροδιάλυση, αλλάζει ηλεκτρόδια κάθε 15 ή 20 λεπτά με αποτέλεσμα την σύγχρονη αλλαγή κατεύθυνσης των ιόντων μέσα στα χωρίσματα των μεμβρανών, μετατρέποντας την άνοδο σε κάθοδο και αντίστροφα, μετατρέπει τα κελιά της αραίωσης σε συμπύκνωση και αυτά της συμπύκνωσης σε αραίωση.
Η αφαλάτωση με ψύξη δεν έχει βρει ακόμη βιομηχανική εφαρμογή παρ’ όλο ότι είναι μία απλή μέθοδος στην εφαρμογή της. Όπως είναι γνωστό, ο πάγος ο οποίος σχηματίζεται κατά την ψύξη του θαλάσσιου νερού αποτελείται από γλυκό νερό ενώ τα άλατα συγκεντρώνονται στην επιφάνεια του πάγου. Η μέθοδος ψύξης απέτυχε κυρίως διότι δεν έγινε δυνατόν να σχηματισθούν μεγάλοι κρύσταλλοι πάγου. Οι λεπτοί κρύσταλλοι συγκρατούσαν στην επιφάνεια τους τα άλατα για την απομάκρυνση των οποίων έπρεπε να χρησιμοποιείται σχεδόν η μισή ποσότητα του νερού. Έτσι η μέθοδος κρίθηκε αντιοικονομική.
Η απόσταξη με μεμβράνες, είναι διεργασία η οποία λειτουργεί με κινούσα δύναμη την διαφορά θερμοκρασίας. Διαχωρίζει δύο υγρά, τα οποία βρίσκονται υπό διαφορετική θερμοκρασία, εκατέρωθεν των πλευρών μιας μεμβράνης. Η διαφορά της θερμοκρασίας μεταφέρει τα μόρια των σχηματιζόμενων ατμών του θερμότερού διαλύματος μέσα από τους πόρους μιας διαχωριστικής υδρόφοβης μεμβράνης. Η απόσταξη με μεμβράνες βρίσκεται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο.
Η αφαλάτωση με αντίστροφη ώσμωση ίσως είναι η αποτελεσματικότερη μέθοδος όχι μόνο αφαλάτωσης, αλλά και καθαρισμού του νερού, ακόμα και όταν το νερό φέρει βαρύ ρυπαντικό ή μολυσματικό φορτίο, όπως αναφέρει ο Αυλωνίτης (2006). Αποτελεί τον πιο φυσικό τρόπο καθαρισμού, χωρίς την χρήση χημικών ουσιών. Η ώσμωση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο δύο διαλύματα, όταν χωρίζονται από μία ημιπεράτη μεμβράνη τότε το νερό θα περάσει και θα κινηθεί από το αραιότερο διάλυμα (καθαρό) προς το πυκνότερο διάλυμα (θαλασσινό ή υφάλμυρο).
Η διαδικασία αυτή είναι φυσικό φαινόμενο και με αυτόν τον τρόπο ανταλλάσσονται υγρά στα κύτταρα του οργανισμού μας, καθώς επίσης στα ζώα και στα φυτά. Η ώσμωση είναι υπεύθυνη για την ανύψωση του νερού από τις ρίζες στα φύλλα των δένδρων καθώς τα διαλύματα των κυττάρων των φύλλων είναι πιο πυκνά με αποτέλεσμα νερό να κινείται προς αυτά για να αραιωθούν.
Στην αντίστροφη ώσμωση το προς αφαλάτωση ή 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.
Οι μεμβράνες είναι πολύ λεπτά φύλλα τα οποία αποτελούν ένα φράγμα στην ελεύθερη ροή του διαλύματος τροφοδότησης. Αποτελούνται από δύο διακεκριμένες στοιβάδες: μία λεπτότατη στοιβάδα, τον υμένα (skin), που είναι το δραστικό τμήμα της μεμβράνης για τον διαχωρισμό του νερού από τα διαλυμένα ή αιωρούμενα συστατικά, και από ένα λεπτό στρώμα από πορώδες υλικό το οποίο είναι περατό τόσο στο νερό όσο και στα υπόλοιπα συστατικά που περιέχονται σε αυτό.
Ο δραστικός υμένας είναι πολύ «εύθραυστος», και το πάχος του είναι μικρότερο του 0.1 μm. Συνήθως αφήνει το νερό να διέρχεται ελεύθερα διαμέσου της επιφάνειας του, ενώ συγκρατεί 90 έως 99% τα ανόργανα και 95 έως 99% τα οργανικά συστατικά και σχεδόν 100% τα λεπτά αιωρούμενα κολλοειδή, όπως βακτηρίδια, ιούς, πυριτικό οξύ, άργιλο, κ.λ.π.
Ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής τους και το πολυμερές συστατικό που χρησιμοποιείται, διακρίνονται σε ομοιογενείς και ετερογενείς μεμβράνες. Η εσωτερική δομή των μεμβρανών, όπως αυτή παρατηρείται στην επιφάνεια μιας διατομής είναι ιδιαίτερης σημασίας για την αξιολόγηση της μεμβράνης. Η δομή της επιφάνειας του υμένα καθορίζει την περατότητα και την εκλεκτικότητα της μεμβράνης, ενώ η εσωτερική δομή της όλης μεμβράνης αφορά στην μηχανική της αντοχή.
Ως προς την εσωτερική μορφή οι μεμβράνες διακρίνονται σε: ομογενείς, ασύμμετρες, σύνθετες και ασύμμετρες με επιφανειακό λεπτό υμένα. Στην μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης για την αφαλάτωση του νερού, οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες μεμβράνες είναι οι ασύμμετρες και οι σύνθετες. Ο δραστικός υμένας στις ασύμμετρες μεμβράνες σχηματοποιείται μόνο από οξική κυτταρίνη, CA, πολυαμίδες, ΡΑ, και πολυιμίδες, PI. Αντίθετα η δραστική στοιβάδα στις σύνθετες μεμβράνες παρασκευάζεται από μία μεγάλη ποικιλία πολυμερών ουσιών που σχηματίζουν χυνόμενα λεπτά στρώματα, όπως π.χ οξική κυτταρίνη, CA, πολυαμίδες, ΡΑ, πολυακριλο-νιτρίλια, ΡΑΝ, πολυσουφλόνες, PS, φθοριούχο πολυβινυλιδένιο, PVDF, πολυβινύλ-ιμυδαζολίνη, PVI, κλπ.
Οι μεμβράνες παρασκευάζονται από οργανικές πολυμερείς ενώσεις και είναι πολύ λεπτές και εύθραυστες, για αυτό τον λόγο μορφοποιούνται, με την βοήθεια διαφόρων στηριγμάτων, σε μονάδες οι οποίες ονομάζονται στοιχεία μεμβρανών (modules). Κατά την παρασκευή τους σχηματοποιούνται σε δύο μορφές: σε επίπεδο σχήμα και σε σωληνωτή μορφή με διάμετρο από 85 mm έως 2.54 cm (1 inch).
Για τις διεργασίες υπό πίεση υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι στοιχείων μεμβρανών που ανάλογα με την κατασκευαστική εταιρία παρουσιάζουν τεχνολογικές διαφορές, η βασική όμως αρχή της λειτουργίας τους παραμένει η ίδια. Οι τέσσερις τύποι των στοιχείων είναι: στοιχεία μεμβρανών ελικοειδούς περιέλιξης (spiral wound module), στοιχεία κοίλων ινών (hollow fiber module), σωληνοειδή στοιχεία (tubular module) και δισκοειδή στοιχεία (Platte and frame modules). Οι δύο πρώτοι τύποι στοιχείων έχουν την ευρύτερη εφαρμογή στην αντίστροφη ώσμωση για την παραγωγή καθαρού νερού από αλμυρά ή θαλάσσιο νερό.
Τα στοιχεία της σπειροειδούς περιέλιξης πρωτοεμφανίστηκαν στο εμπόριο στις αρχές της δεκαετίας του 70 και αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό των εγκαταστάσεων αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση. Τα σημερινά στοιχεία αποτελούνται από πολλές επίπεδες μεμβράνες, οι οποίες ανά δύο συγκολλούνται από τις τρεις πλευρές σχηματίζοντας ένα είδος φακέλου.
Μεταξύ των μεμβρανών τοποθετείται ένα στήριγμα από πορώδες υλικό, το οποίο συγκρατεί τις δύο μεμβράνες χωριστά εμποδίζοντάς τες να ενωθούν υπό την επικρατούσα πίεση, συγχρόνως δε, βοηθούν στην καλή κατανομή της ροής του καθαρού νερού ώστε να ρέει ομοιόμορφα μεταξύ των μεμβρανών και να εξάγεται από το άνοιγμα του φακέλου. Το στήριγμα αποτελείται συνήθως από ένα πλέγμα από ντακρόν, το οποίο εμποτίζεται με μια ρητίνη. Οι δύο άκρες των μεμβρανών του ανοικτού τμήματος προσκολλώνται σε ένα σωλήνα με ανοίγματα, από όπου απομακρύνεται το καθαρό νερό.
Συνήθως έως 26 φάκελοι μεμβρανών με στηρίγματα ή όπως αλλιώς ονομάζεται «σάντουιτς» τοποθετούνται στο κεντρικό σωλήνα. Οι φάκελοι χωρίζονται μεταξύ των από ένα πλαστικό πλέγμα γνωστό ως «χώρισμα» του καναλιού της άλμης. Το σύστημα των φακέλων και των χωρισμάτων τυλίγονται γύρω από τον κεντρικό σωλήνα σχηματίζοντας, σε σχήμα κυλίνδρου, την σπειροειδή περιέλιξη. Τα στοιχεία των μεμβρανών έχουν συνήθως μήκος 30.5 έως 152 cm με διάμετρο 5.1 έως 30.5 cm (12.0 έως 60 inch και διάμετρο 2 έως 12 inch).
Δύο έως και έξι στοιχεία μεμβρανών συνδυάζονται εν σειρά σε ένα κυλινδρικό σωλήνα πίεσης, από ειδικό πλαστικό ή μέταλλο σχηματίζοντας ένα στοιχείο αντίστροφης ώσμωσης το οποίο λειτουργεί σε πίεση έως 70 bar. Τα στοιχεία των μεμβρανών χαρακτηρίζονται από μεγάλη πυκνότητα περιέλιξης, η οποία ανέρχεται σε περίπου 600 m2 επιφάνεια μεμβράνης ανά m3 όγκου σωλήνα πίεσης. Το συνηθέστερο μήκος ενός στοιχείου αντίστροφης ώσμωσης είναι 6.1 m (240 inch). Οι μεμβράνες της οξικής κυτταρίνης έχουν γενικά μικρότερο κόστος, συνήθως έως 30% για το ίδιο μέγεθος, σε σύγκριση με τις σύνθετες λεπτού υμένα και είναι επιπλέον ανθεκτικές στην χλωρίωση. Παρουσιάζουν όμως ορισμένα μειονεκτήματα όπως π.χ.: βιολογική αποσάθρωση (biodegradation) η οποία είναι αποτέλεσμα της συσσώρευσης και της προσβολής της μεμβράνης από τα διάφορα μικρόβια τα οποία περιέχονται στο νερό τροφοδότησης.
Η αποσάθρωση αποφεύγεται με την διαρκή χλωρίωση του νερού τροφοδότησης. Αντέχουν σε θερμοκρασίες έως 35 οC. Σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες υφίσταται ισχυρή συμπίεση των πόρων τους, με αποτέλεσμα να ελαττώνεται η απόδοσή τους. Υδρολύονται από τα οξέα ή τα αλκάλια του νερού ή του διαλύματος. Συνήθως τα επιτρεπόμενα όρια του pH είναι 3 έως 8, το pH όμως της λειτουργίας τους περιορίζεται γύρω στα 4.7 όπου παρατηρείται η μικρότερη υδρόλυση των μεμβρανών.
Η έκπλυση των μεμβρανών γίνεται επίσης, από νερό με pH γύρω στα 4.7. Η υδρόλυση των μεμβρανών έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της απόδοσης λειτουργίας τους. Η αναπόφευκτη μερική υδρόλυση των μεμβρανών οξικής κυτταρίνης, ως αποτέλεσμα μακρόχρονης χρήσης τους σε υψηλές πιέσεις, ελαττώνει την ικανότητα της απόρριψης των αλάτων του νερού με αποτέλεσμα το αφαλατωμένο νερό να αυξάνει σε περιεχόμενα άλατα.
Αντίθετα σύνθετες μεμβράνες λεπτού υμένα έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα λειτουργίας σε σύγκριση με τις μεμβράνες οξικής κυτταρίνης. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία επιλογής στο εμπόριο, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας που επιδιώκονται. Δεν προσβάλλονται από τα μικρόβια του νερού ακόμα και σε περιπτώσεις όπου λόγω ευνοϊκών συνθηκών αναπτύσσονται αποικίες μικροβίων στην επιφάνειά τους. Παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή στην υδρόλυση. Η ιδιότητα αυτή επιτρέπει την λειτουργία της αντίστροφης ώσμωσης και την έκπλυση των μεμβρανών σε pH 1 έως 12.0.
Λόγω της αντίστασης που παρουσιάζουν στην υδρόλυση έχουν σταθερή απόρριψη αλάτων η οποία ελαττώνεται ελάχιστα μετά από μακροχρόνια χρήση. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους είναι 45 οC χωρίς να παρατηρείται ουσιώδης συμπίεση των πόρων της μεμβράνης. Με χρησιμοποίηση υποστηριγμάτων από ειδικό πορώδες πλαστικό η θερμοκρασία λειτουργίας φθάνει τους 65 οC χωρίς σημαντική συμπίεση των πόρων. Πολλές από τις σύνθετες μεμβράνες λεπτού υμένα λειτουργούν με τις βέλτιστες συνθήκες ροής, ιδιότητα που έχει σαν συνέπεια την ελάττωση του κόστους ενέργειας εφόσον λειτουργούν με μικρότερες πιέσεις.
Οι μεμβράνες λεπτού υμένα παρουσιάζουν δύο μειονεκτήματα: Δεν έχουν καμιά αντοχή στο χλώριο. Νερά τα οποία έχουν υποστεί προκατεργασία με χημικά που περιέχουν χλώριο πρέπει να εξουδετερώνονται με διθειούχο νάτριο ή να διηθούνται από ενεργό άνθρακα. Η ιδιότητα αυτή παρουσιάζεται με διαφορετική κλιμάκωση της αντοχής σε περιεχόμενο χλώριο στις διάφορες μεμβράνες. Έχουν υψηλό κόστος αγοράς, συγκρινόμενες με τις μεμβράνες οξικής κυτταρίνης.
Οι μεμβράνες σε μορφή κοίλων ινών, όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, πρωτοπαρουσιάστηκαν από την Dow Chemical Co., για αλμυρά και υφάλμυρα. Λίγο αργότερα, γύρω 1974, η εταιρία Du Pont de Nemours, παρουσίασε μεμβράνες κοίλων ινών από αρωματικές πολυαμίδες τις οποίες ονόμασε «αραμίδες» (aramide). Οι νέες μεμβράνες είχαν την εξωτερική διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας, το πλεονέκτημα να είναι σταθερές και να αποτελούν οι ίδιες οι ίνες ένα σωλήνα υψηλής πίεσης. Οι μεμβράνες αραμίδης χρησιμοποιήθηκαν στην αφαλάτωση του θαλάσσιου νερού με την μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης.
Οι μεμβράνες αραμίδης έχουν εξωτερική διάμετρο dεξ=80 έως 100 μm και εσωτερική dεσ.=40 έως 50 μm με σχέση dεξ./dεσ. = 1:2, είναι ασύμμετρες και αποτελούνται από ένα εξωτερικό λεπτό υμένα ο οποίος σχηματίζει την ενεργό επίστρωση της μεμβράνης, ενώ το υπόλοιπο πάχος του σωλήνα χρησιμεύει ως πορώδες υποστήριγμα του λεπτού υμένα. Όλος ο σωλήνας είναι μορφοποιημένος από αραμίδη και παρουσιάζει μεγάλη ανοχή στην πίεση ώστε οι ίνες να μην χρειάζονται υποστήριγμα.
Η μεταφορά του νερού είναι από την εξωτερική πλευρά του υμένα προς την εσωτερική κοιλότητα των ινών. Εκατοντάδες χιλιάδες λεπτές κοίλες ίνες σχηματίζουν ένα κυλινδρικό θύσανο, τοποθετημένο σε ένα σωλήνα πίεσης. Το σύνολο αποτελεί ένα στοιχείο αντίστροφης ώσμωσης λεπτών κοίλων ινών (fine hollow fiber module) ή όπως ονομάστηκε έναν διαχωριστή (permeator) . Ανάλογα με την κατασκευή του στοιχείου η πυκνότητα των κοίλων ινών κυμαίνεται από 500 m2 / m3 για μεμβράνες διαφόρων οργανικών συνθέσεων έως 5000 m2 / m3 για τις μεμβράνες αραμίδης. Η πίεση λειτουργίας ανέρχεται στα 70 bar.
Τα σωληνωτά στοιχεία χρησιμοποιούνται σήμερα ελάχιστα για την αφαλάτωση νερών με αντίστροφη ώσμωση γιατί έχουν αντικατασταθεί από αυτά της ελικοειδούς περιέλιξης και των κοίλων ινών. Στην αντίστροφη ώσμωση χρησιμοποιούνται για την συμπύκνωση και τον καθαρισμό διαλυμάτων με αιωρούμενα στερεά, π.χ. για την συμπύκνωση φρουτοχυμών, ενώ η κύρια εφαρμογή των είναι στην υπέρ - και μικροδιήθηση.
Τα στοιχεία μεμβρανών με δίσκους και πλαίσια αποτελούνται από επίπεδες μεμβράνες οι οποίες τοποθετούνται ανάμεσα σε δίσκους σχηματίζοντας ένα «σάντουιτς». Οι δίσκοι τοποθετούνται αλλεπάλληλα σε κατακόρυφη διάταξη και χωρίζονται μεταξύ τους από πλαίσια τα οποία φέρουν κανάλια για την κυκλοφορία του νερού. Το όλο σύστημα τοποθετείται σε ένα κατακόρυφο σωλήνα πίεσης.
Οι κατακόρυφες αυτές στοιβάδες από μεμβράνες δίσκους και υποστηρίγματα κλείνουν με δύο φλάντζες, από μια σε κάθε άκρο και σταθεροποιούνται με την βοήθεια ενός μπουλονιού τοποθετημένου στο κέντρο του συστήματος. Το στοιχείο αντίστροφης ώσμωσης έχει μία διάταξη παρόμοια με φιλτροπρέσα ή παρόμοια με τα κατακόρυφα κελιά της ανάστροφης ηλεκτροδιάλυσης.
Tων Essam sh. Mohamed Δρος. Γεωπόνου, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών και Γιώργου Παπαδάκη καθηγητή, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών
ΠΗΓΗ: www.kykladesnews.gr/
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου