تولید آب فوق خالص

آب فوق خالص(Ultra Pure Water) به آبی گفته می شود که با حذف یونهای محلول در آب، هدایت الکتریکی آن وابسته به نوع کاربرد به مقادیر کمتر از یک یا نیم میکرو زیمنس بر سانتیمتر کاهش پیدا کرده باشد. همزمان با کاهش هدایت الکتریکی، مقاومت الکتریکی آب افزایش پیدا می کند. مقاومت الکتریکی آب فوق خالص در کاربریهای مختلف بیش از ۱۰ مگا اهم بر سانتیمتر است. شرکت دانش بنیان فران طراح و تولید کننده واحدهای تولید کننده آب فوق خالص با فرایندهای اسمز معکوس، تبادل یون و EDI می باشد.

آب فوق خالص یکی از نیازمندیهای اصلی شرکتهای داروسازی جهت ساخت دارو، صنایع تولید کننده تجهیزات دقیق الکترونیکی، صنایع تولید سلولهای خورشیدی، تولید محصولات درمانی و فعالیتهای آزمایشگاهی است. فرایند خالص سازی آب فوق خالص علاوه بر حذف کلیه آلودگیهای باکتریایی، میکربی، ویروسی و بیولوژیک، تقریباً تمامی یونهای محلول در آب را نیز حذف می کند. از اینرو هدایت الکتریکی آب به شدت کاهش یافته و بتبع آن مقاومت الکتریکی آب به شدت افزایش می یابد.

 شاخص های کیفی آب برای مصارف مختلف

معیارهای سنجش خلوص آب برای مصارف و کاربردهای مختلف متفاوت است. خصوصیات فنی آب مصرفی در کابردهای کشاورزی، صنعتی، شرب، دارویی و غیره تفاوتهای بسیاری با یکدیگر دارد. از اینرو تعریف ناخالصی آب در مصارف کشاورزی با ناخالصی آب در مصارف شرب از نظر علمی متفاوت است.

خلوص آب از چهار منظر فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و میکربی قابل سنجش است. شاخصهای فیزیکی به طور عمده معطوف به وجود ذرات معلق نامحلول در آب می باشد. شاخصهای سنجش کیفیت آب از منظر شیمیایی نیز عمدتاً ناظر بر مشخصات کمی و کیفی ترکیبات شیمیایی و یونهای محلول در آب می باشد.

شاخصهای بیولوژیکی و میکربی آب سنجش کیفیت و کمیت ترکیبات آلی، پاتوژنهای بیماری زا، باکتریها و دیگر میکروارگانیسم های موجود در آب را انجام می دهند. معیارهای پذیرش شاخصهای کیفی آب برای مصارف مختلف متفاوت است.

ناخالصی های محلول در آب

شاخص های مربوط به سنجش کیفیت آب از نظر ترکیبات یا ناخالصی های محلول در آب در مصارف مختلف با یکدیگر متفاوت است. منابع آبی مختلف حاوی مقادیر مختلفی از یونهای محلول از منظر ویژگیهای کیفی شیمیایی آب هستند. یونهای محلول در آب، اتمها یا ملکولهای بارداری هستند که تشکیل دهنده ترکیبات شیمیایی یا نمکهای معدنی موجود در آب می باشند که با افزایش میزان شوری آب، جِرم یا مقدار یونهای محلول در آب افزایش می یابد.

وجود یونهای محلول در آب به معنای آلودگی آب با ترکیبات محلول نیست. بسیار از ترکیبات شیمیایی و معدنی محلول در آب آشامیدنی برای سلامت انسان ها مفید هستند. به عنوان مثال بخشی از نیازمندی بدن انسان به عناصری نظیر کلسیم، منیزیم، بور و غیره از آب آشامیدنی تأمین می شود.

در کاربردهای صنعتی و دارویی، محدودیتهایی بر وجود یونهای محلول در آب از حیث کمی و کیفی وجود دارد. به عنوان مثال وجود یونهای محلول عامل سختی مثل کلسیم و منیزیم در آب، پتانسیل رسوب گذاری آب را افزایش می دهد که منجر به افزایش ملاحظات و هزینه های بهره برداری و نگهداری در صنایع مختلف می شود. در صنایع دارویی نیز تولید آب با خلوص بالا به معنای کاهش غلظت یونهای محلول تا معیار پذیرش با توجه به نوع کاربرد دارد.

یونهای محلول در آب با توجه به بار الکتریکی خود به یونهای کاتیونی(بار مثبت) و یونهای آنیونی(بار منفی) تقسیم می شوند. یونهای کاتیونی و آنیونی با بارهای مختلف مثبت و منفی در آب وجود دارند. جدول زیر برخی از یونهای کاتیونی و آنیونی شاخص موجود در آب را نشان می دهد.


شرکت فران طراحی و تولید کننده واحد تولید آب فوق خالص برای مضارف دارویی، صنعتی و آزمایشگاهی با فناوری های نوین پالایش آب می باشد.


خصوصیات کیفی آب فوق خالص

مشخصات کیفی آب فوق خالص در کاربریهای مختلف از حیث هدایت و مقاومت الکتریکی، عناصر و ترکیبات محلول با یکدیگر متفاوت است. ولی به زبان ساده، آب فوق خالص عاری از هر گونه ناخالصی است. آبی که در آن تنها ملکوهای آب به صورت یونهایH+  و OH در تعادل الکتریکی با یکدیگر وجود دارند و تقریباً کلیه ناخالصی ها اعم از ذرات محلول و نامحلول از آن حذف شده است.

استاندارهای مورد پذیرش آّب فوق خالص در صنایع مختلف نظیر صنایع تولید محصولات الکترونیک، سلولهای خورشیدی فوتوولتاییک، نیمه هادی ها، صنایع نیروگاهی و صنایع دارویی با یکیدیگر متفاوت است.

هدایت الکتریکی آب مهمترین و متداول ترین شاخص سنجش کیفیت آب فوق خالص می باشد. هدایت الکتریکی آب با واحد میکرو زیمنس بر سانتیمتر(μS/cm, uS/cm) اندازه گیری و گزارش می شود. هدایت الکتریکی آب مناسب برای مصارف شرب کمتر از ۷۵۰ میکرو زیمنس بر سانتیمتر است و هدایت الکتریکی آب دریاها بالاتر از ۵۰۰۰۰ میکرو زیمنس بر سانتیمتر می باشد.

جدول زیر ویژگیهای فنی آب فوق خالص را برای برخی از مصارف دارویی و آزمایشگاهی نشان می دهد.(توجه کنید که مشخصات فنی آب فوق خالص مورد نیاز در برخی از کاربردهای دارویی با این جدول کمی متفاوت باشد.)

1مشخصه فنیمقدار
2هدایت الکتریکیکمتر از یک میکرو زیمنس بر سانتیمتر
3مقاومت الکتریکیبیشتر از ده مگا اهم بر سانتیمتر
4مجموع کربن آلی(TOC)کمتر از 0.5 میلیگرم بر لیتر
5شمارش باکتریایی 10CFU/ml >
6اندوتوکسین ها(endotoxins)صفر(غیر قابل تشخیص آزمایشگاهی)
7نیتراتکمتر از 0.1 میلیگرم بر لیتر
8آلومینیومصفر(غیر قابل تشخیص آزمایشگاهی)

مقایسه هدایت الکتریکی آب فوق خالص با آب آشامیدنی نشان می دهد که آب فوق خالص خلوصی به میزان ۱۰٫۰۰۰ برابر آب آشامیدنی دارد. ار اینرو قابلیل اطمینان فرایندهای تولدی آب فوق خالص برای حصول خلوص بالا تعیین کننده می باشد.

 

کاربردهای آب فوق خالص

با توجه به کیفیت بالای آب فوق خالص این نوع آب در صنایع و کاربریهای محدودی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از:

  • صنایع تولید نیمه هادی ها(Semiconductor fabrication)
  • صنایع دارویی(Pharmaceutical)
  • تولید سلولهای خورشیدی(Solar Photovoltaic)
  • صنایع نیروگاهی(Powerplant)
  • خنک کاری تجهیزات پیچیده صنعتی(Water cooling system)
  • آزمایشگاه های تحقیقاتی(Research Laboratories)

در کشور ما صنایع دارویی بیشترین مصرف کننده آب فوق خالص هستند. آب فوق خالص در صنایع دارویی اغلب با فرایندهای حرارتی تولید می شود. ولی استفاده از فناوریهای نوین پالایش آب برای تولید آب فوق خالص علاوه بر هزینه سرمایه گذاری اولیه پایینتر، مصرف انرژی بسیار کمتر و بالتبع آن هزینه های بهره برداری پایینتر دارد.

شرکت مهندسی فرایندهای نوین تولید آب فوق خالص با هزینه سرمایه گذاری و بهره برداری پایینتر برای صنتایع دارویی پیشنهاد می کند.

 

هدایت و مقاومت الکتریکی آب فوق خالص

آب فوق خالص به دلیل کاهش یونهای محلول در آب  به عنوان انتقال دهنده های جریان الکتریکی، هدایت الکتریکی بسیار پایینی دارد. هدایت الکتریکی آب عموماً با واحد میکرو زیمنس بر سانتیمتر اندازه گیری و گزارش می شود.

هدایت الکتریکی آب فوق خالص در کاربردهای مختلف متفاوت است. ولی در استاندارهای مختلف، آب با هدایت الکتریکی بالاتر از ۱٫۲ میکروزیمنس بر سانتیمتر، آب فوق خالص شناخته نمی شود. شایان ذکر است که در صنایع حساس تولید نیمه هادی ها، شاخص کیفی مورد نیاز برای هدایت الکتریکی آب فوق خالص کمتر از ۰٫۵ میکروزیمنس بر سانتیمتر می باشد

مقاومت الکتریکی آب رابطه معکوسی با هدایت الکتریکی آن دارد. همانطور که با کاهش یونهای محلول در آب، هدایت الکتریکی آب کاهش پیدا می کند، مقاومت الکتریکی آن افزایش پیدا می کند. بنابراین مقاومت الکتریکی یکی از شاخص های سنجش میزان خلوص آب فوق خالص است. مقاومت الکتریکی آب با واحد مگا اهم بر سانتمیتر(MΩ-cm) اندازه گیری می شود.

مقاومت الکتریکی آب فوق خالص با توجه به معیارهای پذیرش هر صنعت متفاوت است. ولی در استاندارهای مختلف، مقاومت الکتریکی آب فوق خالص از ۸ تا ۱۸٫۲ مگا اهم بر سانتیمتر تعیین می شود.

تولید آب فوق خالص(UPW)

فرایندهای تولید آب فوق خالص همانند تولید آب دیونیزه به دو گروه فرایندهای حرارتی و غیر حرارتی تقسیم می شود. فرایندهای حرارتی بر مبنای تبخیر و تقطیر آب را خالص سازی می کنند.

در فرایندهای غیر حرارتی، خلوص آب از طریق کاهش یا حذف ترکیبات محلول و نامحلول افزایش می یابد. فرایندهای غیر حرارتی تولید آب فوق خالص عمدتاً به سه بخش پیش تصفیه، تصفیه و تصفیه نهایی تقسیم می شود.

تولید فوق خالص و کاهش یونهای محلول و هدایت الکتریکی آب مستلزم حذف آلاینده های نامحلول در بخش پیش تصفیه است. ورود آلاینده های نامحلول اعم از BOD، COD، روغن، ذرات معلق و آلاینده های بیولوژیکی به بخش تصفیه اصلی منجر به آسیب به ممبرانها و رزینهای تبادل یون می شود که جداسازی آنها در بخش پیش تصفیه ضروری است.

تولید آب فوق خالص در بخش اصلی تصفیه عمدتاً معطوف به کاهش یونهای محلول در آب می باشد. فرایندهای تبادل یون و اسمز معکوس مهمترین و متداول ترین فرایندهای کاهش یونهای محلول در آب هستند که در بخش تصفیه میانی به کار گرفته می شوند.

در مرحله تصفیه نهایی هدایت الکتریکی آب تا معیارهای پذیرش کاهش پیدا می کند. حصول کیفیت آب فوق خالص در بخش تصفیه نهایی با بهره گیری از بستر مختلط تبادل یون(Mixed bed ion exchange) و (Electrodeionization) EDI امکان پذیر است.

 

تولید آب فوق خالص با فرایند اسمز معکوس

فرایند اسمز معکوس به عنوان تجاری ترین فرایند شیرین سازی آبهای شور و کاهش یونهای محلول شناخته می شود. فرایند انتقال جرم میان دو محلول با غلظتهای مختلف و از غلظت کمتر به غلظت بیشتر با اعمال فشار از طریق غشای نیمه تراوا یا ممبران را اسمز معکوس می نامند.

شرکت مهندسی فران براساس آنالیز آب ورودی به واحد اسمز معکوس، فرایند نمک زدایی را طراحی و پکیج اسمز معکوس را تولید می کند. پیش از ورود آب به بخش اسمز معکوس ضروری است که آب خام به بخش پیش تصفیه وارد شود. در این بخش ذرات معلق نامحلول، روغن و آلودگی های بیولوژیکی تا میزان مورد پذیرش ممبرانهای اسمز معکوس از آب جدا می شوند. طراحی مناسب و کارایی بخش پیش تصفیه تأثیر مهمی بر عملکرد فرایند اسمز معکوس و طول عمر ممبرانها دارد.

آب خروجی از بخش پیش تصفیه با فشار بالا و متناسب با میزان هدایت الکتریکی و یونهای محلول در آب به غشای نیمه تراوا وارد می شود. جریان ورودی به ممبرانهای اسمز معکوس به دو جریان آب با هدایت الکتریکی پایین(Permeate) و شورابه(Concentrate) تقسیم می شود. نسبت دبی جریان تولیدی به دبی ورودی که درصد بازیابی فرایند نام دارد، به طراحی فرایند اسمز معکوس بستگی دارد.

فرایند اسمز معکوس با طراحی یکبار گذر(Single Pass) توانایی کاهش هدایت الکتریکی آب را تا معیارهای پذیرش آب فوق خالص برای کاربریهای مختلف ندارد. حتی بکارگیری گذر دوم اسمز معکوس(Second Pass) نیز قابلیت کاهش هدایت الکتریکی آب به مقادیر کمتر از ۰٫۵ میکروزیمنس بر سانتمیتر را ندارد. از اینرو ترکیب فناوری اسمز معکوس با فرایندهای پولیشینگ برای دستیابی به استانداردهای کیفیت آب فوق خالص اجتناب ناپذیر است.

تولید آب فوق خالص

 

فرایند تبادل یون در تولید آب فوق خالص

فرایند تبادل يون(Ion Exchange)، به فرآيند تبادل يونهاي موجود در دو محلول گفته می شود. در مقاصد تصفیه آب، تبادل یونهای محلول در آب با یونهای محصور در رزینهای تبادل یون انجام می شود. رزینهای  مبادله کننده یونهای با بار منفی، رزینهای آنیونی و رزینهای حاوی یونهای با بار مثبت، رزینهای کاتیونی نامیده می شوند.

برای تولید آب فوق خالص یونهای کاتیونی موجود در آب اعم از سدیم، کلسیم ، منیزیم و غیره با یون هیدروژن موجود در رزین کاتیونی مبادله می شوند. یونهای آنیونی موجود در آب نیز مانند کلر، نیترات،  بی کربنات، کربنات و غیره نیز با یون هیدروکسید موجود در رزین آنیونی مبادله می شوند. بدین ترتیب یونهای ایجاد کننده هدایت الکتریکی آب با یونهای هیدروژن و هیدروکسید که عناصر تشکیل دهنده آب خالص هستند، مبادله می شوند. بنابراین هدایت الکتریکی آب کاهش پیدا می کند.

تبادل كاتيونها و آنيونهاي موجود در آب به طور همزمان(یا مجزا) به وسيله مخلوطي از رزينهاي تبادلي يوني كاتيوني و آنيوني در دو ستون مجزا انجام مي پذیرد. در ستون رزینهای کاتیونی، ترکیب رزینهای کاتیونی اسیدی ضعیف(WAC) با اسیدی قوی(SAC) و در ستون تبادل یون آنیونی ترکیب رزینهای آنیونی بازی قوی(SBA) و ضعیف(WBA) دارای مزیتهای متعدد است. در صورت انتخاب صحیح رزینهای هر ستون، استفاده از ترکیب رزینهای نشان داده شده در تصویر دارای مزایای ذیل است:

ستون رزینی

  • افزایش ظرفیت تبادل یون و راندمان احیا به دلیل بکارگیری رزینهای اسیدی و بازی ضعیف
  • امکان احیای هر دو رزین قوی و ضعیف با یک ماده شیمیایی
  • کاهش سطح اشغال
  • کاهش هزینه سرمایه گذاری اولیه
  • کاهش هزینه های بهره برداری

 

فرایند تبادل یون در یک مرحله و در قالب ستونهای رزین بستر مختلط(Mixed Bed) نیز امکان پذیر است. البته استفاده از بستر مختلط رزین معمولاً در تصفیه نهایی و Polishing مورد استفاده قرار می گیرد. در ستونهای بستر مختلط رزینهای جفت کاتیونی و آنیونی که سازگار با یکدیگرند، به صورت مختلط مورد استفاده قرار می گیرند. مزایای استفاده از ستونهای بستر مختلط عبارتند از:

  • کیفیت بالای آب خروجی
  • بهره برداری آسان
  • هزینه سرمایه گذاری اولیه پایین

ظرفیت مبادله یون رزین ها در با گذر زمان و عملیات مبادله یون تدریجاً کاهش پیدا می کند. این بدان معناست که پس از مدتی از انجام عملیات، رزینهای کاتیونی توانایی مبادله یون هیدروژن و رزینهای آنیونی قابلیت تبادل یون هیدروکسید را ندارند. در این شرایط بستر رزینی به اصطلاح اشباع شده است.

در صورت اشباع شدن رزین ها، فرایند احیای رزین ها(Regeneration) با استفاده از شستشو با محلول اسید و باز انجام می شود. در فرایند احیا یونهای هیدروژن و هیدروکسید مجدد به رزینهای کاتیونی و آنیونی بازگردانده می شوند تا قابلیت مبادله یون بازیابی شود. نوع، غلظت و دبی اسید یا باز وابسته به نوع و حجم رزین به کار رفته در واحد دیونایزر است.

شرکت مهندسی فران، طراح و تولید کننده دیونایزرهای صنعتی در کاربریهای مختلف صنعتی و واحدهای تولید آب فوق خالص است.

 

تولید آب فوق خالص با یون زدایی الکتریکی(EDI)

تجهیز EDI(Electrodeionization) فناوری دهه اخیر تولید آب فوق خالص با بهره گیری از فرایند تبادل یون می باشد. فناوری EDI ترکیب فرایند الکترودیالیز و تبادل یون با هدف احیای رزین ها بدون استفاده از مواد شیمیای است. در این فرایند رزینهای کاتیونی و آنیونی به صورت غیر مستقیم با استفاده از جریان الکتریکی مستقیم(DC) احیا می شوند

دستگاه EDI مشتمل بر رزین های کاتیونی، رزینهای آنیونی، الکترودها(کاتد و آند)، غشاهای جداسازی و مولد جریان الکتریکی مستقیم در قالب یک مجموعه به صورت صفحه ای یا استوانه ای توسط تولید کنندگان مختلف تولید می شود.

شرکت دوپونت معتبرترین و بزرگترین تولید کننده رزینهای تبادل یون کاتیونی، آنیونی، بستر مختلط و بی اثر در دنیا می باشد که دستگاه EDI را نیز در مدل های مختلف تولید می کند.


شرکت مهندسی فران وارد کننده و تأمین کننده رزین های تبادل یونی و دستگاه های EDI از شرکت دوپونت می باشد.


ماژول های EDI تولید شده توسط شرکت دوپونت به صورت استوانه ای بوده و از رزینهای تبادل یون دوپونت برای خالص سازی آب استفاده می کند. طراحی ویژه EDI دوپونت علاوه بر دستیابی به راندمان بالا، کاهش وزن ماژول و حذف هر گونه نشتی را به دنبال داشته است.

یکی از ماژول های EDI  ساخت شرکت دوپونت، مدل  EDI-310ld می باشد که به ‌صورت یک استوانه عمودی به قطر حدودی ۳۰ سانتیمتر و ارتفاع ۹۰ سانتیمتر با وزن ۴۳ کیلوگرم می باشد. این ماژول دارای دو اتصال ورودی در پایین، سه اتصال خروجی در بالا و یک اتصال در بدنه جانبی در قسمت فوقانی می باشد.

آب ورودی به دستگاه EDI شرکت دوپونت با درصد بازیابی ۹۰ تا ۹۵ درصد وابسته به کیفیت آب ورودی (خصوصأ میزان سختی) به آب فوق خالص تبدیل می شود. چنانچه سختی آب ورودی از ۰٫۱ تا  ۰٫۵ میلیگرم بر لیتر باشد، درصد بازیابی دستگاه EDI  تا ۹۰ درصد و اگر سختی آب کمتر از  ۰٫۱ میلیگرم بر لیتر باشد، درصد بازیابی آب تا ۹۵ درصد قابل افزایش خواهد بود.

 

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده واحدهای تولید آب دیونیزه و آب فوق خاص برای مصارف دارویی و صنعتی است. برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرید.

4.6/5 - (9 امتیاز)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *